ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 2008 года по МПК H01F29/14 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к источникам электропитания, в частности к трансформаторам для подачи стабилизированного напряжения.

Уровень техники

Источники электропитания необходимы для снабжения электрических устройств электрической энергией со стабилизированным напряжением, которое отличается от напряжения сети, например, 110 В или 220 В. Основным элементом источника питания является трансформатор, преобразующий входное напряжение в выходное напряжение. В обычных трансформаторах выходное напряжение является кратным входному напряжению, при этом коэффициент кратности задан отношением числа витков первичной обмотки и числа витков вторичной обмотки, которые магнитно связаны друг с другом. Кроме того, напряжение уменьшается при увеличении нагрузки во вторичной обмотке при увеличении тока, и вторичные обмотки обладают внутренним сопротивлением.

При применении в области сварки обычные источники питания проявляют тот эффект, что ток через световую дугу сильно зависит от расстояния электрода от материала, подлежащего сварке. В частности, для способа сварки с расходованием электродов это требует очень чувствительного управления электропитанием для исключения нерегулярностей в сварочном шве. Кроме того, вес и тем самым потребность в материале сердечника трансформаторов являются высокими и должны быть снижены с учетом переносных сварочных устройств.

Нежелательные влияния нагрузки и входного напряжения на выходное напряжение обычно компенсируются электронным управляющим устройством, измеряющим выходное напряжение и управляющим входным напряжением. Если измеряется уменьшение выходного напряжения, то входное напряжение повышается или наоборот.

Кроме того, создаются высокочастотные составляющие, если входное напряжение обеспечивается инверторным источником электропитания. Поэтому обычные применения источника питания требуют фильтрации для удаления высокочастотных составляющих.

В WO 99/17316 раскрыт трансформатор, имеющий центральное плечо, соединенное параллельно с первичной и вторичной обмотками. Кроме того, трансформатор снабжен зазором в центральном плече и управляется с помощью наружного управляющего устройства.

В GB 803911 раскрыт трансформатор, имеющий воздушный зазор в центральном плече и дополнительно содержащий вторичное плечо, которое разделено на две ветви. Каждая из двух ветвей несет одну вторичную обмотку, при этом две обмотки соединены друг с другом и питают нагрузку.

В GB 2033163 А раскрыт трансформатор, имеющий воздушный зазор между первичной и вторичной обмотками, расположенными на двух смежных плечах. В трансформаторе не раскрывается резонансный контур.

В WO 97/29494 описан трансформатор с несколькими отводами во вторичных обмотках, которые избирательно соединяются с целью управления выходным напряжением.

Другая возможность преобразования выходного напряжения переменного тока состоит в выпрямлении в напряжение постоянного тока и управлении напряжением постоянного тока с помощью диодов Зенера или аналогичных устройств с целью получения стабилизированного выходного напряжения.

Эти технологии требуют огромного количества управляющих и стабилизирующих элементов.

Раскрытие изобретения

Желательно иметь источник электропитания с уменьшенным количеством элементов и предпочтительно трансформатор, обеспечивающий выходное напряжение, которое в широких пределах не зависит от нагрузки и уровня питающего напряжения. Кроме того, желательно иметь трансформатор, способный формировать волны и обеспечивать ограничение тока.

Поэтому изобретение относится к трансформатору согласно пункту 1 формулы изобретения, выполняющему указанную выше задачу.

Изобретение относится к трансформатору, имеющему стабилизированное выходное напряжение, при этом эффект стабилизации достигается с помощью электрической и магнитной структур. Выходное напряжение стабилизируется с помощью управляющего магнитного соединения между, по меньшей мере, одной первичной (входной) обмоткой и вторичными (выходными) обмотками.

По меньшей мере, одна первичная обмотка и, по меньшей мере, одна первая вторичная обмотка и одна вторая вторичная обмотка намотаны вокруг одного из трех плеч соответственно и магнитно соединены сверху воздушным зазором и снизу хомутом. Резонансный контур, образованный вторичными обмотками и конденсатором, обеспечивает высокое насыщение магнитного соединения между вторичными обмотками. Резонанс ограничен воздушным зазором, который также управляет насыщением, а также током нагрузки, который поставляют вторичные обмотки в подключенную нагрузку. Если поведение, в основном, характеризуется влиянием резонансного контура, то индуктивность, относящаяся к вторичным обмоткам, образующим часть резонансного контура, сильно увеличивается. При изменяющихся условиях, т.е. изменяющейся нагрузке или изменяющемся входном напряжении, по меньшей мере, на одной первичной обмотке общий поток во вторичных обмотках и поэтому выходное напряжение на вторичных обмотках сохраняется постоянным за счет управления насыщением магнитного соединения, которое, в основном, зависит от резонансного контура при низких нагрузках и зависит от нагрузки при высоких нагрузках. Другими словами, магнитная связь между первичной обмоткой и вторичными обмотками и тем самым передача мощности между первичной обмоткой, используемой в качестве входной обмотки, и вторичными обмотками, используемыми в качестве выходных обмоток, обуславливается нагрузкой, поскольку дополнительный поток, создаваемый нагрузкой, и поток, создаваемый резонансным контуром, управляют уровнем насыщения магнитной связи. Кроме того, ослабление резонанса увеличивается с увеличением нагрузки. На это управляющее поведение можно влиять воздушным зазором, который оказывает непосредственное влияние на магнитную связь.

