RU2567870C1 - Transformer with three-phase and circular windings - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: transformer with three-phase and circular windings is formed of two parts: outer and inner magnet cores containing different number of semi-closed slots, not multiple to each other. The slots are made to full height of coil groups. The three-phase and circular windings are placed in grooved slots of inner and outer magnet cores respectively and made as drum-type double-layer winding of the coil height, they have fractional number of slots per a pole and phase and shortened pitch. Magnetic axis of the circular winding is inclined towards magnetic axis of the three-phase winding per one slot pitch of inner or outer magnet core.

EFFECT: increased efficiency and power factor, suppression of higher spatial harmonic components of magnetic field, reduced consumption of material due to improved cooling.

7 dwg

Description

Область использованияArea of use

Изобретение относится к трансформаторостроению и может быть использовано в многофазных полупроводниковых преобразователях, в частности в выпрямителях, инверторах, обратимых преобразователях, преобразователях постоянного напряжения и т.д. The invention relates to transformer construction and can be used in multiphase semiconductor converters, in particular in rectifiers, inverters, reversible converters, DC voltage converters, etc.

Уровень техники State of the art

Из уровня техники известен многофазный трансформатор с вращающимся магнитным полем, содержащий средний магнитопровод, шихтованный из пакетов разного профиля с пазами на торцевых, внутренних и боковых поверхностях, в которые уложены трехфазная и многофазная обмотки. Два крайних пакета среднего шихтованного магнитопровода имеют пазы на полную высоту катушечной группы. Центральная часть среднего шихтованного магнитопровода имеет пазы у наружной и внутренней поверхностей для укладки в них витков обмоток. Дополнительные магнитопроводы выполнены витыми без пазов. (Патент РФ №2305339, МПК H01F 30/14, Н02М 5/14, 2007 г.) К недостаткам данного аналога относятся следующие факторы:A multiphase transformer with a rotating magnetic field is known from the prior art, comprising a middle magnetic circuit, bursted from packets of different profiles with grooves on the end, inner and side surfaces, in which three-phase and multiphase windings are laid. Two extreme packages of the middle lined magnetic core have grooves to the full height of the coil group. The central part of the middle charged magnetic circuit has grooves at the outer and inner surfaces for laying winding coils therein. Additional magnetic cores are made twisted without grooves. (RF patent №2305339, IPC H01F 30/14, Н02М 5/14, 2007) The following factors are the disadvantages of this analogue:

- значительный зазор между магнитопроводами трансформатора, что в сочетании с геометрией паза и магнитной цепи приводит к нелинейному росту магнитодвижущей силы (МДС) обмотки на проведение необходимого магнитного потока;- a significant gap between the magnetic circuits of the transformer, which in combination with the geometry of the groove and the magnetic circuit leads to a nonlinear increase in the magnetomotive force (MDS) of the winding to conduct the required magnetic flux;

- наличие прямого открытого паза, вследствие чего в кривой магнитного поля появляются зубцовые гармонические составляющие с относительными частотами $${\nu }_Z=kZ/p\pm 1$$

,- the presence of a direct open groove, as a result of which tooth harmonic components with relative frequencies appear in the magnetic field curve $${\nu }_Z=kZ/p\pm \mathrm{one}$$

,

где k - числа натурального ряда (1, 2, 3, …); where k are the numbers of the natural number (1, 2, 3, ...);

Z - число пазов на магнитопроводе;Z is the number of grooves in the magnetic circuit;

р - число пар полюсов обмотки;p is the number of pairs of poles of the winding;

- отсутствие возможности осуществления скоса магнитного поля и магнитной оси обмотки, принимающей энергию из сети, относительно обмотки, отдающей энергию в нагрузку, в целях подавления проявления последствий наличия зубчатости магнитопроводов в кривых питающего и выходного напряжений в виде высших гармоник, не поддающихся ликвидации такими способами, как укорочение либо распределение обмотки по пазам;- the lack of the ability to oblique the magnetic field and the magnetic axis of the winding that receives energy from the network relative to the winding that gives energy to the load, in order to suppress the effects of dentate magnetic circuits in the supply and output voltage curves in the form of higher harmonics that cannot be eliminated by such methods, as a shortening or distribution of the winding in the grooves;

- низкий коэффициент использования электротехнической стали вследствие раннего насыщения магнитной системы при низких значениях МДС;- low utilization of electrical steel due to early saturation of the magnetic system at low MDS;

