Линейный трансформатор

Полезная модель относится к области трансформаторостроения и может быть использована в военных и промышленных объектах техники, где для решения задач электроснабжения необходимы трансформаторы. Задачей модели является получение минимальных потерь энергии в трансформаторе и обеспечение постоянного коэффициента трансформации в диапазоне расчетной мощности. Это достигается путем создания симметричной мостовой схемы, плечи которой состоят из двух пар емкостей и двух пар индуктивностей, и включением нагрузки в диагональ моста. Проведение исследования на трансформаторах типа ТН56-220-50; ТН61-220-50; ТАН 104-127/220-50 и т.д. полностью подтверждают справедливость выводов, приведенных в описании.

Полезная модель относится к области трансформаторостроения, и может быть использовано в различных электротехнических системах, в основе которых в качестве преобразователей одной системы переменного тока (напряжения) в другую применяются трансформаторы.

Трансформатор (Тр), изобретенный нашим соотечественником П.Н.Яблочковым (в 1877 году), получил самое широкое применение в мировой практике. Считается, что его технические свойства хорошо изучены, он отличается достаточно «высокой» надежностью, имеет высокий к.п.д. (более 0,9) и поэтому не может быть подвержен какому-то дальнейшему совершенствованию.

Однако опыт эксплуатации трансформаторов даже в лабораторных условиях показывает, что часто они выходят из строя, «казалось бы» не имея для этого причин. Особенно это касается повышающих и высокочастотных трансформаторов. Это - во-первых, во-вторых, коэффициент трансформации ТР при изменении нагрузки меняется в значительных пределах.

Трансформатор по сути своей работы преобразует энергию магнитного поля, обусловленную переменным током, протекающим в первичной обмотке, в электрическую энергию во вторичной обмотке. Последняя выступает в роли источника ЭДС для последующей нагрузки.

При рассмотрении принципа работы Тр всегда предполагается, что ток во вторичной обмотке находится в противофазе по отношению к току в первичной обмотке. Вследствие чего намагничивающие силы вычитаются, и таким образом происходит отбор мощности из первичной во вторичную обмотку. Однако, такое заключение справедливо только для индуктивной нагрузки. Большинство же трансформаторов работают на активную нагрузку, в связи с чем возникает угол рассогласования между противофазными значениями указанных токов. Причем активная нагрузка вводит во вторичную обмотку эффект форсировки, т.е. угол смещения между токами оказывается не равньм 180°, а равен 90°+. Этот угол , в зависимости от параметров Тр и нагрузки изменяется в пределах от 45° до 25°, а в идеале должен стремиться к 90°. По этой причине в трансформаторе появляются высшие гармоники, которые порождают вихревые токи. И, как следствие всего этого, появляются повышенные потери, искажение формы сигналов и т.д.

Таким образом, задача сводится к тому, чтобы обеспечить противофазность токов в первичной и вторичной обмотках.

На рис.1 приведена электрическая схема трансформатора, которая позволяет решить эту проблему.

Она включает в себя собственную часть трансформатора - это первичная обмотка, с подводимым к ней напряжением u₁; три вторичных обмотки, одна из которых (L=L₃+L ₄) исполняет роль рабочей обмотки, а две другие (L ₁, L₂), включенные встречно - роль обмоток обратной связи; и дополнительные устройства.

В качестве дополнительных устройств в схеме используются: диоды (Д₁÷Д₄), конденсаторы (C₁=C₂=C) и гасящие резисторы (R₁=R₂=R).

Электрическую схему (рис.1) можно представить в форме мостовой. В диагональ этого моста (точки а, в) включается нагрузка в виде резистора R_н.

Прежде, чем перейти к рассмотрению принципа работы схемы, приведем некоторые теоретические положения, на базе которых разработана указанная принципиальная схема.

Энергия магнитного поля (W) переменного тока (i=I_m·sint) определяется выражением

,

где I_m, I - амплитудное и действующее значение тока;

L_i - индуктивной i-ой обмотки.

Согласно (1) энергия магнитного поля имеет импульсный характер удвоенной частоты и постоянную составляющую намагниченности, т.е. полюсность намагниченности («N» - «S») или («S» - «N»). Постоянная составляющая определяется фазой тока, приходящего в первичную обмотку Тр. В выражении (1) принято, что в момент включения трансформатора в работу, ток в первичной обмотке имеет нулевое смещение. Однако в общем случае он может иметь фазовое смещение от нуля до 180°±.

Для распознания фазы тока, приходящего в первичную обмотку, и служат диодные цепочки (Д₁-Д ₂, Д₃-Д₄); они же попеременно в каждый следующий полупериод обеспечивают направленность токов разрядки конденсаторов (C ₁, C₂). Гасящие резисторы (R ₁, R₂) служат для исключения больших скачков тока в первичной обмотке. Но проведенные экспериментальные исследования на понижающих трансформаторах малой мощности (до 500 Вт) показали, что они могут быть исключены из схемы, ибо омического сопротивления рабочих обмоток вполне достаточно для решения задачи.

