ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 2008 года по МПК H01F19/00 

Предлагаемое изобретение относится к области трансформаторостроения. Оно применимо для трансформаторов (Тр), работающих непосредственно на активную нагрузку.

Известно, что принцип действия трансформатора основан на явлении взаимной индукции, возникающем при протекании переменного тока в первичной обмотке Тр, в результате чего за счет созданного в ней переменного магнитного потока во вторичной обмотке наводится переменная электродвижущая сила (ЭДС). При подключении к вторичной обмотке нагрузки в цепи вторичной обмотки протекает ток, создающий во вторичной обмотке магнитный поток, встречный направлению магнитного потока в первичной обмотке. В литературе Кацман М.М. «Электрические машины», М.: Высшая школа, 1990, - 360 с. отмечено, что отбор энергии из первичной обмотки во вторичную в линейном плане может происходить только при индуктивном характере нагрузки или в режиме короткого замыкания Тр, т.е. когда нагрузкой является вторичная обмотка.

На основании экспериментальных и теоретических исследований, изложенных в монографии авторов Ермакова И.И., Киселева В.В. «Обобщенный анализ и синтез электрических цепей с распределенными параметрами» - Казань: Изд-во КВАКУ, 2000. - 132 с., отмечено, что недостатком классических трансформаторов является то, что реально ток во вторичной обмотке, который определяется характером конкретной нагрузки, не находится в противофазе по отношению к току в первичной обмотке. Вследствие чего магнитные потоки, созданные токами первичной и вторичной обмоток, алгебраически не вычитаются. Во вторичной обмотке как бы появляется дополнительная поперечная составляющая магнитного потока. Это обстоятельство приводит к появлению в Тр высших гармоник, к повышению потерь в стали и нарушению постоянства коэффициента трансформации.

Также отмечено, что (по опыту эксплуатации Тр в лабораторных условиях) его к.п.д. в ненагруженном состоянии значительно ниже, чем в нагруженном. Известно также, что коэффициент трансформации классических Тр при изменении нагрузки меняется, причем в значительных пределах. С точки зрения закона сохранения энергии (полагая, что потери, присущие трансформатору, представляющему собой единое электротехническое устройство, в различных режимах работы должны оставаться постоянными) этого быть не должно.

Активная нагрузка трансформатора вводит во вторичную цепь эффект форсировки (опережения) тока - за полупериод переменного тока накопившаяся в индуктивности обмотки энергия магнитного поля рассеивается через резистор. Поэтому угол смещения между токами в первичной и вторичной обмотках оказывается равным не 180°, как это обычно предполагается, а равным 90°+α. Причем угол α в зависимости от параметров вторичной обмотки Тр и значения активной нагрузки может колебаться в пределах от 45°, что соответствует максимальной выдаче электрической энергии в нагрузку (это когда индуктивное сопротивление вторичной обмотки равно значению активного сопротивления), до 25° и менее. В идеале угол α должен быть равен 90°.

Известен линейный трансформатор по патенту на полезную модель №56064 от 27.08.2006 г., МПК H01F 27/34, 27/38 - прототип, содержащий классический трансформатор с тремя вторичными обмотками, две диодные ветви, состоящие из двух последовательно включенных диодов, две емкости и активную нагрузку.

Недостаток этого технического решения заключается в том, что возникает необходимость в использовании трех обмоток во вторичной цепи. Однако не все существующие трансформаторы имеют несколько обмоток во вторичной цепи. Кроме того, широкое применение имеют трехфазные трансформаторы, различного типа электродвигатели переменного тока, которым указанный недостаток присущ не в меньшей степени, а количество обмоток в них, как правило, ограничено.

Задачей данного изобретения является обеспечение постоянства коэффициента трансформации за счет повышения инерционности вторичной цепи, сведения к минимуму уменьшения постоянной составляющей намагниченности магнитопровода сердечника Тр и приближения к противофазности токов в первичной и вторичной обмотках.

