ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 1998 года по МПК H01F30/06 H01F19/00 

Изобретение относится к электротехнике и касается основного электротехнического оборудования электростанций, подстанций, линий электропередачи и других устройств.

Известны трансформаторы - электромагнитные статические преобразователи электрической энергии, имеющие две и более индуктивно связанных первичных и вторичных обмоток. Они служат для создания магнитного поля, посредством которого осуществляется передача электрической энергии от первичной обмотки к вторичной. Магнитопровод служит для усиления магнитной связи между обмотками (Сергеенков Б.Н., Киселев В.М., Акимова Н.А. Электрические машины. Трансформаторы. - М.: Высшая школа, 1989, с. 350).

Наиболее близким к изобретению по технической и максимальному количеству сходных признаков является трансформатор, содержащий магнитопровод, две обмотки, ервичную и вторичную, с одинаковым числом витков на один магнитопровод, соединенные между собой в последовательную цепь и подключенные выводами к источнику питания.

В известном трансформаторе вторичная обмотка по существу является обмоткой подмагничивания и работает в режиме автотрансформатора. Гальваническая связь с первичной обмоткой осуществляется через общую шину. Увеличение КПД трансформатора происходит вследствие согласования по емкостным связям между обмотками (а.с. СССР N 1125664, кл. H 01 F 19/08, 1984).

Известный трансформатор не лишен недостатков обычных трансформаторов:
- многовитковые вторичные обмотки, которые работают в узком диапазоне частот 50 - 400 Гц, большое сопротивление обмоток, то есть необходимость учета холостого хода трансформатора при расчетах количества витков вторичной обмотки для получения необходимого (заданного) напряжения на выходе, сложность конструкций трансформаторов при использовании всевозможных дополнительных деталей, изоляций и т.д. для снижения указанных недостатков.

Задачей изобретения было повышение напряжения на вторичной обмотке без увеличения числа витков, расширение частотного диапазона работы трансформатора, упрощение и облегчение конструкции.

Поставленная задача решается созданием трансформатора, содержащего магнитопровод, две обмотки, вводы и выводы обмоток, при этом обе обмотки намотаны в одном направлении с одинаковым числом витков на один сердечник магнитопровода, между собой обмотки соединены выводами в последовательную цепь, вводами подключены к источнику питания и параллельно к каждой обмотке подключена нагрузка.

Отличие предлагаемого изобретения заключается в следующем:
1) обе обмотки намотаны на один сердечник магнитопровода в одном направлении и имеют одинаковое число витков в отличие от классического трансформатора, где вторичная обмотка всегда является многовитковой (в повышающем трансформаторе);
2) выводами обе обмотки соединены между собой в последовательную цепь, в то время как в классическом трансформаторе обмотки между собой электрически не соединяются (за исключением автотрансформатора, но там наматывается лишь одна обмотка);
3) вводы обеих обмоток подключены к источнику питания - в классическом трансформаторе к источнику питания подключается только первичная обмотка;
4) параллельно к каждой обмотке подключена нагрузка, в то время как в классическом трансформаторе нагрузка подключена к выводу вторичной обмотки.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем:
Если первичную обмотку известного трансформатора при разомкнутой вторичной подключить к сети переменного тока с напряжением U₁, то по ней потечет ток i₁= i₀. Обусловленная током i₀ магнитодвижущая сила первичной обмотки i₀w₁ создает в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток φ, который будет сцеплен почти полностью со всеми витками первичной и вторичной обмоток.

Если вторичную обмотку трансформатора подключить к сопротивлению нагрузки R, то по ней потечет переменный ток i₂. Обусловленная током i₂ МДС вторичной обмотки, согласно закону Ленца, направлена встречно МДС первичной обмотки и, следовательно, стремится изменить созданный этой МДС поток φ. Однако в действительности заметного изменения магнитного потока не происходит, так как одновременно с появлением тока во вторичной обмотке в первичной обмотке также возникает ток, который компенсирует размагничивающее действие тока i₂ и поддерживает магнитный поток постоянным (φ = const).
При подключении трансформатора к нагрузке во вторичной обмотке появляется ток i₂, изменение которого вызывает изменение тока i₁ в первичной обмотке, поскольку первичная обмотка электромагнитно связана со вторичной.

Токи i₁ и i₂ создают первичную и вторичную МДС F₁ = i₁w₁ и F₂ = i₂w₂, совместным действие которых создается магнитное поле трансформатора.

Если обе обмотки предлагаемого трансформатора подключить к сети переменного тока с напряжением U₁, то по обмоткам потечет ток i₀. Обусловленная током i₀ магнитодвижущая сила первой обмотки i₀w₁ создает в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток φ₁, аналогично и во второй обмотке возникает магнитодвижущая сила i₀w₂, которая равна МДС первой обмотки i₀w₁, поэтому возникающий во второй обмотке переменный магнитный поток φ₂ будет компенсировать магнитный поток первой обмотки φ₁. Когда первая и вторая обмотки электрически соединяются между собой и подключаются к сопротивлению нагрузки и то при прохождении электрического тока через обмотки он увеличивается пропорционально R нагрузки, что приводит к увеличению МДС, а, следовательно происходит повышение U трансформатора на выходе.

Промышленная применимость предлагаемого трансформатора доказывается следующим.

На фиг. 1 изображена электрическая схема трансформатора, где 1 - магнитопровод; 2 - первая обмотка; 3 - вторая обмотка; a и A - вводы (начало) первой и второй обмоток; x и X - выводы (конец) первой и второй обмоток; сопротивление нагрузки, подключенной к первой обмотке; сопротивление нагрузки, подключенной к второй обмотке.

