ТРАНСФОРМАТОР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1999 года по МПК H01F30/06 H01F19/00 

Изобретение относится к области электротехники и касается основного электротехнического оборудования электростанций, подстанций, линий электропередачи и других электроустройств.

Трансформаторы - электромагнитные статические преобразователи электрической энергии, имеющие две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенные для измерения напряжения переменного тока. Принцип действия трансформатора базируется на явлении электромагнитной индукции, открытом М. Фарадеем в 1831 г. (Б.Н.Сергеенков, В.М.Киселев, Н.А.Акимова. Электрические машины. Трансформаторы. Изд. "Высшая школа", Москва, 1989 г. С. 19).

Трансформатор состоит из первичной и вторичной обмоток, магнитопровода, стержня магнитопровода и ярма магнитопровода.

Обмотки трансформатора служат для создания магнитного поля, посредством которого осуществляется передача электрической энергии. Обмотку трансформатора, к которой подводится электрическая энергия, называют первичной, а обмотку, от которой энергия отводится, - вторичной.

Магнитопровод трансформатора служит для усиления магнитной связи между обмотками и является конструктивным основанием для установки и крепления обмоток, отводов и других деталей трансформатора.

Наиболее близким трансформатором - прототипом является импульсный наносекундный трансформатор (А.с. СССР 1125664, МПК 3 H 01 F 19/08, оп. БИ N 43, 1984 г.). Он содержит магнитопровод с намотанными первичной и вторичной обмотками, причем первичная и вторичная обмотки выполнены каждая в виде двух секций, намотанных вместе двойным проводом, имеют одинаковое число витков, входом трансформатора является начало первой секции, конец первой секции и начало второй секции первичной обмотки подсоединены к общей шине, конец второй секции первичной обмотки, конец первой и начало второй секций вторичной обмотки соединены электрически, выходом трансформатора является конец второй секции вторичной обмотки, начало первой секции вторичной обмотки подсоединено к общей шине.

Недостатками известных трансформаторов являются многовитковые вторичные обмотки, которые тем не менее работают в довольно узком диапазоне частот: 50-400 Гц, большое сопротивление обмоток, т.е. необходимость учета холостого хода трансформатора при расчетах количества витков вторичной обмотки для получения необходимо (заданного) напряжения на выходе; сложность конструкции трансформаторов при использовании всевозможных дополнительных деталей, изоляции и т.д. для снижения указанных недостатков.

Задачей изобретения было сокращение числа витков во вторичной обмотке и возможность наматывать вторичную обмотку толстым проводом с сечением, равным сечению первичной обмотки, а также расширение числа моделей трансформаторов.

Поставленная задача решается созданием трансформатора, содержащего магнитопровод, две обмотки, вводы для источника питания, выводы для нагрузки, при этом первичная обмотка состоит из двух секций, намотанных на два стержня одного магнитопровода в противоположном друг другу направлении с одинаковым числом витков, причем начало обмотки первой секции соединено с концом обмотки второй секции, а конец обмотки первой секции соединен с началом второй секции, и места их соединения служат вводами для источника питания, вторичная обмотка намотана на обе секции первичной обмотки с охватом обоих стержней магнитопровода.

Указанный технический результат достигается также созданием трансформатора, содержащего магнитопровод, вводы источника питания, выводы для нагрузки, при этом первичная обмотка состоит из двух секций, намотанных на два стержня одного магнитопровода в одном направлении с одинаковым числом витков, начала и концы секций соединены между собой и места соединения секций служат вводами для источника питания, вторичная обмотка намотана на обе секции первичной обмотки с охватом обоих стержней магнитопровода.

Отличие предлагаемого трансформатора заключается в следующем:
1) первичная обмотка состоит из двух секций, намотанных на два стержня одного магнитопровода;
2) обе секции первичной обмотки намотаны в противоположном друг другу направлении с одинаковым числом витков;
3) начало обмотки первой секции соединено с концом обмотки второй секции, конец обмотки первой секции соединен с началом обмотки второй секции и места их соединения служат вводами для источника питания;
4) вторичная обмотка намотана на обе секции первичной обмотки с охватом обоих стержней магнитопровода.

