Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструированию трансформаторов и может использоваться во всех отраслях, которым необходимы устройства, которые могут трансформировать энергию высокого качества (без высших гармоник), самостоятельно устранять перекосы напряжений в случае несимметричной нагрузки, самостоятельно плавно и в широких диапазонах регулировать напряжения при изменении нагрузки, устройства, имеющие значительно более высокую надежность и ресурс работы.

Такие свойства трансформатора может обеспечить только пространственная магнитная система, которая адекватно воспроизводит или моделирует явление электромагнетизма, форма и физика которого заключается в охвате токопровода магнитопроводом, при этом исчезают такие метаморфозы, как необходимость замены объемного поля плоско- параллельным, рассеяние этого поля в окружающее пространство и др., но изготовление пространственного магнитопровода требует большего количества стали.

Учитывая, что проектирование современных трансформаторов осуществляется с многолетней и неослабевающей тенденцией к максимально высокому использованию активных материалов, упрощению технологичности, снижению веса и уменьшению габаритов, встал вопрос создания пространственной магнитной системы с затратами, сопоставимыми с затратами на изготовление Ш-образных плоских трансформаторов.

Известны трехфазные пространственные радиальные магнитопроводы повышенной компактности, стержни и ярма которых сформированы из двух групп шевронных элементов, которые имеют разную длину, а часть участков ярм выполнена из элементов, имеющих форму параллелограмма с углами 60° и 120° (Патент Украины на изобретение UA 100077С2, Патент Украины на полезную модель UA 99327). Подобные магнитопроводы имеют ряд недостатков, среди которых основными являются: невозможность установки на стержни магнитопровода отдельно изготовленных обмоток, так как стержни имеют геометрию «в виде шеврона различной длины». Наматывание обмотки на готовый магнитопровод значительно усложняет технологический процесс изготовления трансформатора. Генезис структуры магнитопроводов от планарной формы к пространственной осуществлен авторами в одной плоскости путем концентрического размещения фаз, что разве что устранило магнитную несимметрию магнитопровода, но не повлияло на улучшение условий протекания электромагнитного процесса, оставив охватывание магнитного поля током, что обусловливает наличие полей рассеяния, потери мощности и т. д.

Известен пространственный симметричный магнитопровод, имеющий верхнее и нижнее навитые ярма, соединенные между собой стержнями, при этом геометрия поперечного сечения стержней и ярм в местах соединения выполнены с квадратным поперечным сечением (Патент РФ RU N« 2380780 Cl). Подобные магнитопроводы с пространственным размещением стержней только устраняют магнитную несимметрию планарных Ш-образных сердечников, а технический результат по уменьшению потерь в стали достигнуто только за счет использования аморфной стали, чего можно достичь и в Ш-образном магнитопроводе. Из-за низкой механической прочности аморфной стали (хрупкая, как стекло) к конструкциям таких сердечников и условий их производства предъявляются особые требования, так как магнитопровод является несущей конструкцией, которая удерживает всю активную часть. Аморфная сталь не допускает действия чрезмерной весовой нагрузки, чего авторы изобретения не учитывают. Также известна конструкция магнитопровода с внутренней частью (стержнями) из магнитомягкого материала, вокруг которой по крайней мере частично расположен экран, который имеет шихтованную конструкцию из по меньшей мере одного магнитомягкого материала, причем между внутренней частью магнитопровода и экраном расположено устройство для создания аксиального давления на внутреннюю часть магнитопровода, а экран подразделен на сегменты и его длина в аксиальном направлении равна или больше, чем аксиальная длина каркасов катушек, расположенных вокруг магнитопровода трансформатора (Патент Украины на изобретение UA N° 88942 С2).

Выше указывалась причина появления так называемых полей рассеяния, то есть магнитных полей, силовые линии которых сцеплены только с одной обмоткой и эта причина заключается в неадекватном моделировании явления электромагнетизма.