- зубцовые гармонические составляющие имеют большой размах (до 1,5 Тл), препятствуя росту основной гармоники магнитной индукции, что способствует значительному росту намагничивающего тока и снижению коэффициента мощности трансформатора.- tooth harmonic components have a large scale (up to 1.5 T), preventing the growth of the main harmonic of magnetic induction, which contributes to a significant increase in the magnetizing current and a decrease in the power factor of the transformer.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является многофазный трансформатор с вращающимся магнитным полем, содержащий средний витой магнитопровод с пазами на торцевых поверхностях, в которые уложены первичная трехфазная обмотка и два боковых витых магнитопровода с пазами на торцевых поверхностях, примыкающих к торцам среднего витого магнитопровода с многофазными обмотками, каждая из которых охватывает тот боковой магнитопровод, в пазы которого она уложена (Патент РФ №2115186, МПК H01F 30/14, Н02М 5/14, 1998 г.). Данное изобретение принято за прототип.The closest to the claimed invention in technical essence and the achieved result is a multiphase transformer with a rotating magnetic field, containing a middle twisted magnetic circuit with grooves on the end surfaces, in which the primary three-phase winding and two side twisted magnetic circuit with grooves on the end surfaces adjacent to the ends of the middle a twisted magnetic circuit with multiphase windings, each of which covers the side magnetic circuit in the grooves of which it is laid (RF Patent No. 2115186, IPC H01F 30 / 14, H02M 5/14, 1998). This invention is taken as a prototype.

К недостаткам прототипа можно отнести следующее:The disadvantages of the prototype include the following:

- применение в качестве выходной многофазной многолучевой обмотки, что усложняет технологию изготовления трансформатора с вращающимся магнитным полем, а также не способствует устранению высших гармоник определенной дискретной частоты (в зависимости от числа фаз обмотки), обусловленных насыщением стали и геометрией магнитной цепи, в кривых линейных напряжений;- application as an output multiphase multipath winding, which complicates the manufacturing technology of a transformer with a rotating magnetic field, and also does not contribute to the elimination of higher harmonics of a certain discrete frequency (depending on the number of winding phases) due to steel saturation and the magnetic circuit geometry in the linear voltage curves ;

- отсутствие возможности регулировать на этапе проектирования коэффициент распределения первичной обмотки независимо от вторичной, что оказывается необходимым в случаях проектирования трансформатора средней и большой мощности с малым воздушным зазором для обеспечения высокого коэффициента мощности работы трансформатора и преобразователя в целом;- the inability to adjust at the design stage the distribution coefficient of the primary winding regardless of the secondary, which is necessary in cases of designing a transformer of medium and high power with a small air gap to ensure a high power factor for the operation of the transformer and the converter as a whole;

- отсутствие возможности в отдельности задавать число пазов для обмотки, располагающейся на внешнем магнитопроводе, и для обмотки, располагающейся на внутреннем магнитопроводе, что оказывается необходимым при проектировании трансформаторов большой мощности при решении вопроса оптимального использования электротехнической стали с целью исключения сильных неоднородностей магнитного поля в ярме внешнего магнитопровода, замыкающего магнитную цепь, а также с целью минимизации показателя удельного расхода материалов на единицу передаваемой мощности;- the inability to individually set the number of grooves for the winding located on the external magnetic circuit and for the winding located on the internal magnetic circuit, which is necessary when designing transformers of high power when solving the problem of the optimal use of electrical steel in order to eliminate strong inhomogeneities of the magnetic field in the yoke of the external magnetic circuit, closing the magnetic circuit, as well as to minimize the rate of specific consumption of materials per unit of transmission available power;

- отсутствие возможности осуществления скоса магнитной оси первичной обмотки относительно вторичной в целях подавления проявления последствий наличия зубчатости магнитопроводов в кривых питающего и выходного напряжений в виде высших гармоник, не поддающихся ликвидации прочими способами;- the lack of the possibility of beveling the magnetic axis of the primary winding relative to the secondary in order to suppress the manifestation of the effects of dentate magnetic circuits in the supply and output voltage curves in the form of higher harmonics that are not amenable to elimination by other methods;

- применение открытых пазов в наружной и внутренней частях среднего шихтованного магнитопровода, что негативно сказывается на электромагнитной совместимости трансформатора с питающей сетью и нагрузкой;- the use of open grooves in the outer and inner parts of the middle lined magnetic core, which negatively affects the electromagnetic compatibility of the transformer with the mains and the load;

- наличие значительных магнитных потоков рассеяния в связи с намоткой обмоток по цилиндрической поверхности среднего витого магнитопровода, не имеющей пазов на боковой поверхности;- the presence of significant magnetic fluxes of scattering in connection with the winding of the windings on the cylindrical surface of the middle twisted magnetic circuit that does not have grooves on the side surface;

- применение трехфазной и круговой обмоток с диаметральным шагом, что не способствует значительной экономии меди из-за приближения к единице коэффициента укорочения по основной гармонике, однако в то же время негативно сказывается на качестве питающего и выходного напряжения;- the use of three-phase and circular windings with a diametrical pitch, which does not contribute to significant copper savings due to approaching the unit of the shortening factor for the fundamental harmonic, but at the same time negatively affects the quality of the supply and output voltage;

- применение дополнительных боковых витых магнитопроводов для замыкания магнитного поля лобовых частей, что существенно увеличивает массу, габариты и стоимость трансформатора, тогда как при симметричном в геометрическом отношении выполнении обмоток данное мероприятие не требуется вообще;- the use of additional side twisted magnetic cores for closing the magnetic field of the frontal parts, which significantly increases the mass, dimensions and cost of the transformer, whereas with the geometrically symmetrical execution of the windings this measure is not required at all;

