RU2144229C1

RU2144229C1 - Three-phase balanced transformer

Info

Publication number: RU2144229C1
Application number: RU97119610A
Authority: RU
Inventors: Р.Х. Бальян; М.З. Гельман; В.А. Александров; В.А. Майоров
Original assignee: Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор"
Priority date: 1997-11-26
Filing date: 1997-11-26
Publication date: 2000-01-10

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: transformer has magnetic system incorporating three similar rectangular-opening magnetic cores. First and second ones are relatively parallel. Third core is perpendicular to them. Primary and secondary phase windings are wound on two adjacent cores in phase-by-phase manner. Magnetic cores are tight-mounted in same plane along common symmetry axis. Core opening is as high as double sum of core thickness and its opening width. Primary windings are concentric to secondary ones. Ribbon cores may be split so that first and second ones are split at distance from third one not longer than double thickness of core, and each core may be assembled of set of similar cores arranged along common symmetry axis and abutting against each other through end surfaces. EFFECT: improved power characteristics, reduced mass and size, simplified design and unification. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а конкретно к трехфазным силовым трансформаторам устройств электропитания различных потребителей. The invention relates to electrical engineering, and in particular to three-phase power transformers of power devices of various consumers.

Известно, что магнитопроводы в трансформаторах выполняют ленточными или шихтованными в зависимости от уровня мощности и принятой у изготовителя технологии. При этом в трехфазных трансформаторах применяют две магнитные системы: плоскую и пространственную [1]. Плоская обеспечивает более простую конструкцию и технологию изготовления трансформатора. Ее недостатком является асимметрия, поскольку магнитное сопротивление для фазы, размещенной на среднем стержне, меньше, чем у фаз, размещенных на крайних стержнях. It is known that magnetic cores in transformers are performed by tape or lined depending on the power level and technology adopted by the manufacturer. Moreover, in three-phase transformers two magnetic systems are used: flat and spatial [1]. Flat provides a simpler design and manufacturing technology of the transformer. Its disadvantage is asymmetry, since the magnetic resistance for the phase located on the middle rod is less than that of the phases located on the extreme rods.

Симметрия трехфазного трансформатора обеспечивается пространственной магнитной системой. Известны пространственные магнитные системы, представляющие собой правильную треугольную призму, образуемую тремя стержнями с общим ярмом, при этом обмотки пофазно охватывают стержни [1], или тремя одинаковыми ленточными стержневыми магнитопроводами [2], при этом обмотки пофазно охватывают по два смежных стержня разных магнитопроводов. В последнем случае возникают технологические сложности, обусловленные многоугольной формой каркаса для намотки. Общими недостатками трехфазных трансформаторов с пространственной магнитной системой является низкий коэффициент заполнения катушки проводниковым материалом, то есть медью, что снижает их энергетические характеристики. Недостатком является также треугольная конструкция, приводящая к значительной потере объема при компоновке устройства электропитания. The symmetry of a three-phase transformer is provided by a spatial magnetic system. Spatial magnetic systems are known, which are a regular triangular prism formed by three rods with a common yoke, while the windings phase enclose the rods [1], or three identical tape rod magnetic circuits [2], while the windings phase by phase enclose two adjacent rods of different magnetic circuits. In the latter case, technological difficulties arise due to the polygonal shape of the winding frame. Common disadvantages of three-phase transformers with a spatial magnetic system is the low fill factor of the coil with a conductive material, that is, copper, which reduces their energy characteristics. The disadvantage is also a triangular design, leading to a significant loss of volume during the layout of the power supply device.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является трехфазный симметричный трансформатор [3], имеющий пространственную магнитную систему, которая содержит три одинаковые магнитопровода, два из которых параллельны друг другу, а третий им перпендикулярен. Вторичные фазные обмотки трансформатора пофазно охватывают по два смежных магнитопровода, а каждая фаза первичной обмотки состоит из двух параллельно согласно включенных секций, расположенных на отдельном стержне одного магнитопровода. Расстояние между секциями первичной обмотки, относящимися к разным фазам, равно сумме удвоенной толщины фазной вторичной обмотки и максимального расстояния между катушками в сборе, расстояние между магнитопроводами равно ширине окна, а магнитопроводы имеют квадратное сечение. The closest in technical essence to the proposed one is a three-phase symmetrical transformer [3], which has a spatial magnetic system that contains three identical magnetic cores, two of which are parallel to each other, and the third is perpendicular to them. The secondary phase windings of the transformer phase by phase cover two adjacent magnetic cores, and each phase of the primary winding consists of two parallel sections according to the included sections located on a separate core of one magnetic circuit. The distance between the sections of the primary winding related to different phases is equal to the sum of twice the thickness of the phase secondary winding and the maximum distance between the coils in the assembly, the distance between the magnetic cores is equal to the width of the window, and the magnetic cores have a square section.

