CN109148130A - 一种基于宇称-时间对称原理的无铁芯变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于宇称‑时间对称原理的无铁芯变压器，所述无铁芯变压器由宇称‑时间对称电路构成，所述宇称‑时间对称电路包括一次回路和二次回路，所述一次回路包括串联连接的一次线圈、一次串联电容、负电阻和一次回路内阻，所述二次回路包括串联连接的二次线圈、二次串联电容、负载和二次回路内阻，所述一次线圈和二次线圈之间没有变压器铁芯。本发明将变压器一次回路和二次回路构成宇称‑时间对称电路使得其在无铁芯的情况下仍能高效和高功率工作，解决了传统变压器重量大和成本高的问题。

Description

一种基于宇称-时间对称原理的无铁芯变压器
技术领域
本发明涉及变压器的技术领域，尤其是指一种基于宇称-时间对称原理的无铁芯变压器。
背景技术
1831年，法拉第发明了一个“电感环”，称为“法拉第感应线圈”，实际上是世界上第一只变压器雏形，1885年，西屋公司的工程师威廉·史坦雷制造了第一台实用的变压器，此后变压器开始成为一种用途极为广泛的电力装置，主要被用于功率传送、电压变换和绝缘隔离。传统的变压器是基于电磁感应原理来实现改变交流电压的装置，主要包括是一次线圈、二次线圈和铁芯(磁芯)，一次线圈和二次线圈通过铁芯耦合。然而，变压器由于铁芯的存在，使得其成本高，重量大。
1998年华盛顿大学的的Bender.C.M教授创立了宇称-时间(PT)对称量子理论，该理论已被成功应用到光学、材料学等多个领域并展现出了巨大的优势。本发明利用宇称-时间(PT)对称电路实现在一种无需铁芯的变压器，可以替代传统有铁芯的变压器，使变压器降低成本和重量成为了可能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种基于宇称-时间对称原理的无铁芯变压器，可以替代传统有铁芯的变压器，使变压器降低成本和重量成为了可能。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于宇称-时间对称原理的无铁芯变压器，所述无铁芯变压器由宇称-时间对称电路构成，所述宇称-时间对称电路包括一次回路和二次回路，所述一次回路包括串联连接的一次线圈、一次串联电容、负电阻和一次回路内阻，所述二次回路包括串联连接的二次线圈、二次串联电容、负载和二次回路内阻，所述一次线圈和二次线圈之间没有变压器铁芯。
进一步，所述一次回路和二次回路的参数需满足的宇称-时间对称条件如下：
式中，-RN为负电阻阻值,RS1和RS2分别为一次回路内阻值和二次回路内阻值,RL为负载电阻值；为一次回路的串联频率；为二次回路的串联频率；L1和L2分别为一次线圈和二次线圈的电感值，C1和C2分别为一次串联电容和二次串联电容的电容值，k为一次线圈和二次线圈之间的互感系数。
进一步，所述负电阻的电压、电流关系满足：V1＝-RNIRN，相位关系满足：其中，IRN为流过负电阻的电流，V1为负电阻两端的电压，-RN为负电阻的阻值,且自动可调。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本变压器结构简单，无需铁芯。
2、相比传统变压器，本变压器重量与成本大幅降低。
3、本变压器电能传输效率高。
附图说明
图1为本发明的无铁芯变压器结构电路图。
图2为实施方式中传统变压器与无铁芯变压器在不同负载下的功率曲线图。
图3为实施方式中传统变压器与无铁芯变压器在不同负载下的效率曲线图。
具体实施方式
为进一步阐述本发明的内容和特点，以下结合附图对本发明的具体实施方案进行具体说明，但本发明的实施和保护不限于此。
本实施例所提供的基于宇称-时间对称原理的无铁芯变压器，其基本原理是利用宇称-时间对称电路实现无铁芯的变压器，用于替代传统的含有铁芯的变压器，从而有效降低了变压器的重量。
如图1所示，所述的无铁芯变压器包括一次回路和二次回路，所述的一次回路包括串联连接的一次线圈L1、一次串联电容C1、负电阻-RN和一次回路内阻RS1，所述的二次回路包括串联连接的二次线圈L2、二次串联电容C2、负载RL和二次回路内阻RS2，所述的一次线圈和二次线圈之间没有变压器铁芯。
