ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫЙ ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 1997 года по МПК H01F27/36 H01F30/00 

Изобретение относится к области электротехники, точнее к помехозащитным устройствам, а именно к помехоустойчивым трансформаторам.

Известен трансформатор [1] содержащий экранированные первичную и вторичную обмотки, размещенные на магнитопроводе, что позволяет подавлять несимметричные помехи, но симметричные помехи в данном трансформаторе не ослабляются.

Известен также трансформатор источника питания [2] содержащий первичную и вторичную обмотки, размещенные на магнитопроводе в полости экранирующего корпуса. Первичная и вторичная обмотки вместе с соответствующими частями магнитопровода отделены друг от друга экранами, представляющими собой часть корпуса. Однако в этой конструкции велики потери электроэнергии, обусловленные токами, циркулирующими в экране, и мало ослабление симметричных помех.

Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности является помехоразделительный трансформатор [3] содержащий основной магнитопровод, первичную обмотку, подключаемую к сети, и вторичную обмотку, подключаемую к нагрузке, размещенные на основном магнитопроводе, обмотки, первичная и вторичная, залиты в оболочку из смолы с наполнителем, имеющим высокую магнитную проницаемость для высоких частот (ВЧ).

Однако известному помехоустойчивому трансформатору присущи ограниченные помехозащитные свойства в отношении низкочастотных симметричных помех. Это обусловлено тем, что на низких частотах шунтирование магнитных помех феррокомпаундом незначительно и часть магнитных помех проникает из первичной во вторичную обмотку. Имеются у данного помехоразделительного трансформатора и ограниченные возможности по подавлению несимметричных помех, так как феррокомпаунд для них экраном не является.

Целью настоящего изобретения является уменьшение шумов и улучшение помехозащитных свойств трансформатора.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый помехоустойчивый трансформатор содержит магнитопровод с первичной и вторичной обмотками, экран, выполненный из нескольких частей, одни из которых выполнены из отвердевшей смолы с высокочастотным ферромагнитным наполнителем и связаны между собой и магнитопроводом магнитным шунтом, другие части выполнены из листа, гальванически соединены между собой и землей, одна из них одновременно охватывает магнитопровод с обмотками, а другая расположена между первичной и вторичной обмотками совместно с частью экрана из отвердевшей смолы с высокочастотным ферромагнитным наполнителем, причем часть экрана, выполненная из листа, снабжена разрезом, за- шунтированным резистивным элементом, в трансформаторе дополнительно установлены части экрана в виде сеток из магнитомягкого материала и однослойной обмотки, витки которой зашунтированы резистивными элементами, части экрана из листа выполнены из электропроводного немагнитного материала, между первичной и вторичной обмотками установлены дополнительные части в виде однослойной обмотки и сетки, расположенной внутри отвердевшей смолы с высокочастотным ферромагнитным наполнителем, вокруг первичной и вторичной обмоток установлена дополнительная сетка внутри отвердевшей смолы с высокочастотным ферромагнитным наполнителем. Кроме того, первичная обмотка и вторичная обмотка выполнены каждая по меньшей мере из двух частей, магнитопровод выполнен по меньшей мере с двумя стержнями, на каждом из которых расположена часть первичной и вторичной обмоток, одна внутри другой, образуя катушки, одни из дополнительных частей экрана в виде сетки внутри отвердевшей смолы с высокочастотным ферромагнитным наполнителем охватывают каждую катушку. Помимо этого, одна из частей экрана в виде однослойной обмотки является одновременно ближайшим к остальным частям межобмоточного экрана слоем первичной обмотки. Кроме того, сетка выполнена из никелевого сплава. К тому же магнитный шунт выполнен из чередующихся слоев листа электротехнической стали и отвердевшей смолы с высокочастотным ферромагнитным наполнителем. Трансформатор также либо имеет фильтр, соединенный с одной из обмоток, либо имеет два фильтра, соединенных с двумя обмотками, первичной и вторичной.