Вместо пространственного охвата тока магнитным полем в трансформаторе катушки (ток) охватывают магнитопровод (поле). Нарушение законов и явлений природы породило целый ряд негативных последствий, среди которых и поля рассеяния. Их физика достаточно сложная и до сих пор не существует единых методик их расчета и способов устранения. Предложенный автором экран замкнет на себя какую-то часть поля рассеяния и изменит место потерь мощности трансформатора, но не устранит их. Кроме того, поля рассеяния определяют индуктивные сопротивления обмоток, которые они охватывают, и дополнительные потери в меди, кроме омических. Эту часть потоков рассеяния экран не может замкнуть на себя. А предсказать, «что ориентировка шихтованной конструкции экрана направлена параллельно возможному (?) направлению потока рассеяния» невозможно, так как невозможно предсказать конфигурацию самого явления рассеяния. Разве может существовать альтернатива борьбе с последствиями полей рассеяния, кроме преобразования их в рабочее магнитное поле путем окружения обмоток объемно-пространственной магнитной системой? Видимо не существует.

Известен также пространственный магнитопровод для фильтр- трансформаторов с размещенными по кругу стержнями с ярмами, которые образуют в плане многолучевую звезду и который с целью уменьшения магнитной несимметрии выполнен из двух одинаковых частей, состыкованных в стержнях (SU Ns 1714697 А1).

Во-первых, магнитная несимметрия исчезают не от стыковки «двух одинаковых частей состыкованных в стержнях», а благодаря пространственному их размещению; во-вторых большие средства тратятся на изготовление фильтр-трансформаторов, предназначенных для устранения высших гармоник в кривых напряжений и токов. Расходы и гармоники исчезают в трансформаторах с пространственной магнитной системой, которая практически полностью охватывает обмотки. Такие трансформаторы передают только первую гармонику при любом насыщении магнитопровода, тогда как фильтры имеют узкий диапазон эффективности.

Наиболее близким к предложенному по совокупности признаков и техническим результатам является устройство-прототип трехфазный трансформатор Патент Украины на изобретение UA Ns 84746.

Трехфазный трансформатор, который содержит в своем составе обмотки низкого и высокого напряжения в каждой фазе и сложенную магнитную систему, отличающийся тем, что магнитная система состоит из ярма и шести стержней, расположенных в виде шестилучевой звезды с пространственными углами 60 градусов между ними и снаружи охваченных ярмом, на трех стержнях через один размещены обмотки фаз в составе первичной и вторичной обмоток одной фазы, три других стержня - свободные от обмоток и являются шунтовыми, на каждой из шести секций ярма размещена дополнительная обмотка подмагничивания, по две на каждую фазу, которые расположены по разные стороны от соответствующей фазной обмотки, магнитная система выполнена с соотношением ее ширины и ширины стержней больше единицы.

Трехфазный трансформатор по п. 1, отличающийся тем, что магнитная система выполнена в виде цилиндра, поперечное сечение которого представляет собой шестилучевую звезду стержней, охваченную кольцеобразным ярмом.

Трехфазный трансформатор по п. 1, отличающийся тем, что магнитная система выполнена в виде шестигранной призмы, поперечное сечение которой представляет собой шестилучевую звезду стержней, охваченную шестиугольным ярмом.

Признаками прототипа, которые совпадают с конструкцией, согласно изобретению является то, что магнитная система состоит из шестилучевой звезды стержней с пространственными углами 60°, охваченных шестигранным ярмом.

Прототип имеет ряд недостатков, основными из которых являются:

1. Холоднокатаной электротехнической стали свойственна, как известно, анизотропия, то есть различные магнитные свойства вдоль и поперек прокатки. Для экономичного использования стали и получения минимальных потерь в ней, необходимо совпадение направления прокатки и основного магнитного потока. Такое совпадение при штамповке пластин в соответствии с фиг. 6 - фиг. 11 или фиг. 17 - фиг. 22 имеет место только в одном или двух стержнях, а в четырех или пяти стержнях магнитные потери значительно возрастают.

2. Неэффективное использование дорогой электротехнической стали. Площади треугольников, окруженных стержнями и ярмами, значительно больше последних, следовательно в процессе штамповки пластин большая часть стали идет в металлолом.

3. Магнитный поток стержня замыкается двумя ярмами, то есть в месте соединения стержня с ярмами поток раздваивается пополам благодаря равенству магнитных проводимостей обоих ярм. Поэтому поток ярм вдвое меньше потока стержня, а потому соответствующими должны быть площади поперечных сечений ярм и стержня. При серийном выпуске продукции экономия стали за счет уменьшения вдвое площади поперечного сечения ярм будет ощутимой.

