BRPI0919623B1 - Transformador de múltiplos enrolamentos para uso em circuitos conversores de energia - Google Patents

Abstract

transformador. a invenção refere-se a um transformador (11) com pelo menos um membro de núcleo (22) no qual três enrolamentos (32) são dispostos lado a lado, cujas descargas (28, 30) são projetadas para serem mutuamente isoladas, onde cada enrolamento (32) é formado por um enrolamento de baixa voltagem perto do núcleo (34), que é enrolado por um enrolamento de alta voltagem associado (36) e as descargas (30) dos enrolamentos de baixa voltagem (34) são axialmente projetadas, de modo que o espaçamento lateral dos enrolamentos (32) com relação ao outro seja minimizado.

Description

[001] A invenção refere-se a um transformador possuindo pelo menos um membro de núcleo no qual três enrolamentos são dispostos um ao lado do outro, as linhas de saída dos enrolamentos sendo, cada uma, direcionadas para fora de maneira isolada uma da outra.

[002] Os transformadores que são necessários para os converso res de energia, isto é, retificadores ou inversores possuem, cada um, uma pluralidade de enrolamentos que consistem em um enrolamento de baixa tensão e um enrolamento de alta tensão e são utilizados para transformar a tensão CA respectiva de duas fases ou três fases no nível de tensão desejado.

[003] Uma corrente que fio retificada dessa forma possui de for ma regular uma ondulação residual, isto é, um componente de tensão CA ainda remanescente de uma tensão de suprimento suavizada ou regulada depois que a última foi retificada por um retificador e suavizada por um capacitor e/ou foi reduzida para um nível inferior por um regulador de tensão.

[004] A fim de se reduzir essa ondulação residual ainda mais, cir cuitos de retificador de 12 fases, 18 fases e 24 fases são frequentemente utilizados. Como resultado disso, é frequentemente possível dispensar totalmente com um capacitor de suavização. Outra grande vantagem é a corrente de entrada virtualmente sinusoidal e a carga de transformador/parte principal baixa resultante com energia reativa distorcida. O transformador, que é mais complicado de enrolar e possui um enrolamento delta e um enrolamento tipo estrela com tensão de mesmo polo, é desvantajoso. Essa disposição resulta em uma mudança de fase de 30° com 12 fases. Para uma mudança de fase de 20° com 18 fases ou 15° com 24 fases, duas fases adjacentes devem ser adicionadas de forma correspondente, como resultado de que o transformador necessário se torna ainda mais complicado, visto que um enrolamento completo, isto é, um enrolamento de baixa tensão e um enrolamento de alta tensão, com uma linha de saída separada é respectivamente necessário para cada fase.

[005] Se tais enrolamentos forem dispostos um ao lado do outro em um membro comum, um espaço intermediário suficientemente grande que é, portanto, o espaço necessário para o direcionamento isolado para fora necessário dos condutores de enrolamento, precisa ser fornecido entre os enrolamentos que são dispostos ao lado um do outro. Isso resulta em uma extensão espacial correspondente desses transformadores combinados, com uma exigência de espaço correspondente.

[006] No entanto, o espaço necessário, dessa forma, é frequen temente indisponível, que resulta em problemas de espaço consideráveis ou permite que apenas variações de circuito mais simples que são associadas com a desvantagem da ondulação residual indesejável, isto é, remanescentes da tensão CA.

[007] Com base na técnica anterior descrita acima, o objetivo da invenção é fornecer um transformador do tipo mencionado, transformador esse que permite a melhor utilização do espaço por meio de medidas técnicas e, dessa forma, permite o maior número possível de enrolamentos dispostos com o menor volume físico possível.

[008] Esse objetivo é alcançado pela presente invenção.

[009] Adequadamente, prevê-se que cada enrolamento seja for mado por um enrolamento de baixa tensão que está perto do núcleo e, respectivamente, tem um enrolamento de alta tensão associado enrolado em torno do mesmo, que a distância axial entre os enrolamentos seja minimizada, e que as linhas de saída dos enrolamentos de baixa tensão sejam direcionadas axialmente para fora. Nesse caso, as linhas de saída dos enrolamentos de alta tensão podem sempre ser direcionadas para fora em uma direção radial.

[0010] A solução para o problema de espaço, como fornecido de acordo com a invenção, é, dessa forma, alcançada pela redução da distância axial entre três enrolamentos, que são, cada um, dispostos ao lado um do outro em um membro de núcleo, a um mínimo que é determinado pela distância de isolamento necessária entre os enrolamentos e a influência mútua resultante como resultado das reações elétricas.