В одном варианте выполнения одну первичную обмотку несет первое плечо, в то время как, по меньшей мере, две вторичные обмотки несут два плеча соответственно. Вторичные обмотки соединены с конденсатором с образованием резонансного контура. Плечи магнитно соединены на своих соответствующих концах с помощью двух хомутов, при этом, по меньшей мере, один хомут содержит воздушный зазор между соответствующими плечами, несущими вторичные обмотки. В этом варианте выполнения эффект стабилизации достигается с минимальным числом магнитных плеч.

В первом диапазоне нагрузки напряжение является постоянным и поэтому компенсируются влияния входного напряжения или нагрузки. Во втором диапазоне с более высокой нагрузкой напряжение быстро уменьшается и тем самым обеспечивается ограничение тока. Этот диапазон работы можно использовать для применений для сварки, поскольку ток является постоянным в широком диапазоне и тем самым компенсируются изменения, вызванные изменениями расстояния между электродом и поверхностью сварки. Поэтому трансформатор обеспечивает очень устойчивую дугу без дополнительных управляющих средств, и тем самым шов является более равномерным по сравнению с результатами, достигаемыми с помощью обычных сварочных источников питания. Дополнительно к этому количество материала сердечника можно сократить по сравнению с обычными сварочными устройствами при той же мощности сварки.

Кроме того, с помощью трансформатора согласно изобретению обеспечивается эффект формирования волны, что уменьшает высокочастотные помехи, например, если используется инверторный источник электропитания. Кроме того, можно более просто осуществлять управление скоростью электродвигателей постоянного тока без необходимости дорогих выпрямительных устройств.

Второй вариант выполнения содержит дополнительное плечо и дополнительную первичную обмотку. Две первичные обмотки расположены на двух внешних плечах, а две вторичные обмотки расположены на внутренних плечах. Две первичные обмотки электрически соединены друг с другом, и вторичные обмотки электрически соединены друг с другом. Этот вариант выполнения обеспечивает симметричную структуру и обеспечивает постоянное выходное напряжение на вторичных обмотках в широком диапазоне входных напряжений, подаваемых на первичные обмотки.

Вторичные обмотки предпочтительно имеют промежуточные отводы, обеспечивающие выбор желаемого выходного напряжения посредством выбора числа витков вторичных обмоток на обеих сторонах промежуточных отводов. В качестве альтернативного решения трансформатор содержит третью и четвертую вторичные обмотки, при этом первая и вторая обмотки образуют резонансный контур вместе с конденсатором, а третья и четвертая обмотки обеспечивают выходное напряжение. Таким образом, можно разделить две функции вторичных обмоток.

Кроме того, вторичные обмотки, поставляющие выходное напряжение, можно соединять последовательно. Таким образом, можно обеспечить более высокое общее выходное напряжение. Кроме того, можно соединять вторичные обмотки последовательно за счет чего складываются индуктивности соответствующих вторичных обмоток. Таким образом, можно использовать меньшую величину емкости для резонанса на желаемой частоте, например, частоте питания, например, 50 или 60 Гц. В варианте выполнения изобретения, в котором напряжение подается с инверторного источника электропитания и поэтому является высокочастотным напряжением, величины конденсатора, а также величины индуктивностей, обеспечиваемых вторичными обмотками и используемых для резонансного контура, можно значительно уменьшить по сравнению с использованием частот 50/60 Гц.

Магнитная связь плеч предпочтительно обеспечивается с помощью двух хомутов, по одному для каждой стороны плеч. Эти хомуты могут содержать воздушный зазор или магнитный материал, обуславливающий различное качество магнитной связи между плечами, несущими вторичные обмотки, и магнитную связь между другими соответствующими плечами. Таким образом, можно просто управлять уровнем насыщения и характеристиками трансформатора, обусловленными насыщением. Кроме того, трансформатор можно изготавливать с помощью стандартного способа.

Направление намотки во всех обмотках может быть одинаковым. Это также облегчает процесс изготовления трансформаторов.

Две первичные обмотки предпочтительно соединены последовательно. Это уменьшает число необходимых витков для заданного выходного напряжения при заданном входном напряжении на вторичных обмотках.

Магнитная связь между плечами, несущими обмотки, которые образуют часть, по меньшей мере, одного резонансного контура, предпочтительно обеспечивает магнитный поток рассеяния и ферромагнитные потери, которые оба можно использовать для управления затуханием резонансного контура и тем самым его поведением и влиянием на стабилизационные характеристики трансформатора.

Все первичные обмотки и все вторичные обмотки предпочтительно имеют одинаковое число витков соответственно. Это обеспечивает полностью симметричную структуру и позволяет упростить процесс изготовления.