На магнитопровод 1 наматываются обе обмотки - первая 2 и вторая 3 в одном направлении и имеют одинаковое число витков, причем обмотка 3 наматывается на обмотку 2. Выводы обмоток x и X соединяются между собой в последовательную цепь, вводы обмоток a и A подключаются индивидуально к источнику питания. Параллельно к каждой обмотке подключается сопротивление нагрузки на пути тока от источника питания к первой обмотке и к общему выводу обмоток соответственно ко второй обмотке.

Название обмоток не соответствуют понятиям обычного трансформатора - первичная и вторичная, т.к. в известном трансформаторе - только первичная обмотка подключается к источнику питания, а вторичная обмотка - к сопротивлению нагрузки.

В предлагаемом трансформаторе обе обмотки подключаются к источнику питания самостоятельно, и к обеим обмоткам подключается сопротивление нагрузки, поэтому мы называем обмотки первая и вторая, чтобы как-либо различить их.

Трансформатор работает следующим образом.

I. Холостой ход (без подключения нагрузки). Вводы обмоток a и A подключаются индивидуально к источнику питания U. Выводы x и X соединяются между собой в последовательную цепь. При подключении к источнику питания через обмотки 2 и 3 течет ток i, который вызывает появление в каждой обмотке магнитодвижущей силы МДС, равной iw. Вследствие того, что число витков каждой обмотки одинаково, МДС обеих обмоток 2 и 3 будет одинакова и равна iw, а вследствие соединения между собой выводов обмоток 2 и 3 в последовательную цепь, МДС каждой из обмоток будут компенсировать друг друга. Вследствие наведения МДС изменяется магнитная проницаемость сердечника магнитопровода 1. При спаде тока в полупериодах в обмотках происходит восстановление магнитной проницаемости и, как следствие, в обеих обмотках между точкой соединения обмоток и их вводами наводится электродвижущая сила (ЭДС), за счет чего напряжение трансформатора на выходе повышается в 10 - 20 раз при наличии фактически одной - первичной - обмотки.

II. Рабочий ход (с подключением нагрузок). Сопротивление нагрузки подключается на пути тока i от источника питания к первой обмотке 2 и общему соединению выводов, сопротивление нагрузки соответственно подключается ко второй обмотке 3. Ток i от источника питания пропускают через образовавшийся замкнутый контур - ввод - обмотка - соединение выводов - сопротивление нагрузки - ввод, при этом первичный ток i увеличивается в каждом контуре пропорционально R_н нагрузки, что приводит к изменению ЭДС в контуре - увеличению ЭДС. При малом сопротивлении нагрузки (равном сопротивлению обмотки) напряжение U будет равно падению напряжения на обмотке. При стремлении сопротивления нагрузки к сопротивлению обмотки вторичное напряжение U будет пропорционально понижаться.

В результате ЭДС на выходе трансформатора повышается, происходит повышение напряжения на выходе в десятки раз при наличии фактически одной (первичной) обмотки.

Преимущества предлагаемого трансформатора будут заключаться в следующем:
1) Фактически отсутствует вторичная обмотка, которая в классическом трансформаторе имеет кратное количество витков во столько раз, во сколько нужно повысить напряжение. В предлагаемом трансформаторе высокое напряжение появляется на первой обмотке, имеющей низкое сопротивление. Вследствие этого происходит уменьшение габаритов трансформаторов.

2) Обычный трансформатор работает при низких частотах подаваемого тока, невозможность его работы на высоких частотах связана со сложностью конструкции из-за потерь в сердечнике и его нагрева. Предлагаемый трансформатор работает на любых частотах, вплоть до 100 мГц и выше. Вследствие отсутствия индуктивности при любом качестве магнитопровода можно поднимать рабочую частоту трансформатора.

3) На единицу веса трансформатора можно увеличить передаваемую мощность при фиксированной частоте.

Предлагаемый трансформатор изготовлен и работает в течение 3-х лет, создавая повышение напряжения в десятки раз на частотах 10 - 40 мГц.

Изобретение предназначено для использования в качестве основного электротехнического оборудования электростанций, подстанций, линий электропередачи и других электроустройств. Трансформатор состоит из магнитопровода 1, двух обмоток 2 и 3, которые намотаны в одном направлении с одинаковым числом витков на один магнитопровод, между собой обмотки соединены выводами в последовательную цепь. Вводами они подключены к источнику питания. Параллельно к каждой обмотке подключена нагрузка. При подключении к источнику питания через обмотки 2 и 3 потечет ток i, который вызывает появление в каждой обмотке магнитодвижущей силы iW. Вследствие равенства числа витков обмоток 2 и 3 их магнитодвижующие силы одинаковы. А вследствие соединения между собой выводов обмоток 2 и 3 в последовательную цепь их магнитодвижующие силы будут компенсировать друг друга. При этом изменяется магнитная проницаемость магнитопровода. При спаде тока в полупериодах восстанавливается магнитная проницаемость сердечника. И, как следствие, в обмотках 2 и 3 между точкой соединения их и выводами наводится ЭДС, за счет чего напряжение на выходе повышается в 10 - 20 раз. 1 ил.

Трансформатор, содержащий магнитопровод, две обмотки, вводы и выводы обмоток, отличающийся тем, что обе обмотки намотаны в одном направлении с одинаковым числом витков на один магнитопровод и соединены между собой выводами в последовательную цепь, вводами подключены к источнику питания и параллельно к каждой обмотке подключена нагрузка.