- относительно низкие значения коэффициента полезного действия (кпд) и коэффициента мощности трансформатора, а также невозможность их увеличения в рамках существующей конструкции трансформатора;- relatively low values of the efficiency (efficiency) and power factor of the transformer, as well as the impossibility of increasing them within the existing transformer design;

- применение обмоток, имеющих целое число пазов на полюс и фазу, что не способствует подавлению высших гармоник магнитного поля в кривых индуцированных в обмотках эдс, а также приближает обмотку по своим электромагнитным параметрам к сосредоточенной, эффективность которой достаточно ограничена в ферромагнитных конструкциях, имеющих радиальную симметрию;- the use of windings having an integer number of grooves per pole and phase, which does not suppress the higher harmonics of the magnetic field in the curves induced in the windings of the emf, and also brings the winding in its electromagnetic parameters closer to concentrated, the effectiveness of which is quite limited in ferromagnetic structures having radial symmetry ;

- неэффективные условия охлаждения обмоток вследствие отсутствия канала для прохождения воздуха между первичной и вторичной обмотками.- ineffective cooling conditions of the windings due to the lack of a channel for the passage of air between the primary and secondary windings.

Задача изобретенияObject of the invention

Изобретение позволяет устранить основные недостатки прототипа. Новый трансформатор с вращающимся магнитным полем (ТВМП) превосходит прототип по линейности основной кривой намагничивания, кпд и коэффициенту мощности, а также по параметрам электромагнитной совместимости с питающей сетью и нагрузкой. Кроме того, снижаются габариты магнитопровода за счет исключения двух дополнительных боковых витых магнитопроводов, одновременно улучшается качество питающего и выходного напряжения преобразователя за счет изготовления шихтованного цилиндрического магнитопровода ТВМП с полузакрытым пазом, замены трехфазной и круговой силовой обмотки с диаметральным шагом на обмотки с укороченным шагом и дробным числом пазов на полюс и фазу, при этом число пазов на внутреннем Z₂ и внешнем магнитопроводах Z₁ выбирается различным и не должно составлять также кратные друг другу числа.The invention allows to eliminate the main disadvantages of the prototype. The new transformer with a rotating magnetic field (TWMP) surpasses the prototype in linearity of the main magnetization curve, efficiency and power factor, as well as in electromagnetic compatibility with the mains and the load. In addition, the dimensions of the magnetic circuit are reduced due to the elimination of two additional lateral twisted magnetic circuits, while the quality of the supply and output voltage of the converter is improved due to the fabrication of a TVMP charged cylindrical magnetic circuit with a half-closed groove, the replacement of a three-phase and circular power winding with a diametrical pitch with shortened pitch and fractional windings number of slots per pole and phase, with the number of grooves on the inner and outer Z ₂ Z ₁ is selected magnetic circuits different and should not be compiled as multiples of each other.

Данное мероприятие позволяет подавлять высшие пространственные гармонические составляющие магнитного поля за счет применения при намотке обмоток дробного числа пазов на полюс и фазу, вызывает снижение магнитных потоков рассеяния лобовых частей обмоток ТВМП и способствует увеличению его установленной мощности, повышению кпд до 95%, коэффициента мощности до 0,90, а также позволяет сократить удельный расход материалов за счет более тонкой подстройки обмоточных коэффициентов, которые при данной конструкции трансформатора в общем случае не зависят друг от друга.This event allows you to suppress the higher spatial harmonic components of the magnetic field due to the use of a fractional number of grooves per pole and phase when winding the windings, causes a decrease in the magnetic fluxes of scattering of the frontal parts of the TVMP windings and helps to increase its installed power, increase the efficiency to 95%, power factor to 0 , 90, and also allows to reduce the specific consumption of materials due to a finer adjustment of the winding coefficients, which, given the design of the transformer, generally depend on each other.

В заявляемом ТВМП также применяется оригинальное конструктивное решение, заключающееся в скосе магнитной оси трехфазной обмотки относительно магнитной оси круговой обмотки, что позволяет достигать высокой электромагнитной совместимости с питающей сетью и нагрузкой за счет компенсации зубцовых гармонических составляющих. Различное число пазов на внешнем и внутреннем магнитопроводах позволяет более тонко подбирать величину скоса, которая должна быть равна либо кратна зубцовому делению внешнего либо внутреннего магнитопровода так, чтобы обеспечить максимальное подавление высших гармоник в кривых первичных и/или вторичных эдс.The claimed TVMP also uses an original design solution, which consists in beveling the magnetic axis of the three-phase winding relative to the magnetic axis of the circular winding, which allows to achieve high electromagnetic compatibility with the mains and the load due to compensation of the tooth harmonic components. A different number of grooves on the external and internal magnetic circuits allows you to more finely select the bevel value, which should be equal to or a multiple of the tooth division of the external or internal magnetic circuit so as to ensure maximum suppression of higher harmonics in the curves of the primary and / or secondary emfs.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Сущность изобретения состоит в том, что магнитопровод ТВМП состоит из двух составных концентрических частей: круглого внутреннего магнитопровода, в проточенные полузакрытые пазы которого уложена круговая обмотка, и кольцевого внешнего магнитопровода, в полузакрытые пазы которого уложена трехфазная обмотка. Оба магнитопровода шихтуются из пластин электротехнической стали толщиной 0,5 либо 0,35 мм, имеющих электротехническое покрытие ЭТ, улучшающее штампуемость либо лазерную или гидроабразивную резку. The essence of the invention lies in the fact that the TVMP magnetic circuit consists of two concentric components: a round internal magnetic circuit, in the half-closed grooves of which the circular winding is laid, and an annular external magnetic circuit, in which the three-phase winding is laid in the half-closed grooves. Both magnetic cores are burdened from plates of electrical steel with a thickness of 0.5 or 0.35 mm, having an electrotechnical coating ET, which improves stampability or laser or waterjet cutting.

