трансформатор со сверхпроводящими обмотками

Формула изобретения

1. Трансформатор со сверхпроводящими обмотками, включающий каркас, магнитопровод, состоящий из внутреннего сердечника на каркасе и внешнего ярма, первичную и вторичную обмотки, расположенные на внутреннем сердечнике и закрытые внешним ярмом, и криостат, отличающийся тем, что трансформатор выполнен трехфазным, сверхпроводящие обмотки расположены на внутреннем сердечнике друг над другом, дополнительно введены междуфазные перемычки и каналы охлаждения обмоток, а внешнее ярмо выполнено съемным, например, на стеклотекстолитовом цилиндре.

2. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что каркас выполнен металлическим.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области криогенной электротехники и может быть использовано в электроэнергетике для преобразования напряжения промышленной частоты.

Известна конструкция однофазного трансформатора со сверхпроводящими обмотками (F.Zizek and others. End-Winding Region Configuration of an HTS Transformer // Applied superconductivity. A publication of the IEEE superconductivity committee. March 2002, volume 12, number 1 (ISSN 1051-8223), page 904-906), содержащая каркас, магнитопровод, первичную и вторичную обмотки и криостат. Первичная обмотка уложена на каркас и состоит из 96 витков, намотанных в один слой. Вторичная обмотка уложена на каркас из стеклоткани, пропитанной эпоксидной смолой, состоит из 12 катушек по 4 витка, каждая катушка намотана в два слоя. Первичная и вторичная обмотки разделены каналом для повышения индуктивности. Трансформатор содержит добавочные ферромагнитные кольца. Обмотки трансформатора помещены в криостат и охлаждены жидким азотом при температуре кипения. Магнитопровод трансформатора работает при температуре окружающей среды и состоит из двух разборных частей, каждая из них выполнена из стальной ленты в форме буквы «О». Для работы в криостат заливают жидкий азот. На первичную обмотку подают переменное напряжение 400 В частотой 50 Гц, а со вторичной обмотки снимают напряжение 200 В той же частоты. Устройство рассчитано на мощность 14 кВ·А.

Недостатком известного устройства является магнитопровод, работающий при температуре окружающей среды, что усложняет конструкцию криостата.

Известна конструкция трехфазного трансформатора со сверхпроводящими обмотками (Seungwook Lee and others. Test Results of a Three Phase HTS Transformer with Double Pan Cake Windings // Applied superconductivity. A publication of the IEEE superconductivity committee. March 2002, volume 12, number 1 (ISSN 1051-8223), page 808-811), содержащая магнитопровод, первичную и вторичную обмотки и три криостата. На трех стержнях магнитной системы расположены первичные и вторичные обмотки трех фаз. Первичная обмотка состоит из 112 витков, вторичная обмотка состоит из 98 витков. Обмотки трех фаз помещены в отдельные криостаты. Сердечник набран из шихтованной трансформаторной стали и находится при комнатной температуре. Для работы в криостаты заливают жидкий азот. На первичную обмотку подают переменное напряжение 440 В частотой 60 Гц, а со вторичной обмотки снимают напряжение 220 В той же частоты. Устройство рассчитано на мощность 10 кВ·А.

Недостатком известного устройства является наличие трех криостатов, что усложняет конструкцию устройства и увеличивает расход жидкого азота.

Известна конструкция устройства-прототипа со сверхпроводящими обмотками (Chubraeva L.I. Investigation of a model HTSC transformer with amorphous alloy cores // Proc. of JAPMED4, September 14-21, 2005. Cairo. 2005. 6 p.), содержащая каркас, магнитопровод, состоящий из внутреннего сердечника на каркасе и внешнего ярма, первичную и вторичную обмотки, расположенные на внутреннем сердечнике и закрытые внешним ярмом, и криостат.