根据图1，由基尔霍夫定律可得：
式(1)中，分别为一次回路电流向量和二次回路电流向量，L1、L2分别为一次回路线圈和二次线圈电感值，C1、C2分别为一次串联电容和二次串联电容的电容值，-RN为负电阻阻值，RS1和RS2分别为一次回路内阻值和二次回路内阻值,RL为负载电阻值，k为一次线圈和二次线圈之间的互感系数，ω为变压器工作频率。
令为一次回路的固有频率，为二次回路的固有频率，则式(1)化为：
式(2)有非零解的条件是：
对式(3)进行实虚部分离可得：
当一次回路和二次回路构成宇称-时间对称电路时，则有
则式(4)可简化为：
由上式可得频率解为：
由式(7)可进一步得到频率存在纯实部解的条件为：
因此负载电阻需满足如下条件:
此时变压器的效率η等于：
传输功率Po等于：
由式(1)和式(4)，还可得一次回路电流有效值I1与二次回路电流有效值I2之比为：
上式与传统理想变压器的电流比是一样的。
一次回路输入电压即负电阻两端电压有效值V1与二次回路输出电压有效值V2之比为:
当忽略内阻RS2与RS1时，式(13)化为：
显然式(14)也与传统理想变压器的电压变比相同。
为了进一步说明本发明的优点，在本实施例中，设计了一个有铁芯的变压器，铁芯变压器参数如下：一次线圈电感L1＝4.65mH，二次线圈电感L2＝4.65mH，漏感为Lleak＝2.1μH：通过测试此铁芯变压器，可得到输入电压为20.8伏时不同负载电阻下的变压器输出和效率曲线，如图2和图3中的虚线。
然后将去掉上述变压器的铁芯，此时变压器时参数为：L1＝12.84uH，L2＝15.89uH，k＝0.87，RS1＝0.073，RS2＝0.086，ω1＝ω2＝2π×75kHz，并基于此参数根据式(5)和式(9)设计无铁芯变压器，并通过式(10)和(11)计算在不同负载电阻下的变压器输出功率和效率，如图2中和图3中的实线，由图2和图3可知同等的输入电压和负载电阻下，无铁芯变压器的输出功率和效率优于传统有铁芯变压器。
由上述分析可知，本发明的无铁芯变压器可以很好地替代传统的有铁芯的变压器，本发明的优点显而易见，值得推广。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，本实施例为单相无铁芯变压器，并非以此限制本发明的实施范围，本发明也可用于三相、多相变压器、自耦变压器和具有原副边耦合的互感器，故凡依本发明之结构、原理所作的变化或组合，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于宇称-时间对称原理的无铁芯变压器，其特征在于：所述无铁芯变压器由宇称-时间对称电路构成，所述宇称-时间对称电路包括一次回路和二次回路，所述一次回路包括串联连接的一次线圈(L1)、一次串联电容(C1)、负电阻(-RN)和一次回路内阻(RS1)，所述二次回路包括串联连接的二次线圈(L2)、二次串联电容(C2)、负载(RL)和二次回路内阻(RS2)，所述一次线圈(L1)和二次线圈(L2)之间没有变压器铁芯。
2.根据权利要求1所述的一种基于宇称-时间对称原理的无铁芯变压器，其特征在于：所述一次回路和二次回路的参数需满足的宇称-时间对称条件如下：
式中，-RN为负电阻阻值,RS1和RS2分别为一次回路内阻值和二次回路内阻值,RL为负载电阻值；为一次回路的串联频率；为二次回路的串联频率；L1和L2分别为一次线圈和二次线圈的电感值，C1和C2分别为一次串联电容和二次串联电容的电容值，k为一次线圈和二次线圈之间的互感系数。
3.根据权利要求1所述的一种基于宇称-时间对称原理的无铁芯变压器，其特征在于：所述负电阻(-RN)的电压、电流关系满足：V1＝-RNIRN，相位关系满足：其中，IRN为流过负电阻的电流，V1为负电阻两端的电压，-RN为负电阻的阻值,且自动可调。
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