Трансформатор патент

Содержание:

трансформатор (варианты)

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.

Рисунки к патенту РФ 2119205

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 = i. Обусловленная током i магнитодвижущая сила первичной обмотки iw₁ создает в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток Ф, который будет сцеплен почти полностью со всеми витками первичной и вторичной обмоток.

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 i. Обусловленная током iт магнитодвижущая сила одной секции обмотки iW₁ создает в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток Ф₁, аналогично и во второй секции обмотки возникает магнитодвижущая сила iw₂, которая равна МДС первой секции iw₂, 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 /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 i 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 R_н 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);
R_н - 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 R_н.

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 R_н.

Трансформатор работает следующим образом.

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 i_o, который вызывает появление в каждой секции магнитодвижущей силы МДС, равной iw. Вследствие того, что число витков в каждой секции обмотки одинаково, МДС обеих секций будет одинакова и равна iw, 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 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).

Читайте так же: Калькулятор расчета ущерба при дтп по осаго

II. Рабочий ход (с подключением нагрузки). Сопротивление нагрузки R_н 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.

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.

трансформатор (варианты)

Изобретение предназначено для использования в основном электротехническом оборудовании электростанций, линий электропередач и других устройствах. Трансформатор по I варианту содержит магнитопровод, две обмотки, имеющие вводы для источника питания и выводы для нагрузки. Первичная обмотка состоит из двух секций, намотанных на два стержня одного магнитопровода в одном направлении с одинаковым числом витков. Обе секции первичной обмотки соединены между собой противоположными концами - начало первой секции с концом второй секции, конец первой секции с началом второй секции. Места их соединения служат вводами для источника питания. Отличие трансформатора по II варианту состоит в том, что две секции первичной обмотки намотаны в противоположном друг другу направлении и соединены между собой одноименными концами - началами и концами обмоток секций. Вторичную обмотку наматывают на первичную вокруг обеих секций первичной обмотки с охватом обоих стержней магнитопровода. Техническим результатом является упрощение конструкции трансформатора. 2 с.п.ф-лы, 3 ил, 2 табл.

Рисунки к патенту РФ 2129315

Трансформаторы - электромагнитные статические преобразователи электрической энергии, имеющие два 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. (Б.Н.Сергеенков, В.М.Киселев, Н.А.Акимова. Электрические машины. Трансформаторы. Изд. "Высшая школа", Москва, 1989 г. С. 19).

Наиболее близким трансформатором - прототипом является импульсный наносекундный трансформатор (А.с. СССР 1125664, МПК 3 H 01 F 19/08, оп. БИ N 43, 1984 г.). 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 необходимо (заданного) напряжения на выходе;
- сложность конструкции трансформаторов при использовании трансформатора при расчетах количества витков вторичной обмотки для получения заданного напряжения на выходе;
- сложность конструкций трансформаторов при использовании всевозможных дополнительных деталей, изоляций и т.д. для снижения указанных недостатков.

Задачей изобретения было упрощение конструкции существующих трансформаторов, расширение числа модификаций трансформаторов.

Поставленная задача решается созданием трансформатора, содержащего магнитопровод, две обмотки, вводы для источника питания, выводы для нагрузки, при этом первичная обмотка состоит из двух секций, намотанных на два стержня одного магнитопровода в одном направлении с одинаковым числом витков, обе секции первичной обмотки соединены между собой в последовательную цепь концом обмотки первой секции и началом обмотки второй секции, а начало обмотки первой секции и конец обмотки второй секции служат вводами для источника питания, вторичная обмотка намотана вокруг обоих стержней магнитопровода с охватом обеих секций первичной обмотки.

Такого же технического результата удается достичь созданием трансформатора, содержащего магнитопровод, две обмотки, вводы для источника питания, выводы нагрузки, при этом первичная обмотка состоит из двух секций, намотанных на два стержня одного магнитопровода в противоположном друг другу направлении с одинаковым числом витков, при этом обе секции концами обмоток соединены между собой в последовательную цепь, а начала обмоток секций служат вводами для источника питания, вторичная обмотка намотана вокруг обоих стержней магнитопровода с охватом обеих секций первичной обмотки.