При этом пластины внутреннего магнитопровода шихтуются так, чтобы обеспечить скос пазов на одно зубцовое деление внутреннего либо внешнего магнитопровода, то есть обеспечивается их равномерный сдвиг в одну и ту же сторону относительно центральной оси симметрии трансформатора на протяжении всего аксиального размерения. Поворот одной пластины внутреннего магнитопровода относительно соседней в угловых градусах определяется по формуламIn this case, the plates of the internal magnetic circuit are burdened in such a way as to ensure the beveling of the grooves by one tooth division of the internal or external magnetic circuit, that is, they will be uniformly shifted in the same direction relative to the central axis of symmetry of the transformer throughout the entire axial dimension. The rotation of one plate of the internal magnetic circuit relative to the neighboring one in angular degrees is determined by the formulas

где Δ - [м] - толщина пластины электротехнической стали, l_δ - [м] - длина магнитопровода трансформатора.where Δ - [m] is the thickness of the plate of electrical steel, l _δ - [m] is the length of the transformer magnetic circuit.

Число пазов на внешнем Z₁ и внутреннем Z₂ магнитопроводах выбирается различным. При этом важно выполнить условие, чтобы число Z₁ не было равно числу Z₂, а также эти числа были нечетными и имели наименьшее общее кратное, не равное одному из этих чисел, что позволит максимально приблизить кривую магнитного поля к идеальной синусоиде и избежать локальных концентраций магнитного поля во внешнем ярме, что привело бы к увеличению потерь на гистерезис и росту амплитуд гармоник магнитной индукции, проявляющихся при насыщении ферромагнитного материала (ν=3,9,15, …).The number of grooves on the external Z ₁ and internal Z ₂ magnetic circuits is selected different. In this case, it is important to fulfill the condition that the number Z _{1 is} not equal to the number Z ₂ , and also these numbers are odd and have the smallest total multiple that is not equal to one of these numbers, which will maximize the magnetic field curve to an ideal sinusoid and avoid local concentrations magnetic field in the external yoke, which would lead to an increase in hysteresis losses and an increase in the amplitudes of the harmonics of the magnetic induction, which are manifested when the ferromagnetic material is saturated (ν = 3,9,15, ...).

Воздушный зазор между магнитопроводами имеет постоянную величину, определяемую исходя из требований к основной кривой намагничивания трансформатора. Концентрическое расположение внешнего и внутреннего магнитопроводов друг относительно друга обеспечивает равномерную величину воздушного зазора.The air gap between the magnetic circuits has a constant value, determined on the basis of the requirements for the main magnetization curve of the transformer. The concentric arrangement of the external and internal magnetic circuits relative to each other provides a uniform amount of air gap.

В полузакрытые пазы, проточенные как на внешнем, так и на внутреннем магнитопроводах укладываются укороченные трехфазная и круговая обмотки, причем число пазов на полюс и фазу для трехфазной и круговых обмоток выбирается дробным со знаменателем дробности, равным двум.In half-closed grooves, grooved both on the external and internal magnetic circuits, shortened three-phase and circular windings are laid, and the number of grooves per pole and phase for three-phase and circular windings is selected fractional with a fractional denominator of two.

Магнитная ось трехфазной обмотки совпадает с аксиальной осью центральной симметрии внутреннего магнитопровода, а магнитная ось круговой обмотки располагается под углом к аксиальной оси симметрии так, чтобы получить скос круговой обмотки относительно трехфазной на одно зубцовое деление внешнего либо внутреннего магнитопровода.The magnetic axis of the three-phase winding coincides with the axial axis of the central symmetry of the internal magnetic circuit, and the magnetic axis of the circular winding is located at an angle to the axial axis of symmetry so as to obtain a bevel of the circular winding relative to the three-phase by one tooth division of the external or internal magnetic circuit.