[0011] Isso é possibilitado pelo fato de as linhas de saída dos en rolamentos de baixa tensão não serem direcionadas para fora em uma direção radial como anteriormente, o que aumenta consideravelmente a distância axial entre os enrolamentos, mas, ao invés disso, axialmente, de acordo com a invenção, isto é, em paralelo ao eixo geométrico de enrolamento, na região entre o enrolamento de baixa tensão e o enrolamento de alta tensão.

[0012] Foi provado ser particularmente favorável nesse caso que as linhas de saída que são direcionadas axialmente para fora, isso é, em paralelo com o eixo geométrico de enrolamento ou para o membro de núcleo, serem, cada uma, fornecidas com um tubo de encolhimento como isolamento e como proteção. Esse isolamento é projetado de forma correspondente às cargas elétricas, por exemplo, com uma tensão classificada de 2 kV, uma tensão de teste de 20 kV e uma tensão de impulso de 60 kV para uma energia total de aproximadamente 5 MVA, e, preferivelmente, possui uma espessura de isolamento (= espessura de parede) de pelo menos 5 mm, preferivelmente 6 mm, isso é, um total de 12 mm., à qual a espessura do condutor é adicionada.

[0013] A fim de se alcançar um desenho de instalação fácil, uma modalidade preferida da invenção fornece linhas de saída dos enrolamentos de baixa tensão direcionadas para fora em paralelo ao mem bro de núcleo em um lado, isto é, todas as conexões elétricas dos en-rolamentos de baixa tensão são dispostas em um lado do transformador projetado dessa forma.

[0014] Alternativamente, outra modalidade da invenção também prevê linhas de saída de um enrolamento de baixa tensão dispostas no lado de fora a serem direcionadas para fora para um lado, e linhas de saída dos dois outros enrolamentos de baixa tensão direcionadas para fora para o lado oposto axialmente em paralelo ao membro de núcleo. Esse refinamento é considerado, em particular, quando o espaço suficiente está disponível.

[0015] Por motivos de simetria com relação às propriedades elétri cas e mecânicas, o formato do enrolamento circular é preferido. Se as linhas de saída dos enrolamentos de baixa tensão internos forem agora direcionados para fora de maneira axial, isto é, em paralelo ao eixo geométrico de enrolamento, ao longo da circunferência, as imperfeições resultam inevitavelmente na circunferência e, no caso de enrolamentos de alta tensão enrolados no mesmo no lado de fora, resultam inevitavelmente em desvios locais do formato circular, por exemplo, para seções transversais de enrolamento em formato de ovo.

[0016] Nesse caso, já se provou ser vantajoso que as linhas de saída dos enrolamentos de baixa tensão sejam direcionadas para fora em paralelo ao membro de núcleo de uma maneira desviada por 120° com relação uma à outra na circunferência. Isso homogeneíza pelo menos aproximadamente a circunferência do enrolamento. Ao mesmo tempo, o risco de possível influência elétrica mútua pode ser reduzida de forma decisiva pela distribuição espacial das linhas de saída dos enrolamentos de baixa tensão diferentes na circunferência.

[0017] Ao invés do formato circular, não é necessário dizer que um formato retangular ou um formato oval também pode ser utilizado para o desenho da seção transversal de bobina de acordo com a invenção. No entanto, uma geometria de enrolamento que é o mais uniforme possível é sempre vantajosamente considerada nesse caso.

[0018] A fim de se obter o formato mais uniforme possível de cada enrolamento completo, isto é, consistindo de um enrolamento de baixa tensão e um enrolamento de alta tensão, um desenvolvimento vantajoso do refinamento de acordo com a invenção fornece espaçadores tipo concha feitos de material isolante a ser disposto de uma forma uniformemente distribuída ao longo da circunferência na região entre os enrolamentos parciais, isto é, entre o enrolamento de baixa tensão e o enrolamento de alta tensão.

[0019] Esses espaçadores são utilizados para preencher o espaço que não é ocupado por uma linha de saída de enrolamento e, dessa forma, para compensar qualquer desvio do enrolamento a partir do formato uniforme buscado e, dessa forma, para evitar que os desvios indesejáveis sejam produzidos. A espessura desses envoltórios isolan- tes é tal que corresponde aproximadamente à espessura de uma linha de saída.

[0020] Cada um dos espaçadores tipo concha dispostos entre os enrolamentos possui preferivelmente largura tal, na direção circunfe- rencial, que um espaço permaneça respectivamente entre as conchas de espaçamento, que são adjacentes com base na circunferência, espaço para dentro do qual a linha de saída relevante pode ser inserida. Nesse caso, tal concha de espaçamento se estende no máximo através da circunferência de modo que uma área restante não coberta, a largura da qual corresponde à de três linhas de saída, resulta no caso de três conchas de espaçamento, por exemplo.