4. В описании устройства - прототипа объясняется, что «регулирование напряжения предложенного трансформатора при работе под нагрузкой осуществляется с помощью дополнительных обмоток, размещенных на ярме». Далее утверждается, что «плавная регулировка симметрирования напряжений в случае сложных несимметричных режимов работы осуществляется путем использования дополнительных обмоток, размещенных на внешнем ярме магнитной системы». Таким образом два физических процесса, обусловленные различными причинами, функционально связываются и управление ими возложено на один и тот же механизм - дополнительные обмотки. Если учесть, что колебания вторичных напряжений и их перекос происходят, как правило, одновременно, осуществить одновременное их регулирование практически невозможно. Кроме того, автоматизировать регулирование такого процесса также невозможно, а поэтому необходимо внешнее вмешательство в работу трансформатора.

Задачей изобретения является усовершенствование технологии производства и снижение массогабаритных характеристик пространственного магнитопровода по сравнению с прототипом, сочетание в трансформаторе функций фильтра высших гармоник, симметрирующего устройства и стабилизатора напряжения.

Поставленная задача решается за счет того, что трехфазный трансформатор содержит в своем составе основные первичную и вторичную обмотки, составленную из пластин электротехнической стали пространственную магнитную систему, магнитная система образована б шестью правильными трехгранными призмами, соединенными между собой общим ребром, образовав таким образом шестигранную призму с шестилучевой звездой в сечении, смежные грани звезды являются стержнями магнитопровода, а автономные - шестигранное ярмо, вертикальная плотность пластин магнитопровода обеспечивается центральным и боковым креплением, разделенные пополам основные обмотки и дополнительные обмотки, размещенные пофазно на стержнях с пространственным углом 60°, магнитная система выполнена с соотношениями ширины стержня и ярма равным двум и высоты призмы к ширине луча большим пяти.

Трехфазный трансформатор по п.1, отличающийся тем, что основные и дополнительные обмотки размещены совместно на стержнях с пространственным углом 120°.

Трехфазный трансформатор по п.1, отличающийся тем, что пространственный магнитопровод изготовлен из аморфной электротехнической стали толщиной от 10 до 30 мкм.

Перечисленной совокупности существенных признаков достаточно для того, чтобы выполнить чертежи заявленной конструкции пространственной магнитной системы с размещенными на ней обмотками по обычным для проектирования исходным данным в соответствии с истребованным объемом правовой защиты, то есть унификации конструкции трансформатора с минимизацией отходов при резке листов электротехнической стали, с возможностью уменьшения массогабаритных характеристик магнитопровода, создание трансформатора с новыми свойствами.

Суть изобретения и принцип действия поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен общий вид трансформатора.

На фиг. 2 изображена геометрия пластины унифицированного магнитопровода. На фиг. 3 и фиг.4 изображена шихтовка пластин магнитопровода в двух последовательных слоях. мНа фиг. 5 изображена правильная трехгранная призма.

На фиг. 6 изображена разметка листа электротехнической стали для лазерной резки пластин магнитопровода.

На фиг. 7 изображено поперечное сечение магнитопровода, составленного из шести трехгранных призм.

На фиг. 8 изображено боковое крепление магнитопровода.

На фиг. 9 изображено центральное крепление магнитопровода.

На фиг. 10 изображен виток обмотки, охваченного пространственным магнитопроводом (ярмо удалено).

На фиг. 11 изображен виток обмотки, который охватывает стержень магнитопровода.

На фиг. 12 изображена схема взаимосвязей магнитных потоков фаз трансформатора.

На фиг. 14 изображена электрическая схема соединений основных и дополнительных обмоток трехфазного трансформатора.

На фиг. 13 изображена электрическая схема соединений основных и дополнительных обмоток одной фазы трансформатора.

На фигурах чертежей приняты следующие обозначения: 1 - стержень, 2 - ярмо, 3 - основные обмотки, 4 - дополнительные обмотки, 5 - центральное крепление, 6 - боковое крепление, 7 - шпилька.