В результате концентрического расположения одного магнитопровода относительно другого образуется единая магнитная система, в которой между шихтованными магнитопроводами формируется требуемый воздушный зазор, обеспечивающий необходимую линейность основной кривой намагничивания магнитопровода всего ТВМП, что позволяет получить высокий кпд и коэффициент мощности, а применение трехфазной и круговой обмоток с укороченным шагом, выбор дробного числа пазов на полюс и фазу для трехфазной и круговой обмоток обуславливает подавление высших пространственных гармонических составляющих магнитного поля, вследствие наличия наклона магнитной оси круговой обмотки относительно трехфазной происходит подавление зубцовых гармоник, которые не поддаются компенсации при использовании только коэффициента укорочения либо коэффициента распределения; вышеназванные мероприятия улучшают электромагнитную совместимость полупроводникового преобразователя с питающей сетью и нагрузкой.As a result of the concentric arrangement of one magnetic circuit relative to the other, a single magnetic system is formed in which the required air gap is formed between the charged magnetic circuits, which ensures the necessary linearity of the main magnetization curve of the magnetic circuit of the entire TVMP, which allows for high efficiency and power factor, and the use of three-phase and circular windings with shortened step, the choice of the fractional number of grooves per pole and phase for three-phase and circular windings causes the suppression of higher x spatial harmonic components of the magnetic field due to the presence of the magnetic axis of inclination relative to the three-phase windings circular is suppressed tooth harmonics that are not amenable to compensation by using only a shortening coefficient distribution coefficient; the above measures improve the electromagnetic compatibility of the semiconductor converter with the mains and the load.

В заявляемой конструкции разъемного магнитопровода возможна подстройка значений обмоточных коэффициентов трехфазной и круговой обмоток независимо друг от друга в целях дополнительного улучшения качества кривых эдс в обмотках без применения дополнительных мероприятий по фильтрации напряжения, что необходимо при проектировании трансформаторов средней и большой мощности, имеющих различное число секций круговой обмотки, напряжения с которых снимаются полупроводниковым коммутатором в процессе работы преобразователя, ядром которого является сам трансформатор с вращающимся магнитным полем.In the inventive design of a detachable magnetic circuit, it is possible to adjust the values of the winding coefficients of the three-phase and circular windings independently of each other in order to further improve the quality of the EMF curves in the windings without the use of additional voltage filtering measures, which is necessary when designing transformers of medium and high power having a different number of circular sections windings, the voltages from which are removed by a semiconductor switch during operation of the converter, the core of which S THE transformer itself with the rotating magnetic field.

Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим 8 (восемь) принципиальных отличий от прототипа:The proposed technical solution is new, having 8 (eight) fundamental differences from the prototype:

- для обеспечения линейности основной кривой намагничивания магнитопровода трансформатора при замыкании основного вращающегося магнитного потока в конструкцию введен равномерный по всей длине окружности воздушный зазор, способствующий подавлению высших гармоник магнитного поля;- to ensure the linearity of the main magnetization curve of the transformer magnetic circuit when the main rotating magnetic flux is closed, an air gap uniform over the entire circumference is introduced into the structure, which helps to suppress the higher harmonics of the magnetic field;

- для улучшения электромагнитной совместимости полупроводниковых преобразователей, построенных на базе трансформатора заявляемой конструкции, с питающей сетью и нагрузкой применяется укороченный шаг по пазам у трехфазной и круговой обмоток, а для подавления высших пространственных гармонических составляющих магнитного поля выбирается дробное число пазов на полюс и фазу для трехфазной и круговой обмоток;- to improve the electromagnetic compatibility of semiconductor converters, based on the transformer of the claimed design, with the mains and the load, a shortened pitch in the grooves of the three-phase and circular windings is used, and to suppress the higher spatial harmonic components of the magnetic field, a fractional number of grooves per pole and phase for the three-phase is selected and circular windings;

- улучшаются условия охлаждения трехфазной и круговой обмоток за счет их расположения на различных магнитопроводах с внутренней и внешней сторон относительно равномерного воздушного зазора;- the cooling conditions of the three-phase and circular windings are improved due to their location on different magnetic circuits from the inner and outer sides with respect to a uniform air gap;

- трехфазная и круговая обмотки с отводами укладываются в полузакрытые пазы внешнего и внутреннего магнитопровода соответственно с применением общей технологии выполнения обмоток;- three-phase and circular windings with taps are placed in the half-closed grooves of the external and internal magnetic circuit, respectively, using the general technology of the windings;

- уменьшается удельный расход меди за счет сокращения длины лобовых частей обмоток по сравнению с обмотками, имеющими диаметральный шаг;- decreases the specific consumption of copper by reducing the length of the frontal parts of the windings compared with windings having a diametrical pitch;

- исключаются за ненадобностью два дополнительных боковых витых магнитопровода, за счет чего улучшаются массогабаритные характеристики и понижается показатель удельного расхода материалов, также упрощается технология изготовления трансформатора;- two additional side twisted magnetic cores are eliminated as unnecessary, due to which the weight and size characteristics are improved and the specific consumption rate of materials is reduced, the manufacturing technology of the transformer is also simplified;

- для практически полного подавления зубцовых гармоник магнитного поля используется скос магнитной оси круговой обмотки относительно магнитной оси трехфазной обмотки на одно зубцовое деление внешнего либо внутреннего магнитопровода;- for almost complete suppression of the tooth harmonics of the magnetic field, the bevel of the magnetic axis of the circular winding relative to the magnetic axis of the three-phase winding by one tooth division of the external or internal magnetic circuit is used;

