RU2046423C1

RU2046423C1 - Variable-ratio transformer

Info

Publication number: RU2046423C1
Authority: RU
Inventors: Геннадий Александрович Кривоносов
Original assignee: Геннадий Александрович Кривоносов
Priority date: 1992-09-28
Filing date: 1992-09-28
Publication date: 1995-10-20

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: variable-ratio transformer has magnetic system composed on n magnetic cores (n=1,3,4.) incorporating two legs and two yokes. First legs of each magnetic core are embraced by (n+1)-th coil including secondary and one part of primary winding, legs being insulated from each other. Every second leg is embraced with coil containing other part of primary winding equal to n parts of first part of primary winding. Input of each second part of primary winding is provided with controlling key and outputs of second parts of primary winding are interconnected and are linked to output of first part of primary winding. Description gives electrical diagrams basic technical characteristics of high-voltage variable-ratio transformer. Transformer provides for capability of control over pulses in binary code by high-voltage output voltage. EFFECT: enhanced operational reliability of variable-ratio transformer. 2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике. The invention relates to electrical engineering.

Для получения регулируемого по амплитуде высоковольтного напряжения в первичную цепь высоковольтного трансформатора включают либо автотрансформатор, либо тиристорное устройство [1] Управление автотрансформатором осуществляется, как правило, механическим устройством. To obtain a amplitude-controlled high-voltage voltage, either an autotransformer or a thyristor device is included in the primary circuit of a high-voltage transformer [1] Autotransformer is usually controlled by a mechanical device.

Основные недостатки такого типа управления инерционность, ненадежность, недолговечность. Тиристорное управление не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к качеству (синусоидальности) выходного высоковольтного напряжения. Такие преобразователи искажают синусоидальную форму выходного напряжения, и появляются гармоники высших порядков, вследствие чего увеличивается индуктивное сопротивление трансформатора, растут потери, падает КПД. The main disadvantages of this type of control are inertia, unreliability, and fragility. Thyristor control does not meet the requirements for the quality (sinusoidality) of the output high voltage. Such converters distort the sinusoidal shape of the output voltage, and higher-order harmonics appear, as a result of which the inductance of the transformer increases, losses increase, and efficiency decreases.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство [2] в котором регулируемый трансформатор снабжен коммутационным элементом с цифровым устройством управления, сечения частей магнитопровода и числа витков первичных обмоток выполнены различными, так что числа витков каждой первичной обмотки пропорционально отношению сечения магнитопровода к сечению соответствующей части магнитопровода, первичные обмотки подключены к коммутационному устройству с целью регулирования выходного напряжения трансформатора в соответствии с двоичным кодом, исчисления числа витков первичных обмоток выполнены в соотношении 1:2:4:8 и т.д. Closest to the proposed device is a device [2] in which the adjustable transformer is equipped with a switching element with a digital control device, the cross sections of the magnetic circuit and the number of turns of the primary windings are different, so that the number of turns of each primary winding is proportional to the ratio of the cross section of the magnetic circuit to the cross section of the corresponding part of the magnetic circuit, primary windings are connected to a switching device in order to regulate the output voltage of the transformer in accordance binary code, calculating the number of turns of the primary windings are in the ratio 1: 2: 4: 8 etc.

Однако такое устройство имеет недостатки, заключающиеся в следующем. Асимметрия формы трансформатора накладывает существенные затруднения в способе стяжки магнитопровода, что приводит к увеличению массогабаритных характеристик устройства. Но основной недостаток заключается в том, что первичные и вторичная обмотки расположены на разных стержнях, а это, как известно, недопустимо, так как при этом значительно повышаются потоки рассеяния и резко снижаются вторичная мощность и КПД. However, such a device has the disadvantages of the following. The asymmetry of the shape of the transformer imposes significant difficulties in the method of tightening the magnetic circuit, which leads to an increase in the overall dimensions of the device. But the main disadvantage is that the primary and secondary windings are located on different rods, and this, as you know, is unacceptable, since this significantly increases the dissipation flux and dramatically decreases the secondary power and efficiency.

Изобретение направлено на создание трансформатора, у которого отсутствуют перечисленные недостатки. The invention is directed to the creation of a transformer that does not have the listed disadvantages.

