Однофазный трехстержневой трансформатор

 

Сласс 21dР, 53Ä

СССР № 69775

ОПИСАН ИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

А. С, Розенкранц

Однофазный трехстержневой трансформатор

Заявгнно 20 августа 1946 гола в Министерство элснтронромышленности СССР эа ¹ 1530 (348001)

Опуоснгковано 30 ноября !947 года

Обычно применяемые аппараты переменного тока для плавного регулирования напряжения (потенциал-регуляторы, трансформаторы п автстрансформаторы с передвижными обмотками или со скользящим контактом) требуют для регулирования перемещения тех или иных частей при помощи более или менее сложного механического приспособления. Мощность, необходимая для производства регулирования в подобных устройствах, весьма велика.

Для осуществления дистанционного автомати«еского регулирования требуется электродвигатель и целый ряд промежуточной аппаратуры, что осложняет и замедляет процесс регулиро; ания. Кроме того, ни один из ук; занных аппаратов не может быть г.,шо:шсн на очень высокие напрян:ения и большие мощности.

Задача не разрешается также применением реакторов с подмагничиvaнiieм, так как введение в цепь сколько-нибудь значительного сериесного реактан цa сопряжено с болыпими потерями, ухудшением коэфициента мощности, увеличением колебаний напряжения при колебаниях на: рузки и искажением формы кривой апряжения.

Предлагавшиеся до сих портрансформаторы с подразделенным магнитопроводом и с плавным регулированием коэфициснта трансформации путем перераспределеш!я магнитных сопротивлешш стержней за счет их подмагничивания вспомогательными обмотками, питаемыми постоян11ым токо л!, оолада.п! !эндом недостатков, в частности, черезмерно большим рсактанцем.

Предмет изобретения составляет однофазный трехстержневой трансформатор с подразделенпым магнитопроводом и с плавной регулировкой втор!гчного напряжения путем подмагHI!÷èâàíèÿ постоянным током, свободный, в частности, от вышеупомянутого недостатка.

Согласно изобретению магнитопровод трансформатора составлен из четырех отдсльнь;х прямо)тольных (с одним окном) замкнутых магш1топроводов. Два пз этих магнитропроводов образуют своими стержнями средшш подразделенньш стержень трансформатора, и каждый из них совместно с двумя другими магш!топроводами образует крашше стерж!и. Последние несут половины первичной обмотки, соединенные последовательно, и половины вторич137 № б9775 ной обмотки, включенные навстречу друг другу. Обмотки же подмагничивания расположены на всех трех стержнях.

На фиг. 1 показан магнитопровод трансформатора без обмоток; на фиг. 2 — схема соединения первичных и вторичных обмоток трансформатора, причем обмотки подмагничивания не показаны; на фиг. 3— схема соединения обмоток подмагничивания, причем рабочие обмотки не показаны; на фиг. 4 и 5 — соответственно, трехфазная и однофазная схемы трансформатора, Рассматриваемый трансформатор является однофазным. Для трехфазной системы их должно быть взято три. Как видно из фиг. 2, трансформатор имеет две вторичные обмотки, расположенные на крайних стержнях магнитной системы, Магнитная система, изображенная на фиг. 1, состоит из трех отдельных магнитопроводов 1, II и Ill, обьединенных общими обмотками. Магнитопровод II замыкается только вокруг обмоток 1 и 2, магнитопровод III— только вокруг обмоток 1" и 2", магнитопровод I проходит через обе половины обеих оомоток, т. е. через 1, 2, 1" и 2", и не имеет среднего стержня, Имеется три обмотки управления с одинаковыми числами витков, показанные на фиг. 3. Обмотка У охватывает магнитопроводы 1 и II, обмотка Уа — магиитопроводы l и Ill, и средняя обмотка управления У охватывает магнитопроводы 11 и Ol.

Первичные обмотки 1 и 1" соединены последовательно и так, чтобы в магнитопроводе I оии действовали согласно, Вторичные обмотки 2 и 2" соединены также последовательно, ио встречно, иначе говоря так, что протекающий через них ток не может создать магнитного потока в магнитопроводе I.