- появляется возможность в отдельности задавать число пазов для обмотки, располагающейся на внешнем магнитопроводе, и для обмотки, располагающейся на внутреннем магнитопроводе, что необходимо при проектировании трансформаторов средней и большой мощности при решении вопроса оптимального использования электротехнической стали с целью исключения сильных неоднородностей магнитного поля в ярме внешнего магнитопровода, замыкающего магнитную цепь, а также с целью минимизации показателя удельного расхода материалов на единицу мощности.- it becomes possible to individually set the number of grooves for the winding located on the external magnetic circuit, and for the winding located on the internal magnetic circuit, which is necessary when designing transformers of medium and high power when solving the problem of optimal use of electrical steel in order to eliminate strong inhomogeneities of the magnetic field in the yoke external magnetic circuit that closes the magnetic circuit, as well as to minimize the rate of specific consumption of materials per unit of power.

Предлагаемое решение имеет изобретательский уровень, так как совокупность существенных признаков устройства приводит к новому техническому результату - повышению кпд, коэффициента мощности и улучшению электромагнитной совместимости полупроводниковых преобразователей, снабженных предлагаемым трансформатором, с питающей сетью и нагрузкой за счет применения новой конструкции разъемного магнитопровода трансформатора, который состоит из двух частей: внутренней и внешней, имеющих различное не равное и не кратное друг другу нечетное число пазов, образуя единую магнитную систему, в которой создается требуемый воздушный зазор, обеспечивающий необходимую линейность основной кривой намагничивания магнитопровода трансформатора, что позволяет получить высокий кпд и коэффициент мощности трансформатора, а применение скошенных друг относительно друга трехфазной и круговой обмоток с укороченным шагом, выбор дробного числа пазов на полюс и фазу для трехфазной и круговой обмоток обуславливают подавление высших пространственных гармонических составляющих магнитного поля и зубцовых гармоник, что улучшает электромагнитную совместимость полупроводникового преобразователя с питающей сетью и нагрузкой, а применение скоса обмоток обеспечивает коэффициент гармоник менее 1…2% без дополнительных мероприятий по фильтрации высших гармоник зубцового порядка в питающей сети и в нагрузке.The proposed solution has an inventive step, since the combination of essential features of the device leads to a new technical result - increased efficiency, power factor and improved electromagnetic compatibility of semiconductor converters equipped with the proposed transformer, with a supply network and load due to the use of a new design of a split transformer magnetic circuit, which consists of two parts: internal and external, having different unequal and non-multiple odd chi layer of grooves, forming a single magnetic system in which the required air gap is created, providing the necessary linearity of the main magnetization curve of the transformer magnetic circuit, which allows to obtain high efficiency and power factor of the transformer, and the use of three-phase and circular windings skewed relative to each other with a shortened pitch, the choice of fractional the number of grooves per pole and phase for three-phase and circular windings suppress the higher spatial harmonic components of the magnetic field and of tooth harmonics, which improves the electromagnetic compatibility of the semiconductor converter with the mains and the load, and the use of bevel windings provides a harmonic coefficient of less than 1 ... 2% without additional measures for filtering higher harmonics of the tooth order in the mains and in the load.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Изобретение поясняется чертежами. The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 и фиг. 2 показан трансформатор с вращающимся магнитным полем с разъемным магнитопроводом, который содержит разделенные равномерным по всему двойному полюсному делению воздушным зазором внешний (поз. 1) и внутренний (поз. 2) магнитопроводы, трехфазную (поз. 3) и круговую (поз. 4) барабанные равнокатушечные двухслойные обмотки. При этом электропроводы трехфазной обмотки (поз. 3) располагаются в пазах внешнего магнитопровода (поз. 1), а электропроводы круговой (поз. 4) - в пазах внутреннего магнитопровода (поз. 2). Проводники обмоток электрически изолированы от магнитопроводов (поз. 1, поз. 2) посредством межслойной (поз. 5) и пазовой (поз. 6) изоляции. Изолированные катушечные группы фиксируются в своих пазах клиньями (поз. 7). Фиг. 2 показывает устройство паза заявляемого трансформатора крупных планом.In FIG. 1 and FIG. Figure 2 shows a transformer with a rotating magnetic field with a detachable magnetic circuit, which contains external (pos. 1) and internal (pos. 2) magnetic cores, three-phase (pos. 3) and circular (pos. 4), separated by a uniform air gap throughout the double pole division Drum equal-coil double-layer windings. In this case, the electric wires of the three-phase winding (pos. 3) are located in the grooves of the external magnetic circuit (pos. 1), and the circular conductors (pos. 4) are located in the grooves of the internal magnetic circuit (pos. 2). The conductors of the windings are electrically isolated from the magnetic cores (pos. 1, pos. 2) by means of interlayer (pos. 5) and slot (pos. 6) insulation. Isolated coil groups are fixed in their grooves with wedges (key 7). FIG. 2 shows a close-up of a groove arrangement of an inventive transformer.

