Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ТРАНСФОРМАТОР (ВАРИАНТЫ)
ТРАНСФОРМАТОР (ВАРИАНТЫ)

ТРАНСФОРМАТОР (ВАРИАНТЫ)

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение предназначено для использования в основном электротехническом оборудовании электростанций, подстанций, линий электропередачи и других электроустройств. Трансформатор состоит из магнитопровода 1, первичной и вторичной 4 обмоток. К концам вторичной обмотки 4 подсоединена нагрузка. Первичная обмотка состоит из двух секций 2 и 3, намотанных в одном направлении с одинаковым числом витков на один стержень магнитопровода. Одними концами x1 и x2 обе секции 2 и 3 соединены в последовательную цепь. Началами а1 и а2 обмотки подключены к источнику питания. Вторичная обмотка 4 намотана на первичную обмотку на тот же самый стержень магнитопровода 1. Второй вариант трансформатора заключается в том, что первичная обмотка состоит из двух секций 2 и 3, намотанных в противоположном друг другу направлении с одинаковым числом витков на один стержень магнитопровода. Конец х1 одной секции соединен с началом х2 второй секции в последовательную цепь. Противоположными концами обе секции первичной обмотки индивидуально подключены к источнику питания. В результате вторичная обмотка может иметь число витков, меньшее по сравнению с первичной обмоткой, а напряжение - в десятки раз большее, чем напряжение сети. 2 с.п.ф-лы, 2 табл., 3 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2119205
Класс(ы) патента: H01F30/06, H01F19/00
Номер заявки: 97101702/09
Дата подачи заявки: 05.02.1997
Дата публикации: 20.09.1998
Заявитель(и): Марков Геннадий Александрович
Автор(ы): Марков Геннадий Александрович
Патентообладатель(и): Марков Геннадий Александрович
Описание изобретения: 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 изменения напряжения переменного тока. Принцип действия трансформатора базируется на явлении электромагнитной индукции, открытом М. Фарадеем в 1831 г. (Сергеенков Б.Н., В.М. Киселев В.М., Акимова Н.А. Электрические машины. Трансформаторы. - М.: Высшая школа, 1989, 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 (авт. св. СССР 1125664, кл. 3 H 01 F 19/08, БИ N43, 1984). 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 необходимого (заданного) напряжения на выходе;
- сложность конструкций трансформаторов при использовании всевозможных дополнительных деталей, изоляций и т.д. для снижения указанных недостатков.
Задача изобретения - сокращение числа витков во вторичной обмотке и возможность наматывать вторичную обмотку толстым проводом с сечением, равным сечению первичной обмотки.
Поставленная задача решается созданием трансформатора, содержащего магнитопровод, первичную обмотку, вторичную обмотку, к концам которой подсоединена нагрузка, при этом первичная обмотка состоит из двух секций, намотанных в одном направлении с одинаковым числом винтов на один стержень магнитопровода и концами обмотки обе секции соединены между собой в последовательную цепь, началом обмотки секции подключены к источнику питания, вторичная обмотка намотана на первичную.
Указанный технический результат достигается также созданием трансформатора, содержащего магнитопровод, первичную обмотку и вторичную обмотку, к выводам которой подсоединена нагрузка, при этом первичная обмотка состоит из двух секций, намотанных в противоположном друг другу направлении с одинаковым числом витков на один стержень магнитопровода, соединенных между собой в последовательную цепь концом обмотки первой секции и началом обмотки второй секции, а началом обмотки первой секции и концом обмотки второй секции подключены к источнику питания, вторичная обмотка намотана на первичную обмотку.
Отличие предлагаемого трансформатора заключается в следующем:
1) первичная обмотка состоит из двух секций, намотанных на один стержень магнитопровода;
2) обе секции первичной обмотки намотаны в одном направлении с одинаковым числом витков;
3) концами обмотки обе секции соединены между собой в последовательную цепь, а началом обмотки секции подключены к источнику питания;
Отличие предлагаемого трансформатора (варианта) заключается в намотке и соединения между собой секций первичной обмотки, а именно секции намотаны в противоположном друг другу направлении с одинаковым числом витков на один стержень магнитопровода и между собой соединены в последовательную цепь концом обмотки первой секции и началом обмотки второй секции, а противоположными концами подключены к источнику питания.
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 i0т 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 i0w2, 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 сети в полупериодах, в магнитопроводе происходит восстановление магнитной проницаемости и, как следствие, в первичной и вторичной обмотках наводится электродвижущая сила (ЭДС), при этом на время полупериода тока в первичной обмотке, напряжение и ток совпадают по форме, но со сдвигом по фазе от 0 до π/4.
В случае, когда обе обмотки намотаны в противоположном друг другу направлении с одинаковым числом витков, но соединены между собой в последовательную цепь противоположными концами - выводом первой и вводом второй секции, ток в первичной обмотке i0 будет также создавать МДС при магнитном потоке Ф1 - Ф2 = 0, т.е. удается достигнуть тот же технический результат, что и в случае намотки обеих секций в одном направлении. При подключении нагрузки Rн 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.
Промышленная применимость предлагаемого трансформатора доказывается следующим образом.
На фиг. 1 изображена электрическая схема трансформатора по варианту 1; на фиг. 2 - 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 различения и в соответствии с принятыми в технике понятиями были приняты следующие обозначения для секций первичной обмотки:
a1 - начало обмотки и начало фазы первой секции (ввод);
x1 - конец обмотки и конец фазы первой секции (вывод);
a2 - конец обмотки и начало фазы второй секции (ввод);
x2 - начало обмотки и конец фазы второй секции (вывод).