На фиг. 1 показан заявленный трансформатор с одной катушкой; на фиг. 2 - заявленный трансформатор с двумя катушками на фиг. 3 разрез катушки; на фиг. 4 многослойный шунт; на фиг. 5, 6 схемы соединения секций первичной и вторичной обмоток, а также частей экрана между собой.

Помехоустойчивый трансформатор содержит магнитопровод 1, магнитный шунт 2, экран из нескольких частей 3, 4, 5, 6, 7, 8 и 9. Некоторые из них 4 и 5 выполнены из листа электропроводного немагнитного материала, например, меди, некоторые 6 и 7 из отвердевшей смолы с высокочастотным ферромагнитным наполнителем, некоторые 3 и 8 в виде сетки из магнитомягкого материала, одна часть экрана выполнена в виде обмотки. На магнитопроводе 1 расположена катушка 10, в которой находится первичная 11 и вторичная 12 обмотки (см. фиг. 1, 3).

Внутри катушки 10 между первичной и вторичной обмотками расположены части экрана в виде короба 5 из электропроводного немагнитного материала с разрезом, зашунтированным резистором 13, сетки 8 из магнитомягкого материала, расположенной внутри части 7 из отвердевшей смолы с ферромагнитным наполнителем, и части экрана в виде однослойной обмотки 9 с резисторами 14. Таким образом, между обмотками образуется высококачественный объемный экран.

Поверх катушки 10 расположена часть экрана в виде сетки 3 из магнитомягкого материала. Сетка 3 находится внутри части экрана 6 из отвердевшей смолы с высокочастотным ферромагнитным наполнителем, поверх которой расположена часть экрана 4 в виде короба из электропроводного немагнитного материала. Таким образом, поверх катушки с обмотками находится также высококачественный объемный экран. Части экрана 4 и 5 гальванически соединены между собой и с землей 15 и с магнитным шунтом 2. Часть экрана в виде однослойной обмотки 9 может также являться одновременно частью первичной обмотки 11 (фиг. 6). Магнитный шунт 2 может быть выполнен многослойным (фиг. 4) из чередующихся слоев листа электротехнической стали и отвердевшей смолы с высокочастотным ферромагнитным наполнителем.

Часть экрана в виде сетки 3 из магнитомягкого материала может быть выполнена из никелевого сплава.

Трансформатор может быть выполнен по крайней мере, с двумя катушками 10 (фиг. 2). Здесь первичная 11 и вторичная 12 обмотки выполнены в виде двух секций, расположенных на разных стержнях магнитопровода, имеющего по крайней мере два стержня. Каждая катушка 10 содержит по одной секции 16 первичной обмотки и одной секции 17 вторичной обмотки. Секции расположены одна внутри другой. Здесь объемная часть экрана состоит из короба 5, сетки 8 и отвердевшей смолы с высокочастотным ферромагнитным наполнителем и расположена между секциями 16 и 17 первичной и вторичной обмоток. Поверх каждой катушки 10 расположена часть экрана в виде сетки 3 из магнитомягкого материала в отвердевшей смоле с высокочастотным ферромагнитным наполнителем. Магнитопровод 1 с катушками 10 расположен внутри части экрана 4 в виде короба из электропроводного немагнитного листового материала.

Помехоустойчивый трансформатор работает следующим образом.