[0021] Se for apropriado, essas conchas de isolamento podem ser projetadas de forma modular ou utilizando blocos de construção, com o resultado de a posição respectiva da linha de saída relevante já ter sido pré-definida quando da produção de um enrolamento. Por exem- plo, a fim de se direcionar para fora as linhas de saída respectivas em um lado, pode-se prever a circunferência de enrolamento sem espaço intermediário, além de sua própria linha de saída, a ser fornecida para o primeiro enrolamento que é a mais distante do lado de conexão, para um espaço intermediário cada uma das primeiras linhas de saída e linhas de saída centrais a serem fornecidas para o próximo, o enrolamento central e para um total de três espaços intermediários a serem fornecidos para o terceiro enrolamento que é mais próximo do lado de conexão. Nesse caso, os espaços intermediários fornecidos respectivamente são alinhados com os espaços intermediários associados entre os enrolamentos adjacentes.

[0022] De acordo com outro refinamento vantajoso da invenção, espaços para os canais de resfriamento também podem ser previstos nos espaçadores tipo concha paralelos aos espaços intermediários para as linhas de saída respectivas dos enrolamentos de baixa tensão, através dos canais de resfriamento um gás, por exemplo ar, ou outro fluido flui ou circula como refrigerante.

[0023] De acordo com outra modalidade variante vantajosa, se prova ser rápido embutir todos os enrolamentos, isto é, os enrolamentos formados a partir de um enrolamento de baixa tensão e um enrolamento de alta tensão, com resina sintética juntamente com o isolamento das linhas de saída, com o resultado de não haver necessidade de se lidar com quaisquer danos ou prejuízos dos enrolamentos individuais depois de o enrolamento completo ter sido acabado.

[0024] A princípio, o transformador de acordo com a invenção po de ter três ou mais membros de núcleo que são, cada um, fornecidos com três ou mais, por exemplo, quatro enrolamentos de baixa tensão dispostos ao lado um do outro e enrolamentos de alta tensão enrolados no último, as extremidades dos membros sendo, cada uma, conectadas por meio de forquilhas. Nesse caso, é vantajoso se dispor os membros de núcleo individuais ao lado um do outro em um plano comum.

[0025] No caso de quatro ou mais enrolamentos para cada mem bro de núcleo, as linhas de saída são, da mesma forma, direcionadas para fora para o lado, como já explicado acima, na circunferência do enrolamento de baixa tensão respectivo, para ser preciso apenas para um lado ou simetricamente para ambos os lados, por exemplo.

[0026] As concretizações se referem a esses e outros refinamen tos vantajosos e aperfeiçoamentos da invenção.

[0027] A invenção, os refinamentos vantajosos e os aperfeiçoa mentos da invenção além das vantagens particulares da invenção devem ser explicados e descritos em maiores detalhes utilizando-se uma modalidade ilustrativa da invenção que é ilustrada nos desenhos em anexo, nos quais:

[0028] a figura 1 ilustra uma ilustração diagramática, a partir do lado, de um transformador possuindo uma disposição de enrolamento convencional de acordo com a técnica anterior;

[0029] a figura 2 ilustra um transformador de acordo com a inven ção com três enrolamentos que são dispostos ao lado um do outro em um membro de núcleo; e

[0030] a figura 3 ilustra uma seção transversal através de um enro lamento de acordo com a linha de corte A-A na figura 2 com as linhas de saída dos enrolamentos de baixa tensão que foram direcionadas através.

[0031] A figura 1 ilustra uma ilustração diagramática, para o lado, de um transformador 10, por exemplo, para uso para retificadores ou inversores, que é formada com uma disposição convencional de enrolamentos de 1 a 9 de acordo com a técnica anterior e onde três enrolamentos 12 são respectivamente dispostos um ao lado do outro em um membro de núcleo comum 22. Um total de três membros de núcleo 22, que possuem, cada um, 12 enrolamentos denotados com os números de 1 a 9 enrolados em torno dos mesmos, são fornecidos. Os enrolamentos 12 consistem, cada um, em um enrolamento de baixa tensão 14 e um enrolamento de alta tensão 16 que se une radialmente ao último.

[0032] No exemplo da técnica anterior ilustrado na figura 1, a es trutura de núcleo do transformador consiste de três membros de núcleo 22 que são dispostos em paralelo um ao outro e nas extremidades dos quais uma forquilha contínua 24 fecha, respectivamente, o circuito magnético.