Для оказания влияния на магнитную связь и насыщение магнитного материала трансформатора поперечное сечение плеч, несущих вторичные обмотки, может отличаться от поперечного сечения плеч, несущих первичные обмотки. Это также позволяет управлять насыщением и тем самым характеристиками трансформатора.

Вариант выполнения, содержащий дополнительную первичную обмотку, обеспечивает более гибкое соединение трансформатора с питающей электрической сетью.

Краткое описание чертежей

На чертежах изображено:

фиг.1a - первый вариант выполнения трансформатора, имеющего три плеча, содержащие первичную обмотку и две вторичные обмотки;

фиг.1b - второй вариант выполнения трансформатора, имеющего четыре плеча, содержащие две первичные обмотки и две вторичные обмотки;

фиг.2 - третий вариант выполнения трансформатора, в котором две вторичные обмотки используются в качестве резонансного контура, при этом каждая содержит промежуточный отвод;

фиг.3 - четвертый вариант выполнения трансформатора, в котором две вторичные обмотки образуют резонансный контур, а две другие обмотки используются в качестве выходной обмотки;

фиг.4 - изменение выходного напряжения в зависимости от изменяющейся нагрузки для трех трансформаторов согласно изобретению, имеющих различную ширину воздушного зазора;

фиг.5 - характеристики волновой фильтрации и формирования волн согласно одному из вариантов выполнения изобретения;

фиг.6 - изменение выходного напряжения в зависимости от изменяющегося входного напряжения при различных нагрузках;

фиг.7 - характеристики выходного тока в зависимости от изменения сопротивления нагрузки.

Осуществление изобретения

На фиг.1а показана схема первого варианта выполнения стабилизированного трансформатора согласно изобретению. Трансформатор содержит три плеча 1, 2, 3, которые параллельны друг другу и магнитно соединены с помощью двух хомутов 9, 9'. Эта структура может быть выполнена из обычного трехстержневого сердечника с хомутом. Две вторичные обмотки 5, 6 электрически соединены с конденсатором 7 с образованием резонансного контура, имеющего две индуктивности, представленные вторичными обмотками, каждая из которых расположена на отдельном плече. Магнитная связь между плечами, несущими вторичные обмотки 5, 6, содержит воздушный зазор 8. Первичную обмотку 4 несет первое плечо 1, в то время как вторичные обмотки 5, 6 несут плечи 2 и 3 соответственно. Одно из плеч, несущих вторичные обмотки 5, 6, расположено в качестве центрального плеча трехстержневого сердечника.

На фиг.1b показана схема второго варианта выполнения стабилизированного трансформатора согласно изобретению. Трансформатор содержит четыре плеча 10, 12, 14, 16, которые параллельны друг другу и магнитно соединены. Плечи 10-16 имеют форму стержня одинаковой длины. Каждое плечо имеет два конца, верхний конец и нижний конец, при этом все верхние концы магнитно соединены с помощью верхнего ярма 50, перпендикулярного плечам, а все нижние концы соединены с помощью нижнего ярма 52, которое также перпендикулярно плечам 10-16 и тем самым параллельно верхнему ярму 50. Среди плеч 10-16 следует различать два наружных плеча 10, 12 и два внутренних плеча 14, 16.

Первая первичная обмотка 20 с первым числом n_р витков намотана вокруг первого наружного плеча 10, и вторая первичная обмотка 22, имеющая второе число n_р' витков, намотана вокруг второго наружного плеча 12. Обе первичные обмотки 20, 22 электрически соединены последовательно, и входное напряжение U_p можно подавать на первичные обмотки 20, 22. Возбуждаемая этим входным напряжением U_p первая первичная обмотка 20 создает магнитный поток в первом наружном плече 10, который является встречно-параллельным магнитному потоку, создаваемому второй первичной обмоткой 22 во втором наружном плече 12. Можно также соединять обе первичные обмотки встречно-параллельно, что приводит к тому же результату. В качестве альтернативного решения можно соединять две первичные обмотки параллельно, при этом первичные обмотки имеют направления намотки, которые противоположны друг другу.

Первая 30 и вторая 32 вторичные обмотки намотаны вокруг обоих внутренних плеч 14, 16 соответственно и имеют одинаковое направление намотки. Вторичные обмотки 30, 32 соединены параллельно друг другу на одной стороне с помощью непосредственного электрического соединения, а на другой стороне вторичных обмоток - с помощью конденсатора С 40. Величина конденсатора С выбирается для образования резонансного контура с первой и второй вторичными обмотками на частоте выходного напряжения, например частоте 50 Гц питающей сети.

При подаче входного напряжения U_p на первую и вторую первичные обмотки 20, 22, которые соединены последовательно, каждая из них вносит магнитный поток в первое 10 и второе 12 наружное плечо соответственно. За счет магнитной связи, обеспечиваемой верхним 50 и нижним 52 хомутом, и электрического соединения потоки, создаваемые входным напряжением, складываются в наружных плечах 10, 12. Кроме того, поток, наведенный током, проходящим через вторые обмотки 30, 32, складывается во внутренних плечах 14, 16, когда прикладывается нагрузка к вторичным обмоткам.

