RU2246151C1

RU2246151C1 - Multiphase transformer

Info

Publication number: RU2246151C1
Application number: RU2003113384/09A
Authority: RU
Inventors: Н.А. Сингаевский (RU); Н.А. Сингаевский; А.Е. Церковный (RU); А.Е. Церковный; н А.А. Сапь (RU); А.А. Сапьян; С.Ю. Герасимов (RU); С.Ю. Герасимов; В.В. Ермаков (RU); В.В. Ермаков
Original assignee: ООО "Электроспектр"; ДОАО "Электрогаз" ОАО "Газпром"
Priority date: 2003-05-06
Filing date: 2003-05-06
Publication date: 2005-02-10

Abstract

FIELD: transformer manufacture; multiphase semiconductor power converters.

SUBSTANCE: intermediate spiral core of transformer is built of two equal-height rings stuck together at butt-end rough surfaces, ring height being equal to height of rings of side cores. Three-phase primary winding and multiphase secondary winding are placed in slots formed by rectangular teeth stuck to outer butt-end ground surfaces of intermediate-core rings and welded to them over external and internal generating lines. Teeth are laminated structures made of cold-rolled electric steel, their rolling orientation being unidirectional with magnetic flux.

EFFECT: enhanced efficiency, reduced mass, facilitated manufacture.

1 cl, 2 dwg

Description

Заявляемое изобретение относится к трансформаторостроению и может быть использовано в многофазных полупроводниковых преобразователях электрической энергии.The claimed invention relates to transformer construction and can be used in multiphase semiconductor converters of electrical energy.

Известен многофазный трансформатор, содержащий средний витой магнитопровод с обмотками, уложенными в радиальные пазы, и два боковых витых магнитопровода, выполненных без обмоток и примыкающих к зубцам торцовых поверхностей среднего магнитопровода (см. RU, патент №2115186, Н 02 М 5/14, 1998 г., Бюл. №19). В многофазном трансформаторе такой конструкции пазы для укладки обмоток на обоих торцах среднего витого магнитопровода фрезеруются, что предопределяет высокие производственные энергозатраты, безвозвратные отходы в стружку электротехнической стали и повышенные потери энергии на вихревые токи в среднем магнитопроводе. Увеличение потерь на вихревые токи вызвано тем, что в процессе фрезерования пазов витки ленты замыкаются между собой по фрезерованным поверхностям, в результате чего возникает множество короткозамкнутых контуров, перпендикулярных направлению магнитного потока. Кроме того, магнитный поток в зубцах такого трансформатора перпендикулярен направлению проката ленты электротехнической стали, из которой посредством навивки изготавливается средний магнитопровод. Однако известно, что магнитное сопротивление холоднокатаной электротехнической стали в поперечном направлении в 1,5-2 раза выше, чем в направлении проката. Поэтому сопротивление магнитному потоку в зубцовой зоне трансформатора, изготавливаемого подобным образом, оказывается в 1,5-2 раза больше, чем в ярме среднего магнитопровода, если их сечения равны. В этом случае для выравнивания магнитных сопротивлений зубцовой зоны и ярма сечение зубцов приходится увеличивать в 1,5-2 раза, соответственно, что приводит к увеличению массы трансформатора.Known multiphase transformer containing a middle twisted magnetic circuit with windings laid in radial grooves, and two side twisted magnetic circuit, made without windings and adjacent to the teeth of the end surfaces of the middle magnetic circuit (see RU, patent No. 2115186, H 02 M 5/14, 1998 g., Bull. No. 19). In a multiphase transformer of this design, the grooves for laying the windings on both ends of the middle twisted magnetic circuit are milled, which determines high production energy consumption, irrevocable waste in the chips of electrical steel and increased energy losses due to eddy currents in the middle magnetic circuit. The increase in eddy current losses is caused by the fact that during the grooving of the grooves, the turns of the tape are closed together along the milled surfaces, as a result of which there are many short-circuited circuits perpendicular to the direction of the magnetic flux. In addition, the magnetic flux in the teeth of such a transformer is perpendicular to the rolling direction of the electrical steel tape, from which the middle magnetic circuit is made by winding. However, it is known that the magnetic resistance of cold-rolled electrical steel in the transverse direction is 1.5-2 times higher than in the rolled direction. Therefore, the resistance to magnetic flux in the tooth zone of a transformer manufactured in this way turns out to be 1.5-2 times greater than in the yoke of the middle magnetic circuit if their cross sections are equal. In this case, to align the magnetic resistances of the tooth zone and the yoke, the section of the teeth must be increased by 1.5-2 times, respectively, which leads to an increase in the mass of the transformer.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является многофазный трансформатор, в котором на обе торцовые поверхности среднего витого кольцевого магнитопровода наклеены при помощи ферромагнитного клея витые зубцы, а секции трехфазной первичной и многофазной вторичной обмоток уложены в пазы, образованные зубцами и торцовыми поверхностями среднего магнитопровода (патент РФ, 2187163, Н 01 F 30/14, 2002).The closest to the proposed invention in terms of technical nature and the achieved result is a multiphase transformer in which twisted teeth are glued using ferromagnetic glue on both end surfaces of the middle twisted annular magnetic circuit, and sections of the three-phase primary and multiphase secondary windings are laid in grooves formed by the teeth and end surfaces the middle magnetic circuit (RF patent, 2187163, H 01 F 30/14, 2002).