Первичная обмотка 11 подключается к сети переменного тока. В магнитопроводе 1 возникает изменяющийся поток, который наводит во вторичной обмотке 12 напряжение, подводимое к нагрузке. В частях 5 и однослойной обмотке 9 экрана также навалится ток, но из-за большого сопротивления резистивных элементов 13, 14 и наличия разреза потери энергии от основного потока в частях 5 экрана невелики. Часть экрана из смолы 6 с высокочастотным ферромагнитным наполнителем и магнитный шунт 2 на основной магнитный поток трансформатора оказывают пренебрежимо малое влияние. В слое из электропроводного листа части 4 экрана ток не наводится благодаря тому, что она охватывает все стержни основного магнитопровода 1. Акустические шумы слоев экрана из сетки 3, 8 демпфируются за счет расположения сеток в частях экрана 6, 7 из смолы. Несимметричные помехи из сети непосредственно через трансформатор передаваться на нагрузку не могут, т. к. части экрана выполнены из электропроводящих листов 4 и 5, которые соединены гальванически между собой и с землей 15 (и магнитопроводом 1), образуя высококачественный объемный электростатический экран между первичной 11 и вторичной 12 обмотками. Электростатический экран работает также и в обратном направлении, защищая сеть от несимметричных помех, создаваемых работой нагрузки.

Выполнение экрана из медного листа и никелевой сетки, залитой смолой, позволяет снизить уровень акустических шумов за счет более низких, по сравнению со сплошным листом у прототипа, свойств акустической мембраны у сетки; кроме того, когда сетка залита смолой, то каждый отдельный элемент сетки окружен слоем смолы с существенно большей массой, нежели масса отдельного (условного) элемента сетки, слой смолы выполняет роль демпфера акустических колебаний, способствуя снижению уровня шумов устройства. Никелевая сетка обеспечивает малое магнитное сопротивление низкочастотным помехам, распространяющимся из первичной во вторичную обмотки через потоки рассеяния, замыкая их через магнитные шунты на основной магнитопровод, что позволяет сохранить соответствующие характеристики прототипа. Экранирование несимметричных помех обеспечивается при этом с эффективностью, соизмеримой с прототипом, за счет слоя из электропроводного листа (у одной сетки из-за ячеистой ее структуры экранирование было бы меньше), которые у всех частей экрана связаны между собой и землей гальванически.

Симметричные помехи из сети распространяются в нагрузку преимущественно через поток рассеяния, который, исходя из первичной обмотки 11, первоначально сцепляется с объемным магнитопроводом, образованным ферромагнитным наполнителем 6, сетками 3 из магнитомягкого материала, замкнутыми шунтами 2 и магнитосвязанным с ними через потоки рассеяния основным магнитопроводом 1, кроме того, магнитные потоки помех сцепляются с обмотками 9. Поток рассеяния вторичной обмотки 12 первоначально сцепляется с объемным магнитопроводом, образованным ферромагнитным наполнителем 6, сетками 3 и 8 из магнитомягкого материала, замкнутыми магнитными шунтами 2. Образованный таким путем объемный магнитопровод имеет две полости для обмоток 11 и 12, которые локализуют потоки рассеяния помех и препятствуют взаимному проникновению их из одной полости в другую, чем и обеспечивается повышенная помехозащищенность по отношению к симметричным помехам. При этом для коротких импульсов обмотки 9 с резистивными элементами 14 и части 5 экрана с резистивными элементами 13 выполняют роль контуров с высокими потерями и короткозамкнутых в определенном частотном диапазоне витков, затрудняющих прохождение магнитного потока помех из первичной 11 во вторичную 12 обмотки. Аналогичным образом существует механизм ослабления симметричных помех при их распространении из нагрузки в сеть питания.

