RU56064U1

RU56064U1 - LINE TRANSFORMER

Info

Publication number: RU56064U1
Application number: RU2006116763/22U
Authority: RU
Inventors: Иван Иванович Ермаков; Владимир Васильевич Киселев; Константин Николаевич Мулюкин; Юрий Иванович Попов
Original assignee: Иван Иванович Ермаков; Владимир Васильевич Киселев; Константин Николаевич Мулюкин; Юрий Иванович Попов
Priority date: 2006-05-15
Filing date: 2006-05-15
Publication date: 2006-08-27

Abstract

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.The utility model relates to the field of transformer engineering and can be used in military and industrial engineering facilities, where transformers are needed to solve the problems of power supply. The task of the model is to obtain minimal energy loss in the transformer and to ensure a constant transformation ratio in the range of the rated power. This is achieved by creating a symmetrical bridge circuit, the shoulders of which consist of two pairs of capacitors and two pairs of inductances, and by including a load in the diagonal of the bridge. Research on transformers of the type ТН56-220-50; TH61-220-50; TAN 104-127 / 220-50, etc. fully confirm the validity of the conclusions given in the description.

Description

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.The utility model relates to the field of transformer construction, and can be used in various electrical systems, based on which transformers are used as converters of one alternating current (voltage) system to another.

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.The transformer (Tr), invented by our compatriot P.N. Yablochkov (in 1877), has received the widest application in world practice. It is believed that its technical properties are well understood, it is characterized by a fairly "high" reliability, has a high efficiency (more than 0.9) and therefore cannot be subject to any further improvement.

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.However, the experience of operating transformers even in laboratory conditions shows that they often fail, "seemingly" without any reason for this. This is especially true of step-up and high-frequency transformers. This is, firstly, and secondly, the coefficient of TP transformation with a change in load varies significantly.

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.The transformer, in essence, converts the energy of the magnetic field due to the alternating current flowing in the primary winding into electrical energy in the secondary winding. The latter acts as a source of EMF for the subsequent load.

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°+α. Этот угол α, 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.When considering the principle of operation of Tr, it is always assumed that the current in the secondary winding is out of phase with respect to the current in the primary winding. As a result, the magnetizing forces are subtracted, and thus the power is taken from the primary to the secondary winding. However, such a conclusion is valid only for inductive load. Most transformers operate on an active load, in connection with which there is a mismatch angle between the antiphase values of these currents. Moreover, the active load introduces the effect of forcing into the secondary winding, i.e. the bias angle between the currents is not equal to 180 °, but equal to 90 ° + α. This angle α, depending on the parameters Tr and the load varies from 45 ° to 25 °, and ideally should tend to 90 °. For this reason, higher harmonics appear in the transformer, which generate eddy currents. And, as a result of all this, there are increased losses, distortion of the waveform, etc.

Таким образом, задача сводится к тому, чтобы обеспечить противофазность токов в первичной и вторичной обмотках.Thus, the task is to ensure that the currents in the primary and secondary windings are out of phase.

На рис.1 приведена электрическая схема трансформатора, которая позволяет решить эту проблему.Fig. 1 shows the electrical circuit of the transformer, which allows to solve this problem.

Она включает в себя собственную часть трансформатора - это первичная обмотка, с подводимым к ней напряжением u₁; три вторичных обмотки, одна из которых (L=L₃+L₄) исполняет роль рабочей обмотки, а две другие (L₁, L₂), включенные встречно - роль обмоток обратной связи; и дополнительные устройства.It includes its own part of the transformer - this is the primary winding, with a voltage u ₁ supplied to it; three secondary windings, one of which (L = L ₃ + L ₄ ) plays the role of the working winding, and the other two (L ₁ , L ₂ ) included in the opposite role are the feedback windings; and additional devices.