Отличие предлагаемого трансформатора (варианта) заключается в направлении намотки и соединении между собой секций первичной обмотки, а именно:
1) секции намотаны в одном направлении с одинаковым числом витков на два стержня одного магнитопровода;
2) начала и концы обмоток секций соединены между собой, и места их соединения служат вводами для источника питания;
3) вторичная обмотка намотана так же, как и в первом варианте трансформатора, т.е. вокруг обеих секций первичной обмотки с охватом обоих стержней магнитопровода.

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 Ф, 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 Ф. Однако в действительности заметного изменения магнитного потока не происходит, так как одновременно с появлением тока во вторичной обмотке в первичной обмотке также возникает ток i₂ и поддерживает магнитный поток постоянным (Ф= 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.

Если две секции первичной обмотки предлагаемого трансформатора подключить к сети переменного тока с напряжением U₁, то по ним потечет ток i₀. Обусловленная током i₀ магнитодвижущая сила одной секции обмотки i₀w₁ создает в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток Ф₁, аналогично и во второй секции обмотки возникает магнитодвижущая сила i₀w₂, которая равна МДС первой секции i₀w₁, поэтому возникающий во второй секции первичной обмотки переменный магнитный поток Ф₂, идущий навстречу магнитному потоку Ф₁, будет компенсировать магнитный поток в первой секции Ф₁. Однако вследствие наведения МДС изменяется магнитная проницаемость магнитопровода. При спаде тока в полупериодах в магнитопроводе происходит восстановление магнитной проницаемости и, как следствие, в первичной и вторичной обмотках наводится электродвижущая сила (ЭДС), при этом за время полупериода тока в первичной обмотке напряжение во вторичной проходит полный период.

В случае, когда обе обмотки намотаны в противоположном друг другу направлении с одинаковым числом витков, но соединены между собой в последовательную цепь разноименными концами обмоток секций, ток в первой обмотке i₀ будет также равным нулю, т.е. удается достигнуть тот же технический результат, что и в случае намотки обоих секций в одном направлении. При подключении нагрузки R_н ко вторичной обмотке форма напряжения не изменяется. Выходное напряжение зависит от увеличения количества витков во вторичной обмотке по сравнению с количеством витков в первичной обмотке. Коэффициент трансформации определяется для каждого типа трансформатора экспериментально и зависит от соотношения витков и величины подаваемого тока.

Промышленная применимость предлагаемого трансформатора доказывается следующим образом.

На фиг. 1 изображена электрическая схема трансформатора по варианту 1, на фиг. 2 изображена электрическая схема трансформатора по варианту 2, на фиг. 3 приведены зависимости возрастания тока и напряжения в первичной и вторичной обмотках в обоих вариантах трансформатора.

Первичная обмотка трансформатора состоит из двух секций, поэтому для различия и в соответствии с принятыми в технике понятиями нами были приняты следующие обозначения для секций первичной обмотки: a₁ - начало обмотки первой секции; x₁ - конец обмотки первой секции; a₂ - начало обмотки второй секции; x₂ - конец обмотки второй секции.

На фиг. 1 и 2 изображены 1 - магнитопровод; 2 - первая секция первичной обмотки; 3 - вторая секция первичной обмотки; 4 - вторичная обмотка; A и X - начало и конец фазы вторичной обмотки (ввод и вывод); R_н - сопротивление нагрузки, подключенной ко вторичной обмотке.

На два стержня одного магнитопровода 1 наматывают первичную обмотку из двух секций 2 и 3, причем обе секции наматывают в противоположном друг другу направлении и имеют одинаковое число витков. Начало обмотки первой секции a₁ и конец обмотки второй секции x₂ соединяют между собой, также соединяют конец первой секции x₁ и начало второй секции a₂, и места их соединения служат вводами для источника питания. Вторичную обмотку 4 наматывают вокруг первичной, охватывая оба стержня магнитопровода 1. К концам вторичной обмотки A и X подключают сопротивление нагрузки R_н.