На фиг. 3 приведено изображение внутреннего магнитопровода ТВМП (поз. 2), где показано выполнение скоса пазов в сборе в аксонометрии.In FIG. Figure 3 shows an image of the internal magnetic circuit of the TVMP (item 2), which shows the execution of the bevel grooves assembly in a perspective view.

На фиг. 4 приведено изображение внутреннего (поз. 2) и внешнего (поз. 1) магнитопроводов, содержащих различное число пазов и расположенных концентрически друг относительно друга, в сборе в аксонометрии.In FIG. Figure 4 shows an image of the internal (pos. 2) and external (pos. 1) magnetic circuits containing a different number of grooves and arranged concentrically relative to each other, assembled in a perspective view.

На фиг. 5 приведено изображение внутреннего (поз. 2) и внешнего (поз. 1) магнитопроводов в сборе в аксонометрии, рассеченных плоскостями, проходящими через центральную ось симметрии. Из фиг. 7 следует, что скос зубцов внутреннего магнитопровода выполнен относительно центральной оси симметрии на одно зубцовое деление внутреннего магнитопровода, так как секущей плоскостью оказываются затронуты два зубца.In FIG. Figure 5 shows the image of the internal (pos. 2) and external (pos. 1) magnetic circuits assembly in a perspective view, dissected by planes passing through the central axis of symmetry. From FIG. 7 it follows that the bevel of the teeth of the internal magnetic circuit is made relative to the central axis of symmetry by one tooth division of the internal magnetic circuit, since two teeth are affected by the secant plane.

На фиг. 6 показана несинусоидальная кривая магнитного поля с незначительным содержанием высших гармоник, получаемая при использовании заявленной конструкции трансформатора с вращающимся магнитным полем.In FIG. 6 shows a non-sinusoidal magnetic field curve with a low content of higher harmonics obtained using the claimed design of a transformer with a rotating magnetic field.

На фиг. 7 приведен спектр кривой ЭДС трехфазной либо круговой обмотки, не содержащий высших гармонических составляющих и получаемый при использовании данной конструкции трансформатора, позволяющей обеспечивать коэффициенты укорочения и распределения, а также коэффициент скоса, отличный от единицы.In FIG. Figure 7 shows the spectrum of the EMF curve of a three-phase or circular winding that does not contain higher harmonic components and is obtained using this transformer design, which allows for shortening and distribution coefficients, as well as a bevel coefficient different from unity.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Трансформатор формируется из двух частей: внутреннего шихтованного магнитопровода и внешнего шихтованного магнитопровода, имеющих полузакрытые пазы на полную высоту катушечной группы. Обмотки выполняются барабанными равнокатушечными всыпными двухслойными. При этом магнитная ось трехфазной обмотки, расположенной на внешнем магнитопроводе, совпадает с центральной осью симметрии трансформатора, а магнитная ось круговой обмотки, располагающейся на внутреннем магнитопроводе, наклонена по отношению к магнитной оси трехфазной обмотки на определенный угол так, чтобы обеспечить скос на одно зубцовое деление внутреннего либо внешнего магнитопровода в зависимости от требований к качеству выходного напряжения трансформатора.The transformer is formed of two parts: the internal lined magnetic circuit and the external lined magnetic circuit having half-closed grooves to the full height of the coil group. The windings are made by drum equal-coil loose two-layer. In this case, the magnetic axis of the three-phase winding located on the external magnetic circuit coincides with the central axis of symmetry of the transformer, and the magnetic axis of the circular winding located on the internal magnetic circuit is tilted with respect to the magnetic axis of the three-phase winding by a certain angle so as to provide a bevel by one tooth division internal or external magnetic circuit depending on the requirements for the quality of the output voltage of the transformer.

При формировании общего шихтованного магнитопровода внутренний магнитопровод концентрически вставляется внутрь внешнего с сохранением равномерного воздушного зазора на протяжении двойного полюсного деления.When forming a common lined magnetic circuit, the internal magnetic circuit is concentrically inserted into the external circuit while maintaining a uniform air gap throughout the double pole division.

Трансформатор с вращающимся магнитным полем функционирует следующим образом. При подаче на трехфазную обмотку трехфазной симметричной системы напряжений она создает в магнитопроводе трансформатора вращающееся магнитное поле, которое в соответствии с законом электромагнитной индукции $$e(t)=k_{ОБ}w\frac{d}{dt}Ф(t)$$

возбуждает в секциях круговой обмотки эдс индукции, сдвинутые друг относительно друга на угол 2π/N, где N - число секций круговой обмотки трансформатора. В результате происходит преобразование симметричной трехфазной системы напряжений в симметричную N-фазную систему напряжений, которая преобразуется затем, например, в выпрямленное напряжение с помощью полупроводникового коммутатора, подключающего максимально близкие к диаметру отводы круговой обмотки на сборные шины в том случае, если реализовано применение трансформатора в выпрямительном агрегате.A transformer with a rotating magnetic field operates as follows. When a three-phase symmetrical voltage system is applied to a three-phase winding, it creates a rotating magnetic field in the transformer magnetic circuit, which, in accordance with the law of electromagnetic induction $$e(t)=k_{\mathrm{ABOUT}B}w\frac{d}{dt}F(t)$$

induces in the sections of the circular winding the emf of induction shifted relative to each other by an angle of 2π / N, where N is the number of sections of the circular winding of the transformer. As a result, a symmetric three-phase voltage system is transformed into a symmetric N-phase voltage system, which is then converted, for example, into rectified voltage using a semiconductor switch that connects the circular windings to the busbars as close as possible to the diameter if the transformer is used in rectifier unit.