Задача решается тем, что магнитная система выполнена пространственно из n магнитопроводов, пристыкованных друг к другу одними изолированными друг от друга стержнями, образуя единый магнитный элемент, первичная обмотка выполнена из n+1 секций, где n секций расположены каждая на отдельном стержне каждого магнитопровода, а (n+1)-я секция первичной обмотки и вторичная обмотка расположены на общем магнитном элементе, а ключи соединены последовательно с n секциями первичной обмотки и параллельно между собой и последовательно с (n+1)-й секцией первичной обмотки. The problem is solved in that the magnetic system is spatially made up of n magnetic cores docked to each other by rods isolated from each other, forming a single magnetic element, the primary winding is made of n + 1 sections, where n sections are each located on a separate rod of each magnetic circuit, and The (n + 1) -th section of the primary winding and the secondary winding are located on a common magnetic element, and the keys are connected in series with n sections of the primary winding and in parallel with each other and in series with the (n + 1) -th section of the first hydrochloric winding.

Благодаря такому выполнению трансформатора исключаются механические устройства, регулирующие величину выходного напряжения, синусоидальная форма напряжения не искажается, увеличивается КПД, уменьшаются массогабаритные характеристики трансформатора. Кроме того, появляется возможность регулировать высоковольтное напряжение сигналами, подаваемыми с ЭВМ в двоичном коде. Thanks to this embodiment of the transformer, mechanical devices regulating the value of the output voltage are excluded, the sinusoidal shape of the voltage is not distorted, the efficiency increases, and the overall dimensions of the transformer are reduced. In addition, it becomes possible to regulate the high-voltage voltage by signals supplied from a computer in binary code.

Конструкция магнитопровода такова, что центральная катушка, имеющая часть первичной и вторичную обмотки, охватывает стержни элементарных магнитопроводов, магнитные потоки в которых не перекрываются. На вторых стержнях размещаются катушки с оставшейся частью первичной обмотки. Эти обмотки соединены между собой параллельно, а все вместе с второй частью первичной обмотки, размещенной на центральной катушке последовательно. Таким образом, магнитные потоки в каждом элементарном магнитопроводе циркулируют независимо, но объединены индуктивной связью вторичной обмоткой. Питание в первичную цепь подается через управляющие ключи, которые позволяют программным путем менять как величину текущего тока через части первичной обмотки, так и его направление. Тем самым появляется возможность, не изменяя амплитуды входного напряжения, ступенчато регулировать амплитуду напряжения во вторичной цепи. The design of the magnetic circuit is such that the central coil, having a part of the primary and secondary windings, covers the rods of elementary magnetic circuits, in which the magnetic flux does not overlap. On the second rods are coils with the remainder of the primary winding. These windings are interconnected in parallel, and all together with the second part of the primary winding, placed on the central coil in series. Thus, magnetic fluxes in each elementary magnetic circuit circulate independently, but are combined by an inductive coupling by a secondary winding. Power to the primary circuit is supplied through control keys, which allow you to programmatically change both the magnitude of the current through the parts of the primary winding and its direction. Thus, it is possible, without changing the amplitude of the input voltage, to stepwise adjust the amplitude of the voltage in the secondary circuit.

Когда управление ключами производится в момент прохождения тока через ноль, то форма выходного напряжения не искажается, отсутствуют условия для возникновения гармоник высших порядков. When keys are controlled at the moment the current passes through zero, the shape of the output voltage is not distorted, there are no conditions for the appearance of higher-order harmonics.

Общеизвестно, что мощность трансформатора зависит от величины поперечного сечения стержня как от одного из параметров. Предлагаемая форма магнитопровода, не изменяя поперечного сечения стержней, уменьшает его вес Р на величину, равную
P 4a (a b) d 4 nb (n-1)d, где d удельный вес железа;
a, b сторона квадрата поперечного сечения стержня П-образного и предлагаемой формы магнитопровода;
n число элементарных магнитопроводов.It is well known that the power of a transformer depends on the magnitude of the cross section of the rod as one of the parameters. The proposed shape of the magnetic circuit, without changing the cross section of the rods, reduces its weight P by an amount equal to
P 4a (ab) d 4 nb (n-1) d, where d is the specific gravity of iron;
a, b side of the square of the cross section of the rod of the U-shaped and the proposed shape of the magnetic circuit;
n is the number of elementary magnetic cores.