Допустим, что вначале магнитопроводы П и !П насыщены постоянным магнитным потоком, создаваемым обмотками управления, а магнитопровод I не насыщен. Тогда обмотки 1, 1", 2" и 2 образуют обычный трансформатор со вторич138 ными обмотками, включенным встречно. Напряжение на вторично; стороне в этом случае, очевиднс равно нулю. Если теперь уменьшат постоянное насыщение магнитопро вода II (или Пl), одновременно уве личивая насыщение магнитопровода I и оставляя насыщенным третий магнитопровод, то симметрия нару шится. Поток, охватываемый обмот ками (и 2, увеличится, а поток охватываемый обмотками 1" и 2" уменьшится так, что напряжени в обмотках 2 и 2" перестанут быт равными, и на зажимах вторично цепи появится иапряжение, величин которого можно плавно регулиро вать, изменяя степень постоянного насыщения магнитопроводов способом, описанным ниже. B предельном случае, когда с магнитопровода П (или lll) полностью снято насыщение, а остальные два магнитопровода полностью насыщены, мы имеем как бы трансформатор, образованный обмотками 1 и 2 (или 1" и i2"), последовательно с которым включен насыщенный реактор, образованный обмотками 1" и 2" (или 1 и 2 ). Так как желательно по возможности уменьшить падение напряжения при нагрузке, то реактанц этого «реактора» должен быть по возможности уменьшен, что достигается обеспечением сформулированных ниже условий.

Функция обмоток управления заключается в создании постоянных потоков насыщения и перераспределении их в целях регулирования напряжения. Достигается это следующим образом.

Вначале по обмоткам У, У, и У, протекают токи одинаковой величины, так что в магнитопроводах Il и III их магнитодвижущие силы складываются, а в магнитопроводе

l — компенсируются. Уменьшая ток и обмотке Уи мы тем самым уменьшаем насыщение магнитопровода П и увеличиваем насыщение магнитопровода I. Меняя ток в обмотке У

0T + 1макс до — (макс> мы тем сВмым постепенно снимаем насыщение с магнитопровода 11 и насыщаем магнитопровод 1, осуществляя вышеописанный процесс регулирования

М 59(75 вторичного напряжения от нуля до максимума. При этом ток в обмот(ах У2 и Уо не должен меняться.

Регулирование можно осуществлять и изменением тока в обмотке У;, оставляя неизменным ток е У, и У,. При этом напряжение на вторичной обмотке будет обратным по фазе цо отношению к напряжению при регулировании обмоткой У,.

Необходимо отметить следующее: ввиду того, что обмотки управления расположены на тех же стержнях, что и рабочие обмотки, в обмотках управления будет наводиться переменная э. д. с. Поэтому при работе трех трансформаторов в трехфазной группе необходимо соединить последовательно одноименные обмотки управления всех трех трансформаторов, При этом сумма переменных напряжений в цепи управления всегда будет равна нулю. При работе трансформатора в однофазной схеме следует включать параллельно два трансформатора половинной мощности, соединяя их соответствующие обмотки последовательно так, чтобы переменные э. д. с. в них компенсировались (схема на фиг. 5).

Помимо компенсации переменной э. д. с. в обмотках управления такая схема приводит к уничтожению четных гармоник в кривой напряжения трансформатора. Кроме того, rap»оники, кратные трем, могут, как известно, быть уничтожены соответствуюгцим соединением обмоток трехфазной группы. Рабочие опмотки в схеме по фиг. 4 соединены в треугольник — звезду.

Качество трансформатора, как известно, определяется в значительной степени величиной тока холостого хода и напряжения короткого замыкания. Прп одних и тех же материалах сердечника, могцности трансформатора и выбранной магнитной индукции произведение тока холостого хода 1о в процентах на напряжение короткого замыкания ек в процентах остается величиной приблизительно постоянной, не зависящей от сечения железа и количества витков обмоток.

Поэтому качество трансформатора можно охарактеризовать величиной

P i /о ек го ° (1)

Чем меньше эта величина, тем экономичнее трансформатор. Теоретические исследования приводят к следующей формуле для определения коэфициента Р у предлагаемого трансформатора:

Р 8m(y (1- и)-+-21 104 2) (и. (4у+2)+2)-" где у = — —; 1,, = 1,и — длина п .

1 магнитного пути магнитопроводов fI и 1П:

l, — длина магнитного пути магнитопровода I:

dB

41Н наоьпц- (3) ра о.

dR — — 1 — первая производная (на(Н н а си |ч. клон) кривой намагни:швания прп максимальном насыщении постоянным током B гауссах/эрстед; рр„-, — магнитная проницаемость при максимальной переменной индукции в ненасыщенном сердечнике.

При наличии шихтовок или стыков магнитопровода их след5 ет учесть поправочным коэфициен-ом 1+ в ppa6., (4)

1в где 7о — = (1 — 8). 10 —" — отно ж шение длины эквивалентной воздушной щели к длине магнитного пути данного магнитопровода.

В формуле (2) обычно у = — 0,7.