Отличие предлагаемого трансформатора заключается в следующем:
1) первичная обмотка состоит из двух секций, намотанных на два стержня одного магнитопровода, каждая секция на свой стержень;
2) обе секции первичной обмотки намотаны в одном направлении с одинаковым числом витков;
3) обе секции соединены между собой в последовательную цепь концом обмотки первой секции и началом обмотки второй секции;
4) начало обмотки первой секции и конец обмотки второй секции служат вводами для источника питания;
5) вторичная обмотка намотана поверх секций первичной обмотки и охватывает оба стержня магнитопровода.

Отличием предлагаемого варианта трансформатора заключается также в намотке и соединении между собой секций первичной обмотки, а именно:
1) обе секции первичной обмотки намотаны на два стержня одного магнитопровода, каждая секция на свой стержень;
2) секции первичной обмотки намотаны в противоположном друг другу направлении с одинаковым числом витков;
3) обе секции концами обмоток соединены между собой в последовательную цепь;
4) начала обмоток секций служат вводами для источника питания;
5) вторичная обмотка намотана поверх секций обмотки и охватывает оба стержня магнитопровода.

Читайте так же: Договор дарения доли квартиры реестр

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=i. Обусловленная током i магнитодвижущая сила первичной обмотки iw₁ 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).

Если две секции первичной обмотки предлагаемого трансформатора подключить к сети переменного тока с напряженнием U₁, то по ним потечет ток i. Обусловленная током i магнитодвижущая сила одной секции обмотки iw₁ создает в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток Ф₁, аналогично и во второй секции обмотки возникает магнитодвижущая сила iw₂, которая равна МДС первой секции iw₁. Поэтому возникающий во второй секции первичной обмотки переменный магнитный поток Ф₂ будет компенсировать магнитный поток в первой секции Ф₁. Однако вследствие наведения МДС изменяется магнитная проницаемость магнитопровода. При спаде тока в полупериодах в магнитопроводе происходит восстановление магнитной проницаемости и, как следствие, в первичной и вторичной обмотках наводится электродвижущая сила (ЭДС), при этом за время полупериода тока в первичной обмотке напряжение во вторичной проходит полный период. При наведении ЭДС в первичной обмотке ток i равен нулю, так как обе секции первичной обмотки намотаны в одном направлении с одинаковым числом витков, но концом обмотки первой секции и началом обмотки второй секции соединены между собой в последовательную цепь, а противоположными концами подключены к источнику питания. Поэтому, как уже указывалось выше, магнитный поток одной секции Ф₁ будет компенсировать магнитный поток второй секции Ф₂.

В случае, когда обе обмотки намотаны в противоположном друг другу направлении, а одноименными концами, и именно концами обмоток, соединены между собой в последовательную цепь, а началами обмоток подключаются к источнику питания, достигается тот же самый технический результат, а именно в первичной обмотке ток i будет равен нулю.

При подключении нагрузки R_н ко вторичной обмотке форма напряжения не меняется и будет такой же, как и в первичной обмотке, но происходит повышение напряжения в соответствии с увеличением количества витков во вторичной обмотке по сравнению с количеством витков в первичной обмотке. Кроме того, так как вторичная обмотка охватывает обе секции первичной обмотки, это приводит к увеличению напряженности поля в проводнике обмотки и, как следствие, увеличению ЭДС на один виток. Коэффициент трансформации для каждого типа трансформатора определяется экспериментально.

Промышленная применимость предлагаемого трансформатора доказывается следующим образом. На фиг. 1 и 2 изображены электрические схемы трансформатора по варианту 1 и варианту 2 соответственно, 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 различия и в соответствии с принятыми в технике понятиями нами были приняты следующие обозначения для секций первичной обмотки:
a₁ - начало обмотки первой секции;
x₁ - конец обмотки первой секции;
a₂ - начало обмотки второй секции;
x₂ - конец обмотки второй секции.

На фиг. 1 и 2 изображены:
1 - магнитопровод;
2 - первая секция первичной обмотки;
3 - вторая секция первичной обмотки;
4 - вторичная обмотка;
a₁ и x₁ - концы (начало и конец обмотки) первой секции первичной обмотки;
a₂ и x₂ - концы (начало и конец) второй секции первичной обмотки;
A и X - начало и конец фазы вторичной обмотки (ввод и вывод);
R_н - сопротивление нагрузки, подключенной ко вторичной обмотке.