Недостатком этого трансформатора является повышенная длина витков вторичной обмотки, что приводит к увеличенному расходу меди и, соответственно, увеличению потерь энергии в обмотке. Это обусловлено тем, что смежные стержни разных магнитопроводов находятся на расстоянии, равном ширине окна. Данному трансформатору присущи известная сложность конструкции и ограниченная возможность унификации магнитопроводов, что обусловлено обязательным требованием иметь для них квадратное сечение. The disadvantage of this transformer is the increased length of the turns of the secondary winding, which leads to an increased consumption of copper and, consequently, an increase in energy loss in the winding. This is due to the fact that adjacent rods of different magnetic circuits are at a distance equal to the width of the window. This transformer is inherent in the known complexity of the design and the limited ability to unify the magnetic cores, which is due to the mandatory requirement to have a square section for them.

Задачей изобретения является достижение технического результата, состоящего в улучшении энергетических и массогабаритных характеристик, а также упрощение и расширение возможности унификации конструкции. The objective of the invention is to achieve a technical result, consisting in improving energy and weight and size characteristics, as well as simplifying and expanding the ability to unify the design.

Для достижения этого технического результата для трехфазного симметричного трансформатора, магнитная система которого содержит три одинаковых ленточных или шихтованных магнитопровода с прямоугольным окном, первый и второй из которых параллельны друг другу, а третий им перпендикулярен, фазные первичные обмотки и вторичные, которые пофазно охватывают по два смежных магнитопровода, предложены технические решения, заявляемые как новые признаки, а именно: магнитопроводы установлены в одной плоскости вплотную по одной оси симметрии, высота окна магнитопровода равна удвоенной сумме толщины магнитопровода и ширины его окна, а первичные обмотки концентричны вторичным. To achieve this technical result, for a three-phase symmetrical transformer, the magnetic system of which contains three identical tape or burden magnetic cores with a rectangular window, the first and second of which are parallel to each other, and the third is perpendicular, phase primary and secondary windings that phase-wise cover two adjacent magnetic circuit, proposed technical solutions, claimed as new features, namely: magnetic circuits are installed in the same plane close to one axis of symmetry, high and the windows of the magnetic circuit is equal to twice the sum of the magnetic core thickness and width of its window, and the primary windings are concentric secondary.

Для упрощения технологии изготовления обмоток трансформатора ленточные магнитопроводы могут быть разрезаны, причем первый и второй разрезаны на расстоянии от третьего, не превышающем удвоенной толщины магнитопровода. To simplify the manufacturing technology of transformer windings, the tape magnetic circuits can be cut, the first and second cut at a distance from the third, not exceeding twice the thickness of the magnetic circuit.

Для расширения возможности унификации конструкции каждый ленточный магнитопровод может состоять из набора одинаковых сердечников, расположенных по одной оси симметрии и соприкасающихся друг с другом торцевыми поверхностями. To expand the possibility of unifying the design, each tape magnetic circuit can consist of a set of identical cores located on the same axis of symmetry and in contact with each other end surfaces.