Между первым и вторым внутренними плечами 14, 16 верхнее ярмо 50 содержит секцию, содержащую воздушный зазор 60. В этой секции магнитная проводимость или магнитное сопротивление отличается от магнитной проводимости или магнитного сопротивления в остальном хомуте. Магнитная проводимость или магнитное сопротивление означает эффективную проницаемость и поэтому способность магнитной связи, т.е. хомутов, концентрировать магнитный поток в материале. Эта способность жестко зависит от эффективной проницаемости хомута, которая зависит от магнитной проницаемости, геометрии магнитной связи и эффектов, вызываемых полем рассеяния, например воздушными зазорами.

Различия в магнитной проводимости и тем самым эффективной проницаемости могут быть также вызваны секцией хомута, имеющей большее или меньшее поперечное сечение. В частности, сужающаяся зона хомута вызывает более высокую плотность потока и поэтому материал, проводящий магнитный поток, имеет более высокий уровень насыщения, чем остальной материал. Кроме того, секция, содержащая материал, имеющий низкую проницаемость, или магнитный материал, содержащий более низкий уровень максимального насыщения, приводит к желаемой зависимости магнитной связи от потока, находящегося в хомуте.

При приложении входного напряжения к двум первичным обмоткам 20, 22 электродвижущая сила EMF индуцируется в первой 30 и второй 32 вторичных обмотках, которые расположены вблизи первичных обмоток 20, 22.

Некоторый ток создается электромагнитной индукцией в первой 30 и второй 32 вторичных обмотках и в конденсаторе С 40 и поэтому дополнительная электродвижущая сила самоиндукции наводится в двух вторичных обмотках 30, 32. Эта электродвижущая сила самоиндукции добавляется к э.д.с., наводимой током, протекающим через первичные обмотки 20, 22, и поэтому напряжение, имеющееся на конденсаторе С 40, дополнительно увеличивается. Если имеющееся на конденсаторе 40 напряжение увеличивается, то увеличивается ток, проходящий через вторичные обмотки 30, 32, что приводит к резонансному нарастанию электродвижущей силы самоиндукции. Предел электродвижущей силы самоиндукции зависит от характеристик насыщения магнитного материала хомутов 50, 52 (и плеч), которые не являются линейными относительно наводящего магнитного поля. Таким образом, напряжение U_s, обеспечиваемое вторичными обмотками 30, 32, не является линейным относительно входного напряжения U_p, которое прикладывается к первичным обмоткам 20, 22, и, кроме того, соотношение входного и выходного напряжений характеризуется процессом насыщения, в котором резонанс резонансного контура компенсирует изменение нагрузки на вторичных (т.е. выходных) обмотках и изменение входного напряжения, приложенного к первичным обмоткам.

В варианте выполнения, показанном на фиг.1b, число витков n_р первой первичной обмотки равно числу витков n_р' второй первичной обмотки. Число витков n_s первой вторичной обмотки равно числу витков n_s' второй вторичной обмотки. В данном примере для удобства принято n_р=n_s.

Первая 30 и вторая 32 вторичные обмотки представляют две индуктивности, которые соединены последовательно. Поэтому их индуктивности складываются и соединяются параллельно конденсатору С 40. Индуктивность зависит от геометрии вторичных обмоток 30, 32 соответственно плеч 14, 16, а также от числа витков n_s и n_s', кроме того, индуктивность зависит от эффективной проницаемости, которая изменяется в зависимости от степени насыщения магнитного материала плеч 30, 32. Материал хомутов 50, 52 также насыщается при больших магнитных потоках. Комбинированная индуктивность первой и второй вторичных обмоток 30, 32 и величина конденсатора С 40 выбираются в соответствии с желаемой резонансной частотой выходного напряжения U_s, например, 50 Гц. При предположении, что входное напряжение U_p содержит значительные части частоты вблизи или на резонансной частоте, вторичные обмотки будут возбуждаться в резонансе с этой частотой. Количество энергии, обмениваемой между конденсатором 40 и индуктивностью вторичных обмоток 30, 32, является магнитным превышением и ограничено максимальным магнитным потоком, при котором достигается полное магнитное насыщение магнитного материала в секции хомутов, имеющей наивысшую плотность потока. Кроме того, резонанс ослабляется нагрузкой, возникающей на выходе вторичных обмоток 30, 32, и потерями за счет магнитного рассеяния.

Предположим, что к первичным обмоткам приложено входное напряжение U_p, a нагрузка, возникающая на вторичных обмотках 30, 32, является вначале пренебрежительно малой. В этом случае магнитная связь, представленная верхним и нижним ярмами, насыщена почти не ослабляемым резонансным контуром, образованным вторичными обмотками 30, 32 и конденсатором 40.