Требования к схеме заключаются в том, чтобы: во-первых, правая и левая части (относительно нагрузки R _н) мостовой схемы были симметричными; во-вторых, напряжение на рабочей обмотке (U_p) должно быть в два раза больше, чем напряжения на обмотках обратной связи (U _oc), или выполнялось условие L=2L₁=2L₂; в-третьих, схема должна быть настроена на резонанс, т.е. . В этом случае предлагаемый Тр проявляет оптимальные технические характеристики.

Принципиальная схема, изображенная на рис.1, представляет собой нелинейную электрическую цепь. Но, именно, путем введения в схему нелинейных элементов (диодов) удалось достигнуть желаемого эффекта.

Рассмотрим принцип работы схемы (рис.1) в предположении, что резисторы R ₂, R₂ отсутствуют; центры диодных цепей замкнуты через конденсаторы C¹, C ₂.

При отсутствии нагрузки, т.е. при R _н=, которая включается в диагональ моста между точками а и в, схема работает следующим образом.

Пусть по приходу первой полуволны во вторичных обмотках полярность напряжения сформировалась так, как указано на схеме (рис.1) - знаки «+» и «-» без скобок. В этом случае оба конденсатора будут заряжаться до максимума амплитудного напряжения рабочей обмотки (U _p). Причем время зарядки конденсатора С ₂ по отношению к времени зарядки конденсатора C ₁ будет смещено на четверть периода переменного сигнала. Пройдя максимум амплитуды, сигналы на рабочей обмотке (U _L) и обмотках обратной связи (U_L1 и U_L2) будут уменьшаться. В работу вступают конденсаторы - они имеют возможность разряжаться. Запасенная ими электрическая энергия будет возвращаться обратно в обмотки: конденсатор C₁ будет разряжаться на рабочую обмотку, а конденсатор С₂ - на обмотки обратной связи, преобразуя электрическую энергию вновь в энергию магнитного поля. Во второй полупериод картина будет повторяться, но уже с запаздыванием со смещением по времени, или по фазе. В последующие периоды плечи моста будут работать как бы в «маятниковом» режиме - сколько энергии было получено конденсаторами, столько ее будет возвращено обратно в обмотки индуктивности Тр.

Естественно, омическое сопротивление обмоток присутствует всегда. Поэтому потери не исключены. Но факт в том, что при экспериментальных исследованиях нескольких разных по типу трансформаторов установлено, что ток холостого хода трансформатора, выполненного по схеме рис.1, более чем в два раза меньше, чем у такого же Тр, но с отключенными дополнительно введенными устройствами.

Здесь отметим, что, несмотря на постоянный обмен энергиями между индуктивностями и емкостями, в диагонали моста (между точками а ив) всегда имеет разность потенциалов, т.е.

U_aв =U_p+U_L

Включение в диагональ моста нагрузки (R_н0) картину процессов в цепях практически не изменит. Оно приведет только к перераспределению токов в цепях. Смысл перераспределения токов сводится к тому, что при токе во вторичных обмотках, изменяющемуся по закону i=I_m·sin(t+), конденсатор C₁ (в первый полупериод) зарядится за время , а конденсатор С₂ - за время . Приуменьшении амплитуды полуволны они начнут разряжаться - конденсатор С₂ непосредственно через рабочую обмотку, конденсатор C₁ через индуктивность L₁ и нагрузку. Причем, если напряжение на конденсаторе С₂ окажется меньше, чем на конденсаторе C₁, то последний может частично разряжаться непосредственно и через рабочую обмотку. Иными словами, во всех случаях разряд обоих конденсаторов создает запаздывание тока во вторичных обмотках. После окончания переходного процесса, за счет использования принципа «маятниковости», согласно которому оба плеча моста должны в конечном итоге сбалансироваться по времени, ток во вторичных обмотках трансформатора будет в противофазе по отношению к току первичной обмотки.

Проведенные экспериментальные исследования на трансформаторах типа ТН-56-220-50, ТН-61-220-50, ТАН-104-127/220-50 и т.п. полностью подтвердили справедливость выводов, приведенных в описании.

Линейный трансформатор, содержащий классический трансформатор с тремя вторичными обмотками, одна из которых (рабочая обмотка) имеет число витков в два раза больше, чем в двух других (обмотках обратной связи); две диодные ячейки, состоящие из двух последовательно включенных диодов; две емкости, отличающийся тем, что один вывод рабочей обмотки электрически связан с двумя встречно включенными диодными ячейками, вторые выводы которых электрически связаны со свободными выводами обмоток обратных связей, включенных между собой встречно; второй вывод рабочей обмотки электрически связан с конденсаторами, свободные выводы которых соединены со средними точками диодных ячеек; выводы нагрузки подключаются к общей точке обмоток обратных связей и к общей точке двух конденсаторов и второго вывода рабочей обмотки.