На фиг. 1 и 2 изображены:
1 - магнитопровод;
2 - первая секция первичной обмотки;
3 - вторая секция первичной обмотки;
4 - вторичная обмотка;
a1 и x1 -начало и конец обмотки первой секции;
a2 и x2 - конец и начало обмотки второй секции, при этом начало секции соответствует началу намотки секции на стержень магнитопровода, а конец обмотки секции соответствует окончанию намотки;
A и X - начало и конец фазы вторичной обмотки (ввод и вывод);
Rн - сопротивление нагрузки, подключенной к вторичной обмотке.
На стержень магнитопровода 1 наматывается первичная обмотка из двух секций 2 и 3, причем обе секции обмотки наматываются в одном направлении и имеют одинаковое число витков, при этом вторая секция 3 наматывается на первую 2. Концы обмотки секций x1 и x2 соединяются между собой в последовательную цепь, начало обмотки a1 и a2 подключаются индивидуально к источнику питания.
Вторичная обмотка 4 наматывается третьим слоем на первичную обмотку 2 и 3. К концам вторичной обмотки A и X подключается сопротивление нагрузки Rн.
В случае варианта исполнения трансформатора на стержень магнитопровода 1 наматывается первичная обмотка из двух секций 2 и 3, причем обе секции наматываются в противоположном друг другу направлении и имеют одинаковое число витков, при этом вторая секция 3 наматывается на первую 2. Конец обмотки первой секции x1 и начало обмотки второй секции x2 соединяются между собой в последовательную цепь, другие концы секций a1 и a2 подключаются к источнику питания.
Вторичная обмотка 4 наматывается на первичную обмотку 2 и 3. К концам вторичной обмотки A и X подключается сопротивление нагрузки Rн.
Трансформатор работает следующим образом.
Вариант 1.
1. Холостой ход (без подключения нагрузки). Концы (вводы) двух секций 2 и 3 первичной обмотки a1 и a2 подключаются индивидуально к источнику питания U. Другие концы (выводы) секций 2 и 3 первичной обмотки x1 и x2 соединяются между собой в последовательную цепь. При подключении к источнику питания через обе секции первичной обмотки потечет ток io, 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 обеих секциях обмотки между точкой их соединения и вводами наводится электродвижущая сила (ЭДС) (кривая 1 на 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 проводника обмотки может превышать в 10-100 раз электрическую 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 по форме повторяет напряжение и ток первичной обмотки (кривая 2 на фиг. 3).
II. Рабочий ход (с подключением нагрузки). Сопротивление нагрузки Rн подключается к концам вторичной обмотки 4. При прохождении тока через первичную обмотку, как описано выше, во вторичной обмотке возникает наведение ЭДС (кривая 3 на фиг. 3), при этом форма напряжения не меняется, и 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 2.
Холостой ход (без нагрузки). Начало обмотки a1 первой секции 2 и конец обмотки a2 второй секции 3 подключаются индивидуально к источнику питания U. Другие концы секций x1 x2 соединяются между собой. Так как секции намотаны в противоположном друг другу направлении с одинаковым числом витков, но соединены между собой противоположными концами, то при подключении к источнику питания происходит тот же самый процесс, что и в трансформаторе по варианту 1, поэтому достигаемый технический результат будет аналогичен трансформатору по варианту 1.
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 пяти 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 кольцевой магнитопровод, выполненный из листовой стали и рассчитанный на мощность 2,5 кВт. На стержень магнитопровода были намотаны две секции первичной обмотки, причем обе секции намотаны в одном направлении и одними концами соединены в последовательную цепь, другие выводы для включения в сеть. На первичную обмотку была намотана вторичная обмотка (направление намотки не влияет на работу трансформатора).
Количество витков первичной обмотки по 125 в каждой секции, количество витков вторичной обмотки также по 125, диаметр наматываемых проводов одинаковый в первичной и вторичной обмотках и составляет 1,2 мм. К концам вторичной обмотки подключена нагрузка. Измерение напряжения проводится на входе первичной обмотки и выходе вторичной, т.е. на нагрузке. График а) фиг. 3.
Пример 2. В качестве магнитопровода были использованы ферритовые кольца М600НН-8 К100х60х15. На собранный из четырех колец стержень магнитопровода были намотаны две секции первичной обмотки, а на первичную была намотана вторичная обмотка. Причем обе секции первичной обмотки были намотаны в противоположном друг другу направлении, при этом выводом первой секции и вводом второй они были соединены в последовательную цепь, а противоположными концами включены в сеть. К концам вторичной обмотки была подключена нагрузка. Измерение напряжения, как и в первом примере, проводится на входе первичной обмотки и выходе вторичной, т.е. на нагрузке. График б) фиг. 3 показывает, что при выполнении магнитопровода из ферромагнитного материала меняется форма напряжения во вторичной обмотке.
Формула изобретения: 1. Трансформатор, содержащий магнитопровод, первичную обмотку и вторичную обмотку, к выводам которой подсоединена нагрузка, отличающийся тем, что первичная обмотка состоит из двух секций, намотанных в одном направлении с одинаковым числом витков на один стержень магнитопровода, концами обмотки секции соединены между собой в последовательную цепь, началом обмотки секции подключены к источнику питания.
2. Трансформатор, содержащий магнитопровод, первичную обмотку и вторичную обмотку, к выводам которой подсоединена нагрузка, отличающийся тем, что первичная обмотка состоит из двух секций, намотанных в противоположном друг другу направлении с одинаковым числом витков на один стержень магнитопровода, соединенных между собой в последовательную цепь концом обмотки первой и началом обмотки второй секции, а началом обмотки первой секции и концом обмотки второй секции подключены к источнику питания.