В силу того, что первичная обмотка находится на n+1 катушках, улучшаются условия теплообмена в обмотках, и это позволяет увеличить удельную плотность тока в обмотках, что приводит к уменьшению веса обмотки. Due to the fact that the primary winding is located on n + 1 coils, the heat transfer conditions in the windings are improved, and this allows to increase the specific current density in the windings, which leads to a decrease in the weight of the winding.

Отсутствие гармоник высших порядков, улучшение условий теплообмена в магнитопроводе и катушках приводит к повышению КПД трансформатора. The absence of higher-order harmonics, the improvement of heat transfer conditions in the magnetic circuit and coils leads to an increase in the efficiency of the transformer.

На фиг. 1 представлен пятикатушечный (n 4) высоковольтный регулируемый трансформатор, вид сверху; на фиг.2 изображена электрическая схема трехкатушечного регулируемого трансформатора; на фиг.3 четырехкатушечного; на фиг. 4 (n+1)-катушечного; на фиг.5 временная диаграмма открытых состояний управляющих ключей: а при выходном напряжении V 1, б V2, в V 3 отн.ед. In FIG. 1 shows a five-coil (n 4) high voltage adjustable transformer, top view; figure 2 shows the electric diagram of a three-coil adjustable transformer; figure 3 four-coil; in FIG. 4 (n + 1) -coil; figure 5 is a timing diagram of the open states of the control keys: a at the output voltage V 1, b V2, V 3 rel.

Изобретение может быть осуществлено устройством, содержащим три катушки и два элементарных магнитопровода, электрическая схема которого представлена на фиг.2. Такого типа трансформаторы могут быть использованы в тех случаях, когда крупноступенчатая регулировка выходного напряжения, т.е. первая ступень составляет 0,5 U_вых. Когда достаточно иметь в первой ступени величину выходного напряжения равной 0,33 U_вых, можно использовать четырехкатушечный трансформатор с тремя элементарными магнитопроводами, схема такого трансформатора изображена на фиг.3. Для примера рассмотрим пятикатушечный трансформатор с четырьмя элементарными магнитопроводами, стержни 1 (фиг.1-4) которых охватываются каждой катушкой 2 секцией 3 первичной обмотки. Вторая часть 4 первичной обмотки, которая находится на четырех стержнях 5, магнитоизолированных между собой прокладками 6, с числом витков в четырех раза меньше относительно секции 3 находится на одной катушке 7 с вторичной обмоткой 8. Вторичная обмотка и ее изоляция выполнены на выходное напряжение, равное 20 кВ. Входы секций 3 первичных обмоток соединены с управляемыми ключами 9, которые связаны с задающим генератором 10, а выходы соединены между собой и с входом второй частью 4 первичной обмотки. Клеммы 11 являются входными клеммами, а клеммы 12 выходными.The invention can be carried out by a device containing three coils and two elementary magnetic circuits, the electrical circuit of which is presented in figure 2. This type of transformer can be used in cases where a large-step adjustment of the output voltage, i.e. the first stage is 0.5 U _out . When it is sufficient to have an output voltage of 0.33 U _o in the first stage, a four-coil transformer with three elementary magnetic circuits can be used, a diagram of such a transformer is shown in Fig. 3. For example, consider a five-coil transformer with four elementary magnetic cores, rods 1 (Figs. 1-4) of which are covered by each coil 2 by section 3 of the primary winding. The second part 4 of the primary winding, which is located on four rods 5, magnetically insulated between each other by spacers 6, with the number of turns four times less relative to section 3, is located on one coil 7 with secondary winding 8. The secondary winding and its insulation are made to output voltage equal to 20 kV. The inputs of the sections 3 of the primary windings are connected to controlled keys 9, which are connected with the master oscillator 10, and the outputs are connected to each other and to the input of the second part 4 of the primary winding. Terminals 11 are input terminals, and terminals 12 are output.

