СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА
METHOD FOR IMPROVING EFFICIENCY OF TRANSFORMER OPERATION

Изобретение относится к области трансформаторов и может быть использовано в промышленных объектах техники для всех типов трансформаторов.
Задачей данного изобретения является повышение эффективности работы трансформатора.
Известно, что принцип действия трансформатора основан на явлении взаимной индукции, возникающем при протекании переменного тока в первичной обмотке трансформатора, в результате чего за счет созданного в ней переменного магнитного потока во вторичной обмотке наводится переменная электродвижущая сила (ЭДС). При подключении ко вторичной обмотке нагрузки в цепи вторичной обмотки протекает ток, создающий во вторичной обмотке магнитный поток, встречный направлению магнитного потока в первичной обмотке. В литературе Кацман М.М. «Электрические машины», М.: Высшая школа, 1990, - 360 с. отмечено, что отбор энергии из первичной обмотки во вторичную в линейном плане может происходить только при индуктивном характере нагрузки или в режиме короткого замыкания трансформатора, т.е. когда нагрузкой является вторичная обмотка.
На основании экспериментальных и теоретических исследований, изложенных в монографии авторов Ермакова И.И., Киселева В.В. «Обобщенный анализ и синтез электрических цепей с распределенными параметрами» - Казань: Изд-во КВАКУ, 2000. - 132 с., отмечено, что недостатком классических трансформаторов является то, что реально ток во вторичной обмотке, который определяется характером конкретной нагрузки, не находится в противофазе по отношению к току в первичной обмотке. Вследствие чего магнитные потоки, созданные токами первичной и вторичной обмоток, алгебраически не вычитаются. Во вторичной обмотке как бы появляется дополнительная поперечная составляющая магнитного потока. Это обстоятельство приводит к появлению в трансформаторе высших гармоник, к повышению потерь в стали и нарушению постоянства коэффициента трансформации.
Также отмечено, что по опыту эксплуатации трансформаторов в лабораторных условиях его кпд в ненагруженном состоянии значительно ниже, чем в нагруженном. Известно также, что коэффициент трансформации классических трансформаторах при изменении нагрузки меняется, причем в значительных пределах. С точки зрения закона сохранения энергии (полагая, что потери, присущие трансформатору, представляющему собой единое электротехническое устройство, в различных режимах работы должны оставаться постоянными) этого быть не должно.
Активная нагрузка трансформатора вводит во вторичную цепь эффект форсировки (опережения) тока - за полупериод переменного тока накопившаяся в индуктивности обмотки энергия магнитного поля рассеивается через резистор. Поэтому угол смещения между токами в первичной и вторичной обмотках оказывается равным не 180°, как это обычно предполагается, а равным 90°+α. Причем угол α в зависимости от параметров вторичной обмотки Тр и значения активной нагрузки может колебаться в пределах от 45°, что соответствует максимальной выдаче электрической энергии в нагрузку (это когда индуктивное сопротивление вторичной обмотки равно значению активного сопротивления), до 25°.
Задачей данного изобретения является обеспечение постоянства коэффициента трансформации за счет повышения инерционности вторичной цепи, сведения к минимуму уменьшения постоянной составляющей намагниченности магнитопровода сердечника трансформатора и приближения к противофазности токов в первичной и вторичной обмотках.
Указанная задача решается тем, что с целью повышения кпд трансформатора и его эффективности работы нагрузку трансформатора, содержащего согласно фиг. 1 магнитопровод 1, первичную катушку 2, вторичную катушку 4 и нагрузку 5 увеличиваем за счет последовательного или параллельного подключения к действующей нагрузки второй первичной катушки 3, представляющую собой внутреннюю положительную обратную связь. При этом магнитный поток, образованный этой катушкой 3, должен совпадать с магнитным потоком, образованным первичной катушкой 2. Катушка 3 при этом устраняет эффект форсировки (опережения) тока в нагрузке. Таким образом, трансформатор содержит контур обратной связи, включающий электрически связанные вторичную катушку, нагрузку и дополнительную катушку обратной связи, при этом вектора магнитных напряженностей катушки обратной связи и первичной катушки трансформатора направлены вдоль магнитопровода в одну сторону. Катушка обратной связи может быть параллельно подключена ко вторичной катушке трансформатора.
Дополнительное увеличение эффективности заключается в том, что однопериодная электромагнитная волна, образованная током вторичной катушки 4 трансформатора, имеющая длину, например, 6000 км проходит через нагрузку 5 столько раз, сколько длина контура прохождения тока образованного током катушки 4 меньше длины 50 Гц волны. Для сравнения можно сказать, что длина контура нагрузочного тока трансформатора без обратной связи значительно превышает длину рассматриваемого контура обратной связи.
На фиг. 2 изображена параллельная работа двух трансформаторов с обратными связями. При этом обратная связь первого трансформатора подключена ко второму и наоборот - обратная связь второго подключена к первому трансформатору. Если в качестве нагрузки используются, например, электромагнитные излучатели, то для изменения их выходных характеристик на трансформаторы подаются напряжения, сдвинутые по фазе, или один из трансформаторов отключается. Также для изменения выходных характеристик (временных диаграмм) обратная связь может содержать фазосдвигающие устройства, регулируемые низкочастотные преобразователи, усилители. Таким образом, на катушку обратной связи может быть подано напряжение согласно желаемой временной характеристики (диаграммы).