На один стержень магнитопровода 1 наматывается первая секция 2 первичной обмотки, на второй стержень магнитопровода 1 наматывается вторая секция 3 первичной обмотки, причем обе секции наматываются в одном направлении и имеют одинаковое количество витков. Конец обмотки первой секции x₁ и начало обмотки второй секции a₂ соединяются между собой в последовательную цепь, другие концы секций - начало обмотки первой секции a₁ и конец обмотки второй секции x₂ служат индивидуальными вводами для источника питания.

Вторичная обмотка 4 наматывается на секции 2 и 3 первичной обмотки вокруг обоих стержней магнитопровода, охватывая первичную обмотку.

В случае варианта исполнения трансформатора на один стержень магнитопровода 1 наматывается первая секция 2 первичной обмотки, на второй стержень наматывается вторая секция 3 первичной обмотки, причем обе секции наматываются в противоположном друг другу направлении и имеют одинаковое число витков. Концы обмоток обеих секций x₁ и x₂ соединяются между собой в последовательную цепь, а начала обмоток секций a₁ и a₂ служат индивидуальными вводами для источника питания.

Вторичная обмотка 4 наматывается на секции 2 и 3 первичной обмотки вокруг обоих стержней магнитопровода, охватывая первичную обмотку. К концам вторичной обмотки A и X подключается сопротивление нагрузки R_н.

Трансформатор работает следующим образом.

1. Холостой ход (без подключения нагрузки). Конец обмотки первой секции 2 x₁ и начало обмотки второй секции 3 a₂ соединяются между собой в последовательную цепь, а начало обмотки первой секции 2 a₁ и конец обмотки второй секции 3 x₂ индивидуально подключаются к источнику питания U. При подключении к источнику питания через обе секции первичной обмотки потечет ток i, который вызывает появление в каждой секции магнитодвижущей силы МДС, равной iw. Вследствие того, что число витков в каждой секции обмотки одинаково, МДС обеих секций будет одинакова и равна iw, 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 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) (фиг. 3). Поскольку первичная обмотка для МДС остается незамкнутой, 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 может превышать в 10-100 раз 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 напряжение проходит полный период (фиг. 3), в результате напряжение на выходе трансформатора повышается.

2. Рабочий ход (с подключением нагрузки). Сопротивление нагрузки R_н подключается к концам вторичной обмотки 4. При прохождении тока через первичную обмотку, как описано выше, во вторичной обмотке возникает наведенная ЭДС (фиг. 3), при этом форма напряжения не меняется, а происходит возрастание напряжения на каждый виток на выходе трансформатора относительно первичной обмотки во столько раз, во сколько раз напряженность электрического поля выше, чем в первичной обмотке.

Вариант II. Холостой ход (без нагрузки). Концы обмоток секций 2 и 3 x₁ и x₂ соединяются между собой в последовательную цепь, а начала обмоток секций a₁ и a₂ индивидуально подключаются к источнику питания U. Так как секции намотаны в разных направлениях с одинаковым числом витков, но соединены в разных направлениях с одинаковым числом витков, но соединены между собой одноименными концами, то при подключении к источнику питания происходит тот же самый процесс, что и в трансформаторе по варианту I, поэтому достигаемый технический результат будет аналогичен трансформатору по варианту I.

Преимущества предлагаемого трансформатора по сравнению с классическим трансформатором (прототипом):
1) уменьшается количество витков во вторичной обмотке в 10 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 3-х лет, создавая повышение напряжения в десятки раз на частотах 0,010 - 40 МГц.