Резонансная частота резонансного контура должна быть, приблизительно равной частоте входного напряжения, подаваемого на первичные обмотки, и поэтому величина конденсатора 40 (или индуктивности вторичных обмоток) должна быть выбрана так, чтобы соответствовать этому условию. Выходное напряжение U_s на вторичных обмотках 30, 32 ограничено степенью максимального насыщения ярм 50, 52, в частности, секции 60 между обоими внутренними плечами 14, 16. При увеличении нагрузки резонансный контур ослабляется нагрузкой и поэтому оказывает уменьшенное влияние на насыщение. На насыщение оказывает повышенное влияние большой поток, вызываемый (нагрузкой) током, протекающим через вторичные обмотки 30, 32 (и нагрузку). Оба эффекта компенсируют друг друга и, следовательно, уменьшающаяся или увеличивающаяся нагрузка уравновешивается увеличивающимся или уменьшающимся влиянием резонансного контура, что приводит к почти постоянному выходному напряжению U_s на вторичных обмотках 30, 32 при изменении нагрузки.

На кривую изменения выходного напряжения U_s в зависимости от изменения нагрузки (и тем самым в зависимости от выходного тока) оказывают влияние дополнительные воздушные зазоры 60, 260, 260' в одном (50) или в обоих хомутах 50, 52 с учетом магнитных характеристик материала, а также ферромагнитных потерь.

На фиг.2 показан третий вариант выполнения трансформатора согласно изобретению. Он также содержит четыре плеча 110-116, соединенные двумя ярмами 150, 152, и содержит две первичные обмотки 120, 122, которые соединены последовательно и симметрично расположены на наружных плечах 110, 112. Кроме того, две вторичные обмотки также симметрично расположены на внутренних плечах и при этом соединены последовательно конденсатором 140 с образованием резонансного контура. Между внутренними плечами 114, 116 одно ярмо 150 прервано воздушным зазором 160.

В противоположность варианту выполнения, показанному на фиг.1, вторичные обмотки 130, 132 содержат каждая промежуточный отвод 170, с которого снимается выходное напряжение U_s. Резонансный контур образован полными вторичными обмотками 130, 132 и конденсатором 140, в то время как выходное напряжение U_s обеспечивается лишь частью вторичных обмоток 130, 132, соответственно. Соотношение между витками, содержащимися в этой части соответствующих вторичных обмоток, и числом витков полных вторичных обмоток 130, 132 дает возможность определять отношение между входным напряжением U_p и постоянным выходным напряжением U_s. Кроме того, таким образом можно изменять влияние резонансного контура на равновесие между затуханием резонансного контура и насыщением ярм 150, 152.

На фиг.3 показан четвертый вариант выполнения трансформатора согласно изобретению. Этот вариант выполнения имеет четырехплечевую структуру, как и в вариантах выполнения, показанных на фиг.1 и 2, однако вторичные обмотки 230, 232, 234, 236 разделены на две функциональные части, которые электрически не соединены друг с другом. Первая функциональная часть является резонансным контуром, образованным конденсатором 240 и первой и второй вторичными обмотками 230, 232. Вторая функциональная часть вторичных обмоток состоит из третьей и четвертой вторичных обмоток 234 и 236, которые обе симметрично расположены на двух внутренних плечах 214, 216. Эти третья и четвертая вторичные обмотки 234 и 236 электрически соединены друг с другом и обеспечивают выходное напряжение U_s. При такой структуре выходное напряжение можно выбирать совершенно независимо от характеристик резонансного контура, который образован первой и второй вторичными обмотками 230, 232 и конденсатором 240. Число витков в обмотках выбрано симметрично, т.е. n_р=n_р', n_s=n_s' и n_о=n_о'. Число витков, по меньшей мере, одной пары обмоток может не совпадать в зависимости от применения и желаемых характеристик поведения. Между внутренними плечами 214, 216 предусмотрены хомуты 250, 252, каждый из которых содержит воздушный зазор 260, 260', обеспечивающий желаемое влияние на характеристики насыщения и на затухание резонансного контура.

На фиг.4 показан график, иллюстрирующий влияние ширины воздушного зазора. Показаны зависимости между вторичным выходным напряжением U_s, обеспечиваемым вторичными обмотками 30, 32, 130, 132, 230, 232 трансформатора, согласно изобретению и током I_s, протекающим через нагрузку, соединенную с вторичными обмотками. Для первого диапазона выходного тока I_s, который обозначен позицией А, напряжение остается почти постоянным с величиной напряжения U_c. Во втором диапазоне (В) выходное напряжение U_s быстро падает при небольшом увеличении выходного тока I_s. Это поведение можно использовать для защиты от короткого замыкания или в ситуациях перегрузки, а также для снабжения неизменным током с рабочей точкой в диапазоне В, например, для сварочных машин.

