РЕГУЛИРУЕМЫЙ ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 1995 года по МПК H01F30/00 

Изобретение относится к электротехнике.

Для получения регулируемого по амплитуде высоковольтного напряжения в первичную цепь высоковольтного трансформатора включают либо автотрансформатор, либо тиристорное устройство [1] Управление автотрансформатором осуществляется, как правило, механическим устройством.

Основные недостатки такого типа управления инерционность, ненадежность, недолговечность. Тиристорное управление не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к качеству (синусоидальности) выходного высоковольтного напряжения. Такие преобразователи искажают синусоидальную форму выходного напряжения, и появляются гармоники высших порядков, вследствие чего увеличивается индуктивное сопротивление трансформатора, растут потери, падает КПД.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство [2] в котором регулируемый трансформатор снабжен коммутационным элементом с цифровым устройством управления, сечения частей магнитопровода и числа витков первичных обмоток выполнены различными, так что числа витков каждой первичной обмотки пропорционально отношению сечения магнитопровода к сечению соответствующей части магнитопровода, первичные обмотки подключены к коммутационному устройству с целью регулирования выходного напряжения трансформатора в соответствии с двоичным кодом, исчисления числа витков первичных обмоток выполнены в соотношении 1:2:4:8 и т.д.

Однако такое устройство имеет недостатки, заключающиеся в следующем. Асимметрия формы трансформатора накладывает существенные затруднения в способе стяжки магнитопровода, что приводит к увеличению массогабаритных характеристик устройства. Но основной недостаток заключается в том, что первичные и вторичная обмотки расположены на разных стержнях, а это, как известно, недопустимо, так как при этом значительно повышаются потоки рассеяния и резко снижаются вторичная мощность и КПД.

Изобретение направлено на создание трансформатора, у которого отсутствуют перечисленные недостатки.

Задача решается тем, что магнитная система выполнена пространственно из n магнитопроводов, пристыкованных друг к другу одними изолированными друг от друга стержнями, образуя единый магнитный элемент, первичная обмотка выполнена из n+1 секций, где n секций расположены каждая на отдельном стержне каждого магнитопровода, а (n+1)-я секция первичной обмотки и вторичная обмотка расположены на общем магнитном элементе, а ключи соединены последовательно с n секциями первичной обмотки и параллельно между собой и последовательно с (n+1)-й секцией первичной обмотки.

Благодаря такому выполнению трансформатора исключаются механические устройства, регулирующие величину выходного напряжения, синусоидальная форма напряжения не искажается, увеличивается КПД, уменьшаются массогабаритные характеристики трансформатора. Кроме того, появляется возможность регулировать высоковольтное напряжение сигналами, подаваемыми с ЭВМ в двоичном коде.

Конструкция магнитопровода такова, что центральная катушка, имеющая часть первичной и вторичную обмотки, охватывает стержни элементарных магнитопроводов, магнитные потоки в которых не перекрываются. На вторых стержнях размещаются катушки с оставшейся частью первичной обмотки. Эти обмотки соединены между собой параллельно, а все вместе с второй частью первичной обмотки, размещенной на центральной катушке последовательно. Таким образом, магнитные потоки в каждом элементарном магнитопроводе циркулируют независимо, но объединены индуктивной связью вторичной обмоткой. Питание в первичную цепь подается через управляющие ключи, которые позволяют программным путем менять как величину текущего тока через части первичной обмотки, так и его направление. Тем самым появляется возможность, не изменяя амплитуды входного напряжения, ступенчато регулировать амплитуду напряжения во вторичной цепи.

Когда управление ключами производится в момент прохождения тока через ноль, то форма выходного напряжения не искажается, отсутствуют условия для возникновения гармоник высших порядков.

Общеизвестно, что мощность трансформатора зависит от величины поперечного сечения стержня как от одного из параметров. Предлагаемая форма магнитопровода, не изменяя поперечного сечения стержней, уменьшает его вес Р на величину, равную
P 4a (a b) d 4 nb (n-1)d, где d удельный вес железа;
a, b сторона квадрата поперечного сечения стержня П-образного и предлагаемой формы магнитопровода;
n число элементарных магнитопроводов.

В силу того, что первичная обмотка находится на n+1 катушках, улучшаются условия теплообмена в обмотках, и это позволяет увеличить удельную плотность тока в обмотках, что приводит к уменьшению веса обмотки.

Отсутствие гармоник высших порядков, улучшение условий теплообмена в магнитопроводе и катушках приводит к повышению КПД трансформатора.

На фиг. 1 представлен пятикатушечный (n 4) высоковольтный регулируемый трансформатор, вид сверху; на фиг.2 изображена электрическая схема трехкатушечного регулируемого трансформатора; на фиг.3 четырехкатушечного; на фиг. 4 (n+1)-катушечного; на фиг.5 временная диаграмма открытых состояний управляющих ключей: а при выходном напряжении V 1, б V2, в V 3 отн.ед.