В качестве дополнительных устройств в схеме используются: диоды (Д₁÷Д₄), конденсаторы (C₁=C₂=C) и гасящие резисторы (R₁=R₂=R).As additional devices, the circuit uses: diodes (D ₁ ÷ D ₄ ), capacitors (C ₁ = C ₂ = C) and suppression resistors (R ₁ = R ₂ = R).

Электрическую схему (рис.1) можно представить в форме мостовой. В диагональ этого моста (точки а, в) включается нагрузка в виде резистора R_н.The electrical circuit (Fig. 1) can be represented in the form of a bridge. The diagonal of this bridge (points a, b) includes a load in the form of a resistor R _n .

Прежде, чем перейти к рассмотрению принципа работы схемы, приведем некоторые теоретические положения, на базе которых разработана указанная принципиальная схема.Before proceeding to consider the principle of operation of the circuit, we present some theoretical provisions on the basis of which the indicated circuit diagram is developed.

Энергия магнитного поля (Wμ) переменного тока (i=I_m·sinωt) определяется выражениемThe magnetic field energy (Wμ) of an alternating current (i = I _m · sinωt) is determined by the expression

, ,

где I_m, I - амплитудное и действующее значение тока;where I _m , I is the amplitude and current value of the current;

L_i - индуктивной i-ой обмотки.L _i - inductive i-th winding.

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°±α.According to (1), the magnetic field energy has a pulsed character of doubled frequency and a constant component of magnetization, i.e. pole of magnetization (“N” - “S”) or (“S” - “N”). The constant component is determined by the phase of the current coming into the primary winding Tr. In expression (1), it is assumed that at the moment the transformer is turned on, the current in the primary winding has a zero bias. However, in the general case, it can have a phase shift from zero to 180 ° ± α.

Для распознания фазы тока, приходящего в первичную обмотку, и служат диодные цепочки (Д₁-Д₂, Д₃-Д₄); они же попеременно в каждый следующий полупериод обеспечивают направленность токов разрядки конденсаторов (C₁, C₂). Гасящие резисторы (R₁, 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.To recognize the phase of the current coming into the primary winding, diode circuits are used (D ₁ -D ₂ , D ₃ -D ₄ ); they alternately in each subsequent half-cycle provide the directivity of the discharge currents of the capacitors (C ₁ , C ₂ ). Extinguishing resistors (R ₁ , R ₂ ) are used to eliminate large current surges in the primary winding. But the conducted experimental studies on step-down transformers of low power (up to 500 W) showed that they can be excluded from the circuit, because the ohmic resistance of the working windings is quite enough to solve the problem.

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 ωL=2ωL₁=2ωL₂; в-третьих, схема должна быть настроена на резонанс, т.е. . В этом случае предлагаемый Тр проявляет оптимальные технические характеристики.The requirements for the circuit are that: firstly, the right and left parts (relative to the load R _n ) of the bridge circuit are symmetrical; secondly, the voltage on the working winding (U _p ) should be two times greater than the voltage on the feedback windings (U _oc ), or the condition ωL = 2ωL ₁ = 2ωL _{2 was} fulfilled; thirdly, the circuit must be tuned to resonance, i.e. . In this case, the proposed Tr exhibits optimal technical characteristics.

Принципиальная схема, изображенная на рис.1, представляет собой нелинейную электрическую цепь. Но, именно, путем введения в схему нелинейных элементов (диодов) удалось достигнуть желаемого эффекта.The circuit diagram shown in Fig. 1 is a non-linear electrical circuit. But, precisely, by introducing nonlinear elements (diodes) into the circuit, the desired effect was achieved.

Рассмотрим принцип работы схемы (рис.1) в предположении, что резисторы R₂, R₂ отсутствуют; центры диодных цепей замкнуты через конденсаторы C¹, C₂.Consider the principle of operation of the circuit (Fig. 1) under the assumption that resistors R ₂ , R _{2 are} absent; the centers of the diode circuits are closed through capacitors C ¹ , C ₂ .

