УПРАВЛЯЕМЫЙ ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 2009 года по МПК H01F30/04 

Изобретение относится к области трансформаторостроения и может быть использовано в различных электротехнических системах, в основе которых в качестве преобразователей величины переменного напряжения применяются трансформаторы (Тр).

Известно, что трансформатор преобразует энергию переменного магнитного поля, создаваемую протекающим в первичной обмотке переменным током, в электрическую энергию во вторичной обмотке, которая выступает в роли источника ЭДС для нагрузки. При рассмотрении принципа работы Тр всегда предполагается, что ток во вторичной обмотке находится в противофазе по отношению к току в первичной обмотке, вследствие чего намагничивающие силы, образованные протеканием токов в обмотках Тр, вычитаются, и таким образом происходит отбор мощности из первичной обмотки во вторичную. Однако такое заключение справедливо только для индуктивной нагрузки. Большинство трансформаторов работают на активную нагрузку, которая создает эффект форсировки, т.е. угол смещения между токами оказывается не 180°, а только 180° - α. Причем в зависимости от величины активного сопротивления нагрузки угол α изменяется в значительных пределах.

Известен линейный трансформатор по патенту на полезную модель №56064 от 27.08.2006 г., МПК H01F 27/00 - прототип, содержащий классический трансформатор с тремя вторичными обмотками, две диодные ветви, каждая из которых состоит из двух последовательно включенных диодов, два конденсатора и активную нагрузку, в котором задача сводится к тому, чтобы обеспечить противофазность токов в первичной и вторичной обмотках.

Недостатком такого технического решения является то, что возникает необходимость в использовании трех обмоток во вторичной цепи. Указанный недостаток присущ не в меньшей степени и трехфазным Тр, так как количество обмоток в них, как правило, ограничено. К тому же при такой схеме требуется тщательная настройка на резонанс.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение постоянства коэффициента трансформации в широких пределах изменения величины активной нагрузки, снижение значений токов холостого хода за счет повышения инерционности вторичной обмотки и сведение к минимуму размагниченности магнитопровода при более простой настройке.

Технический результат достигается тем, что в управляемый трансформатор, содержащий классический трансформатор с вторичными обмотками, две диодные ветви, каждая из которых состоит из двух последовательно и согласованно включенных диодов, два конденсатора, активную нагрузку, введены балластное сопротивление и нагрузочный резистор; трансформатор имеет две вторичные обмотки, при этом активная нагрузка включена в цепь первой вторичной обмотки, являющейся рабочей, а в цепь второй вторичной обмотки, являющейся обмоткой управления (ОУ), включена схема управления, состоящая из двух конденсаторов, балластного сопротивления, нагрузочного резистора и двух диодных ветвей, общая точка которых подключена к одному из выводов обмотки управления трансформатора, противоположные выводы диодных ветвей соединены между собой через балластное сопротивление, средние точки диодных ветвей электрически связаны через два одинаковых последовательно включенных конденсатора, при этом общая точка соединения которых подключена к одному из выводов нагрузочного резистора, второй вывод нагрузочного резистора электрически соединен с другим выводом обмотки управления трансформатора.

На чертеже приведена электрическая схема управляемого трансформатора.

Она 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 обмотки управления 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 нагрузочного резистора 8, второй вывод нагрузочного резистора 8 подключен ко второму выводу обмотки управления трансформатора 1, свободные выводы конденсаторов соединены со средними точками диодных ветвей; балластное сопротивление 9 подключенное к свободным выводам диодных ветвей; нагрузку 10 подключенную к рабочей обмотке трансформатора 1.

Работа трансформатора состоит в следующем.

При положительном значении первой полуволны входного напряжения во вторичных обмотках Тр формируется полярность напряжения так, как указано на чертеже - знаки плюс и минус в скобках. В этом случае оба конденсатора 6 и 7 заряжаются до амплитудного значения напряжения обмотки управления в соответствии с полярностью, показанной на фиг. Цепь зарядки конденсатора 6: верхний вывод ОУ, диод 2, конденсатор 6, нагрузочный резистор 8, нижний вывод ОУ. Цепь зарядки конденсатора 7: верхний вывод ОУ, диоды 2, 3, балластное сопротивление 9, диод 5, конденсатор 7, нагрузочный резистор 8, нижний вывод ОУ. При величине балластного сопротивления 9, равной нулю, зарядка конденсаторов 6 и 7 и будет одновременной.