В рассматриваемом техническом решении улучшение энергетических и массогабаритных характеристик обусловлено, во-первых, тем, что по сравнению с прототипом первичные фазные обмотки концентричны вторичным и охватывают сечения двух магнитопроводов, установленных вплотную в одной плоскости по одной оси симметрии. При этом при прочих равных данных, уменьшается длина витков вторичных обмоток и уменьшается число витков первичных обмоток. Во-вторых, концентричность обмоток приводит к применению только одного каркаса для укладки витков и, следовательно, приводит к повышению коэффициента заполнения катушки медью. В-третьих, в окне каждого магнитопровода образуется канал охлаждения, ширина которого равна удвоенной толщине магнитопровода. При этом полезная площадь окна не сокращается, в отличие от известного способа повышения теплоотдачи за счет неполного заполнения окна [2]. In the considered technical solution, the improvement of energy and weight and size characteristics is due, firstly, to the fact that, in comparison with the prototype, the primary phase windings are concentric secondary and cover the cross sections of two magnetic circuits installed closely in the same plane along one axis of symmetry. At the same time, ceteris paribus, the length of the turns of the secondary windings decreases and the number of turns of the primary windings decreases. Secondly, the concentricity of the windings leads to the use of only one frame for laying turns and, therefore, leads to an increase in the fill factor of the coil with copper. Thirdly, a cooling channel is formed in the window of each magnetic circuit, the width of which is equal to twice the thickness of the magnetic circuit. In this case, the useful area of the window is not reduced, in contrast to the known method of increasing heat transfer due to incomplete filling of the window [2].

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2, при этом на фиг.1 показаны основные элементы конструкции трехфазного симметричного трансформатора, на фиг.2 показана векторная диаграмма его магнитных потоков. The invention is illustrated in FIG. 1, 2, while figure 1 shows the basic structural elements of a three-phase symmetrical transformer, figure 2 shows a vector diagram of its magnetic fluxes.

На фиг. 1 приведены три одинаковых магнитопровода с прямоугольным окном 1, 2, 3, причем магнитопроводы 1, 2 параллельны друг другу, а 3 им перпендикулярен. Магнитопроводы установлены в одной плоскости вплотную и по одной оси симметрии. Магнитопроводы могут быть либо едиными ленточными или шихтованными (на фиг. 1 показано пунктиром), либо составленными из набора одинаковых ленточных сердечников, расположенных по одной оси симметрии и соприкасающихся друг с другом торцевыми поверхностями. Концентричные первичные и вторичные обмотки 4, 5, 6 пофазно охватывают по два смежных магнитопровода, а именно: обмотка 4 охватывает магнитопроводы 1, 2, обмотка 5 - магнитопроводы 1, 3, а обмотка 6 - магнитопроводы 2, 3. На фиг.1 показана линия разреза 7 ленточных магнитопроводов 1, 2, находящаяся на расстоянии от магнитопровода 3, равном удвоенной толщине магнитопровода, и линия разреза 8 магнитопровода 3, который с целью унификации конструкции всех магнитопроводов разрезан аналогично магнитопроводам 1, 2. Как следует из геометрических соотношений, высота окна магнитопровода равна удвоенной сумме толщины магнитопровода и ширины его окна. In FIG. Figure 1 shows three identical magnetic cores with a rectangular window 1, 2, 3, and the magnetic cores 1, 2 are parallel to each other, and 3 are perpendicular to them. Magnetic cores are installed in one plane close to each other and along one axis of symmetry. Magnetic cores can be either single tape or burnt (in Fig. 1 is shown by a dotted line), or composed of a set of identical tape cores located on the same axis of symmetry and in contact with each other end surfaces. Concentric primary and secondary windings 4, 5, 6 phase-wise cover two adjacent magnetic cores, namely: winding 4 covers magnetic cores 1, 2, winding 5 - magnetic cores 1, 3, and winding 6 - magnetic cores 2, 3. Figure 1 shows the cut line 7 of the tape cores 1, 2, located at a distance from the magnetic circuit 3, equal to twice the thickness of the magnetic circuit, and the cut line 8 of the magnetic circuit 3, which, in order to unify the design of all magnetic circuits, is cut similar to magnetic circuits 1, 2. As follows from the geometric relationships, the height from the magnetic circuit window is equal to twice the sum of the thickness of the magnetic circuit and the width of its window.