Слой экрана из электропроводного листа может преобразовывать магнитные потоки рассеяния в акустические шумы через воздействие магнитных потоков рассеяния с токами, индуцированными ими в электропроводном листе, однако при этом возникающие механические усилия между полями существенно меньше, чем у прототипа (где работал механизм магнитного притяжения полем ферромагнитного листа), поэтому уровень акустических шумов меньше и он может быть ослаблен за счет увеличения толщины электропроводного листа. При расположении между первичной и вторичной обмотками части экрана 5 из электропроводящего листа с разрезом, зашунтированным резистивными элементами 13 при воздействии высокочастотных симметричных помех, например, коротких импульсов, имеет место волновой характер распространения их по виткам первичной обмотки 11. Поэтому импульсное напряжение, прикладываемое первоначально к нескольким виткам первичной обмотки, и напряжение, наводимое в витке, образованном частью 5 экрана с разрезом, будет велико, соответственно будет велик и ток в резистивных элементах 13, шунтирующих разрез, а значит существенная часть энергии импульса напряжения будет преобразована в резистивном элементе в тепло и импульсное напряжение симметричной помехи на вторичной обмотке будет уменьшено. Благодаря вводимому в предлагаемое устройство слою экрана в виде по меньшей мере однослойной обмотки 9 из нескольких последовательно соединенных частей, зашунтированных резистивными элементами 14 (по физическим свойствам работы этот слой аналогичен части экрана с разрезом и шунтирующими элементами) подавление высокочастотных и импульсных помех, обусловленное волновым характером распространения их по виткам обмоток, будет иметь место с более низких частот, чем у прототипа. Напряжение низкочастотной составляющей помехи или более длинный (по сравнению с аналогичными явлениями в прототипе) импульс помехи прикладывается к большей части витков первичной обмотки, т. е. занимает "вдоль обмотки" большее место, соответственно и магнитные поля помех (которые передают энергию помех во вторичную обмотку) занимают большую часть витков и с одним витком экрана сцепляется существенно меньшая часть потока, поэтому эффективность передачи энергии помех в резистивный элемент, шунтирующий разрез экрана, снижается, но, если один из слоев экрана выполнен согласно предлагаемому решению в виде обмотки, то магнитные поля помех будут сцепляться с большим количеством ее витков, наведенное на них напряжение будет больше и эффективность отвода энергии помех в резистивные элементы, шунтирующие части обмоток, увеличится. Чем на большее количество витков первичной обмотки приходится начальное распределение напряжения помехи (т. е. чем ниже ее частота), тем на большее число витков вновь вводимой обмотки индуцируется напряжение помех и тем большее число резистивных элементов вступает в работу, обеспечивая поглощение энергии помех. Таким образом, происходит своего рода самонастройка экрана на длину волны помехи. Помимо механизма перевода энергии помех в тепло, вновь вводимая обмотка обеспечивает и экранирующий эффект благодаря вытеснению магнитного потока помех, т. к. вся обмотка и отдельные ее части совместно с шунтирующими резистивными элементами играют роль короткозамкнутых (в определенном частотном диапазоне) контуров, которые влияют на магнитные потоки помех согласно правилу Ленца, затрудняя их распространение во вторичную обмотку и тем самым улучшая помехозащитные свойства трансформатора. Нижний частотный диапазон, до которого эффективно действует вновь вводимая обмотка, ограничен пределом потери энергии в резистивных элементах на рабочей частоте трансформатора. Для упрощения конструкции трансформатора целесообразно в качестве третьего слоя экрана в виде однослойной обмотки использовать ближайший к остальным частям межобмоточного экрана слой первичной обмотки. При описанном его расположении слой попадает между первичной и вторичной обмотками, т. е. аналогично описанному выше решению в виде самостоятельной обмотки. В электромагнитном отношении на время действия помехи эта часть обмотки из-за конечного времени распространения волны напряжения помехи по виткам обмотки и будет работать аналогично описанной выше. Помехоустойчивый трансформатор может работать совместно с помехоподавляющими фильтрами известной конструкции (в простейшем варианте конденсатор), ограничителями напряжения и т. д. на стороне первичной и/или вторичной обмоток, при этом улучшаются его помехозащитные свойства.

На фиг. 1, 2 показаны варианты (1 с отдельной однослойной обмоткой, 2 - с однослойной экранирующей обмоткой, являющейся частью первичной обмотки) упрощенных схем трансформатора на двухстержневом магнитопроводе согласно изобретению.

Для усиления эффекта помехоустойчивости трансформатор имеет фильтр 18 на первичной обмотке, либо фильтры на первичной и вторичной обмотках.