[0033] Nesse caso, os enrolamentos 12 que são, cada um, dispos tos em um membro de núcleo 22 estão a tal distância um do outro que isolamento suficiente para as linhas de saída 20 dos enrolamentos de baixa tensão 14, que são direcionados radialmente para fora entre as mesmas, é garantido. As linhas de saída 18 dos enrolamentos de alta tensão 16 são, da mesma forma, direcionadas radialmente para fora na circunferência externa de cada enrolamento 12.

[0034] No entanto, esse projeto não é muito econômico em termos de espaço e uma quantidade considerável de espaço é necessária para tal transformador. O espaço é geralmente escasso e é frequentemente mal utilizado, e, dessa forma, existe um desejo urgente de se criar dimensões menores para tais transformadores.

[0035] Esse é o ponto de partida da invenção que se refere a um transformador 11 que é, da mesma forma, ilustrado em uma ilustração diagramática a partir do lado na figura 2.

[0036] O transformador 11 ilustrado na figura 2 é, igualmente, des tinado a ser utilizado para retificadores e/ou inversores e, de acordo, tem um total de nove enrolamentos 32 que são, isto é, da mesma forma que o transformador 10 ilustrado na figura 1, denotados pelos números 1 a 9.

[0037] Cada um dos três enrolamentos 32 que são respectivamen te dispostos ao lado um do outro consiste em um enrolamento de baixa tensão 34 e um enrolamento de alta tensão 36 que é enrolado radialmente no lado de fora do último e através do centro do qual um membro de núcleo 22 alcança, com o membro de núcleo sendo mecanicamente conectado a uma forquilha 24 em cada uma das duas extremidades e, dessa forma, fecha o circuito magnético.

[0038] Nesse caso também, as linhas de saída 28 do enrolamento de alta tensão 36 são, cada uma, direcionadas radialmente para fora, ao passo que as linhas de saída 30 do enrolamento de baixa tensão 34 são, cada um, direcionadas para um lado da circunferência de forma axial, isto é, em paralelo ao eixo geométrico de enrolamento ou paralelo à direção de extensão dos membros de núcleo 22 do transformador 11, na região entre o enrolamento de baixa tensão 34 e o enrolamento de alta tensão 36.

[0039] A figura 3 ilustra uma vista em corte da seção transversal de um enrolamento 32 ao longo da linha de corte A-A da figura 2, onde a região mencionada acima entre o enrolamento de baixa tensão 34 e o enrolamento de alta tensão 36 pode ser observada na forma de um espaço anular 35.

[0040] Essa região que é referida como um espaço anular 35 e na qual as linhas de saída 30 são direcionadas para fora já é necessária por motivos de isolamento elétrico entre os dois enrolamentos parciais, isto é, o enrolamento de baixa tensão 34 e o enrolamento de alta tensão 36, que estão em níveis de tensão diferentes. Adicionalmente, as linhas de saída 30 também devem ser isoladas dos outros enrolamentos 32. Isso resulta em uma altura do espaço anular 35 de pelo menos 20 mm, no qual as linhas de saída 30 correm e que é, para o resto, preenchida com o material de isolamento na forma de espaçadores 38.

[0041] De acordo com a invenção, as linhas de saída respectivas 30 dos enrolamentos de baixa tensão 34 dos enrolamentos 32 dispostos ao lado um do outro em um membro de núcleo comum 22 são axialmente direcionados nesse espaço anular 35 que é indicado em maiores detalhes na figura 3.

[0042] Como pode ser claramente observado na figura 2, foi pos sível se reduzir consideravelmente a distância lateral entre os enrolamentos 32 por conta da disposição inventiva das linhas de saída 30 axialmente paralelas ao eixo geométrico de enrolamento ou ao eixo geométrico longitudinal do membro de núcleo 22, que resulta em uma largura consideravelmente menor do transformador 11 de acordo com a invenção, em comparação com os transformadores convencionais 10 na técnica anterior, com os mesmos dados de desempenho.

[0043] Como já mencionado, a figura 3 representa uma ilustração em corte através de um enrolamento 32 ao longo da linha de corte A-A indicada na figura 2. Em primeiro lugar ilustra um enrolamento de baixa tensão 34 em torno de um núcleo central 22. A região que já foi mencionada e é referida como um espaço anular 35 une o dito enrolamento, as linhas de saída de extensão axial 30 dos enrolamentos de baixa tensão 34 sendo dispostas com um desvio angular de aproximadamente 120 com base na circunferência na dita região.