При отсутствии нагрузки, т.е. при R_н=∞, которая включается в диагональ моста между точками а и в, схема работает следующим образом.In the absence of load, i.e. when R _n = ∞, which is included in the diagonal of the bridge between points a and b, the scheme works as follows.

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 С₂ по отношению к времени зарядки конденсатора C₁ 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.Suppose that, upon the arrival of the first half-wave in the secondary windings, the voltage polarity was formed as indicated in the diagram (Fig. 1) - signs “+” and “-” without brackets. In this case, both capacitors will be charged to the maximum amplitude of the working winding (U _p ). Moreover, the charging time of the capacitor C ₂ with respect to the charging time of the capacitor C ₁ will be shifted by a quarter of the period of the alternating signal. Having passed the maximum amplitude, the signals on the working winding (U _L ) and feedback windings (U _L1 and U _L2 ) will decrease. Capacitors come into operation - they have the ability to discharge. The electric energy stored by them will be returned back to the windings: the capacitor C ₁ will be discharged to the working winding, and the capacitor C ₂ will be discharged to the feedback windings, converting the electric energy again into magnetic field energy. In the second half-cycle, the picture will be repeated, but already with delay with a shift in time, or in phase. In subsequent periods, the shoulders of the bridge will work as if in a "pendulum" mode - how much energy was received by the capacitors, so much of it will be returned back to the inductance Tr.

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.Naturally, the ohmic resistance of the windings is always present. Therefore, losses are not excluded. But the fact is that during experimental studies of several transformers of different types, it was established that the open circuit current of the transformer, made according to the circuit of Fig. 1, is more than two times less than that of the same Tr, but with the additional devices turned off.

Здесь отметим, что, несмотря на постоянный обмен энергиями между индуктивностями и емкостями, в диагонали моста (между точками а и в) всегда имеет разность потенциалов, т.е.Here, we note that, despite the constant exchange of energies between inductances and capacitors, there is always a potential difference in the diagonal of the bridge (between points a and b), i.e.

U_aв=U_p+U_L U _av = U _p + U _L

Включение в диагональ моста нагрузки (R_н≠0) 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(ωt+α), 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.The inclusion in the diagonal of the load bridge (R _n ≠ 0) the picture of the processes in the circuits will practically not change. It will only lead to the redistribution of currents in the circuits. The meaning of the redistribution of currents is that when the current in the secondary windings changes according to the law i = I _m · sin (ωt + α), the capacitor C ₁ (in the first half-cycle) is charged in time and capacitor C ₂ - in time . By decreasing the half-wave amplitude, they will begin to discharge - the capacitor C ₂ directly through the working winding, the capacitor C ₁ through the inductance L ₁ and the load. Moreover, if the voltage on the capacitor C ₂ is less than on the capacitor C ₁ , then the latter can be partially discharged directly and through the working winding. In other words, in all cases, the discharge of both capacitors creates a delay in the current in the secondary windings. After the end of the transition process, through the use of the principle of "pendulum", according to which both arms of the bridge must ultimately be balanced in time, the current in the secondary windings of the transformer will be out of phase with respect to the current of the primary winding.

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.The conducted experimental studies on transformers of the type TN-56-220-50, TN-61-220-50, TAN-104-127 / 220-50, etc. fully confirmed the validity of the conclusions given in the description.

Claims

A linear transformer containing a classic transformer with three secondary windings, one of which (the working winding) has a number of turns twice as many as in the other two (feedback windings); two diode cells, consisting of two series-connected diodes; two capacities, characterized in that one output of the working winding is electrically connected to two counter-enabled diode cells, the second terminals of which are electrically connected to the free terminals of the feedback windings connected in-between; the second output of the working winding is electrically connected to capacitors, the free terminals of which are connected to the midpoints of the diode cells; the load leads are connected to the common point of the feedback windings and to the common point of the two capacitors and the second output of the working winding.