Поведение трансформатора относительно выходного напряжения U_s и выходного тока I_s в диапазоне В можно интепретировать как поведение источника неменяющегося тока. В частности, с учетом кривой 2 ток остается почти неизменным с величиной I_c, в то время как напряжение изменяется в широком диапазоне между U_s и 0. Трансформатор согласно изобретению, работающий в этом рабочем диапазоне или имеющий рабочую точку в зоне этого резкого падения выходного напряжения U_s, особенно пригоден для применений в сварке. При неизменном токе I_c, обеспечиваемом на выходе трансформатора, электрическая дуга остается устойчивой и поэтому образуется меньше искр и результат сварки является однородным. В целом, для источников электропитания, используемых для создания электрической дуги при изменяющихся нагрузках, эти характеристики трансформатора согласно изобретению обеспечивают очень стабильные выходные характеристики. Характеристики этой второй (закрытой или соответствующей источнику неменяющегося тока) зоны В можно выбирать с помощью изменения ширины воздушного зазора 60, 160, 260, 260', при этом кривая 1 показывает поведение для большого воздушного зазора, например, 3 мм, кривая 2 показывает характеристики неменяющегося тока для узкого воздушного зазора, например, 2 мм, и кривая 3 показывает характеристики для очень небольшого воздушного зазора, например, 0,5 мм. Следует отметить, что структура сердечника согласно кривой 1 обуславливает большую величину магнитного потока рассеяния, чем структуры сердечника согласно кривым 2 или 3 для полного потока, содержащегося в соответствующих хомутах. Поэтому структура сердечника согласно кривой 1 оказывает более сильное влияние на затухание резонансного контура, поскольку магнитный поток рассеяния образует главную часть воздействия затухания на резонансный контур. Кроме того, более высокий поток рассеяния при умеренных нагрузках оказывает влияние на магнитную связь между соответствующими противоположными первичными и вторичными обмотками 20, 36 и 22 и 34 соответственно и поэтому влияет на стабилизированное выходное напряжение при больших нагрузках.

В случае пренебрежительно малой нагрузки, подключенной к вторичным обмоткам 30, 32, стабилизированное выходное напряжение на вторичных обмотках определяется максимальным насыщением магнитного материала и магнитным потоком рассеяния, в то время как увеличившаяся нагрузка вносит затухание в резонансный контур, удерживая напряжение постоянным за счет уменьшения эффекта уравновешивания между резонансным контуром и насыщением (т.е. магнитной связью) секции хомута между двумя внутренними плечами 14, 16.

Как показано на фиг.5, использование резонансного контура также улучшает стабильность частоты трансформатора, наделенного признаком формирования волны, поскольку резонансный контур имеет характеристики полосового фильтра. Признак формирования волны позволяет иметь синусную кривую на выходе трансформатора, которая почти не зависит от симметричной формы входной волны или нагрузки вторичных обмоток. Любая симметричная форма волны, подаваемая на вход U_in (т.е. первичные обмотки), фильтруется, и в результате выходное напряжение U_out трансформатора содержит синусоидальную форму.

На фиг.6 показаны характеристики выходного напряжения трансформатора согласно изобретению. Кривые показывают зависимость напряжения U₂ на вторичных обмотках от напряжения, подаваемого на первичные обмотки 20 22, которое обозначено как U₁. Когда нагрузка, подключенная к вторичным обмоткам 31, 32, является пренебрежимо малой, а входное напряжение, подаваемое на первичные обмотки 20, 22, достигает определенной величины, которая обозначена как b, то напряжение на вторичных обмотках достигает предельной величины, обозначенной как d, которая непосредственно связана с пределом насыщения магнитного контура. Если подаваемое на первичные обмотки напряжение увеличивается свыше b, то электродвижущая сила наводится в одной вторичной обмотке 30, смежной с соответствующей первичной обмоткой 20, в соответствии с увеличением напряжения на первичных обмотках 20, 22. Электродвижущая сила равна суммарному вектору двух электродвижущих сил, наводимых в рассматриваемой вторичной обмотке смежной первичной обмоткой 20 и удаленной первичной обмоткой 22. Для другой вторичной обмотки 32 этот процесс обеспечивается симметричным образом в плече 16, вокруг которого намотана другая вторичная обмотка 32, при этом потоки наводятся соответствующей смежной первичной обмоткой 22 и соответствующей удаленной первичной обмоткой 20. Следует отметить, что поток, наводимый во внутреннем плече (например, 14) соответствующей смежной первичной обмоткой (например, 22), всегда больше или, по меньшей мере, отличается от потока, наводимого соответствующей дальней обмоткой (например, 20) за счет воздушного зазора 60 между плечами 14, 16. Как указывалось выше, можно использовать любые средства, способные уменьшать магнитную проводимость, в секциях хомута между внутренними плечами 14, 16. Следовательно, осуществляется компенсация между насыщением, создаваемым током нагрузки во вторичных обмотках, и насыщением, создаваемым резонансным контуром. Поэтому выходное напряжение стабилизируется на почти постоянном уровне c...d, в то время как входное напряжение на первичных обмотках может изменяться в широком диапазоне b...а.

За счет умеренного тока в резонансном контуре, образованном вторичными обмотками 30, 32 и конденсатором С 40, выходное напряжение на вторичных обмотках 30, 32 сохраняется на постоянном уровне, поскольку ток в резонансном контуре, имеющий разность фаз почти +90° относительно фазы тока через нагрузку, имеет более высокий уровень, чем ток нагрузки в небольшой нагрузке.

