РЕЗОНАНСНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР

Суть полезной модели: Суть полезной модели заключается в том, что первичная и вторичные обмотки трансформатора размещаются симметрично относительно друг друга на противоположных частях замкнутого магнитопровода трансформатора так, что расстояние между ними равно 1/8 длины волны рабочей частоты трансформатора, т.е. расстояние между первичными и вторичными обмотками трансформатора равно λ/8=c/8f, где c - скорость света, а f - рабочая частота трансформатора и цепь первичной обмотки выполняется в виде резонансного контура так, что индуктивность первичной обмотки является частью резонансного контура и резонансная частота контура соответствует рабочей частоте f трансформатора.
Описание полезной модели: Полезная модель относится к области электрических трансформаторов, преобразователей энергии и может быть использовано в качестве трансформатора в науке, связи, промышленности и других применениях. Прототипом являются электрические трансформаторы и резонансные контуры/цепи.
На фиг.1 варианты конструкции резонансного трансформатора; на фиг.2 варианты электрической схемы резонансного трансформатора; на фиг.3 условные графики сигналов тока I1 и магнитного поля B1 в первичной обмотке L1 выходного напряжения U2 во вторичных обмотках L2, L2.1, L2.2: 1 - замкнутый магнитопровод трансформатора; L1 - первичные обмотки трансформатора; L2, L2.1, L2.2 - вторичные обмотки трансформатора; U1 - внешний источник питания; A1 - схема управления; C - электрический конденсатор резонансного контура; РК - резонансный контур; Rнагрузка - внешняя нагрузка.
На фиг.1 показаны варианты конструкции трансформатора: на замкнутом магнитопроводе (1) трансформатора намотаны первичная обмотка L1, а вторичная обмотка L2 (или несколько вторичных обмоток L2.1, L2.2 и т.д.) размещаются симметрично относительно первичной обмотки L1 на противоположных частях замкнутого магнитопровода (1) трансформатора на расстоянии равном 1/8 длины волны рабочей частоты трансформатора, т.е. расстояние между первичными обмотками и вторичными обмотками равна 1/8 длины волны рабочей частоты трансформатора S=λ/8=c/8f, где c - скорость света (≈300000000 м/с), f - рабочая частота трансформатора. Форма магнитопровода (1) трансформатора может быть любой (П-, Ш-образные, кольцевые или броневые сердечники и т.д.), форма сечения магнитопровода так же может быть любой.
На фиг.2 показаны варианты базовых электрических схем резонансного трансформатора. Первичная обмотка L1 включается в резонансный контур так, что индуктивность первичной обмотки L1 является частью резонансного контура, при этом резонансный контур настроен на рабочую частоту f трансформатора. Схема резонансного контура может быть любой: параллельный резонансный контур или любой другой резонансный контур (РК) при обеспечении частоты резонансного контура равной рабочей частоте f трансформатора и максимальной добротностью контура. Внешний источник переменного напряжения U может быть любым с фиксированной или управляемой схемой управления (A1) выходной частотой переменного напряжения равной рабочей частоте f трансформатора. Резонансный контур (РК) может быть переменным с фиксированной или управляемой схемой управления (A1) резонансной частотой контура (РК) равной рабочей частоте f трансформатора. Схема (A1) может быть любой при обеспечении регулирования частоты внешнего источника переменного напряжения U (управляемый генератор и т.п.) и обеспечении регулирования частоты резонанса резонансного контура (РК) (переменный конденсатор и т.п.).
При подключении внешнего источника переменного напряжения U к резонансному контуру (РК) и первичной обмотке L1 резонансного трансформатора в резонансном контуре возникнут колебания на рабочей частоте f трансформатора, так как частота внешнего источника переменного напряжения U и резонансная частота резонансного контура (РК) совпадают и равны рабочей частоте f трансформатора. Амплитуда колебаний напряжения в резонансном контуре будет равна амплитуде переменного напряжения U внешнего источника питания, а ток I1 циркулирующий в резонансном контуре и первичной обмотке L1 будет больше тока потребления от источника питания U и определяется добротностью резонансного контура (РК), что соответствует общеизвестному принципу работы параллельного резонансного контура. Ток потребления (мощность потребления) из источника питания U требуется для компенсации активных потерь в резонансном контуре (электрическое сопротивление и другие потери в элементах контура). Мощность в первичной обмотке L1 будет равна P=UI1, где U - напряжение источника питания, I1 - ток циркулирующий в резонансном контуре.
