ОДНОФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 2013 года по МПК H01F30/10 H01F30/04 H01F27/42 

Изобретение относится к области трансформаторостроения, и может быть использовано в различных электротехнических системах, связанных с преобразованием одной системы переменного тока (напряжения) в другую.

Трансформаторы (однофазные, трехфазные) по сути своей работы в первичных обмотках преобразуют электрическую энергию в магнитную, а во вторичных обмотках - магнитную энергию в электрическую, т.е. вторичные обмотки выступают в роли источников ЭДС для последующих нагрузок.

Основными недостатками существующих трансформаторов (Тр), работающих как на активную, так и на другие виды нагрузок, являются:

1. Большие потери на холостом ходу, когда нагрузки от вторичных обмоток отключены и задействованы только первичные цепи.

2. Нелинейность коэффициента трансформации, как по току, так и по напряжению с изменением значений нагрузок. Вследствие чего их коэффициент полезного действия (к.п.д.) при изменении нагрузок также меняется.

Цель предлагаемого изобретения заключается в том, чтобы повысить к.п.д. существующих однофазных трансформаторов.

Ближайшим прототипом предлагаемого изобретения является - линейный трансформатор (патент на полезную модель №56064 от 15 мая 2006 г.). Патент принадлежит автору. Им же, с участием аспирантов, проведена соответствующая доработка, испытана на реальных образцах Тр и получены хорошие результаты. В связи с чем авторы претендуют на получение патента на изобретение.

На фиг.1 изображена электрическая схема однофазного трансформатора. Она включает в себя:

- Магнитопровод (МП), изображенный на фиг.2, выполненный в виде двух ярм (1, 3), которые изготовлены в форме двух полудуг скругленных по радиусу окна магнитопровода, и двух стержней (2, 4), на которых размещаются первичная и вторичные обмотки Тр;

- Первичную обмотку с индуктивностью L и три вторичные обмотки (L₁, L₂, L₃), причем две вторичные обмотки (L₁; L₃) - совершенно одинаковые по техническим характеристикам - выполняют роль обмоток отрицательной обратной связи (OOC), а третья (L₂) - назовем ее рабочей обмоткой - должна иметь число витков, равную сумме числу витков обмоток обратной связи, или удвоенному произведению числа витков одной обмотки обратной связи;

- Фазосдвигающую цепь (ФСЦ), состоящую из двух диодов, включенных между собой встречно (VD1, VD2) и двух конденсаторов емкостью C₁=C₂=C;

- Активную нагрузку RH.

Предполагаемая схема трансформатора отличается от прототипа:

Во-первых, она максимально упрощена, что стало возможным благодаря получению в теоретическом плане оптимальных соотношений между индуктивностями вторичных обмоток и емкостями конденсаторов. В частности, доказано и экспериментально подтверждено, что при L₁=L₃, L₂≥L₁=L₃ и резонансной настройке по первой гармонике, т.е. 2L₂C=1/ω², где ω - угловая частота изменения напряжения (тока) в электроцепи, потери электрической энергии в Тр на холостом ходу уменьшаются более, чем в два раза.

Во-вторых, магнитопровод в Тр выполнен со скругленными ярмами в форме полудуг, который в отличие от магнитопровода прямоугольной формы позволяет уменьшить потери в стали - из-за взаимодействия магнитных потоков в углах стыковки на 2-5%.

Электрические связи элементов, входящих в Тр, показаны на фиг.1. Обмотки OOC включены встречно, одни их выводы соединены между собой, образуя общий зажим, другие электрически связаны между свободными зажимами двух последовательно соединенных конденсаторов и диодами, имеющими противоположное (по полярности) включение. Противоположные выводы диодов объединены в единый зажим, связанный электрически с одним из выводов рабочей обмотки, второй вывод этой же обмотки связан со средней точкой конденсаторов. Активная нагрузка своими зажимами подключается к средним точкам конденсаторов и обмоток OOC.

Принцип работы предлагаемой схемы трансформатора состоит в следующем:

При отсутствии нагрузки, т.е. R_н=∞.

Поскольку обмотки OOC (L₁; L₃), включены встречно, то их влияние на рабочую обмотку (L₂) взаимно компенсируется. Они (L₁; L₃) обеспечивают параллельное подключение обоих конденсаторов (C₁, C₂) для зарядки от рабочей обмотки (L2).

При нарастании по амплитуде напряжения (тока) в рабочей обмотке (L₂) будет накапливаться энергия магнитного поля, а конденсаторы (C₁, C₂) будут заряжаться до максимального амплитудного значения напряжения - согласно полярности, указанного на фиг.1 - по цепям:

Конденсатор C₁ через диод VD1 непосредственно от +L₂ к -L₂;

Конденсатор C₂ от +L₂ через диод VD1 обмотки OOC ((L₁→L₃) к -L₂.