Пример 1. В качестве магнитопровода был использован кольцевой магнитопровод, выполненный из листовой стали и рассчитанный на мощность 2,5 кВт. На стержни магнитопровода были намотаны две секции первичной обмотки, причем обе секции намотаны в одном направлении, но соединены между собой противоположными концами - концом обмотки первой секции и началом обмотки второй секции, а другими концами подключены к источнику питания. На первичную обмотку была намотана вторичная обмотка (направление намотки не влияет на работу трансформатора). Коэффициент трансформации был определен экспериментально для трансформатора с магнитопроводом из листовой стали и составляет 8 при отношении W_втор./W_перв. равным 1. Общее количество витков первичной обмотки 120, количество витков вторичной обмотки 120, сечение наматываемых проводов одинаковое в первичной и вторичной обмотках и составляет 0,002 см 2 . К концам вторичной обмотки подключена нагрузка. Измерение напряжения проводится на вводе первичной обмотки и выводе вторичной, т.е. на нагрузке. Результаты приведены в таблице 1.

Пример 2. В качестве магнитопровода был использован ферритовый магнитопровод П-образной формы. На стержни магнитопровода были намотаны две секции первичной обмотки, а на первичную была намотана вторичная обмотка. Общее количество витков первичной обмотки составляет 112, количество витков вторичной обмотки - 120. Причем обе секции первичной обмотки были намотаны в противоположные друг другу стороны и концами обмоток секции были соединены в последовательную цепь, а началами обмоток включены в сеть. Коэффициент трансформации для данного трансформатора составляет 10. К концам вторичной обмотки была подключена нагрузка. Измерение напряжения проводится как в примере 1, на вводе первичной обмотки и выводе вторичной, т.е. на нагрузке. Результаты измерений приведены в таблице 2.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Трансформатор, содержащий магнитопровод, две обмотки, вводы для источника питания, выводы для нагрузки, отличающийся тем, что первичная обмотка состоит из двух секций, намотанных на два стержня одного магнитопровода в одном направлении с одинаковым числом витков, при этом обе секции первичной обмотки соединены между собой в последовательную цепь концом обмотки первой секции и началом обмотки другой секции, а начало обмотки первой секции и конец обмотки второй секции служат вводами для источника питания, вторичная обмотка намотана вокруг обоих стержней магнитопровода с охватом обеих секций первичной обмотки.

Читайте так же: Типовой договор на ипотечное кредитование

2. Трансформатор, содержащий магнитопровод, две обмотки, вводы для источника питания, выводы для нагрузки, отличающийся тем, что первичная обмотка состоит из двух секций, намотанных на два стержня одного магнитопровода в противоположном друг другу направлении с одинаковым числом витков, при этом обе секции концами обмоток соединены между собой в последовательную цепь, а начала обмоток секций служат вводами для источника питания, вторичная обмотка намотана вокруг обоих стержней магнитопровода с охватом обеих секций первичной обмотки.

Изобретение предназначено для использования в качестве основного электротехнического оборудования электростанций, подстанций, линий электропередачи и других электроустройств. Трансформатор состоит из магнитопровода 1, двух обмоток 2 и 3, которые намотаны в одном направлении с одинаковым числом витков на один магнитопровод, между собой обмотки соединены выводами в последовательную цепь. Вводами они подключены к источнику питания. Параллельно к каждой обмотке подключена нагрузка. При подключении к источнику питания через обмотки 2 и 3 потечет ток i, который вызывает появление в каждой обмотке магнитодвижущей силы iW. Вследствие равенства числа витков обмоток 2 и 3 их магнитодвижующие силы одинаковы. А вследствие соединения между собой выводов обмоток 2 и 3 в последовательную цепь их магнитодвижующие силы будут компенсировать друг друга. При этом изменяется магнитная проницаемость магнитопровода. При спаде тока в полупериодах восстанавливается магнитная проницаемость сердечника. И, как следствие, в обмотках 2 и 3 между точкой соединения их и выводами наводится ЭДС, за счет чего напряжение на выходе повышается в 10 - 20 раз. 1 ил.

Рисунки к патенту РФ 2119204

Изобретение относится к электротехнике и касается основного электротехнического оборудования электростанций, подстанций, линий электропередачи и других устройств.

Известны трансформаторы - электромагнитные статические преобразователи электрической энергии, имеющие две и более индуктивно связанных первичных и вторичных обмоток. Они служат для создания магнитного поля, посредством которого осуществляется передача электрической энергии от первичной обмотки к вторичной. Магнитопровод служит для усиления магнитной связи между обмотками (Сергеенков Б.Н., Киселев В.М., Акимова Н.А. Электрические машины. Трансформаторы. - М.: Высшая школа, 1989, с. 350).