Вводя эту величину и предполагая

v 1 (что обычно и имеет место), мы получим простую формулу для P:

5400 1 (1 + ", о,((p g.) (5)

Наилучшим материалом является такой, у которого ю имеет величину не более 0,008 — 0,01 при напряженности постоянного магнитного поля не более 15 эрстед. Таким материалом являются слаболегированные и среднелегированные стали, у которых 1 — 2,5 ойдо %; 0.,2 — 0,25 l о С;

0,08 — 0,09", о Мп; 0,0.1 — 0 02о. „ Р и

0,0400, S

139 о 6977 5

Для малых трансформаторов может найти применение пермаллой (78,5 10 Nl и 21,5 /О Fe), однако его преимущества теряются при наличии шихтовок и стыков, как видно из формулы (4).

Порядок расчета. а) Выбирают материал и находят для него по формуле (5) величину /3. б) Задаются желательным напряжением короткого замыкания г,, и находят ток холостого хода (б)

eí 0 в) Задаются максимальной переменной индукцией в ненасыщенном сердечнике (8000 — 9000 гауссов), r) Найдя по кривой памагничивания для выбранной индукпии число ампервитков на сантиметр пути, зная длину пути и намагничивающий "îê

1„, находят число витков одной половины первичной обмотки:

И1 (A )f11 ()

1 2 об У

Д) Находят 1исло BHTKQB 0 1Ьной половины вторичной обмотки:

И,=(1 —, m) 1V, --, . (8)

1 е) Сечение железа находят по известной формуле

Ц . )i)ti

4, f/ 13, - W мако где / — частота, В а,»„— ипдукция, выбранная parree (пункт «в» настоящего расчета). 11„, (10) ж) Сечения обмотки определяются так же, как и для обычного трансформатора, — по допустимой плстности тока.

3) Обмотки управления рассчитываются, исходя из напряженности магнитного поля, необходимой для получения требуемого насыщения, Эта напряженность равна 10 — 15 эрстедам пли 8 — 12 ампервпткам на сантиметр магнитного пути.

Предлагаемый трансформатор ооладает следующими преимуществами.

1. Чисто электрическое регулирование при помощи постоянного тока небольшой мощности, что облегчает

)4Î устройство автоматического и ди станционного регулирования, а так же позволяет использовать транс форматор в качестве магнитног1 усилителя.

2. Отсутствие каких-либо подвиж ных частей, что дает возможноств осуществить изоляцию регулятор;

1ra любые напряжения.

3. Сравнительно небольшое реак

)ивное потребление

4. Несложность конструкции

)ростота изготовления.

5, Отсутствие значительных иска. жений формы кривой напряжения

Основными областями применени> могут быть:

1. Приспособлеппя для регмлировация под нагрузкой напряжения силовых трансформаторов, Трансформатор, будучи включен последовательно с обмоткой силового трансформатора, позволит получить плавное регулирование ыапряже))ия под нагрузкой и пределах 5 — )0",,> при затрате мощ)юстп на упра11г)ение—

0,05 — 0,1 1(1 мощности силового )рансформатора. Регулировав))е легко может быть выполне))о дистанционным пли автом1гги 1еским.

2. Стабилизаторы низкого,: высокого вапряжени11 11 величины тока.

3. Электро м а г нитные ус1::,.штели.

Включая каскадно несколько трансформаторов, т. е. питая oi одl(of о трансформатора через вь;прямитель обмотку управления другого, можно получить, особенно при повышенной часто ге, коэфициент усиления по мощности 10000 и выше, т, е. аскадные схемы с трансформаторами в некоторых случаях могут заменить с1 )1 1 и. и I д и и, и м е 11 и о с р а В н н и 1о с н 1 м преимущество в большей;)рос f оте, надежности и oTciiòñï èrr подвижных частей.

4, Лабораторные и про11зводственныс схемы регулирования нarðÿæåния, испытательные устройства, печные и сварочные установки.

5. Замена агрегата Леонарда путем соедипс нпя трансформатора с выпрямителем. Такая схема имеет преимущества как перед агрега ом

Леонарда (большая надежность трансформатора), так и по сравнению с управляемым выпрямителем № 69775

Фиг. 3

Фиг. 2

Фиг. 1

2" (больший к. п. д. и лучший коэфициент мощности трансформатора).

6. Пуск асинхронных и синхронных двигателей.

7. Различные схемы автоматики, в частности, схемы возбуждения и компаундирования синхронных машин.

Пред м ет изобретения

Однофазный трехстержневой трансформатор с подразделенным магнитопроводом и с плавной регулировкой вторичного напряжения путем перераспределения магнитных сопротивлений стержней за счет подмагничивания постоянным током, отличающийся тем, что магнитопро вод составлен из четырех отдельных прямоугольных (с одним окном) замкнутых магнитопроводов, из которых два образуют своими стержнями средний подразделенный стержень трансформатора, и каждый из них совместно с двумя другими магнитопроводами образует крайние стержни, несущие половины первичной обмотки, соединенные последовательно, и половины вторичной обмотки, включенные навстречу друг другу, тогда как обмотки подмагничивания расположены на всех трех стержнях