Параметрический ортогонально-потоковый трансформатор с положительной обратной связью
PARAMETRIC ORTHOGONAL-FLOW TRANSFORMER WITH POSITIVE FEEDBACK

Изобретение относится к области электротехники, и может быть использовано при проектировании параметрических трансформаторов для источников вторичного электропитания с повышенным коэффициентом усиления и КПД.
Известен параметрический трансформатор, (RU №2040058, МПК H01F 27/28, G05F 3/06, 20.07.1995 г.), включающий в себя составной магнитопровод броневого типа, в котором на одном из крайних участков расположена первичная обмотка, подключенная к сети с напряжением U1, частотой f1, на другом крайнем участке меньшего сечения, расположена выходная резонансная обмотка, подключенная к конденсатору, данный участок периодически насыщается магнитным потоком первичной обмотки, что вызывает периодическую модуляцию индуктивности обмотки резонансного контура, а вместе с этим и параметрическое возбуждение колебаний в контуре.
Недостатком данного аналога является большие расходы энергии при периодическом насыщении участка магнитопровода с меньшим сечением и, как следствие, снижение КПД. Кроме того, поскольку аналог не имеет ортогональных плоскостей, в которых расположены первичная и вторичная обмотки, не исключена электромагнитная взаимосвязанность первичной и вторичной обмоток, то есть существует трансформаторная связь между ними, вызывающая потери на гистерезис и появление высокочастотных помех в первичном напряжении, что еще более снижает КПД всего устройства.
Также известен параметрический трансформатор (А.С. SU 877634, МПК H01F 29/00, H01F 35/00, опубл. 30.10.81. Бюл. №40), включающий по п. 1 сдвоенный Ш-образный магнитопровод, на среднем общем ярме которого расположены первичная, вторичная и обмотка возбуждения, замкнутая на конденсатор, трансформатор снабжен дополнительной обмоткой, которая расположена на одном из крайних стержней, выполненного в виде С-сбразного сердечника, плоскость окна которого перпендикулярна плоскости окон сдвоенного Ш-образного магнитопровода. Параметрический трансформатор дополнительно снабжен магнитными шунтами, через которые С-сбразный сердечник состыкован с Ш-образным магнитопроводом, магнитные шунты набраны из листов магнитного материала и их плоскости перпендикулярны плоскостям листов Ш-образного магнитопровода.
Недостатками данного аналога также является то, что при периодическом насыщении части Ш-образным магнитопровода, происходит большой расход энергии и снижается КПД. Кроме этого, в конструкции не удалось полностью исключить трансформаторные связи, т.е. существует электромагнитная связь в области стыков С-образного сердечника с Ш-образным магнитопроводом напрямую или через магнитный шунт, что приводит к увеличению потерь на гистерезис в магнитопроводе и высшие гармоники в первичном и вторичном напряжении.
Известен также параметрический трансформатор (А.С SU 1663631, МПК H01F 29/00, H01F 35/00, опубликованное 15.07.91, бюл №28), содержащий стержневой магнитопровод, первичную и вторичную обмотки, обмотку возбуждения, зашунтированную конденсатором и обмотку управления постоянного тока, причем магнитопровод выполнен в форме тороида, состоящего из совокупности пар ортогонально расположенных и поочередно состыкованных двухстержневых и трехстержневых сердечников, все обмотки выполнены секционированными, при этом на двухстержневых сердечниках расположены секции первичной обмотки и обмотки управления, а на внешних стержнях трехстержневых сердечников расположены секции вторичной обмотки и обмотки возбуждения.
При неоспоримых преимуществах данный аналог имеет недостатки характерные для большинства паратрансов - электромагнитную зависимость входного и выходного напряжения из-за отсутствия ортогональных плоскостей и как следствие уменьшение КПД, но главным и существенным недостатком его конструкции является многостержневая структура, приводящая к низкой технологичности и сложности изготовления, повышенным полям рассеяния на стыках, что вызывает дополнительные потери и снижение КПД.
Кроме того, известен способ увеличения мощности электрического сигнала (патент на изобретение №2600097 RU, МПК H03F 3/20, опублик. 20.10.2016), реализованный устройством, в котором на вход усилителя для питания колебательного контура подают сигнал переменного тока, находящийся в полосе пропускания колебательного контура усилителя через элемент положительной обратной связи, причем указанный сигнал подают через элемент обратной связи последовательно с источником сигнала, при этом в сердечнике лавинообразно нарастает магнитный поток, который индуцирует ЭДС во вторичных обмотках усилителя для питания потребителей.
Недостатком данного аналога, основанного на данном способе является отсутствие параметрической связи между входной и выходной обмотками, а следовательно, наличие трансформаторной связи между ними.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является параметрический ортогонально-потоковый трансформатор с независимыми замкнутыми магнитопроводами (Патент на изобретение №2674009 RU, МПК H01F 29/14, опублик. 2018.12.04), который содержит одну или более входных и одну или более выходных обмоток, каждая из которых расположена на собственном замкнутом магнитопроводе, которые пересекаются друг с другом под прямыми углами так, что магнитный поток входной обмотки влияет только на изменение магнитной проницаемости магнитопровода выходной обмотки на участке их пересечения, а ЭДС в выходной обмотке не возбуждается.