Уменьшение входного напряжения U₁ приводит к меньшему магнитному потоку и тем самым к более низкому уровню насыщения в магнитной связи 50, 52, 60. Более низкий уровень насыщения приводит к лучшей связи в секции 60 ярма между двумя внутренними плечами 14, 16, а также к большему току колебаний в резонансном контуре, поскольку резонансный контур имеет меньшее затухание. За счет этого уровень насыщения повышается пока повышение затухания за счет насыщения не уравновесится меньшим потоком, наводимым первичными обмотками 20, 22, за счет более низкого входного напряжения. Этот эффект уравновешивания приводит к стабилизированному выходному напряжению, которое в широком диапазоне не зависит от входного напряжения.

На фиг.6 также показана зависимость между входным напряжением и выходным напряжением для различных нагрузок. Кривая 1 показывает зависимость между U₁ и U₂ при пренебрежимо малой нагрузке, кривая 2 показывает зависимость между U₁ и U₂ при умеренной нагрузке, и кривая 3 показывает зависимость между U₁ и U₂ при сильной нагрузке, которая больше нагрузок, относящихся к кривым 1 и 2. Как указывалось выше, при определенном входном напряжении U₁=b, соответствующем выходному напряжению U₂=d, достигается состояние равновесия, и при увеличении входного напряжения выходное напряжение остается почти постоянным. Следует отметить, что для широкого диапазона b...а входного напряжения U₁, входное напряжение U₂ изменяется лишь в небольшом диапазоне d...c. Диапазон, в котором выходное напряжение U₂ является почти постоянным, начинается у минимального входного напряжения U₁, которое зависит от нагрузки, подключенной к выходу (т.е. соответствующим вторичным обмоткам) трансформатора. Для большой нагрузки (кривая 3) минимальное входное напряжение выше, чем минимальное напряжение для небольшой (кривая 2) или пренебрежительно малой (кривая 1) нагрузки, подключенной к вторичной обмотке.

На фиг.7 показано поведение трансформатора согласно изобретению при изменяющихся нагрузках в виде графика изменения входного тока I₁, подаваемого в первичную обмотку (обмотки), и выходного тока I₂, создаваемого во вторичных обмотках, при изменяющейся нагрузке R.

При высоких нагрузках, эквивалентных R в диапазоне 0...R_r, на выходе обеспечивается стабильный ток I_s. Это соответствует случаю "перегрузки", показанному на фиг.4, диапазон В. При нагрузках с сопротивлением больше R_r, ток непрерывно уменьшается. Хотя это и не показано на этом графике, соответствующее выходное напряжение на вторичной обмотке (обмотках) остается постоянным. Диапазон для R>R_r является эквивалентным диапазону А на фиг.4. Для лучшего понимания характеристик трансформатора фиг.7 следует рассматривать в соединении с фиг.4, при этом на фиг.4 показаны характеристики выходного напряжения, а на фиг.7 показаны характеристики выходного тока при изменяющейся нагрузке (т.е. при изменяющемся выходном токе).

Сердечник трансформатора может содержать слоистый, спеченный или отлитый в форму магнитный материал, который насыщается при больших магнитных потоках. Материалы, имеющие различные характеристики насыщения, могут быть предусмотрены для разных частей трансформатора, т.е. материал 1 для внутренних плеч, материал 1' для наружных плеч и материал 2 для магнитной связи между обоими внутренними плечами в варианте выполнения с четырьмя плечами. Можно использовать магнитные материалы, такие как пермаллой или другие ферритовые материалы, и их можно выбирать в зависимости от применяемого диапазона частот. Трансформатор согласно изобретению можно использовать также для применений с высокой частотой, например, с инверторным источником питания, поскольку характеристики формирования волны трансформатора обеспечивают синусоидальную форму выходной волны. В случае высокочастотных входного и выходного напряжений материал сердечника, используемого для плеч и хомутов, можно выбирать соответствующим образом. Поперечное сечение сердечника предпочтительно является постоянным и может иметь квадратную, круглую или другую форму. Воздушный зазор можно создавать с помощью секции ярма, имеющей уменьшенную длину, что приводит к созданию зазора и тем самым обеспечивает влияние на магнитную связь. Кроме того, можно использовать ферромагнитные материалы или секцию хомута с уменьшенным поперечным сечением вместо воздушного зазора или в комбинации с ним с целью достижения желаемых магнитных свойств.

В показанных вариантах выполнения используется лишь один конденсатор. Можно использовать также более чем один конденсатор в комбинации с одной или более вторичными обмотками. Конденсатор (конденсаторы) и вторичная обмотка (обмотки) образуют резонансный контур, который может быть получен с помощью параллельного или последовательного соединения или с помощью их подходящей комбинации. При наличии более одного конденсатора и тем самым более одного резонансного контура соответствующие резонансные частоты могут отличаться друг от друга, в то время как резонансные контуры могут совершать колебания, по меньшей мере, частично независимо друг от друга.