Трансформатор работает следующим образом. При подключении его первичных обмоток к трехфазной сети в них протекают токи намагничивания, которые образуют трехфазную систему магнитных потоков Ф_A, Ф_B, Ф_C, приведенных на фиг. 2. Каждый из этих потоков равен разности магнитных потоков Ф₁, Ф₂, Ф₃ в магнитопроводах 1, 2, 3 (фиг.1), охваченных соответствующими фазными обмотками, при этом: Ф_A = Ф₁- Ф₃, Ф_B = Ф₂ - Ф₁, Ф_Cс = Ф₃-Ф₂. При симметрии трехфазной сети, идентичности магнитопроводов и обмоток потоки Ф₁, Ф₂, Ф₃ образуют симметричную трехфазную систему, сдвинутую относительно потоков Ф_A, Ф_B, Ф_C на 30^o, и при этом обеспечивается полная симметрия параметров фаз, что составляет особенность работы рассматриваемого трансформатора. В остальном процесс работы данного трансформатора не отличается от известных [1,2,3].The transformer operates as follows. When its primary windings are connected to a three-phase network, magnetization currents flow in them, which form a three-phase system of magnetic fluxes Ф _A , Ф _B , Ф _C , shown in FIG. 2. Each of these fluxes is equal to the difference of magnetic fluxes Ф ₁ , Ф ₂ , Ф ₃ in the magnetic circuits 1, 2, 3 (Fig. 1) covered by the corresponding phase windings, while: Ф _A = Ф ₁ - Ф ₃ , Ф _B = Ф ₂ - Ф ₁ , Ф _C с = Ф ₃ -Ф ₂ . With the symmetry of the three-phase network, the identity of the magnetic cores and the windings, the fluxes Ф ₁ , Ф ₂ , Ф ₃ form a symmetric three-phase system, shifted relative to the fluxes Ф _A , Ф _B , Ф _C by 30 ^o , and this ensures complete symmetry of the phase parameters, which is a feature operation of the transformer in question. In the rest, the operation process of this transformer does not differ from the known ones [1,2,3].

С целью демонстрации изобретения был изготовлен трехфазный симметричный трансформатор мощностью 1500 Вт, который был применен в опытном образце источника питания. Его магнитная система, как на фиг.1, представляла собой три одинаковых магнитопровода, каждый из которых состоял из трех сердечников, навитых лентой электротехнической стали толщиной 0,35 мм и шириной 40 мм. Толщина навивки составляла 16 мм, ширина окна - 25 мм, высота окна - 82 мм, то есть равнялась удвоенной сумме толщины навивки и ширины окна. Магнитопроводы были установлены на стальную плату с крепежными отверстиями. Магнитная система в поперечном и вертикальном направлениях была стянута шестью лентами с помощью трех хомутов. Стягивание в продольном направлении осуществлялось тремя шпильками, установленными в пазах, образованных радиусами в стыке магнитопроводов и стяжных лент. Кроме того, для этой же цели крайние ленты имели буртики. Детали крепления на фиг. 1 не показаны. Наматывались сначала первичные фазные обмотки, а затем, после укладки межобмоточной изоляции, концентрично первичным наматывались вторичные фазные обмотки. Трансформатор при испытаниях имел перегрев 45^o, КПД - 92%. Его удельная мощность составила 110 Вт/кг и 430 Вт/дм³, что, соответственно, в 1,3 и 1,9 раза выше, чем в известных конструкциях [2,3,4].In order to demonstrate the invention, a three-phase symmetric transformer with a power of 1,500 W was manufactured, which was used in a prototype power source. Its magnetic system, as in FIG. 1, consisted of three identical magnetic cores, each of which consisted of three cores, wound with a tape of electrical steel 0.35 mm thick and 40 mm wide. The thickness of the winding was 16 mm, the width of the window was 25 mm, the height of the window was 82 mm, i.e. equal to twice the sum of the thickness of the winding and the width of the window. Magnetic cores were mounted on a steel plate with mounting holes. The magnetic system in the transverse and vertical directions was pulled together by six tapes with the help of three clamps. Pulling in the longitudinal direction was carried out by three studs installed in the grooves formed by the radii at the junction of the magnetic cores and tie rods. In addition, for the same purpose, the extreme ribbons had collars. The mounting details in FIG. 1 are not shown. First, the primary phase windings were wound, and then, after laying the winding insulation, secondary phase windings were concentrically wound with the primary windings. The transformer during the tests had an overheat of 45 ^o , efficiency - 92%. Its specific power was 110 W / kg and 430 W / dm ³ , which, respectively, is 1.3 and 1.9 times higher than in known constructions [2,3,4].