Трехфазный трансформатор (фиг.1) содержит в своем составе первичные и вторичные (основные) обмотки 3 и дополнительные обмотки 4, коэффициент трансформации которых больше основных, сложенную магнитную систему (фиг.1 поз. 1,2). Пространственная магнитная система образована шестью правильными трехгранными призмами (фиг. 5), изготовленными шихтовкой пластин (фиг. 2) в последовательные слои (фиг. 3, фиг. 4) и соединенными общим ребром. Смежные грани призм служат стержнями 1, а автономные - ярмами 2.

Магнитопровод изготовлен из пластин электротехнической стали, фиг. 2 толщиной 0,27 мм, 0,35 мм или из лент аморфного стали толщиной 10-30 мкм.

Вертикальная плотность пластин магнитопровода осуществляется центральным 5 и боковым 6 креплением, горизонтальные части которого стягиваются шпильками 7.

Между совокупностью отличительных признаков и достигнутым техническим результатом имеет место причинно-следственная связь.

Признак относительно геометрического соотношения ширины стержня и ширины ярма равного двум является существенным, потому что непосредственно влияет на ряд технических результатов.

Во-первых, конструкция трансформатора, магнитопровод которого состоит только из пластин, имеющих геометрическую форму равносторонней трапеции (фиг.2), является унифицированной конструкцией.

Во-вторых, это соотношение существенно влияет на массогабаритные характеристики трансформатора, вес ярм которого вдвое меньше веса стержней.

В-третьих, существенным влиянием этого соотношения является оптимизация лазерной резки листов электротехнической стали на пластины (фиг.6) и минимизация отходов (до 5%) в металлолом дорогого материала.

Четвертым техническим результатом этого существенного признака являются стопроцентная ориентация направлений резки пластин с направлением прокатки холоднокатаной стали, что существенно влияет на уменьшение потерь и улучшение характеристик трансформатора.

Изобретение предусматривает наличие в заявленной конструкции трансформатора ряда существенных признаков, которые приведут к появлению новых его функций. Первым таким существенным признаком является соотношение высоты призмы и ширины луча шестилучевой звезды более пяти. Такое соотношение обеспечивает максимальный охват обмоток фаз пространственной магнитной системой. Обратимся к фиг. 11 и фиг. 10, на которых сравниваются картинки магнитных полей витка, охваченного пространственной магнитной системой (фиг. 10) и витка, который охватывает стержень плоского Ш-образного магнитопровода (фиг. 11). В первом случае (фиг. 10) геометрия магнитопровода равномерно распределяет магнитное поле по всей его высоте, что адекватно постоянной напряженности электрического поля, то есть ⁼ const. Второй случай (фиг. 11) иллюстрирует неравномерное распределение поля вдоль витка, что является результатом искажения явления электромагнетизма - здесь ток охватывает поле. Поэтому плотность магнитного поля стержня неоднородна, она интенсивная между соседними стержнями и интенсивность ее спадает до нуля снаружи магнитопровода, то есть напряженность электрического поля переменная

Разобьем витки фигуры 10 и фиг. 11 на ряд одинаковых отрезков ^ и вычислим работу, которую выполняет электромагнитное поле при переносе заряда вдоль заданной траектории, то есть вдоль длины витка ит. Из теоретической электротехники известно, что такую работу называют напряжением и определяют формулой ^зит .

На основе этой формулы определим напряжения обоих витков. Для этого интеграл заменим суммой для ⁷¹ отрезков витка, а производную - приростом. Получим

Сумма приростов отрезков витка в обоих случаях равна длине витков Найдем теперь сумму напряженностей Для фиг. 10 эта сумма равна сумме одинаковых напряженностей отрезков, что равнозначно произведению ^п на одну напряженность, то есть _ф изически произведение ^п Е _± означает наличие только составляющей напряженности одной амплитуды и частоты.

Таким образом, напряжение витка фиг. 10 ^ ит ^{= п} Е1 _{т1Г ИМ} еет только первую гармонику и в ней отсутствуют высшие гармоники.

Для фиг. 11 суммарная напряженность состоит из слагаемых напряженностей отрезков витка, различных по амплитуде и частоте, то есть

S _i Е = Е _{г 4-} Е ₂ _ Ч Е _п , причем Е _г Е ₂ ··· Е _{п> чт0} физически равнозначно наличию высших гармоник в напряжении витка:

Соответственно признак относительно соотношения высоты призмы и ширины луча шестилучевой звезды более пяти является существенным, так как принципиально влияет на технический результат, заключающийся в отсутствии высших гармоник в напряжениях трансформатора, независимо от степени насыщения стали. Таким образом, технический результат заключается в выявлении нового свойства трансформатора - выполнять функции фильтра высших гармоник при одновременной передаче мощности.

