ТРАНСФОРМАТОР
TRANSFORMER

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электромагнитных трансформаторах.
2
с
c
2
1
Известен клапанный электромагнит переменного тока (Таев И.С. Электрические аппараты. Общая теория. М.: Энергия, 1977, стр.234, 250), содержащий сердечник, охваченный обмоткой и короткозамкнутым витком. Короткозамкнутый виток электромагнита либо имеет электрическое сопротивление R>>0, либо охватывает только часть сечения сердечника, разделяя Н на сдвинутые по фазе относительно друг друга составляющие  и , направленные вдоль сердечника. Снижение рабочего значения H в электромагните нежелательно, т.к. это уменьшает его тяговое усилие. Кроме этого, уменьшение R до нуля увеличило бы ток I обмотки, подключенной к источнику напряжения, до разрушающего ее значения.
2
2
U
3
2
2
U
внеш.
внутр.
внеш.
внутр.
внеш.
внутр.
3
3
3
3
2
2
2
3
3
2
2
2
с
т
3
т
2
2
т
3
µт
c
т
внеш.
внутр.
µт
2
2
Наиболее близким техническим решением является трансформатор MTS/MTC/MTM (Вафин Ш.И., Казаков В.В., Казаков О.В., Немцев Г.А. Новые классические трансформаторы с оптимизированной блочной конструкцией. Описание и теоретическое обоснование. Ж-л «Энергетика Татарстана», №4, 2008 г., с.25), содержащий: сердечник, образованный вертикальными стержнями, верхние торцы которых магнитно соединены через верхнее ярмо, а нижние - через нижнее ярмо; при этом торцы стержней электрически изолированы от ярем; первичные обмотки, охватывающие стержни; причем стержни навиты в виде рулонов из эмалированной ленты ферромагнитного материала с высокой электропроводностью и совмещают функцию вторичных обмоток или их части. Петля провода, соединяющего выход трансформатора с внутренним концом ленты стержня-обмотки и проходящего через его торец, охватывает вертикальное сечение тороида, образованного витками стержня-обмотки. ЭДС одного витка вертикального и горизонтального сечений стержня приблизительно равны е, т.е. Е=N·k·e>>е=Е, где: Е и N - ЭДС и количество витков стержня-обмотки; k=(D+2D)/(3D+3D), D и D - внешний и внутренний диаметры стержня-обмотки; Е - ЭДС петли провода. Поэтому полный ток I=i петли не ограничивается встречной ЭДС E петли и равен току нагрузки трансформатора i=I/N, т.е. I=i=i=I/N. Таким образом, тороид стержня и петля соединительного провода представляют собой сердечник и первичную обмотку трансформатора тока. Так как у этого трансформатора отсутствует цепь вторичной обмотки, напряженность магнитного поля этого трансформатора тока, перпендикулярная напряженности Н магнитного поля основного трансформатора, равна Н=I/l=I/(Nl) и при I>>I может вызвать перпендикулярное насыщение стержня, многократно уменьшая его магнитную проницаемость µ в направлении H; здесь: l=π·(D+D)/2 - средняя длина магнитной цепи тороида, I - эквивалентный ток его намагничивания. Схожая проблема возникает, даже если соединительный провод пропустить через горизонтальное сквозное отверстие в средней части стержня-обмотки. Это не позволяет изготавливать качественные трансформаторы MTS/MTC/MTM с понижающим коэффициентом трансформации, т.к. ограничивает увеличение выходного тока I/N нагрузки трансформатора.
Задачей изобретения является увеличение нагрузочной способности трансформатора.
Технический результат достигается тем, что в трансформатор, содержащий первичные обмотки, стержни-обмотки, верхнее и нижнее ярма, электрически изолированные и магнитно соединяющие верхние и нижние торцы стержней-обмоток, внутренние выводы которых соединены с выходами трансформатора проводами, проходящими через торцы стержней-обмоток, дополнительно введены короткозамкнутые размагничивающие витки, охватывающие тороиды стержней-обмоток и нейтрализующие их перпендикулярное намагничивание.
На чертеже изображен фрагмент трансформатора в разрезе.
Трансформатор содержит:
1 - первичные обмотки,
2 - стержни-обмотки,
3 - верхние и нижние ярма,
4 - провода,
5 - короткозамкнутые размагничивающие витки.
Верхние и нижние ярма 3 электрически изолированы и магнитно соединяют верхние и нижние торцы стержней-обмоток 2. Провода 4 проходят через торцы стержней-обмоток 2 и соединяют внутренние выводы стержней-обмоток 2 с выходами трансформатора. Короткозамкнутые размагничивающие витки 5 охватывают тороиды стержней-обмоток 2.
Трансформатор работает следующим образом.
1
1
раб.
1
1
1
1
1
c
2
2
U
2
U
внеш.
внутр.
внеш.
внутр.
внеш.
внутр.
При подключении переменного напряжения U сети с циклической частотой ω к выводам первичной обмотки 1 трансформатора с количеством витков N, в замкнутой магнитной цепи, содержащей стержни-обмотки 2 и ярма 3, наводится магнитный поток Ф=U/(ωN), пропорциональный ампер-виткам I=i·N первичной обмотки, равномерный по горизонтальному сечению S стержня 2 и наводящий во вторичной обмотке 2 с количеством витков N напряжение U=kωNФ, где k=(D+2D)/(3D+3D), D и D - внешний и внутренний диаметры стержня 2.
раб.
кз
2
2
кз
4
3
т
3
4
т
т
внеш.
внутр.
Вторая магнитная цепь, перпендикулярная потоку Ф, снижающая проницаемость сердечника путем его перпендикулярного намагничивания, образована тороидом стержня 2 и охвачена петлей провода 4 и короткозамкнутым витком 5, электрическое сопротивление которого R<<R, где R - суммарное электрическое сопротивление вторичной обмотки, роль которой выполняет стержень-обмотка, провод 4 и нагрузка трансформатора. Благодаря малому значению R полный ток I соединительного провода 4 становится равным полному току I короткозамкнутого витка 5, и напряженность магнитного поля нежелательной магнитной цепи Н=(I-I)/l близка к нулю; где l=π·(D+D)/2 - средняя длина окружности тороида стержня.
Таким образом, введение короткозамкнутого витка 5, охватывающего тороид стержня 2, полностью исключает перпендикулярное намагничивание стержня 2, сохраняя высокую магнитную проницаемость сердечника независимо от тока нагрузки трансформатора MTS/MTC/MTM.
26°C
mах
с
и
ж
Трансформатор может быть изготовлен из тех же материалов, из которых изготовлен прототип. Например, стержни обмотки 2 и ярма 3 могут быть навиты эмалированными полиимидом калиброванными лентами из 99,998-99,999% электролитического железа, изготовленного электрически-магнитным рафинированием на Кыштымском медеэлектролитном заводе или на Industrial metal powders (India) pvt. Itd. и имеющего следующие характеристики: удельное сопротивление ρ=0,0947 мкОм·м; относительная магнитная проницаемость µ=100000…120000; индукция насыщения В=2,66-2,70 Т; коэрцитивная сила Н<0,2 А/м; погрешность калибровки по ширине - не более ±0,25 мкм; толщина полиимидной 4-сторонней изоляции d=3 мкм, толщина металла одного слоя ленты d=50 мкм.
Трансформатор может иметь все конструкции, присущие прототипу, и может заменять все виды измерительных и силовых трансформаторов.