[0044] Adicionalmente, os espaçadores 38 que são utilizados para separar eletricamente o enrolamento de baixa tensão 34 e o enrolamento de alta tensão 35 um do outro e para obter o formato circular do enrolamento 32 são fornecidos no espaço anular 35. Ao mesmo tempo, os canais de extensão axial 40 para o fluido de resfriamento também são dispostos no espaço anular 35, fluido de resfriamento esse que flui através e no processo absorve o calor resultante da carga corrente nos enrolamentos 32. Lista de Símbolos de Referência 10 transformador 11 transformador 12 enrolamento 14 enrolamento de baixa tensão 16 enrolamento de alta tensão 18 linha de saída de alta tensão 20 linha de saída de baixa tensão 22 membro de núcleo 24 forquilha 28 linha de saída de alta tensão 30 linha de saída de baixa tensão 32 enrolamento 34 enrolamento de baixa tensão 35 espaço anular 36 enrolamento de alta tensão 38 espaçador 40 canal de resfriamento

Claims (11)

1. Transformador (11) possuindo pelo menos um membro de núcleo (22) no qual três enrolamentos (32) são dispostos axialmente ao lado um do outro, as linhas de saída (28, 30) de cujos enrolamentos (32) são, cada uma, direcionadas para fora de uma maneira isolada uma da outra, caracterizado pelo fato de cada enrolamento (32) ser formado por um enrolamento de baixa tensão (34) que está perto do núcleo e, respectivamente, possui um enrolamento de alta tensão associado (36) enrolado em torno do mesmo, e pelo fato de as linhas de saída (30) dos enrolamentos de baixa tensão (34) serem axialmente direcionadas para fora, com o resultado de a distância lateral entre os enrolamentos (32) ser minimizada, mínimo este que é determinado pela distância de isolamento necessária entre os enrolamentos (32) e a influência mútua resultante advinda de reações elétricas.

2. Transformador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de as linhas de saída (30) dos enrolamentos de baixa tensão (34) serem, cada uma, direcionadas para fora em paralelo ao membro de núcleo (22) na região (35) entre o enrolamento de baixa tensão (34) e o enrolamento de alta tensão (36).

3. Transformador, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de as linhas de saída (30) dos enrolamentos de baixa tensão (34) serem direcionadas para fora em paralelo ao membro de núcleo (22) de uma forma desviada por 120° com relação uma à outra com base na circunferência.

4. Transformador, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de as linhas de saída (30) dos enrolamentos de baixa tensão (34) serem direcionadas para fora em paralelo ao membro de núcleo (22) em um lado.

5. Transformador, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de as linhas de saída (30) de um enrolamento de baixa tensão (34) dispostas perto da forquilha serem direcionadas para fora para um lado e as linhas de saída (30) dos dois outros enrolamentos de baixa tensão (34) serem direcionadas para fora para o lado oposto axialmente em paralelo ao membro de núcleo (22).

6. Transformador, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de as linhas de saída (30), que são direcionadas para fora axialmente em paralelo ao membro de núcleo (22) serem, cada uma, fornecidas com um tubo de encolhimento.

7. Transformador, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizado pelo fato de os espaçadores tipo concha (38) serem intercalados entre os enrolamentos de baixa tensão (34) e os enrolamentos de alta tensão (36) cercando o último, a extensão radial de cujos espaçadores (38) corresponde aproximadamente à espessura de uma linha de saída (30) e cujos espaçadores (38), dessa forma, produzem um espaço anular (35) entre o enrolamento de baixa tensão (34) e o enrolamento de alta tensão (36).

8. Transformador, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de um espaço livre axialmente paralelo permanecer para uma linha de saída (30) entre cada um dos espaçadores tipo concha (38) intercalados entre os enrolamentos de baixa tensão e de alta tensão (34, 36).

9. Transformador, de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado pelo fato de cada um dos espaçadores tipo concha (38) intercalados entre os enrolamentos de alta tensão e baixa tensão (34, 36) possuir tal largura que se estende através de uma faixa angular de < 120o .

10. Transformador, de acordo com qualquer uma das rei-vindicações anteriores, caracterizado pelo fato de pelo menos um ca nal (40) para o fluido de resfriamento fluir através ser fornecido no espaço anular (35).

11. Transformador, de acordo com qualquer uma das rei-vindicações anteriores, caracterizado pelo fato de três membros de núcleo (22) que são, cada um, fornecidos com três enrolamentos (32), que são dispostos ao lado um do outro e são formados a partir dos enrolamentos de baixa tensão (34) e os enrolamentos de alta tensão, serem fornecidos, as extremidades dos ditos membros sendo, cada uma, conectadas em ambos os lados por meio de forquilhas (24).