Для уменьшения сопротивления магнитной цепи в местах примыкания зубцов к среднему магнитопроводу их соответствующие торцовые поверхности шлифуют. При этом воздушные зазоры между зубцами и средним магнитопроводом уменьшаются, что влияет на КПД трансформатора в сторону его увеличения за счет уменьшение тока холостого хода.To reduce the resistance of the magnetic circuit at the junction of the teeth to the middle magnetic circuit, their respective end surfaces are ground. In this case, the air gaps between the teeth and the middle magnetic circuit are reduced, which affects the efficiency of the transformer in the direction of its increase due to a decrease in the no-load current.

Однако после шлифовки обеих торцовых поверхностей среднего магнитопровода торцы ленты электротехнической стали, из которой он навивается, оказываются смятыми, что обуславливает их замыкание между собой и влияет на КПД трансформатора в сторону его уменьшения за счет увеличения потерь на вихревые токи в этом магнитопроводе.However, after polishing both end surfaces of the middle magnetic circuit, the ends of the tape of electrical steel from which it is wound turn out to be wrinkled, which causes them to short circuit with each other and affects the efficiency of the transformer towards its decrease due to an increase in eddy current losses in this magnetic circuit.

Следует также отметить, что в трансформаторе с витыми зубцами, как и в трансформаторе с зубцами фрезерованными, магнитный поток в зубцах также перпендикулярен направлению проката ленты электротехнической стали, что предопределяет увеличение сечения, а значит, и массы зубцов.It should also be noted that in a transformer with twisted teeth, as well as in a transformer with milled teeth, the magnetic flux in the teeth is also perpendicular to the direction of rolled electrical steel tape, which determines the increase in the cross section, and hence the mass of the teeth.

Кроме того, крепление зубцов к торцовым поверхностям среднего магнитопровода только с помощью ферромагнитного клея не обеспечивает достаточной механической прочности получающегося соединения. Вследствие этого, как показывает практика, при укладке секций первичной и вторичной обмоток зубцы зачастую отрываются и сборка трансформатора приостанавливается. Секции обмоток, которые уложены в пазы, образованные оторвавшимися зубцами, снимаются, поверхности среднего магнитопровода в месте склейки и оторвавшихся зубцов зачищаются и склеиваются снова. Из-за этого усложняется технология и увеличивается трудоемкость изготовления трансформатора, и, следовательно, повышаются затраты на его производство.In addition, the fastening of the teeth to the end surfaces of the middle magnetic circuit only using ferromagnetic glue does not provide sufficient mechanical strength of the resulting compound. As a result of this, as practice shows, when laying sections of the primary and secondary windings, the teeth often come off and the transformer assembly is suspended. The sections of the windings, which are laid in the grooves formed by the torn teeth, are removed, the surface of the middle magnetic circuit at the place of gluing and the torn teeth is cleaned and glued again. Because of this, the technology becomes more complicated and the complexity of manufacturing the transformer increases, and, consequently, the cost of its production increases.

