ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ (РОСПАТЕНТ)	(19) RU (11) 2119205 (13) C1 (51) 6 H01F30/06, H01F19/00
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ к патенту Российской Федерации
Статус: по данным на 30.11.2005 - действует
(14) Дата публикации: 1998.09.20 (21) Регистрационный номер заявки: 97101702/09 (22) Дата подачи заявки: 1997.02.05 (46) Дата публикации формулы изобретения: 1998.09.20 (56) Аналоги изобретения: Сергеенков Б.Н., Киселев В.М., Акимова Н.А. Электрические машины, Трансформаторы. - М.: Высшая школа, 1989, с. 19; SU, авторское свидетельство, 1125664, кл. H 01 F 19/08, 1984.	(71) Имя заявителя: Марков Геннадий Александрович (72) Имя изобретателя: Марков Геннадий Александрович (73) Имя патентообладателя: Марков Геннадий Александрович

(54) 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.

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 /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 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.

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 i_o, 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 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 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.

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.

РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4