Трансформатор позволяет улучшить помехозащитные свойства за счет смещения частоты, с которой начинается поглощение энергии помех, в низкочастотную область и уменьшить акустические шумы за счет одновременного использования оболочки из смолы в качестве самостоятельного элемента конструкции трансформатора и демпфирующего механические колебания элемента для части экрана из магнитомягкого материала в виде сетки.

Трансформатор позволяет осуществить более эффективное подавление помех, обладая при этом уменьшенными акустическими характеристиками.

Помехоустойчивый трансформатор в сравнении с известными позволяет более эффективно защищать электронное оборудование от помех из питающей сети и питающую сеть от помех, создаваемых работой нагрузки.

Помехоустойчивый трансформатор предназначен для применения в устройствах электропитания цифровых технических средств с повышенной чувствительностью к помехам, например, компьютерах, станках с числовым программным управлением, а также для защиты электрических сетей жилых зданий от помех, создаваемых работой электронной техники.

Изобретение относится к области электротехники. Сущность: трансформатор содержит магнитопровод 1, магнитный шунт, экран из нескольких частей 3, 4, 5, 6, 7, 8 и 9, некоторые из них 4 и 5 выполнены из листа электропроводного немагнитного материала, например меди, некоторые 6 и 7 - из отвердевшей смолы с высокочастотным ферромагнитным наполнителем, некоторые 3 и 8 - в виде сетки из магнитомягкого материала, одна часть экрана выполнена в виде обмотки. На магнитопроводе 1 расположена катушка, в которой находится первичная 11 и вторичная 12 обмотки. Благодаря наличию экрана из нескольких частей улучшаются помехозащитные свойства трансформатора и уменьшаются шумы. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Помехоустойчивый трансформатор, содержащий магнитопровод с первичной и вторичной обмотками, экран в виде отвердевшей смолы с ферромагнитным наполнителем, отличающийся тем, что в нем установлены магнитный шунт, резистивные элементы, дополнительные части экрана, выполненные в виде листа из электропроводного немагнитного материала, сеток из магнитомягкого материала и однослойной обмотки, витки которой зашунтированы резистивными элементами, части экрана из листа расположены поверх обмоток и между первичной и вторичной обмотками, части экрана из однослойной обмотки и отвердевшей смолы с высокочастотным ферромагнитным наполнителем с установленной внутри него сеткой расположены между первичной и вторичной обмотками, вокруг первичной и вторичной обмоток установлена часть экрана в виде отвердевшей смолы с высокочастотным ферромагнитным наполнителем с сеткой внутри него, часть экрана из листа, расположенная между обмотками, выполнена с разрезом, зашунтированным резистивными элементами, магнитный шунт соединен с магнитопроводом и частями экрана в виде отвердевшей смолы с высокочастотным ферромагнитным наполнителем. 2. Трансформатор по п. 1, отличающийся тем, что первичная обмотка и вторичная обмотка выполнены каждая по меньшей мере из двух частей, магнитопровод выполнен по меньшей мере с двумя стержнями, на каждом из которых расположена часть первичной и вторичной обмоток, одна внутри другой, образуя катушки, одни из дополнительных частей экрана в виде сетки внутри отвердевшей смолы с высокочастотным ферромагнитным наполнителем охватывают каждую катушку. 3. Трансформатор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что одна из частей экрана в виде однослойной обмотки является одновременно ближайшим к остальным частям межобмоточного экрана слоем первичной обмотки. 4. Трансформатор по пп. l 3, отличающийся тем, что сетка выполнена из никелевого сплава. 5. Трансформатор по пп. 1 4, отличающийся тем, что магнитный шунт выполнен из чередующихся слоев листа электротехнической стали и отвердевшей смолы с высокочастотным ферромагнитным наполнителем. 6. Трансформатор по пп. 1 5, отличающийся тем, что он имеет фильтр, соединенный с одной из обмоток. 7. Трансформатор по пп. 1 5, отличающийся тем, что он имеет два фильтра, соединенных с двумя обмотками, первичной и вторичной.