Дополнительное усложнение технологии имеет место и за счет того, что при изготовлении трансформатора в качестве среднего и боковых магнитопроводов используются витые кольца разной высоты.An additional complication of the technology takes place due to the fact that in the manufacture of the transformer, twisted rings of different heights are used as the middle and side magnetic cores.

Заявляемое изобретение позволит решить задачи повышения КПД, уменьшения массы и упрощения технологии изготовления многофазного трансформатора.The claimed invention will allow to solve the problem of increasing efficiency, reducing weight and simplifying the manufacturing technology of a multiphase transformer.

С этой целью средний витой магнитопровод выполнен в виде двух склеенных по торцовым не шлифованным поверхностям колец равной высоты, а трехфазная первичная и многофазная вторичная обмотки уложены в пазы, образованные зубцами прямоугольной формы, наклеенными на внешние торцовые шлифованные поверхности колец среднего магнитопровода и приваренными к ним по внешней и внутренней образующим колец, причем зубцы выполнены шихтованными из листов холоднокатной электротехнической стали, ориентированных так, что направление их проката совпадает с направлением магнитного потока.For this purpose, the middle twisted magnetic circuit is made in the form of two rings of equal height glued together on the end-ground surfaces of the unpolished surfaces, and the three-phase primary and multiphase secondary windings are laid in grooves formed by rectangular teeth glued to the external polished end surfaces of the rings of the middle magnetic circuit and welded to them along external and internal forming rings, and the teeth are made of burnt from sheets of cold-rolled electrical steel, oriented so that the direction of their rolling coincides t with the direction of magnetic flux.

На фигуре 1 показана конструкция многофазного трансформатора - вид сбоку, на фигуре 2 - вид сверху.The figure 1 shows the design of a multiphase transformer - side view, figure 2 - top view.

Трансформатор содержит средний витой кольцевой магнитопровод, выполненный из двух одинаковых колец 1, склеенных между собой по торцовым не шлифованным поверхностям. На торцовые шлифованные поверхности этих колец при помощи ферромагнитного клея наклеены шихтованные зубцы 2 прямоугольной формы, которые приварены к кольцам (например, с помощью электродуговой сварки) по их внешней и внутренней образующим в точках сварки 3. Оси симметрии зубцов расположены относительно центра среднего магнитопровода под углом α, определяемым по формулеThe transformer contains a middle twisted annular magnetic circuit made of two identical rings 1 glued together on the non-polished end surfaces. On the end-ground surfaces of these rings with the help of ferromagnetic glue, glued rectangular teeth 2 are glued, which are welded to the rings (for example, using electric arc welding) along their external and internal generatrices at the welding points 3. The axis of symmetry of the teeth is located at an angle to the center of the middle magnetic circuit α defined by the formula

α=π/m,α = π / m,

где m - число фаз вторичной обмотки трансформатора.where m is the number of phases of the secondary winding of the transformer.

В пазы, образованные зубцами 2, уложены секции трехфазной первичной и m-фазной вторичной обмоток 4, охватывающих средний магнитопровод. С двух противоположных сторон к зубцам, наклеенным на кольца среднего магнитопровода, примыкают два боковых кольцевых витых магнитопровода 5, высота которых равна высоте колец среднего магнитопровода.In the grooves formed by the teeth 2, sections of the three-phase primary and m-phase secondary windings 4, covering the middle magnetic circuit, are laid. From two opposite sides to the teeth glued to the rings of the middle magnetic circuit, adjoin two lateral ring twisted magnetic circuit 5, the height of which is equal to the height of the rings of the middle magnetic circuit.

