Лінійний трансформатор, банк патентів
Корисна модель відноситься до області трансформаторобудування і може бути використана у військових і промислових об'єктах техніки, де для вирішення завдань електропостачання необхідні трансформатори. Завданням моделі є отримання мінімальних втрат енергії в трансформаторі і забезпечення постійного коефіцієнта трансформації в діапазоні розрахункової потужності. Це досягається шляхом створення симетричною мостової схеми, плечі якої складаються з двох пар ємностей і двох пар индуктивностей, і включенням навантаження в діагональ моста. Проведення дослідження на трансформаторах типу ТН56-220-50; ТН61-220-50; ТАН 104-127 / 220-50 і т.д. повністю підтверджують справедливість висновків, наведених в описі.
Корисна модель відноситься до області трансформаторобудування, і може бути використано в різних електротехнічних системах, в основі яких в якості перетворювачів однієї системи змінного струму (напруги) в іншу застосовуються трансформатори.
Трансформатор (Тр), винайдений нашим співвітчизником П. Н. Яблочкова (в 1877 році), набув найширшого застосування в світовій практиці. Вважається, що його технічні властивості добре вивчені, він відрізняється досить «високій» надійністю, має високий к.к.д. (Більше 0,9) і тому не може бути підданий якомусь подальшому вдосконаленню.
Однак досвід експлуатації трансформаторів навіть в лабораторних умовах показує, що часто вони виходять з ладу, «здавалося б» не маючи для цього причин. Особливо це стосується підвищують і високочастотних трансформаторів. Це - по-перше, по-друге, коефіцієнт трансформації ТР при зміні навантаження змінюється в значних межах.
Трансформатор по суті своєї роботи перетворює енергію магнітного поля, обумовлену змінним струмом, що протікає в первинній обмотці, в електричну енергію у вторинній обмотці. Остання виступає в ролі джерела ЕРС для подальшого навантаження.
При розгляді принципу роботи Тр завжди передбачається, що струм у вторинній обмотці знаходиться в протифазі по відношенню до струму в первинній обмотці. Внаслідок чого намагнічуючі сили віднімаються, і таким чином відбувається відбір потужності з первинної у вторинну обмотку. Однак, такий висновок справедливо тільки для індуктивного навантаження. Більшість же трансформаторів працюють на активне навантаження, в зв'язку з чим виникає кут неузгодженості між протифазні значеннями зазначених струмів. Причому активне навантаження вводить у вторинну обмотку ефект форсування, тобто кут зсуву між струмами виявляється не равньм 180 °, а дорівнює 90 ° + α. Цей кут α. в залежності від параметрів Тр і навантаження змінюється в межах від 45 ° до 25 °, а в ідеалі повинен прагнути до 90 °. З цієї причини в трансформаторі з'являються вищі гармоніки, які породжують вихрові струми. І, як наслідок усього цього, з'являються підвищені втрати, спотворення форми сигналів і т.д.
Таким чином, завдання зводиться до того, щоб забезпечити протифазні струмів в первинної та вторинної обмотках.
На рис.1 приведена електрична схема трансформатора, яка дозволяє вирішити цю проблему.
Вона включає в себе власну частину трансформатора - це первинна обмотка, з напругою, що підводиться до неї напругою u1; три вторинних обмотки, одна з яких (L = L3 + L 4) виконує роль робочої обмотки, а дві інші (L 1. L2), включені зустрічно - роль обмоток зворотного зв'язку; і додаткові пристрої.
В якості додаткових пристроїв в схемі використовуються: діоди (Д1 ÷ Д4), конденсатори (C1 = C2 = C) і резистори, що гасять (R1 = R2 = R).
Електричну схему (рис.1) можна представити у формі бруківці. У діагональ цього моста (точки а, в) включається навантаження у вигляді резистора Rн.
Перш, ніж перейти до розгляду принципу роботи схеми, наведемо деякі теоретичні положення, на базі яких розроблена зазначена принципова схема.
Енергія магнітного поля (Wμ) змінного струму (i = Im · sinω t) визначається виразом
де Im. I - амплітудне і діюче значення струму;
Li - індуктивної i-ой обмотки.
Згідно (1) енергія магнітного поля має імпульсний характер подвоєною частоти і постійну складову намагніченості, тобто полюсність намагніченості ( «N» - «S») або ( «S» - «N»). Постійна складова визначається фазою струму, що приходить в первинну обмотку Тр. У вираженні (1) прийнято, що в момент включення трансформатора в роботу, струм в первинній обмотці має нульовий зсув. Однак в загальному випадку він може мати фазовий зсув від нуля до 180 ° ± α.
Для розпізнання фази струму, що приходить в первинну обмотку, і служать діодні ланцюжка (Д1-Д 2. Д3 -Д4); вони ж поперемінно в кожен наступний напівперіод забезпечують спрямованість струмів розрядки конденсаторів (C 1. C2). Резистори, що гасять (R 1. R2) служать для виключення великих стрибків струму в первинній обмотці. Але проведені експериментальні дослідження на понижуючих трансформаторах малої потужності (до 500 Вт) показали, що вони можуть бути виключені зі схеми, бо провідникові робочих обмоток цілком достатньо для вирішення завдання.