В случае варианта исполнения трансформатора на два стержня одного магнитопровода 1 наматывают первичную обмотку, которая состоит из двух секций, каждую секцию наматывают на свой стержень магнитопровода. Обе секции, каждая из которых имеет одинаковое число витков, наматывают в одном направлении. Секции соединяют между собой началами обмоток a₁ и a₂ и концами обмоток x₁ и x₂, и места их соединений служат вводами для источника питания. Вторичную обмотку 4 наматывают на первичную обмотку с охватом обоих стержней магнитопровода. Вследствие такого соединения секций первичной обмотки между собой удается получить такой же технический результат, что и в первом варианте трансформатора.

Трансформатор работает следующим образом.

Вариант I. 1. Холостой ход (без подключения нагрузки). Места соединения секций (a₁ с x₂, x₁ с a₂) подключают к источнику питания U. При подключении к источнику питания через обе секции первичной обмотки потечет ток i₀, который вызывает появление в каждой секции магнитодвижущей силы МДС, равной i₀w. Вследствие того, что число витков в каждой секции обмотки одинаково, МДС обеих секций будет одинакова и равна i₀w, а вследствие соединения между собой концов секций первичной обмотки в последовательную цепь МДС каждой из секций первичной обмотки будут компенсировать друг друга. Однако вследствие наведения МДС изменяется магнитная проницаемость μ магнитопровода 1. При спаде тока в полупериоде в магнитопроводе происходит восстановление магнитной проницаемости и, как следствие, в обоих секциях обмотки между точкой их соединения и вводами наводится электродвижущая сила (ЭДС) (фиг. 3). Поскольку первичная обмотка для МДС остается незамкнутой, поэтому в ней всегда наводится ЭДС холостого хода, т.е. тока самоиндукции в обмотке не возникает и вся энергия МДС выделяется как ЭДС вторичной обмотки. При таких условиях во вторичной обмотке напряженность электрического поля на единицу длины может превышать в 10 раз напряженность поля в первичной обмотке. В результате этих условий вторичная обмотка может иметь меньшее число витков по сравнению с первичной, а напряжение в десятки раз больше, чем напряжение сети. При этом во вторичной обмотке за время полупериода тока в первичной обмотке напряжение проходит полный период (фиг. 3).

2. Рабочий ход (с подключением нагрузки). Сопротивление нагрузки R_н подключают к концам вторичной обмотки 4. При прохождении тока через первичную обмотку, как описано выше, во вторичной обмотке возникает наведенная ЭДС (фиг. 3), при этом форма напряжения не меняется, а происходит лишь возрастание напряжения на каждый виток на выходе трансформатора относительно первичной обмотки во столько раз, во сколько раз напряженность электрического поля в проводнике выше, чем в первичной обмотке.

Вариант II. Холостой ход (без нагрузки). Начала обмоток секций a₁ и a₂ соединяют между собой и подключают к источнику питания U. Другие концы секции x₁ и x₂ также соединяют и также подключают к источнику питания U. Так как секции намотаны в одном направлении с одинаковым числом витков, но соединены между собой одноименными концами, то при подключении к источнику питания происходит тот же самый процесс, что и в трансформаторе по варианту I, поэтому достигаемый технический результат будет аналогичен результату в трансформаторе по варианту I.

Преимущества предлагаемого трансформатора по сравнению с классическим трансформатором (прототипом):
1) уменьшается количество витков во вторичной обмотке в 10-100 раз, а следовательно, уменьшаются габариты трансформатора;
2) вторичную обмотку можно наматывать толстым проводом с сечением, равным сечению провода первичной обмотки;
3) вторичная обмотка может иметь число витков как большее, так и меньшее, чем в первичной обмотке в зависимости от потребности высокого напряжения на выходе трансформатора.

Предлагаемый трансформатор изготовлен и работает в течение 5-и лет, создавая повышение напряжения в десятки раз на частотах 0,010-40 МГц.

Для наилучшего понимания процесса и доказательства промышленной применимости приводятся конкретные примеры.