Следующая причинно-следственная связь между признаком изобретения и ожидаемым техническим результатом объясняется фиг.12, где признак - симметричная шестилучевая звезда стержней с размещенными на них половинами основных и дополнительных обмоток и окруженных шестигранным ярмом. Следствием этого признака является физическое явление, выраженное электромагнитной взаимосвязью каждой фазы с двумя соседними: фаза А магнитно связана с фазами В и С, фаза В - с фазами А и С, фаза С - с фазами А и В.

При несимметричной нагрузке трансформатора в обмотках его фаз протекают токи различной величины, которые вызывают соответствующие падения напряжений. Вторичные напряжения будут иметь разные значения, такое явление называют «перекосом напряжений» и оно вредно отражается на потребителях.

В свою очередь различные токи обмоток индуцируют различные потоки, которые, благодаря наличию магнитных взаимосвязей между фазами, выравниваются, то есть

По закону Максвелла напряжение или ЭДС определяется изменением потока во времени ^{= e =} ^F/L^ где / ⁼ А,В,С _^ поэтому напряжения фаз выравниваются, то есть А ^{= =} ^с.

Техническим результатом этой причинно-следственной связи является выявление нового свойства заявленного трансформатора, которое заключается в самостоятельном симметрировании вторичных напряжений в случае его несимметричной нагрузки, иначе говоря, трансформатор взял на себя функции симметрирующего устройства.

Наличие в каждой фазе трансформатора, помимо основных 3, дополнительных обмоток 4 позволяет осуществлять плавное и в широких диапазонах саморегулирование вторичных напряжений при изменении нагрузки путем последовательного соединения основных и дополнительных обмоток по схемам, изображенным на фиг. 13 для одной фазы и на фиг. 14 для трех фаз.

Суть саморегулирования напряжений заключается в следующем: изменение тока нагрузки обусловливает изменение магнитодвижущей силы (МДС) дополнительной или регулировочной обмотки, последовательно соединенной с основной обмоткой.

Изменение МДС повлечет изменение потока, что адекватно изменению ЭДС дополнительной обмотки. При увеличении нагрузки ее ЭДС растет, при уменьшении - падает. При последовательном соединении обмоток ЭДС основной и дополнительной обмоток складываются, то есть происходит рост выходного напряжения. В случае уменьшения нагрузки ЭДС дополнительной обмотки уменьшается, что приведет к уменьшению выходного напряжения.

Общей с патентом РФ Ns 2422935 является возможность изменения напряжения заданным коэффициентом трансформации дополнительных обмоток.

Отличие от заявленного патента заключается в устранении зависимости конструкции регулирующего трансформатора от характера нагрузки, в полном отказе от отдельного регулирующего трансформатора, а также от устройств соединения основного и регулирующего трансформатора.

Наличие дополнительных обмоток в каждой фазе трансформатора является существенным признаком потому, что обусловливает технический результат, заключающийся в выявлении новой функции, которую может выполнять трансформатор - возможности самостоятельного саморегулирования вторичных напряжений при изменении нагрузки без какого-либо внешнего вмешательства. Такая функция является адекватной функции стабилизатора напряжения. Трансформаторы, заявленные патентом, выпускаются в сухом исполнении, то есть они не нуждаются в принудительной системе охлаждения (бак, масло, радиаторы, насосы, трубопроводы и др.), благодаря, во-первых, хорошей теплопроводности стали и отводу тепла шестигранным ярмом и, во-вторых, благодаря устранению самым трансформатором «перекоса напряжений», а, следовательно, и перегрузки обмоток токами.

Полученные технико-экономические показатели свидетельствуют о создании трансформатора с усовершенствованной технологией производства, улучшенными по сравнению с прототипом массогабаритными характеристиками, который совмещает функции трансформатора с функциями фильтра высших гармоник, симметрирующего устройства и стабилизатора напряжения. Принцип действия трансформатора известен из литературных источников, например Иванов-Смоленский А.В. Электротехнические машины, в 2-х томах Учебник для вузов. - М Изд. МЭИ. - 2004.