Вимоги до схеми полягають в тому, щоб: по-перше, права і ліва частини (щодо навантаження R н) мостової схеми були симетричними; по-друге, напруга на робочій обмотці (Up) має бути в два рази більше, ніж напруги на обмотках зворотного зв'язку (U oc), або виконувалася умова ω L = 2ω L1 = 2ω L2; по-третє, схема повинна бути налаштована на резонанс, тобто
В цьому випадку пропонований Тр проявляє оптимальні технічні характеристики.
Принципова схема, зображена на рис.1, являє собою нелінійну електричну ланцюг. Але, саме, шляхом введення в схему нелінійних елементів (діодів) вдалося досягти бажаного ефекту.
Розглянемо принцип роботи схеми (рис.1) в припущенні, що резистори R 2. R2 відсутні; центри діодних ланцюгів замкнуті через конденсатори C 1. C 2.
При відсутності навантаження, тобто при R н = ∞. яка включається в діагональ моста між точками а і в, схема працює наступним чином.
Нехай по приходу першої напівхвилі у вторинних обмотках полярність напруги сформувалася так, як вказано на схемі (рис.1) - знаки «+» і «-» без дужок. В цьому випадку обидва конденсатора будуть заряджатися до максимуму амплітудного напруги робочої обмотки (U p). Причому час зарядки конденсатора З 2 по відношенню до часу зарядки конденсатора C 1 буде зміщено на чверть періоду змінного сигналу. Пройшовши максимум амплітуди, сигнали на робочій обмотці (U L) і обмотках зворотного зв'язку (UL1 і UL2) будуть зменшуватися. У роботу вступають конденсатори - вони мають можливість розряджатися. Запасена ними електрична енергія буде повертатися назад в обмотки: конденсатор C1 буде розряджатися на робочу обмотку, а конденсатор С2 - на обмотки зворотного зв'язку, перетворюючи електричну енергію знову в енергію магнітного поля. У другій напівперіод картина буде повторюватися, але вже з запізненням зі зміщенням по часу, або по фазі. У наступні періоди плечі моста працюватимуть як би в «маятниковому» режимі - скільки енергії було отримано конденсаторами, стільки її буде повернуто назад в обмотки індуктивності Тр.
Природно, омічний опір обмоток присутній завжди. Тому втрати не виключені. Але факт в тому, що при експериментальних дослідженнях кількох різних за типом трансформаторів встановлено, що струм холостого ходу трансформатора, виконаного за схемою рис.1, більш ніж в два рази менше, ніж у такого ж Тр, але з відключеними додатково введеними пристроями.
Тут відзначимо, що, незважаючи на постійний обмін енергіями між індуктивностями і ємностями, в діагоналі моста (між точками а і в) завжди має різницю потенціалів, тобто
Включення в діагональ моста навантаження (Rн ≠ 0) картину процесів в ланцюгах практично не змінить. Воно призведе лише до перерозподілу струмів в ланцюгах. Сенс перерозподілу струмів зводиться до того, що при струмі у вторинних обмотках, що змінюється за законом i = Im · sin (ω t + α), конденсатор C1 (в перший напівперіод) зарядиться за час
а конденсатор С2 - за час. Применшення амплітуди напівхвилі вони почнуть розряджатися - конденсатор С2 безпосередньо через робочу обмотку, конденсатор C1 через індуктивність L1 і навантаження. Причому, якщо напруга на конденсаторі С2 виявиться менше, ніж на конденсаторі C1. то останній може частково розряджатися безпосередньо і через робочу обмотку. Іншими словами, у всіх випадках розряд обох конденсаторів створює запізнювання струму у вторинних обмотках. Після закінчення перехідного процесу, за рахунок використання принципу «маятникова», згідно з яким обидва плеча моста повинні в кінцевому підсумку збалансуватися за часом, струм у вторинних обмотках трансформатора буде в протифазі по відношенню до струму первинної обмотки.
Проведені експериментальні дослідження на трансформаторах типу ТН-56-220-50, ТН-61-220-50, ТАН-104-127 / 220-50 і т.п. повністю підтвердили справедливість висновків, наведених в описі.
Формула корисної моделі
Лінійний трансформатор, що містить класичний трансформатор з трьома вторинними обмотками, одна з яких (робоча обмотка) має число витків в два рази більше, ніж в двох інших (обмотках зворотного зв'язку); дві діодні осередки, що складаються з двох послідовно включених діодів; дві ємності, що відрізняється тим, що один висновок робочої обмотки електрично пов'язаний з двома зустрічно включеними діодними комірками, другі висновки яких електрично пов'язані з вільними висновками обмоток зворотних зв'язків, включених між собою зустрічно; другий висновок робочої обмотки електрично пов'язаний з конденсаторами, вільні висновки яких з'єднані з середніми точками діодних осередків; висновки навантаження підключаються до загальної точки обмоток зворотних зв'язків і спільної точки двох конденсаторів і другого висновку робочої обмотки.