ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 1998 года по МПК H01F19/04 

Предложение относится к области электротехники и автоматики и может быть использовано в системах управления для формирования команд или сигналов с ограниченной выходной мощностью при высоком КПД. Кроме того, предложенная конструкция трансформатора может быть использована в составе сварочных агрегатов.

Известны устройства, обеспечивающие ограничение мощности в нагрузке, например, резисторы.

Однако такие устройства имеют низкий КПД, а в высоконадежных системах сами резисторы должны быть рассчитаны на максимальную мощность, которая будет рассеиваться в случае короткого замыкания нагрузки. Такая ситуация может возникать, например, в параметрических стабилизаторах [1].

Однако резисторы и в рабочем режиме выделяют значительную мощность.

На переменном токе в качестве ограничительных элементов могут быть использованы и дроссели [2]. Такие ограничители не рассеивают активной мощности даже при коротком замыкании в нагрузке. Для обеспечения гальванической развязки напряжения и нагрузки между ними кроме ограничительного элемента могут устанавливаться трансформаторы [3].

Однако они достаточно сложны, поскольку имеют два намоточных элемента, в силу чего имеют пониженную надежность [3].

В устройствах для электросварки применяются трансформаторы с большими потоками рассеяния (таким трансформаторам отведена целая рубрика МКИ H 01 F 31\06).

Однако большие потоки рассеяния (поля) одновременно являются и основным недостатком таких трансформаторов, поскольку это источник мощных электромагнитных помех.

Наиболее близким по техническому исполнению и назначению (прототипом) может быть признан трансформатор [4], содержащий первичную и вторичную обмотки, магнитопровод, выполненный из двух ферромагнитных сердечников, причем первичная обмотка расположена на обоих ферромагнитных сердечниках, а вторичная обмотка расположена на одном ферромагнитном сердечнике.

Однако и прототип излишне усложнен, т.к. имеет несколько выходных обмоток, намоточных на разных ( на всех) сердечниках трансформатора.

Кроме того, такое устройство трансформатора имеет пониженную функциональную надежность в силу того, что не способно ограничит токи при коротком замыкании во вторичных обмотках. Это фактически двухполосный фильтр, способный разделить входные сигналы на два выходных сигнала, у которых частотные характеристики подчеркивают низкочастотную или высокочастотную составляющие за счет разницы в частотных свойствах материалов сердечников.

Цель предложения - увеличение надежности.

Эта цель достигается тем, что в трансформаторе, содержащем первичную и вторичную обмотки, магнитопровод, выполненный из двух ферромагнитных сердечников, причем первичная обмотка расположена на обоих ферромагнитных сердечниках, а вторичная обмотка расположена на одном ферромагнитном сердечнике, ферромагнитный сердечник, на котором размещена вторичная обмотка, выполнен из материала с большей магнитной проницаемостью (меньшим магнитным сопротивлением), чем магнитная проницаемость (магнитное сопротивление) материала другого сердечника.

Пример конструктивного выполнения предложенного трансформатора на сердечниках с тороидальной формой приведен на фиг. 1; на фиг. 2 приведена схема электрическая принципиальная предложенного трансформатора, учитывающая его конструктивные особенности.

Цифрами на чертежах обозначены:
1 - первый ферромагнитный сердечник с большей магнитной проницаемостью,
2- вторичная обмотка.

3 - второй ферромагнитный сердечник с более низкой магнитной проницаемостью,
4 - первичная обмотка.

Вторичная обмотка 2 расположена (намотана) на сердечнике 1 с большей магнитной проницаемостью. К ним (сердечнику 1 с обмоткой 2) прикладывается сердечник 3 с более низкой магнитной проницаемостью, после чего наматывается первичная обмотка 4, охватывающая оба сердечника.

Работает трансформатор следующим образом. При подаче переменного напряжения на первичную обмотку 4 (фиг. 1 и 2) в сердечниках возникает магнитный поток, пропорциональный магнитной проницаемости каждого из сердечников (при одинаковых геометрических размерах сердечников) или обратно пропорциональный магнитному сопротивлению сердечников ( в общем виде). При этом суммарный магнитный поток обоих сердечников вне зависимости от нагрузки на вторичную обмотку остается неизменным, т. к. он определяется входным напряжением и частотой:
e=-dφ/dt, [ 5, (3.1)]
где
e - мгновенное значение входного напряжения,
dφ - производная магнитного потока в сердечниках устройства,
dt - производная времени.

Ток холостого хода устройства будет определяться частотой, числом витков и, в основном, параметрами первого сердечника 1 с более высокой магнитной проницаемостью.

Напряжение холостого хода на вторичной обмотке 2 будет пропорционально магнитному потоку в сердечнике 1, на котором обмотка намотана, и ее числу витков.

По мере появления и увеличения тока в цепи вторичной обмотки происходит перераспределение общего магнитного потока между сердечниками 1 и 3, напряжение на вторичной обмотке уменьшается, ток в цепи нагрузки вторичной обмотки и в цепи первичной обмотки увеличивается.

При коротком замыкании в цепи вторичной обмотки через нее будет течь максимально возможный ток, напряжение на ней будет практически равно нулю, магнитный поток в сердечнике 1 также упадет до нуля, а в сердечнике 3 увеличится до максимального значения. При этом ток короткого замыкания устройства до цепи первичной обмотки будет определяться частотой, числом витков первичной обмотки и, в основном, параметрами второго сердечника 3 с более низкой магнитной проницаемостью.