Наиболее близким к изобретению по технической и максимальному количеству сходных признаков является трансформатор, содержащий магнитопровод, две обмотки, ервичную и вторичную, с одинаковым числом витков на один магнитопровод, соединенные между собой в последовательную цепь и подключенные выводами к источнику питания.

В известном трансформаторе вторичная обмотка по существу является обмоткой подмагничивания и работает в режиме автотрансформатора. Гальваническая связь с первичной обмоткой осуществляется через общую шину. Увеличение КПД трансформатора происходит вследствие согласования по емкостным связям между обмотками (а.с. СССР N 1125664, кл. H 01 F 19/08, 1984).

Известный трансформатор не лишен недостатков обычных трансформаторов:
- многовитковые вторичные обмотки, которые работают в узком диапазоне частот 50 - 400 Гц, большое сопротивление обмоток, то есть 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.

Задачей изобретения было повышение напряжения на вторичной обмотке без увеличения числа витков, расширение частотного диапазона работы трансформатора, упрощение и облегчение конструкции.

Поставленная задача решается созданием трансформатора, содержащего магнитопровод, две обмотки, вводы и выводы обмоток, при этом обе обмотки намотаны в одном направлении с одинаковым числом витков на один сердечник магнитопровода, между собой обмотки соединены выводами в последовательную цепь, вводами подключены к источнику питания и параллельно к каждой обмотке подключена нагрузка.

Отличие предлагаемого изобретения заключается в следующем:
1) обе обмотки намотаны на один сердечник магнитопровода в одном направлении и имеют одинаковое число витков в отличие от классического трансформатора, где вторичная обмотка всегда является многовитковой (в повышающем трансформаторе);
2) выводами обе обмотки соединены между собой в последовательную цепь, в то время как в классическом трансформаторе обмотки между собой электрически не соединяются (за исключением автотрансформатора, но там наматывается лишь одна обмотка);
3) вводы обеих обмоток подключены к источнику питания - в классическом трансформаторе к источнику питания подключается только первичная обмотка;
4) параллельно к каждой обмотке подключена нагрузка, в то время как в классическом трансформаторе нагрузка подключена к выводу вторичной обмотки.

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= i. Обусловленная током i магнитодвижущая сила первичной обмотки iw₁ создает в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток , 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 . Однако в действительности заметного изменения магнитного потока не происходит, так как одновременно с появлением тока во вторичной обмотке в первичной обмотке также возникает ток, который компенсирует размагничивающее действие тока i₂ и поддерживает магнитный поток постоянным ( = 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.

Токи i₁ и i₂ создают первичную и вторичную МДС F₁ = i₁w₁ и F₂ = i₂w₂, совместным действие которых создается магнитное поле трансформатора.

Если обе обмотки предлагаемого трансформатора подключить к сети переменного тока с напряжением U₁, то по обмоткам потечет ток i. Обусловленная током i магнитодвижущая сила первой обмотки iw₁ создает в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток ₁, аналогично и во второй обмотке возникает магнитодвижущая сила iw₂, которая равна МДС первой обмотки iw₁, поэтому возникающий во второй обмотке переменный магнитный поток ₂ будет компенсировать магнитный поток первой обмотки ₁. Когда первая и вторая обмотки электрически соединяются между собой и подключаются к сопротивлению нагрузки и то при прохождении электрического тока через обмотки он увеличивается пропорционально R нагрузки, что приводит к увеличению МДС, а, следовательно происходит повышение U трансформатора на выходе.

Промышленная применимость предлагаемого трансформатора доказывается следующим.

На фиг. 1 изображена электрическая схема трансформатора, где 1 - магнитопровод; 2 - первая обмотка; 3 - вторая обмотка; a и A - вводы (начало) первой и второй обмоток; x и X - выводы (конец) первой и второй обмоток; сопротивление нагрузки, подключенной к первой обмотке; сопротивление нагрузки, подключенной к второй обмотке.