Технический результат достигается тем, что в трансформаторе, содержащем классический трансформатор и имеющем во вторичной обмотке две диодные ветви, каждая из которых образована двумя последовательно (согласованно) включенными диодами, два конденсатора, балластное сопротивление и активную нагрузку, диодные ветви встречно электрически соединены между собой и их общая точка подключена к одному из выводов вторичной обмотки трансформатора, противоположные выводы диодных ветвей через балластное сопротивление соединены между собой, средние точки диодных ветвей электрически соединены через два одинаковых последовательно включенных конденсатора, при этом общая точка соединения конденсаторов подключена к одному из выводов активной нагрузки, а ее второй вывод соединен с другим выводом вторичной обмотки трансформатора.

На чертеже приведена электрическая схема трансформатора.

Электрическая схема включает в себя трансформатор 1, две диодные ветви, образованные последовательно соединенными одинаковыми по техническим характеристикам диодами 2, 3 и 4, 5, включенными между собой встречно, и их общая точка подключена к одному из выводов вторичной обмотки трансформатора 1, два одинаковых по величине емкости конденсатора 6 и 7 (неполярные), соединенные одними выводами между собой, и их общая точка соединения подключена к одному из выводов активной нагрузки 8, второй вывод нагрузки 8 подключен ко второму выводу вторичной обмотки трансформатора 1, свободные выводы конденсаторов соединены со средними точками диодных ветвей; балластное сопротивление 9, подключенное к свободным выводам диодных ветвей. Электрическая схема настроена на резонанс по второй гармонике питающего напряжения, что достигается подбором соответствующих значений емкостей 6, 7 и индуктивности вторичной обмотки.

Принцип работы схемы состоит в следующем.

Допустим, что при положительном значении первой полуволны входного напряжения во вторичной обмотке сформировалась полярность напряжения так, как указано на схеме - знаки плюс и минус без скобок. В этом случае оба конденсатора 6 и 7 будут заряжаться до максимального значения амплитуды напряжения вторичной обмотки с запаздыванием по времени зарядки на конденсаторе 7. Цепь зарядки конденсатора 6: левый вывод обмотки Тр, диод 2, конденсатор 6, нагрузка 8, правый вывод обмотки Тр. Цепь зарядки конденсатора 7: левый вывод обмотки Тр, диод 2, диод 3, балластное сопротивление 9, диод 5, конденсатор 7, нагрузка 8, правый вывод обмотки Тр. При величине балластного сопротивления 9, равной нулю, зарядка конденсаторов будет одновременной.

ЭДС взаимной индукции, наведенная во вторичной обмотке трансформатора 1, создает ток, протекающий в цепи: обмотка трансформатора 1 (с индуктивным сопротивлением ωL), диод 2 или 4 (в зависимости от начальной фазы тока), конденсаторы 6 или 7, нагрузка 8, обмотка трансформатора.

При возрастании тока в цепи вторичной обмотки трансформатора 1 создается ЭДС самоиндукции, препятствующая нарастанию тока и создающая запас энергии магнитного поля в этой обмотке. Конденсаторы 6 и 7 заряжаются в соответствии с полярностью, показанной на чертеже.

При уменьшении амплитуды тока во вторичной обмотке трансформатора 1 возникает ЭДС самоиндукции, направленная таким образом, чтобы препятствовать уменьшению тока, т.е. в направлении, обратном направлению первой ЭДС. На создание этой ЭДС самоиндукции расходуется ранее запасенная энергия магнитного поля. Она могла бы полностью израсходоваться в течение следующего полупериода, если бы не было предлагаемой электрической схемы трансформатора.