Таким образом, предлагаемый трехфазный симметричный трансформатор сочетает в себе простоту конструкции и технологии, характерную для трансформаторов с плоской магнитной системой, и симметрию, присущую трансформаторам с пространственной магнитной системой при одновременном существенном улучшении массогабаритных характеристик. Thus, the proposed three-phase symmetric transformer combines the simplicity of design and technology that is typical for transformers with a flat magnetic system and the symmetry inherent in transformers with a spatial magnetic system while significantly improving the overall dimensions.

Источники информации
1. Г.Н.Петров. Электрические машины, ч. 1. М.: Энергия, 1974, с.75-76.Sources of information
1. G.N. Petrov. Electric machines, part 1. M .: Energy, 1974, p. 75-76.

2. Р.Х.Бальян. Трансформаторы для радиоэлектроники. М.: Советское радио, 1971, с.18,19, 26-32, 53-54. 2. R.Kh. Balyan. Transformers for electronics. M .: Soviet Radio, 1971, p. 18.19, 26-32, 53-54.

3. Р.Х.Бальян, Л.Г.Васютин, В.Д.Черняев. Симметричный трехфазный трансформатор. Патент N1805507, H 01 F 33/00. 3. R.Kh. Balyan, L.G. Vasyutin, V.D. Chernyaev. Symmetric three-phase transformer. Patent N1805507, H 01 F 33/00.

4. Р.Х.Бальян, Л.Г.Васютин, В.Д.Черняев. Помехоподавляющий симметричный трехфазный трансформатор. "Судостроительная промышленность", серия общетехническая. Вып. 3. 1991, Научно- технический сборник. Центральный научно-исследовательский институт "Румб", с.34-37. 4. R.Kh. Balyan, L.G. Vasyutin, V.D. Chernyaev. Noise suppression symmetric three-phase transformer. "Shipbuilding industry", a series of general technical. Vol. 3. 1991, Scientific and technical collection. Central Research Institute "Rumb", p. 34-37.

Claims

1. Three-phase symmetric transformer, the magnetic system of which contains three identical magnetic cores with a rectangular window, the first and second of which are parallel to each other, and the third is perpendicular, the primary phase windings and secondary, which phase-wise cover two adjacent magnetic cores, characterized in that the magnetic cores installed in the same plane closely along one axis of symmetry, the height of the magnetic circuit window is equal to twice the sum of the thickness of the magnetic circuit and the width of its window, and the primary windings are concentric secondary m

2. The transformer according to claim 1, characterized in that the tape magnetic circuits are cut, while the first and second of them are cut at a distance from the third, not exceeding twice the thickness of the magnetic circuit.

3. The transformer according to claim 1 or 2, characterized in that each magnetic circuit consists of a set of identical tape cores located on the same axis of symmetry and in contact with each other end surfaces.