Внутренний сердечник трансформатора выполнен из ленточной аморфной стали, на который осуществлена укладка обмоток. Аморфная сталь уложена на каркас из стеклотекстолита. Первичная и вторичная обмотки изготовлены из висмутовой ленты Bi-2223/Ag с числом жил, равным 61, сечением 10,8×0,32 мм² и уложены друг на друга. Выводные концы изготовлены из медной ленты шириной 20 мм, к которым припаяна висмутовая лента. Снаружи обмотки закрыты внешним ярмом из листовой электротехнической стали. Для работы конструкции помещают в цилиндрический криостат и заливают жидким азотом. На первичную обмотку подают переменное напряжение частотой 50 Гц, с вторичной - снимают. Устройство-прототип рассчитано на мощность 1 кВ·А.

Недостатком известного устройства-прототипа является однофазное исполнение, отсутствие каналов охлаждения обмоток и несъемное внешнее ярмо, что не позволяет работать при оптимальном температурном режиме (77 К) и получать быстрый доступ к сверхпроводящим обмоткам для ремонта и профилактики.

Причиной, препятствующей получению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства-прототипа, является материал, из которого сделано внешнее ярмо и конструктивное исполнение внутреннего сердечника.

Это обусловлено тем, что внешнее ярмо изготовлено из листовой трансформаторной стали с более высокими удельными потерями, а внутренний сердечник изготовлен вручную, что снижает технологичность устройства, точность заданных размеров и коэффициент заполнения стали.

Основной задачей, на решение которой направлен заявляемый объект (трансформатор со сверхпроводящими обмотками), является преобразование напряжения для электроэнергетической установки.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемого изобретения, является повышение КПД и технологичности изготовления трансформатора со сверхпроводящими обмотками.

Указанный технический результат достигается тем, что в трансформаторе со сверхпроводящими обмотками, содержащем каркас, магнитопровод, состоящий из внутреннего сердечника и внешнего ярма, первичную и вторичную обмотки, расположенные на внутреннем сердечнике и закрытые внешним ярмом, и криостат, сверхпроводящие обмотки расположены на внутреннем сердечнике друг над другом, дополнительно введены междуфазные перемычки и каналы охлаждения обмоток, причем внешнее ярмо выполнено съемным на стеклотекстолитовом цилиндре.

Совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает достижение технического результата, достигаемого при осуществлении изобретения, а именно магнитопровод цилиндрического типа, состоящий из внутреннего сердечника, на котором размещены обмотки, и внешнего ярма, обеспечивает наилучшую магнитную связь между первичной и вторичной обмотками [1], вторичная обмотка располагается поверх первичной, что также способствует более полной магнитной связи [2]. Междуфазные перемычки замыкают магнитопровод между сверхпроводящими обмотками соседних фаз. Технический результат в частных случаях заявляемого изобретения дополнительно достигается в виде изготовления трансформатора со сверхпроводящими обмотками на более высокую мощность без изменения принципиальной конструкции.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественных всем признакам заявленного объекта (трансформатор со сверхпроводящими обмотками), отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Результаты поиска известных технических решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата и изобретение основано на:

- дополнении известного устройства - аналога какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения;

- замене какой-либо части устройства аналога другой известной части для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения;

- исключение какой-либо части устройства-аналога с одновременным исключением, обусловленной ее наличием, функции и достижением обычного для такого исключения результата;

- увеличении количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в устройстве именно таких элементов;

- выполнении известного устройства-аналога или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала;

- создании устройства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого устройства и связей между ними;

- изменении количественного признака (признаков) устройства и предоставлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении вида взаимосвязи, если известен факт влияния каждого из них на технический результат и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, следовательно, заявленное изобретение соответствует «изобретательскому уровню».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено сечение трансформатора со сверхпроводящими обмотками, а на фиг.2 - сверхпроводящие обмотки одной фазы с каналами охлаждения обмоток.