При уменьшении тока по амплитуде в обмотке L₂ - в классических электрических цепях запасенная энергия магнитного поля в катушке индуктивности должна расходоваться на воспрепятствование уменьшения этого тока в цепи - в рассматриваемом случае намагниченность магнитопровода будет поддерживаться за счет разрядки конденсаторов по цепям:

Конденсатор C₂ через диод VD2 непосредственно на обмотку L₂;

Конденсатор C₁ от +L₂ через обмотки L₁→L₃ дальше по схеме разрядки конденсатора C₂.

В последующем процессы будут повторяться. Следует заметить, что в течении одного периода изменения напряжения на рабочей обмотке (L₂) обмотки OOC меняются ролями. Они выполняют как бы роль маятника в механических часах, т.е. стабилизируют максимальную магнитную насыщенность в магнитопроводе. Вследствие чего, ток холостого хода в Тр будет минимальным.

При подключении активной нагрузки (R_н≠∞, см. фиг.1), магнитная насыщенность магнитопровода уменьшиться, соответственно ток в первичной обмотке возрастет. Причиной этому является смещение рабочей точки на кривой магнитной индукции в новое положение. При этом обмотки OOC (L₁, L₃), как и на холостом ходу Тр, будут выполнять ту же роль по стабилизации рабочей точки; противофазность токов в первичной и во вторичных обмотках сохраниться. Потери электрической энергии при передачи ее от первичной обмотки ко вторичной будут минимальными.

Экспериментальные исследования, которые были проведены на накальных Тр типа ТН (ТН 29÷ТН 61), имеющих по 4÷6 выходных обмоток и позволяющих в процессе эксперимента исследовать различные комбинации их соединений, показывают, что ток холостого хода такого Тр может быть уменьшен более чем в два раза и сохранить линейность в передаче энергии из первичной обмотки во вторичные от R_{n min} до R_н=∞, где R_{n min} - минимальное значение активного сопротивления нагрузки, на которое по току рассчитан трансформатор.

В процессе экспериментальных исследований также установлено, что технические характеристики трансформаторов во многом определяются материалом стали, используемого для магнитопровода. Отмеченное выше условие, что рабочая обмотка должна иметь удвоенное число витков по отношению к одной обмотке OOC не имеет принципиального значения. Важным является то, что обмотки OOC имели одинаковые технические характеристики, и напряжение на рабочей обмотке и одной обмотки OOC, включенной согласовано, должны соответствовать напряжению на нагрузке. При этом обязательно должно выполняться условие L₂≥L₁=L₃.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в военных и промышленных объектах и технике, где для решения задач электроснабжения необходимы однофазные трансформаторы. Технический результат состоит в обеспечении минимальных потерь в трансформаторе в процессе преобразования одного переменного по значению напряжения в другое и повышении к.п.д. на 10-15%. Это достигается путем использования магнитопровода со скругленными по радиусу его окна ярмами; использованием во вторичной цепи вместо одной обмотки, рассчитанной на какое-то напряжение (ток), трех обмоток, связанных определенной зависимостью по их индуктивностям; введением в схему вторичных обмоток фазосдвигающей цепочки. Магнитопровод со скругленными по радиусу его окна ярмами несмотря на удлинение средней линии повышает к.п.д. трансформатора. Введением дополнительных двух обмоток во вторичную цепь вместо одной и фазосдвигающей цепочки стабилизируется магнитная индукция в функции напряженности магнитного поля - независимо от значения нагрузки - и тем самым обеспечивается противофазность токов в первичной и вторичных обмотках. 2 ил.

Однофазный трансформатор, содержащий магнитопровод, первичную и три вторичные обмотки, одна из которых является рабочей, а две другие - обмотками отрицательной обратной связи, и фазосдвигающую цепь, состоящую из двух диодов и двух конденсаторов, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен со скругленными по радиусу его окна ярмами, на стержнях которого размещаются первичная и три вторичные обмотки (рабочая обмотка и две обмотки отрицательной обратной связи), причем обе обмотки отрицательной обратной связи выполняются одинаковыми по техническим характеристикам (по числу витков, сечению проводов и индуктивности), а рабочая обмотка должна быть выполнена из того же провода, но с равными или большим числом витков, один вывод рабочей обмотки электрически связывается со средней точкой двух последовательно соединенных конденсаторов, а ее второй вывод - со средней точкой двух встречно соединенных диодов, образующих свободными зажимами две ветви, каждая из которых электрически связывается со свободными выводами конденсаторов и одним из выводов обмоток отрицательной обратной связи, которые между собой соединены встречно, а их свободные выводы объединяются в одну точку и электрически связываются с одним выводом нагрузки, а второй вывод нагрузки соединяется со средней точкой конденсаторов.