При неоспоримых преимуществах параметрического ортогонально-потокового трансформатора, выбранного в качестве прототипа, недостатком данного устройства является повышенный расход энергии при насыщении участков пересечения магнитопроводов, что снижает энергоэффективность и КПД всего устройства. Кроме того, не предусмотрены меры по сохранению устойчивости колебаний при увеличении нагрузки, Этот недостаток характерен для всех перечисленных параметрических трансформаторов.
Задачей предлагаемого изобретения является улучшение энергоэффективности устройств, в которых применяется предлагаемый параметрический ортогонально-потоковый трансформатор, за счет введения положительной обратной связи, повышающей КПД устройства.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является сохранение функции параметрического трансформатора при введении положительной обратной связи и сохранение устойчивости колебаний при увеличении нагрузки до предела большего, чем в прототипе.
Технический результат достигается тем, что в параметрическом ортогонально-потоковом трансформаторе с независимыми замкнутыми магнитопроводами, содержащем одну входную и одну выходную обмотку, входная обмотка расположена на первичном магнитопроводе, а выходная обмотка расположена на собственном вторичном магнитопроводе, причем первичный магнитопровод и вторичный магнитопровод пересекаются друг с другом под прямым углом так, что магнитный поток входной обмотки влияет только на изменение магнитной проницаемости вторичного магнитопровода на участке их пересечения, а трансформаторная ЭДС от магнитного потока входной обмотки во вторичной обмотке не возбуждается, согласно изобретению входная обмотка, расположенная на первичном магнитопроводе, подсоединена к переменному питающему синусоидальному напряжению, а выходная обмотка замкнута на резонансный конденсатор и образует с ним резонансный контур, на первичном магнитопроводе еще расположена обмотка положительной обратной связи со средней точкой, которая разделяет обмотку положительной обратной связи на две равные полуобмотки, соединенные согласно, кроме того, вторичная обмотка соединена с мостовым выпрямителем на диодах, а мостовой выпрямитель на диодах через две равные полуобмотки положительной обратной связи соединен с конденсатором фильтра и нагрузкой, причем обмотка положительной обратной связи соединена с выходной обмоткой и нагрузкой таким образом, что начало верхней полуобмотки положительной обратной связи соединено с катодом верхнего правого диода, анод которого соединен с катодом нижнего правого диода, началом выходной обмотки и левой обкладкой резонансного конденсатора, конец выходной обмотки соединен с правой обкладкой резонансного конденсатора, анодом верхнего левого диода и катодом нижнего левого диода, катод верхнего левого диода соединен с концом нижней полуобмотки положительной обратной связи, а анод нижнего левого диода соединен с анодом нижнего правого диода, нижней отрицательной обкладкой конденсатора фильтра и нижним концом нагрузки, верхний конец нагрузки соединен с верхней положительной обкладкой конденсатора фильтра и средней точкой обмотки положительной обратной связи.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом, на котором показана принципиальная схема параметрического ортогонально-потокового трансформатора с положительной обратной связью.
Параметрический ортогонально-потоковый трансформатор с независимыми замкнутыми магнитопроводами, содержит одну входную 1 и одну выходную обмотку 2, входная обмотка 1 расположена на первичном магнитопроводе 3, а выходная обмотка 2 расположена на собственном вторичном магнитопроводе 4, причем первичный магнитопровод 3 и вторичный магнитопровод 4 пересекаются друг с другом под прямым углом так, что магнитный поток входной обмотки 1 влияет только на изменение магнитной проницаемости вторичного магнитопровода 4 на участке их пересечения 5, а трансформаторная ЭДС от магнитного потока входной обмотки 1 во вторичной обмотке 2 не возбуждается, согласно изобретению входная обмотка 1, расположенная на первичном магнитопроводе 3, подсоединена к переменному питающему синусоидальному напряжению, а выходная обмотка 2 замкнута на резонансный конденсатор 6 и образует с ним резонансный контур, на первичном магнитопроводе 3 еще расположена обмотка положительной обратной связи 7 со средней точкой 8, которая разделяет обмотку положительной обратной связи 7 на две равные полуобмотки 7-1 и 7-2, соединенные согласно, кроме того, вторичная обмотка 2 соединена с мостовым выпрямителем 9 на диодах 10-13, а мостовой выпрямитель 9 через две равные полуобмотки положительной обратной связи соединен с конденсатором фильтра 14 и нагрузкой 15, причем обмотка положительной обратной связи 7 соединена с выходной обмоткой и нагрузкой следующим образом: начало верхней полу обмотки положительной обратной связи 7-1 соединено с катодом верхнего правого диода 10, анод которого соединен с катодом нижнего правого диода 11, началом выходной обмотки 2 и левой обкладкой резонансного конденсатора 6, конец выходной обмотки 2 соединен с правой обкладкой резонансного конденсатора 6, анодом верхнего левого диода 12 и катодом нижнего левого диода 13, катод верхнего левого диода 12 соединен с концом нижней полуобмотки положительной обратной связи 7-2, а анод нижнего левого диода 13 соединен с анодом нижнего правого диода 11, нижней отрицательной обкладкой конденсатора фильтра 14 и нижним концом нагрузки 15, верхний конец нагрузки 15 соединен с верхней положительной обкладкой конденсатора фильтра 14 и средней точкой обмотки положительной обратной связи 7.
