Трансформатор с отрицательной обратной связью

Трансформатор с обратной отрицательной связью относится к области трансформаторостроения и может быть использован в военных и промышленных объектах техники, где используются трансформаторы (Тр).

Введением в Тр отрицательной обратной связи (ООС) достигается противофазность токов в первичной и во вторичной обмотках. Вследствие чего, происходит линейный отбор электрической энергии из первичной обмотки во вторичную, потери в трансформаторе в этом случае минимизируются.

Проведенные экспериментальные исследования на реальных образцах трансформаторов общего и военного назначения показали практически полное совпадение с результатами теоретических исследований, к.п.д. таких Тр, работающих на постоянную активную нагрузку, приближается к 0,95-0,97.

Изобретение относится к области трансформаторостроения и может быть использовано в различных электротехнических системах, в основе которых в качестве преобразователей переменного тока (напряжения) применяются трансформаторы (Тр).

Целью предлагаемой полезной модели является - улучшение технических характеристик однофазного трансформатора при максимально упрощенных его электрических связей во вторичной обмотке.

Известно, что главный недостаток существующих трансформаторов состоит в том, что токи в первичной и во вторичных обмотках не находятся в противофазе, ибо ток во вторичной обмотке зависит как от величины, так и от характера нагрузки. Вследствие чего перенос энергии из первичной обмотки во вторичную связан с большими потерями в стали магнитопровода Тр. Для устранения этого недостатка предложено несколько схем, на которые получены патенты №№56064, 2324992, 76159.

Ближайшими прототипами предлагаемой модели являются - Линейный трансформатор (Патент №56064), Трансформатор (Патент №2324992). Однако авторы считают, что указанную схему можно упростить, сохранив при этом все ее достоинства.

На фиг.1 изображена схема Тр с отрицательной обратной связью (ООС). В предлагаемой модели ООС реализуется во вторичной обмотке с помощью диодов VD1=VD2=VD, конденсаторов С₁=С₂=С и балластного сопротивления R_б.

Как первичная обмотка Тр характеризуется активным сопротивлением R₁ и индуктивностью.L₁, так и вторичная - R₂ и L₂. Нагрузкой Тр является активное сопротивление R_н.

Диоды в ветви электрически соединяются последовательно, образуя при этом среднюю точку, к которой присоединяется один из выводов вторичной обмотки. Противоположные выводы диодов замыкаются двумя последовательно включенными конденсаторами (С ₁ и С₂) и параллельно подключенным к обоим конденсаторам балластным сопротивлением R _б.

Средняя точка обоих конденсаторов электрически соединяется с одним из выводов нагрузки R_н , второй вывод нагрузки - электрически связывается со свободным выводом вторичной обмотки Тр.

Известно, что при активной нагрузке вторичной обмотки Тр ток во вторичной обмотке смещается от противофазности к току первичной обмотки на угол меньший 180°, т.е. на угол 180° - , где =arctg. Задачей ООС является - обеспечить задержку на °.

Принцип работы ООС состоит в следующем.

При указанной мгновенной полярности сигнала (фиг.1) во вторичной обмотке оба конденсатора будут заряжаться, но зарядка конденсатора С₂, из-за балластного сопротивления R _б, будет происходить с некоторой задержкой по времени по отношению к конденсатору С₁. Диод VD2 будет закрыт до тех пор, пока амплитуда напряжения во вторичной обмотке не станет меньше напряжения на конденсаторе С ₂. Принимая во внимание, что напряжение на конденсаторе отстает от тока на радиан, то это означает, что при R_б =0 диоды обеспечивают задержку на величину , а при R_б0 , где ₀ определяется значениями емкостей (С) и балластного сопротивления.

Уравнения, описывающие процессы в предлагаемой схеме, в форме Фурье имеют вид

где ₁(),₁(), ₂() - комплексы напряжений и токов;

М - коэффициент взаимной индукции.

Нетрудно показать, что, обеспечив значение вещественной части, стоящей в квадратных скобках последнего выражения, равной нулю, то таким образом можно достаточно просто достичь противофазности токов в первичной и во вторичной обмотках Тр. Например, при R_б=0 и RC=, соотношение между токами , где N₁, N₂ - число витков в первичной и вторичной обмотках соответственно.

Проведенные экспериментальные исследования на двухобмоточных Тр, используемые в бытовой и военной технике, полностью подтвердили справедливость результатов теоретических исследований.

Трансформатор с отрицательной обратной связью, повышающей его коэффициент полезного действия, содержащий классический двухобмоточный трансформатор, диодную ветвь, в которую последовательно и согласовано включено два диода, емкостную ветвь, состоящую из двух последовательно соединенных одинаковых конденсаторов, и балластного сопротивления, отличающийся тем, что диодные, емкостные ветви и балластное сопротивление электрически параллельно связываются между собой, средняя точка диодной ветви (точка между диодами) электрически соединяется с одним из выводов вторичной обмотки, второй свободный вывод вторичной обмотки через нагрузку электрически связывается со средней точкой емкостной ветви (точка между последовательно включенными конденсаторами).