Многофазный трансформатор работает следующим образом. При подключении трехфазной первичной обмотки к питающей сети в среднем магнитопроводе трансформатора создается вращающееся магнитное поле, которое наводит в многофазной вторичной обмотке m-фазную систему ЭДС. При этом ЭДС двух любых соседних вторичных обмоток сдвинуты между собой по фазе на угол 2π/m. В результате происходит преобразование трехфазной первичной системы напряжений в m-фазную вторичную систему.Multiphase transformer operates as follows. When a three-phase primary winding is connected to the supply network, a rotating magnetic field is created in the middle core of the transformer, which induces an m-phase EMF system in the multiphase secondary winding. In this case, the EMF of any two adjacent secondary windings is phase shifted by an angle of 2π / m. As a result, a three-phase primary voltage system is converted into an m-phase secondary system.

Изготовление среднего магнитопровода в виде двух склеенных колец, шлифованных только с одной стороны, обеспечивает разрыв контуров, по которым в этом магнитопроводе замыкаются вихревые токи, что позволяет существенно (до 25%, как показали результаты экспериментальных исследований опытных образцов таких трансформаторов) снизить в нем потери на вихревые токи и за счет этого повысить КПД трансформатора.The manufacture of the middle magnetic circuit in the form of two glued rings, polished on one side only, ensures a break in the circuits along which eddy currents are closed in this magnetic circuit, which can significantly reduce losses (up to 25%, as shown by experimental studies of prototypes of such transformers) eddy currents and thereby increase the efficiency of the transformer.

Следует также отметить, что шихтовка зубцов из листов холоднокатаной электротехнической стали, которые ориентированы так, что направление проката совпадает с направлением магнитного потока, протекающего через них, а также прямоугольная форма зубцов позволяют значительно уменьшить их массу (примерно на 30-40%) и, следовательно, массу трансформатора в целом. При этом за счет прямоугольной формы зубцов обеспечивается увеличение площади сечения пазов, что способствует лучшему охлаждению активной зоны трансформатора в процессе его работы, то есть увеличению его нагрузочной способности.It should also be noted that the burnt of the teeth from sheets of cold rolled electrical steel, which are oriented so that the direction of rolling coincides with the direction of the magnetic flux flowing through them, as well as the rectangular shape of the teeth can significantly reduce their mass (by about 30-40%) and, hence the mass of the transformer as a whole. Moreover, due to the rectangular shape of the teeth, an increase in the cross-sectional area of the grooves is provided, which contributes to better cooling of the transformer core during its operation, that is, an increase in its load capacity.

Поскольку в предлагаемом трансформаторе зубцы привариваются к кольцам среднего магнитопровода по их внешней и внутренней образующим, то возможность отрыва зубцов от магнитопровода при укладке обмоток исключается и, следовательно, существенно упрощается технология и снижается трудоемкость сборки трансформатора. Упрощению технологии также способствует изготовление боковых и среднего магнитопроводов из витых колец равной высоты.Since in the proposed transformer the teeth are welded to the rings of the middle magnetic circuit along their external and internal generators, the possibility of separation of the teeth from the magnetic circuit when laying the windings is excluded and, therefore, the technology is significantly simplified and the laboriousness of the transformer assembly is reduced. The simplification of technology is also facilitated by the manufacture of side and middle magnetic circuits from twisted rings of equal height.

Таким образом, заявляемое изобретение позволит по сравнению с прототипом повысить КПД, уменьшить массу и упростить технологию изготовления многофазного трансформатора.Thus, the claimed invention will allow in comparison with the prototype to increase efficiency, reduce weight and simplify the manufacturing technology of a multiphase transformer.

Claims

A multiphase transformer containing a middle twisted ring magnetic core with its covering three-phase primary and multiphase secondary windings laid in grooves between the teeth glued to its end surfaces, and two side twisted ring magnetic core without grooves, characterized in that the middle twisted magnetic core is made in the form of two rings of equal height glued along end-ground surfaces not polished, which is equal to the height of the rings of the side magnetic circuits, and the three-phase primary and multiphase secondary windings are laid s in grooves formed by rectangular teeth glued to the external butt-polished surfaces of the rings of the middle magnetic circuit and welded to them along the external and internal generators, and the teeth are made of baked sheets of cold-rolled electrical steel, oriented so that the direction of their rolling coincides with the direction of the magnetic flux .