Недостаток прототипа устраняется применением положительной обратной связи в параметрическом ортогонально-потоковом трансформаторе. Известно, что в параметрических ортогонально-потоковых трансформаторах пространственный сдвиг между первичным и вторичным магнитопроводами составляет 90°, между магнитными потоками в магнитопроводах и напряжениями первичной 1 и вторичной обмотки 3 также наблюдается фазовый сдвиг 90°. Если напряжение на первичной обмотке 1 равно U1
m
U1=Usinωt,
m
где U - амплитудное значение напряжения питания;
ω - угловая циклическая частота переменного тока;
m
то напряжение на вторичной обмотке 3 будет U2=Ucosωt, следовательно, если вводим любую обмотку (в нашем случае обмотку положительной обратной связи 7) на первичный магнитопровод 2, то фаза напряжения на ней должна совпадать с фазой напряжения первичной обмотки 1.
1
2
∑
1
2
Это достигается тем, что напряжение в цепь положительной обратной связи 7 подается с конденсатора 6 резонансного контура, которое отстает от тока вторичной обмотки 3 на 90°, таким образом, напряжение на первичной обмотке 1 и напряжение обмотки положительной обратной связи 7 совпадут по фазе. При этом первичный поток Ф увеличивается на величину ΔФ, создаваемую обмотками положительной обратной связи 7, результирующий поток первичного магнитопровода 2 становится равным Ф=Ф+ΔФ при той же потребляемой мощности. Таким образом повышается КПД и энергоэффективность систем, в которых применяется предлагаемое устройство.
1
∑
1
2
Принцип работы предлагаемого параметрического ортогонально-потокового трансформатора основан на возникновении периодических колебаний в резонансном контуре при периодическом изменением какого-либо параметра, в частности, индуктивности выходной обмотки 3 резонансного контура. Это осуществляется периодическим насыщением участка пересечения 5 первичного магнитопровода 2 и вторичного магнитопровода 4 от первичного потока Ф. На фиг. показан частный случай применения данного устройства при питании нагрузки постоянным напряжением, поэтому в схеме присутствует мостовой выпрямитель 9 на диодах 10-13. Всем перечисленным выше конструкциям параметрических трансформаторов, в том числе и прототипу, присуща зависимость выходного напряжения от тока нагрузки падающего характера. При увеличении нагрузки выше определенного предела наступает срыв колебаний, и выходное напряжение падает до нуля. Предлагаемое устройство позволяет увеличить устойчивость колебаний при увеличении нагрузки 15 до предела большего, чем в прототипе. Это достигается введением обмоток положительной обратной связи 7, напряжение на которых зависит от величины тока нагрузки 15. При этом результирующий поток в первичного магнитопроводе 2 становится равным Ф=Ф+ΔФ, изменение индуктивности выходной обмотки 3 становится больше и амплитуда колебаний увеличивается, тем самым, компенсируя увеличение нагрузки 15, поэтому диапазон нагрузок в устройстве увеличивается.
1
2
∑
1
2
Таким образом, предлагаемый параметрический ортогонально-потоковый трансформатор позволяет повысить энергоэффективность и КПД систем, в которых он применяется, за счет введения обмотки положительной обратной связи 7 на первичном магнитопроводе 2 таким образом, что напряжение на первичной обмотке 1 и напряжение обмотки положительной обратной связи 7 совпадают по фазе. При этом первичный поток Ф увеличивается на величину ΔФ, создаваемую обмотками положительной обратной связи 7, результирующий поток первичного магнитопровода 2 становится равным Ф=Ф+ΔФ при той же потребляемой мощности.
∑
1
2
Кроме того, предлагаемое устройство позволяет увеличить устойчивость колебаний при увеличении нагрузки до предела большего, чем в прототипе, что достигается также введением обмоток положительной обратной связи 7, напряжение на которых зависит от величины тока нагрузки 15. При этом результирующий поток в первичном магнитопроводе 2 становится равным Ф=Ф+ΔФ, изменение индуктивности выходной обмотки 3 становится больше, и амплитуда колебаний увеличивается, тем самым компенсируя увеличение нагрузки 15.