На магнитопровод 1 наматываются обе обмотки - первая 2 и вторая 3 в одном направлении и имеют одинаковое число витков, причем обмотка 3 наматывается на обмотку 2. Выводы обмоток x и X соединяются между собой в последовательную цепь, вводы обмоток a и A подключаются индивидуально к источнику питания. Параллельно к каждой обмотке подключается сопротивление нагрузки на пути тока от источника питания к первой обмотке и к общему выводу обмоток соответственно ко второй обмотке.

Название обмоток не соответствуют понятиям обычного трансформатора - первичная и вторичная, т.к. в известном трансформаторе - только первичная обмотка подключается к источнику питания, а вторичная обмотка - к сопротивлению нагрузки.

В предлагаемом трансформаторе обе обмотки подключаются к источнику питания самостоятельно, и к обеим обмоткам подключается сопротивление нагрузки, поэтому мы называем обмотки первая и вторая, чтобы как-либо различить их.

Трансформатор работает следующим образом.

I. Холостой ход (без подключения нагрузки). Вводы обмоток a и A подключаются индивидуально к источнику питания U. Выводы x и X соединяются между собой в последовательную цепь. При подключении к источнику питания через обмотки 2 и 3 течет ток i, который вызывает появление в каждой обмотке магнитодвижущей силы МДС, равной iw. Вследствие того, что число витков каждой обмотки одинаково, МДС обеих обмоток 2 и 3 будет одинакова и равна iw, а вследствие соединения между собой выводов обмоток 2 и 3 в последовательную цепь, МДС каждой из обмоток будут компенсировать друг друга. Вследствие наведения МДС изменяется магнитная проницаемость сердечника магнитопровода 1. При спаде тока в полупериодах в обмотках происходит восстановление магнитной проницаемости и, как следствие, в обеих обмотках между точкой соединения обмоток и их вводами наводится электродвижущая сила (ЭДС), за счет чего напряжение трансформатора на выходе повышается в 10 - 20 раз при наличии фактически одной - первичной - обмотки.

II. Рабочий ход (с подключением нагрузок). Сопротивление нагрузки подключается на пути тока i от источника питания к первой обмотке 2 и общему соединению выводов, сопротивление нагрузки соответственно подключается ко второй обмотке 3. Ток i от источника питания пропускают через образовавшийся замкнутый контур - ввод - обмотка - соединение выводов - сопротивление нагрузки - ввод, при этом первичный ток i увеличивается в каждом контуре пропорционально R_н нагрузки, что приводит к изменению ЭДС в контуре - увеличению ЭДС. При малом сопротивлении нагрузки (равном сопротивлению обмотки) напряжение U будет равно падению напряжения на обмотке. При стремлении сопротивления нагрузки к сопротивлению обмотки вторичное напряжение U будет пропорционально понижаться.

В результате ЭДС на выходе трансформатора повышается, происходит повышение напряжения на выходе в десятки раз при наличии фактически одной (первичной) обмотки.

Преимущества предлагаемого трансформатора будут заключаться в следующем:
1) Фактически отсутствует вторичная обмотка, которая в классическом трансформаторе имеет кратное количество витков во столько раз, во сколько нужно повысить напряжение. В предлагаемом трансформаторе высокое напряжение появляется на первой обмотке, имеющей низкое сопротивление. Вследствие этого происходит уменьшение габаритов трансформаторов.

2) Обычный трансформатор работает при низких частотах подаваемого тока, невозможность его работы на высоких частотах связана со сложностью конструкции из-за потерь в сердечнике и его нагрева. Предлагаемый трансформатор работает на любых частотах, вплоть до 100 мГц и выше. Вследствие отсутствия индуктивности при любом качестве магнитопровода можно поднимать рабочую частоту трансформатора.

3) На единицу веса трансформатора можно увеличить передаваемую мощность при фиксированной частоте.

Предлагаемый трансформатор изготовлен и работает в течение 3-х лет, создавая повышение напряжения в десятки раз на частотах 10 - 40 мГц.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Трансформатор, содержащий магнитопровод, две обмотки, вводы и выводы обмоток, отличающийся тем, что обе обмотки намотаны в одном направлении с одинаковым числом витков на один магнитопровод и соединены между собой выводами в последовательную цепь, вводами подключены к источнику питания и параллельно к каждой обмотке подключена нагрузка.