При возрастании тока в цепях вторичных обмоток возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая нарастанию тока и создающая запас энергии магнитного поля в магнитопроводе. При уменьшении тока (напряжения) в обмотках трансформатора 1 вновь возникает ЭДС самоиндукции 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 обмотки управления и схемы управления в ее цепи.

Когда величина напряжения на конденсаторе 7 становится больше величины ЭДС в обмотке управления, конденсаторы разряжаются через нагрузочный резистор 8 и обмотку управления. Выводы этой обмотки подключены таким образом, что в первую четверть полупериода переменного тока, протекающего в обмотке управления, конденсаторы заряжаются определенной полярностью до амплитудного значения напряжения ОУ, а во вторую четверть полупериода они разряжаются через обмотку управления, сохраняя, таким образом, постоянную составляющую намагниченности магнитопровода.

Направления токов разрядки конденсаторов и тока, образованного ЭДС самоиндукции, наведенной при уменьшении тока в обмотке управления, совпадают. Поэтому запасенная в магнитопроводе энергия магнитного поля (постоянная составляющая) практически не расходуется. Таким образом, за счет электрической энергии, запасенной в конденсаторах, намагниченность магнитопровода остается постоянной.

Диодные ветви (2, 3 и 4, 5,) служат для целенаправленной зарядки и разрядки конденсаторов (6 и 7), обеспечивающих сохранение постоянства энергии магнитного поля в магнитопроводе, в результате чего обеспечивается минимальные индуктивные сопротивления рабочей обмотки и обмотки управления. Этим достигается необходимое смещение по фазе между токами в первичной и во вторичных обмотках.

Проведенные экспериментальные исследования на трансформаторе ТАН104-127/220-50, показали, что коэффициент трансформации остается постоянным в диапазоне изменения активной нагрузки от 5 до 70 Ом. Ток холостого Тр при отключенной от нагрузки вторичной обмотки составлял 0,126 А. При подключении ОУ по схеме, показанной на чертеже, ток холостого хода составил 0,062 А.

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 электрической энергии в трансформаторе и обеспечение постоянного коэффициента трансформации в диапазоне изменения величины активной нагрузки в пределах ±50%. Для этого управляемый трансформатор выполняется на базе классического трансформатора с двумя вторичными обмотками - рабочей, в цепь которой включена непосредственно активная нагрузка, и обмоткой управления, в цепь которой включены две диодные ветви, каждая из которых образована двумя последовательно (согласованно) включенными диодами, два конденсатора, балластное сопротивление и нагрузочный резистор. При этом общая точка встречно включенных диодных ветвей подключена к одному из выводов обмотки управления трансформатора, противоположные выводы диодных ветвей через балластное сопротивление соединены между собой. Свободные выводы конденсаторов соединены со средними точками диодных ветвей, и их общая точка соединения подключена к одному из выводов нагрузочного резистора, второй вывод которого соединен с другим выводом обмотки управления трансформатора. 1 ил.

Управляемый трансформатор, содержащий классический трансформатор с вторичными обмотками, две диодные ветви, каждая из которых состоит из двух последовательно и согласованно включенных диодов, два конденсатора, активную нагрузку, отличающийся тем, что классический трансформатор имеет две вторичные обмотки и дополнительно снабжен балластным сопротивлением и нагрузочным резистором, при этом активная нагрузка включена в цепь первой вторичной обмотки, являющейся рабочей, а в цепь второй вторичной обмотки, являющейся обмоткой управления, включены два конденсатора, балластное сопротивление, нагрузочный резистор и две диодные ветви, общая точка которых подключена к одному из выводов обмотки управления трансформатора, противоположные выводы диодных ветвей соединены между собой через балластное сопротивление, средние точки диодных ветвей электрически связаны через два одинаковых, последовательно включенных конденсатора, при этом общая точка соединения которых подключена к одному из выводов нагрузочного резистора, второй вывод нагрузочного резистора электрически соединен с другим выводом обмотки управления трансформатора.