Можно использовать также магнитные материалы, имеющие магнитный гистерезис, для осуществления затухания резонансного контура с преобразованием части энергии, колеблющейся между конденсатором и индуктивностью, в магнитные потери и тем самым в тепло. Кроме того, сопротивление медных обмоток может приводить к значительной потере колебательной энергии в резонансном контуре, и его следует учитывать при рассмотрении затухания, которое влияет на резонансный контур.

Первичные и/или вторичные обмотки могут содержать несколько промежуточных отводов для упрощения согласования трансформатора в соответствии с изменяющимися условиями напряжения или нагрузки и в соответствии с различными применениями.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в трансформаторах для подачи стабилизированного напряжения для источников электропитания. Технический результат состоит в упрощении конструкции. Трансформатор содержит первое, второе и третье плечи, параллельные друг другу, имеющие, по меньшей мере, одну первую первичную обмотку и, по меньшей мере, две вторичные обмотки. Каждая из обмоток несет отдельное плечо. Плечи расположены последовательно. Одна из вторичных обмоток расположена между двумя другими плечами. Два плеча соединены с конденсатором с образованием резонансного контура. Магнитная связь между двумя вторичными обмотками отличается от магнитных связей между первичной обмоткой и каждой из вторичных обмоток. Поток, возбуждаемый первой вторичной обмоткой, является встречно-параллельным потоку, возбуждаемому второй вторичной обмоткой. Напряжение питания можно подавать в первичную обмотку, и трансформатор обеспечивает ток и напряжение на вторичных обмотках. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Трансформатор, содержащий:

по меньшей мере, первое (1), второе (2) и третье (3) плечи, при этом все плечи выровнены по существу параллельно друг другу,

по меньшей мере, одну первую первичную обмотку (4),

по меньшей мере, одну первую (5) и одну вторую (6) вторичные обмотки и

по меньшей мере, один конденсатор (7), при этом

по меньшей мере, одна первая первичная обмотка (4) намотана вокруг первого плеча (1),

по меньшей мере, одна первая вторичная обмотка (5) намотана вокруг второго плеча (2),

по меньшей мере, одна вторая вторичная обмотка (6) намотана вокруг третьего плеча (3), и

конденсатор (7) соединен, по меньшей мере, с одной обмоткой, намотанной вокруг второго плеча (2), и, по меньшей мере, с одной обмоткой, намотанной вокруг третьего плеча (3), с образованием резонансного контура, при этом

первое плечо (1), второе плечо (2) и третье плечо (3) расположены в этой последовательности и магнитно связаны с помощью, по меньшей мере, одного верхнего (9) и нижнего (9') магнитного соединения, соединяющего соответствующие концы плеч,

первая (5) и вторая (6) вторичные обмотки электрически соединены так, что поток, возбуждаемый первой вторичной обмоткой (5) во втором плече (2), является встречно-параллельным потоку, возбуждаемому второй вторичной обмоткой (6) в третьем плече (3),

вторичные обмотки (5, 6), обеспечивающие, по меньшей мере, одно выходное напряжение, и

по меньшей мере, одно верхнее (9) или нижнее (9') магнитное соединение содержит секцию (8), расположенную между вторым (2) и третьим (3) плечами и имеющую магнитную проводимость, отличную от магнитной проводимости между первым и вторым плечами.

по меньшей мере, первое (14) и второе (16) внутренние плечи и первое (10) и второе наружные плечи, при этом все плечи выровнены по существу параллельно друг другу,

дополнительно, по меньшей мере, одну вторую первичную обмотку (22), при этом, по меньшей мере, одна первая первичная обмотка (20) намотана вокруг первого наружного плеча (10),

по меньшей мере, одна вторая первичная обмотка (22) намотана вокруг второго наружного плеча (12),

по меньшей мере, одна первая вторичная обмотка (30) намотана вокруг первого внутреннего плеча (14),

по меньшей мере, одна вторая вторичная обмотка (32) намотана вокруг второго внутреннего плеча (16), и

конденсатор (40) соединен, по меньшей мере, с одной обмоткой, намотанной вокруг первого внутреннего плеча (14), и, по меньшей мере, с одной обмоткой, намотанной вокруг второго внутреннего плеча (16), с образованием резонансного контура, при этом

первое наружное плечо (10), первое внутреннее плечо (14), второе внутреннее плечо (16) и второе наружное плечо (12) расположены в этой последовательности и магнитно связаны с помощью, по меньшей мере, одного верхнего (50) и нижнего (52) магнитного соединения, соединяющего соответствующие концы первых и вторых внутренних и наружных плеч,

первая (20) и вторая (22) первичные обмотки электрически соединены так, что поток, возбуждаемый первой первичной обмоткой (20) в первом наружном плече (10), является встречно-параллельным к потоку, возбуждаемому второй первичной обмоткой (22) во втором наружном плече (3), и

по меньшей мере, одно верхнее (50) или нижнее (52) магнитное соединение содержит секцию (60), расположенную между первым (14) и вторым (16) внутренними плечами и имеющую магнитную проводимость, отличную от магнитной проводимости между каждым наружным плечом и смежным внутренним плечом, соответственно.