Введены следующие обозначения:

1 - каркас;

2 - внутренний сердечник;

3 - первичная обмотка;

4 - вторичная обмотка;

5 - междуфазные перемычки;

6 - внешнее ярмо;

7 - стеклотекстолитовый цилиндр;

8 - каналы охлаждения обмоток.

Трансформатор со сверхпроводящими обмотками содержит: каркас 1, выполненный из стали, внутренний сердечник 2, изготовленный из ленточной нанокристаллической стали на каркасе 1. Первичная обмотка 3 уложена на внутренний сердечник 2, а вторичная 4 - поверх первичной 3. Междуфазные перемычки 5 расположены на внутреннем сердечнике 2 между обмотками соседних фаз. Вся конструкция закрыта внешним ярмом 6 на стеклотекстолитовом цилиндре 7. В зону сверхпроводящих обмоток (первичной 3 и вторичной 4) введены каналы охлаждения обмоток 8. Каналы охлаждения обмоток 8 проходят через изоляцию внутреннего сердечника 2 и стеклотекстолитовый цилиндр 7, на котором собрано внешнее ярмо 6. Сборку внешнего ярма 6 производят на стеклотекстолитовом цилиндре 7, что обеспечивает доступ как к обмоткам (первичной 3 и вторичной 4), так и к внутреннему сердечнику 2. Вся конструкция помещена в криостат в среду жидкого азота (77 К).

Внутренний сердечник 2, выполненный из ленточной нанокристаллической стали и набранный из галет (дисков), уложен на каркас из стали 1, после чего подвергнут термомагнитной обработке. Внутренний сердечник 2 изолирован от первичной обмотки 3. Первичная 3 и вторичная 4 обмотки выполнены из ленточного высокотемпературного сверхпроводника, причем сначала намотана первичная обмотка 3, затем уложена изоляция и поверх нее уложена вторичная обмотка 4. Междуфазные перемычки 5 введены в конструкцию для наилучшего замыкания магнитного потока по магнитопроводу и выполнены из ленточной нанокристаллической стали. Внешнее ярмо 6 также выполнено из ленточной нанокристаллической стали. В конструкцию трансформатора введены каналы охлаждения обмоток 8 для обеспечения подачи жидкого азота непосредственно к сверхпроводнику.

Трансформатор со сверхпроводящими обмотками представляет собой электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. Передача энергии из одной обмотки в другую производится путем электромагнитной индукции. Для усиления электромагнитной связи между обмотками они располагаются на замкнутом ферромагнитном сердечнике.

Устройство работает следующим образом: трансформатор со сверхпроводящими обмотками помещают в криостат и заливают жидким азотом. Криостат закрывается, и уровень жидкого азота контролируется уровнемером. После окончательного захолаживания (охлаждение до 77 К) устройство можно включать в работу. На первичную обмотку 3 подают трехфазное напряжение, а с вторичной обмотки 4 - снимают. Во время работы по каналам охлаждения обмоток 8 циркулирует жидкий азот, обеспечивающий необходимый температурный режим обмоток (первичной 3 и вторичной 4) 77 К.

Как следует из вышеизложенного, достижение технического результата обеспечивается благодаря использованию новых материалов и конструктивному исполнению магнитопровода. Сопоставление параметров, характеризующих заявляемые изобретения и прототип, позволяет сделать вывод, что устройство (трансформатор со сверхпроводящими обмотками) развивает техническое преимущество устройства-прототипа.

Кроме указанного достигаемого технического результата и преимуществ заявленного устройства следует отметить также дополнительные их достоинства: простота конструкции, возможность доступа к обмоткам для ремонта и профилактики.

Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного изобретения выполняются следующие условия:

- средство, воплощающее устройство-изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в электроэнергетике, а именно в электроэнергетических установках с криогенным охлаждением;

- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных или других известных до даты подачи заявки средств;

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».

Источники информации

1. Вольдек А.И. Электрические машины. М.-Л.: Издательство «Энергия», 1966.

2. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей. Л.: «Энергоатомиздат», 1986.