В момент времени t0 ток I1 в первичной обмотке L1 начинает возрастать (фиг.3) синхронно с током I1 начинает возрастать магнитное поле B1, создаваемое этим током. Магнитное поле B1 начинает распространяться со скоростью света, а так как вторичная обмотка B2 расположена на расстоянии 1/8 длины волны рабочей частоты f трансформатора, то магнитное поле B1 достигает вторичной обмотки L2 в момент времени t1 (наклонный курсив на графиках) и во вторичной обмотки L2 с момента времени t1 появляется ЭДС, которое создает напряжение U2 во вторичной обмотке L2. В момент времени t2 ток I1 в первичной обмотке L1 и магнитное поле B1 имеют максимальное значение, а магнитное поле B1 которое достигло вторичной обмотки L2 соответствует току I1 в первичной обмотке L1 на момент времени t1 (наклонный курсив на графиках), т.е. I1maxSin8(π/4) и B1maxSin(π/4). С момента времени t2 ток I1 в первичной обмотке L1 и магнитное поле B1 начинают уменьшаться. Магнитное поле B1 начинает «схлопываться» обратно в первичную обмотку L1, т.е. в момент времени t2 магнитное поле начинает уменьшаться одновременно в первичной обмотке L1 и во вторичной обмотке L2. Соответственно напряжение U2 во вторичной обмотке L2 тоже начинает уменьшаться. Ток I2 во вторичной обмотке L2 создает магнитное поле B2, которое направлено встречно магнитному полю B1. С момента времени t1 магнитное поле B2 начинает возрастать и распространяться со скоростью света, а так как первичная обмотка L1 расположена на расстоянии 1/8 длины волны рабочей частоты f трансформатора, то магнитное поле B2 достигает первичной обмотки L1 в момент времени t2, а так как в этот момент времени t2 магнитное поле B1 начинает уменьшаться во вторичной обмотке L2, то соответственно начинает уменьшаться ток I2 во вторичной обмотке L2 и начинает уменьшаться магнитное поле B2. Следовательно магнитное поле B2 достигнув первичной обмотки L1 в момент времени t2 сразу начинает уменьшаться не оказывая влияния на первичную обмотку L1. К моменту времени t3 магнитное поле B1 полностью покидает вторичную обмотку L2 и продолжает уменьшаться до нуля к моменту времени t4/t0.
Максимальная ЭДС (напряжение U2) во вторичной обмотке L2 соответствует току I1 в первичной обмотке L1 в момент времени t1, т.е. I1maxSin(π/4), соответственно коэффициент трансформации резонансного трансформатора будет пропорционально меньше и равен k=W1Sin(π/4)W2=w1/√2w2, где w1 - количество витков в первичной обмотке L1, w2 - количество витков во вторичной обмотке L2.
Наибольшая эффективность резонансного трансформатора достигается при расстоянии между первичными и вторичными обмотками трансформатора равном точно 1/8 длины волны рабочей частоты трансформатора, но расстояние может быть в пределах от 1/8 до 1/4 длины волны рабочей частоты трансформатора с ухудшением эффективности до нуля при 1/4 длины волны или больше, т.к. магнитное поле B1 первичной обмотки L1 просто не будет «успевать» достичь вторичной обмотки L2 и создать в ней ЭДС (напряжение U2). При расстоянии меньшем 1/8 длины волны рабочей частоты трансформатора, магнитное поле вторичной обмотки L2 начнет оказывать влияние на первичную обмотку L1 и соответственно будет изменяться резонансная частота резонансного контура, что так же ухудшает эффективность работы резонансного трансформатора.
Ближайшим аналогом являются стандартные трансформаторы переменного тока (http://ru.wikipedia.org/wiki/Трансформатор).
Преимуществом резонансного трансформатора является то, что в трансформаторе отсутствует влияние вторичных обмоток на первичную обмотку.
Вторым преимуществом является то, что он имеет малые массогабаритные размеры.