В рамках данной конструкции осуществляется гальваническая развязка между трехфазной и круговой обмоткой, передача энергии происходит посредством вращающихся магнитных потоков.In the framework of this design, galvanic isolation between a three-phase and a circular winding is carried out, energy is transmitted through rotating magnetic fluxes.

При выполнении внутреннего и внешнего магнитопроводов с различным не кратным друг другу числом пазов на внешнем и внутреннем магнитопроводах, а также с полузакрытым пазом и обмоток с укороченным шагом и дробным числом пазов на полюс и фазу кривая магнитного поля значительно приближается к синусоидальной форме, одновременно с этим ликвидируются ее синхронные провалы, имеющие место в случае равенства числа зубцов на внешнем и внутреннем магнитопроводах. Одновременно с этим зубцовые гармонические составляющие, имеющие наибольшую величину по сравнению с основной гармоникой, смещаются в высокочастотную часть спектра и уменьшаются по амплитуде, не вызывая более ограничение роста основной гармоники магнитного поля, которая индуцирует основную гармонику эдс.When performing the internal and external magnetic circuits with different times the number of grooves on the external and internal magnetic circuits, as well as with a half-closed groove and windings with a shortened pitch and a fractional number of grooves per pole and phase, the magnetic field curve significantly approaches the sinusoidal shape, at the same time its synchronous failures that occur in case of equality of the number of teeth on the external and internal magnetic circuits are eliminated. At the same time, the tooth harmonic components, which have the largest value compared to the fundamental harmonic, are shifted to the high-frequency part of the spectrum and decrease in amplitude, no longer causing a restriction on the growth of the fundamental harmonic of the magnetic field, which induces the fundamental harmonic of the emf.

Таким образом, устройство позволяет получить конструкцию трансформатора, обладающего высокой электромагнитной совместимостью с питающей сетью и нагрузкой. При этом сокращаются магнитные потоки рассеяния лобовых частей трехфазной и круговой обмоток, что позволяет увеличить установленную мощность трансформатора, повысить кпд и коэффициент мощности, сократить расход активных материалов: электротехнической меди и стали, улучшить условия охлаждения обмоток при реализованной разнесенной их конструкции на внешнем и внутреннем магнитопроводах.Thus, the device allows to obtain the design of a transformer having high electromagnetic compatibility with the mains and the load. At the same time, the magnetic fluxes of scattering of the frontal parts of the three-phase and circular windings are reduced, which allows to increase the installed power of the transformer, increase the efficiency and power factor, reduce the consumption of active materials: electrotechnical copper and steel, improve the cooling conditions of the windings when their separated design is implemented on the external and internal magnetic circuits .

Claims (1)

Трансформатор с трехфазной и круговой обмотками, составленный из шихтованных электрически изолированных друг от друга листов электротехнической стали внешнего и внутреннего магнитопроводов с трехфазной и круговой обмотками с отводами, расположенными в полузакрытых пазах внешнего и внутреннего шихтованного магнитопровода соответственно, отличающийся тем, что внешний и внутренний магнитопроводы имеют различное не равное и не кратное друг другу нечетное число полузакрытых пазов на полную высоту катушечных групп, причем трехфазная и круговая обмотки выполняются с укороченным шагом и дробным числом пазов на полюс и фазу, что обуславливает подавление высших пространственных гармонических составляющих магнитного поля, а пазы, в которые уложена круговая обмотка, имеют скос относительно пазов, в которые уложена трехфазная обмотка, на одно зубцовое деление внутреннего либо внешнего магнитопровода, что обеспечивает компенсацию зубцовых гармоник магнитного поля и позволяет получить высокий КПД и коэффициент мощности трансформатора. A transformer with three-phase and circular windings, composed of laminated electrically isolated sheets of electrical steel of the external and internal magnetic circuits with three-phase and circular windings with taps located in the half-closed grooves of the external and internal lined magnetic circuit, respectively, characterized in that the external and internal magnetic circuits have different odd and non-multiple odd number of half-closed grooves to the full height of the coil groups, and three-phase and Circular windings are performed with a shortened pitch and a fractional number of grooves per pole and phase, which causes suppression of the higher spatial harmonic components of the magnetic field, and the grooves in which the circular winding is laid have a bevel relative to the grooves in which the three-phase winding is laid, by one tooth division of the internal or an external magnetic circuit, which provides compensation of the tooth harmonics of the magnetic field and allows you to get high efficiency and power factor of the transformer.

Images