Работает такой трансформатор следующим образом. Such a transformer operates as follows.

На клеммы 11 подается переменное напряжение постоянной амплитуды. При срабатывании хотя бы одного из ключей 9 (фиг.5а,б,в) в первичной цепи 3, 4 появляется ток, в катушках 2, 7 возникает переменное магнитное поле и в силу закона сохранения в стержнях 1 и 5 образуются равные магнитные потоки, а во вторичной высоковольтной обмотке 8 индуцируется переменная ЭДС, величина U_вых которого пропорциональна не только амплитуде входного напряжения, но и числу работающих секций 3 первичной обмотки. Задающий генератор 10 по заданной программе включает ключи 9, обеспечивая в элементарных магнитопроводах магнитные потоки, которые в силу имеющейся прокладки 6 из изоляционного материала не взаимодействуют между собой. Наличие индуктивной связи между первичной 4 и вторичной 8 обмотками в катушке 7 обуславливает на клеммах 12 высоковольтное напряжение. Режим работы управляющих ключей синхронно связан с временем перехода тока через ноль (фиг.5), т.е. ключи включаются и выключаются только при переходе тока через ноль. Тем самым создаются благоприятные условия для работы трансформатора: отсутствуют условия возникновения перенапряжений и появления гармоник высших порядков.An alternating voltage of constant amplitude is applied to terminals 11. When at least one of the keys 9 is activated (Fig. 5a, b, c), a current appears in the primary circuit 3, 4, an alternating magnetic field appears in the coils 2, 7, and, due to the conservation law, equal magnetic fluxes are formed in the rods 1 and 5, and in the secondary high-voltage winding 8, a variable EMF is induced, the value of U _o which is proportional not only to the amplitude of the input voltage, but also to the number of working sections 3 of the primary winding. The master oscillator 10 according to a predetermined program includes keys 9, providing magnetic fluxes in elementary magnetic circuits, which, due to the existing gasket 6 made of insulating material, do not interact with each other. The presence of inductive coupling between the primary 4 and secondary 8 windings in the coil 7 causes the terminals 12 high voltage. The operating mode of the control keys is synchronously associated with the time the current passes through zero (Fig. 5), i.e. the keys are turned on and off only when the current passes through zero. This creates favorable conditions for the operation of the transformer: there are no conditions for the occurrence of overvoltages and the appearance of harmonics of higher orders.

Промышленная применимость может быть подтверждена на примере конкретного исполнения заявленного устройства. Рассмотрим пятикатушечный трансформатор (фиг. 1). Поперечное сечение каждого из четырех магнитопроводов равно 25х25 мм, первичная обмотка имеет W 88х4+22 витка, вторичная имеет W 16000 витков, частота тока 400 Гц, V 220 В. Первичные обмотки намотаны проводом диаметром 2 мм, вторичная 0,2 мм. На выходе такого трансформатора трансформируется напряжение, которое удовлетворяет требованиям плавного изменения напряжения на выходе каскадного генератора. Industrial applicability can be confirmed by the example of a specific implementation of the claimed device. Consider a five-coil transformer (Fig. 1). The cross section of each of the four magnetic cores is 25x25 mm, the primary winding has W 88x4 + 22 turns, the secondary has W 16000 turns, the current frequency is 400 Hz, V 220 V. The primary windings are wound with a wire with a diameter of 2 mm, the secondary 0.2 mm. At the output of such a transformer, a voltage is transformed that meets the requirements of a smooth change in voltage at the output of the cascade generator.

Claims

1. ADJUSTABLE TRANSFORMER, containing a magnetic system consisting of n (where n 2,3,4,) magnetic circuits with primary and secondary windings, a control element having keys, each of which is connected to a separate section of one of the windings, characterized in that the magnetic system is made of three-dimensional N magnetic cores, joined to each other by rods isolated from each other, forming a single magnetic element, the primary winding is made of n + 1 sections, of which n sections are each located on a separate rod each of the magnetic circuit, and (n + 1) th section of the primary winding and secondary winding are located on a common magnetic member.

2. The transformer according to claim 1, characterized in that the keys are connected in series with n sections of the primary winding and in parallel with each other and in series with the (n + 1) th section of the primary winding.