Когда величина напряжения на конденсаторе 7 становится больше величины ЭДС вторичной обмотки, конденсаторы разряжаются через обмотку трансформатора 1 и нагрузку 8. Направления токов разрядки конденсаторов и тока, образованного ЭДС самоиндукции, наведенной при уменьшении тока во вторичной обмотке, совпадают. Поэтому запасенная во вторичной обмотке энергия магнитного поля (постоянная составляющая) почти не расходуется, т.е. за счет электрической энергии, запасенной в конденсаторах, намагниченность магнитопровода остается примерно постоянной. Изменение постоянной составляющей намагниченности (индуктивного сопротивления вторичной обмотки трансформатора), которое достигается изменением величины балластного сопротивления, определяет смещение по фазе между током во вторичной цепи и ЭДС взаимной индукции между обмотками трансформатора. В последующие полупериоды картина физических процессов будет повторяться с сохранением некоторой постоянной намагниченности сердечника трансформатора.

Технический результат предлагаемого трансформатора достигается обеспечением определенной направленности токов разрядки конденсаторов 6, 7.

Наличие диодных ветвей при указанном выше включении позволяет за счет электрической энергии, накопленной в конденсаторах, сохранить постоянство энергии магнитного поля вторичной обмотки трансформатора 1, т.е. поддержать постоянную намагниченность магнитопровода и тем самым обеспечить постоянство индуктивного сопротивления вторичной обмотки. Этим достигается требуемое смещение по фазе между током и ЭДС во вторичной цепи.

Проведенные экспериментальные исследования на трансформаторах малой мощности (ТН61-220-50; ТАН104-127/220-50 и др.) полностью подтвердили справедливость выводов, приведенных в описании. Физическая суть экспериментальных исследований сводилась к двум моментам:

1. При каких параметрах элементов предлагаемого устройства достигается максимум отношения тока во вторичной обмотке к току первичной обмотки.

2. Влияет ли значение балластного сопротивления на максимум тока во вторичной цепи.

Установлено, что ток нагрузки и соответственно коэффициент трансформации в пределах изменения расчетной нагрузки от номинала до увеличения ее в два раза остается постоянным.

Ток холостого хода без нагрузки в обычном трансформаторе оказывается в 1,5-2 раза больше, чем в предлагаемом образце.

Эксперименты проводились как при постоянных, так и при переменных по значению нагрузках. В частности, показано, что при отклонении сопротивления нагрузки в пределах 5-10% отклонения токов от оптимальных их значений находятся в пределах 1-2%.

Изобретение относится к области трансформаторостроения и может быть использовано в промышленных объектах техники, где для решения задач электроснабжения необходимы трансформаторы. Технический результат - получение минимальных потерь энергии в трансформаторе и обеспечение постоянного коэффициента трансформации в диапазоне расчетной мощности. Для этого трансформатор включает классический трансформатор, две встречно соединенные диодные ветви, каждая из которых образована двумя последовательно включенными диодами, два конденсатора, балластное сопротивление и активную нагрузку. При этом общая точка диодных ветвей подключена к одному из выводов вторичной обмотки трансформатора, противоположные выводы диодных ветвей через балластное сопротивление соединены между собой, средние точки диодных ветвей соединены через два одинаковых конденсатора. Общая точка соединения конденсаторов подключена к активной нагрузке, второй вывод которой соединен с другим выводом вторичной обмотки трансформатора. 1 ил.

Трансформатор, содержащий классический трансформатор, две диодные ветви, каждая из которых образована двумя последовательно (согласовано) включенными диодами, два конденсатора, балластное сопротивление и активную нагрузку, отличающийся тем, что диодные ветви, встречно электрически соединены между собой, и их общая точка подключена к одному из выводов вторичной обмотки трансформатора, противоположные выводы диодных ветвей через балластное сопротивление соединены между собой, средние точки диодных ветвей электрически соединены через два одинаковых последовательно включенных конденсатора, при этом общая точка соединения конденсаторов подключена к одному из выводов активной нагрузки, второй вывод активной нагрузки соединен с другим выводом вторичной обмотки трансформатора.