Пример 1. В качестве магнитопровода был использован П-образный магнитопровод, выполненный из листовой стали и рассчитанный на мощность 2,5 кВт. Коэффициент трансформации для данного типа магнитопровода из листовой стали определен экспериментально и составляет 8 при отношении W_втор./W_перв. равным 1. На два стержня магнитопровода были намотаны две секции первичной обмотки, причем обе секции намотаны в противоположном друг другу направлении, обмотки секций соединены между собой противоположными концами - начало первой с концом второй, конец первой секции с началом второй секции и места соединения секций служат вводами для источника питания, на первичную обмотку вокруг обоих стержней магнитопровода намотана вторичная обмотка (направление намотки не влияет на работу трансформатора). Общее количество витков первичной обмотки 110, количество витков вторичной обмотки 120, сечение наматываемых проводов одинаковое в первичной и вторичной обмотках и составляет 0,02 см². К концам вторичной обмотки подключена нагрузка. Измерение напряжения проводят на входе первичной обмотки и выходе вторичной, т.е. на нагрузке. Результаты измерений приведены в табл. 1.

Пример 2. В качестве магнитопровода был использован ферритовый магнитопровод П-образной формы, рассчитанный на мощность 15 кВт. Коэффициент трансформации для ферритового магнитопровода определен экспериментально и составляет 10. На два стержня магнитопровода намотаны две секции первичной обмотки, а на первичную была намотана вторичная обмотка. Причем обе секции первичной обмотки были намотаны в противоположном друг другу направлении и соединены между собой началами и концами обмоток секций, и места их соединения служат вводами для источника питания, при этом к концам вторичной обмотки была подключена нагрузка. Общее количество витков первичной обмотки 120, количество витков вторичной обмотки составляло 12. Измерение напряжения проводят как и в первом примере, на входе первичной обмотки и выходе вторичной, т.е. на нагрузке. Результаты измерений представлены в табл. 2.

Изобретение предназначено для использования в основном в электротехническом оборудовании электростанций, подстанций, линий электропередачи и других электроустройств. Трансформатор состоит из магнитопровода, первичной и вторичной обмоток. К концам вторичной обмотки подсоединена нагрузка. Первичная обмотка состоит из двух секций, намотанных в одном направлении с одинаковым числом витков на один магнитопровод. Конец первой секции и начало второй секции первичной обмотки соединены в последовательную цепь. Другими концами индивидуально подключены к источнику питания. Вторичная обмотка намотана на первичную обмотку на тот же самый магнитопровод и охватывает оба стержня, а следовательно, обе секции первичной обмотки. Вариант трансформатора заключается в том, что первичная обмотка состоит из двух секций, намотанных в противоположном друг другу направлении с одинаковым числом витков на один магнитопровод. Концы секций соединены между собой в последовательную цепь. Противоположными концами обе секции и первичной обмотки индивидуально подключены к источнику питания. Техническим результатом является упрощение конструкции трансформатора и увеличение числа его модификаций. 2 с.п.ф-лы, 3 ил., 2 табл.

1. Трансформатор, содержащий магнитопровод, две обмотки, вводы для источника питания, выводы для нагрузки, отличающийся тем, что первичная обмотка состоит из двух секций, намотанных на два стержня одного магнитопровода в противоположном друг другу направлении с одинаковым числом витков, причем начало обмотки первой секции соединено с концом обмотки второй секции первичной обмотки, конец обмотки первой секции соединен с началом обмотки второй секции, места соединения секций служат вводами для источника питания, вторичная обмотка намотана на обе секции первичной обмотки с охватом обоих стержней магнитопровода. 2. Трансформатор, содержащий магнитопровод, две обмотки, вводы для источника питания, выводы для нагрузки, отличающийся тем, что первичная обмотка состоит из двух секций, намотанных на два стержня одного магнитопровода в направлении с одинаковым числом витков, началами и концами обе секции обмотки соединены между собой, и места их соединения служат вводами для источника питания, вторичная обмотка намотана на обе секции первичной обмотки с охватом обоих стержней магнитопровода.