Поскольку ток холостого хода, рабочий ток и ток короткого замыкания имеют индуктивный характер, то потерь активной (тепловой) мощности в трансформаторе практически не будет, ограничение максимального тока как в цепи нагрузки, так и в цепи первичной обмотки будет происходить без потерь мощности и без разогрева устройства, (кроме потерь в активном сопротивлении обмоток и в сердечнике, которыми на практике можно пренебречь), что для летательных аппаратов типа спутников является одним из главных эксплуатационных факторов, если не решающим.

Таким образом, для предложенного трансформатора магнитная проницаемость (или магнитное сопротивление, как более обобщенная характеристика конкретного сердечника, а не материала) для первого и второго сердечников является определяющим признаком.

Такой трансформатор может быть использован в системах автоматики, электропитания и т.п., как в базовых цепях управления мощными транзисторами для ограничения базового тока, так и в силовых целях, требующих гальванической развязки и защиты от перегрузки. При этом ограничение может осуществляться как непосредственно по переменному, так и по постоянному току. В последнем случае во вторичную обмотку трансформатора достаточно включить выпрямитель.

Такое же устройство трансформатора может быть использовано в агрегатах для дуговой сварки Основное преимущество использования такого трансформатора - отсутствие потоков рассеяния, которые даже при коротком замыкании в цепи дуги отсутствуют, поскольку в этом случае магнитный поток замыкается внутри сердечника 3 с малой магнитной проницаемостью, естественно, что оба сердечника трансформатора работают в линейных режимах по магнитному потоку, что существенно снижает токовые помехи в подводящей цепи.

Наилучшие результаты могут быть получены при использовании тороидальных трансформаторов, обладающих минимальной индуктивностью рассеяния, хотя конструктивно проще могут быть выполнены трансформаторы на стрежневых или Ш-образных сердечниках, особенно в устройствах, предназначенных для сварочных агрегатов.

Увеличение функциональной надежности и снижение стоимости трансформатора по сравнению с прототипом достигается как уменьшением количества обмоток, размещенных на разных сердечниках, так и гарантированным ограничением токов короткого замыкания, что особенно важно в трансформаторах сварочных агрегатов, принципиально обязанных выдерживать такой режим работы.

Сердечники могут быть выбраны из ряда стандартных или рассчитаны и изготовлены исходя из практических соображений для каждой разработки: из одинакового материала с разной магнитной проницаемостью, например, из ферритов марки 6000НМ и 700НМ или из одного материала, например, из стали.

При этом для более низких рабочих частот в качестве материалов для сердечников могут быть использованы пермаллой и электротехническая сталь, для более высоких частот - разного типа магнитомягкие материалы. Кроме того, оба сердечника могут быть одинаковыми, но второй сердечник для увеличения его магнитного сопротивления (уменьшения эквивалентной магнитной проницаемости), должен быть выполнен с воздушным зазором.

На предприятии устройство предполагается использовать во вновь разрабатываемом приборе, предназначенном для коммутации цепей питания и формирования силовых команд на исполнительные органы.

Предложение находится на стадии макетирования и отработки для обоснования исходных данных на эскизное проектирование прибора.

Использованная литература
1. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Справочник. Под ред. Г.С. Найвельта. М., "Радио и связь", 1985 г., с. 167, рис. 5.1.

2. В. А. Колосов, А.В.Лукин, Б.С.Сергеев. Схемотехника высокочастотных преобразователей напряжения. Справочное пособие. М., "АОВТиПЭ", 1993 г., с. 100, рис.1.4.4.

3. Высокочастотные транзисторные преобразователи. М., "Радио и связь", 1988 г., с. 198, рис. 6.9.а,б,в,г.

4. Трансформатор звуковой частоты, патент РФ 2007767 5 H 01 F 19/04 (прототип).

Изобретение предназначено для использования в системах управления для формирования команд или сигналов с ограниченной выходной мощностью при высоком КПД. Может быть использовано в составе сварочных агрегатов. В трансформаторе, содержащем первичную и вторичную обмотки и магнитопровод, выполненный из двух ферромагнитных сердечников, первичная обмотка расположена на обоих сердечниках, вторичная обмотка расположена на одном сердечнике. Сердечник, на котором размещена вторичная обмотка, выполнен из материала с большей магнитной проницаемостью, чем магнитная проницаемость материала другого сердечника. По мере увеличения тока во вторичной обмотке происходят перераспределение общего магнитного потока между сердечниками. Напряжение на вторичной обмотке уменьшается, ток в цепи нагрузки вторичной обмотки и в цепи первичной обмотки увеличивается. Поскольку эти токи имеют индуктивый характер, то потерь тепловой мощности в трансформаторе практически не будет - это является техническим результатом. 2 ил.

Трансформатор, содержащий первичную и вторичную обмотки, магнитопровод, выполненный из двух ферромагнитных сердечников, причем первичная обмотка расположена на обоих ферромагнитных сердечниках, а вторичная обмотка - на одном ферромагнитном сердечнике, отличающийся тем, что ферромагнитный сердечник, на котором расположена вторичная обмотка, выполнен с большей магнитной проницаемостью, чем магнитная проницаемость другого сердечника.