Изобретение может быть осуществлено устройством, содержащим три катушки и два элементарных магнитопровода, электрическая схема которого представлена на фиг.2. Такого типа трансформаторы могут быть использованы в тех случаях, когда крупноступенчатая регулировка выходного напряжения, т.е. первая ступень составляет 0,5 U_вых. Когда достаточно иметь в первой ступени величину выходного напряжения равной 0,33 U_вых, можно использовать четырехкатушечный трансформатор с тремя элементарными магнитопроводами, схема такого трансформатора изображена на фиг.3. Для примера рассмотрим пятикатушечный трансформатор с четырьмя элементарными магнитопроводами, стержни 1 (фиг.1-4) которых охватываются каждой катушкой 2 секцией 3 первичной обмотки. Вторая часть 4 первичной обмотки, которая находится на четырех стержнях 5, магнитоизолированных между собой прокладками 6, с числом витков в четырех раза меньше относительно секции 3 находится на одной катушке 7 с вторичной обмоткой 8. Вторичная обмотка и ее изоляция выполнены на выходное напряжение, равное 20 кВ. Входы секций 3 первичных обмоток соединены с управляемыми ключами 9, которые связаны с задающим генератором 10, а выходы соединены между собой и с входом второй частью 4 первичной обмотки. Клеммы 11 являются входными клеммами, а клеммы 12 выходными.

Работает такой трансформатор следующим образом.

На клеммы 11 подается переменное напряжение постоянной амплитуды. При срабатывании хотя бы одного из ключей 9 (фиг.5а,б,в) в первичной цепи 3, 4 появляется ток, в катушках 2, 7 возникает переменное магнитное поле и в силу закона сохранения в стержнях 1 и 5 образуются равные магнитные потоки, а во вторичной высоковольтной обмотке 8 индуцируется переменная ЭДС, величина U_вых которого пропорциональна не только амплитуде входного напряжения, но и числу работающих секций 3 первичной обмотки. Задающий генератор 10 по заданной программе включает ключи 9, обеспечивая в элементарных магнитопроводах магнитные потоки, которые в силу имеющейся прокладки 6 из изоляционного материала не взаимодействуют между собой. Наличие индуктивной связи между первичной 4 и вторичной 8 обмотками в катушке 7 обуславливает на клеммах 12 высоковольтное напряжение. Режим работы управляющих ключей синхронно связан с временем перехода тока через ноль (фиг.5), т.е. ключи включаются и выключаются только при переходе тока через ноль. Тем самым создаются благоприятные условия для работы трансформатора: отсутствуют условия возникновения перенапряжений и появления гармоник высших порядков.

Промышленная применимость может быть подтверждена на примере конкретного исполнения заявленного устройства. Рассмотрим пятикатушечный трансформатор (фиг. 1). Поперечное сечение каждого из четырех магнитопроводов равно 25х25 мм, первичная обмотка имеет W 88х4+22 витка, вторичная имеет W 16000 витков, частота тока 400 Гц, V 220 В. Первичные обмотки намотаны проводом диаметром 2 мм, вторичная 0,2 мм. На выходе такого трансформатора трансформируется напряжение, которое удовлетворяет требованиям плавного изменения напряжения на выходе каскадного генератора.

Использование: в электротехнике. Сущность: управляемый трансформатор имеет магнитную систему, состоящую из n (n 1, 3, 4.) магнитопроводов, содержащих два стержня и два ярма. Первые стержни каждого магнитопровода охвачены (n + 1)-й катушкой, имеющей вторичную и одну часть первичной обмотки, при этом стержни изолированы друг от друга. Каждый второй стержень охвачен катушкой, содержащий другую часть первичной обмотки, равной n частям первой части первичной обмотки. Вход каждой второй части первичной обмотки снабжен управляющим ключом, а выходы вторых частей первичной обмотки соединены между собой и с выходом первой части первичной обмотки. Приведены электрические схемы устройства и даны основные технические характеристики высоковольтного управляемого трансформатора. В устройстве предусматривается возможность управлять импульсами в двоичном коде высоковольтным выходным напряжением. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. РЕГУЛИРУЕМЫЙ ТРАНСФОРМАТОР, содержащий магнитную систему, состоящую из n (где n 2,3,4,) магнитопроводов с первичной и вторичной обмотками, управляющий элемент, имеющий ключи, каждый из которых подключен к отдельной секции одной из обмоток, отличающийся тем, что магнитная система выполнена пространственной из N магнитопроводов, пристыкованных друг к другу одними изолированными друг от друга стержнями, образуя единый магнитный элемент, первичная обмотка выполнена из n+1 секций, из которых n секций расположены каждая на отдельном стержне каждого магнитопровода, а (n+1)-я секция первичной обмотки и вторичная обмотка расположены на общем магнитном элементе. 2. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что ключи соединены последовательно с n секциями первичной обмотки и параллельно между собой и последовательно с (n+1)-й секцией первичной обмотки.