ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ (РОСПАТЕНТ)	(19) RU (11) 2129315 (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: 1999.04.20 (21) Регистрационный номер заявки: 97105706/09 (22) Дата подачи заявки: 1997.04.10 (46) Дата публикации формулы изобретения: 1999.04.20 (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 (98) Адрес для переписки: 630090, Новосибирск, пр.академика Лаврентьева, 3, ИНХ СО РАН

(54) 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.

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 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).

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 (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.

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 напряженнием U₁, то по ним потечет ток i₀. Обусловленная током i₀ 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 i₀w₁. 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.

Вариант I.

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 i₀, 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) (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.

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 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 см². 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.

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.

РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5