ТРАНСФОРМАТОР

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использовано в наиболее прецизионных экспериментах в физике, там, где необходимо регулируемое высокое напряжение.
В экспериментах с нейтронными пучками особое значение имеет надежная бесперебойная работа аппаратуры, в схему которой входит трансформатор. Поэтому при решении поставленной задачи на первый план при разработке элементов экспериментальной установки выходит задача минимизации всех факторов, влияющих на бесперебойную работу аппаратуры и создающих помехи на измерительную аппаратуру.
Для создания высокого напряжения используются различные виды преобразователей напряжения, в состав которых входит трансформатор. На вход трансформатора поступает низкое переменное или импульсное напряжение. С обмоток высшего напряжения трансформатора снимается увеличенное переменное или импульсное напряжение. Для большего увеличения высокого напряжения увеличенное на трансформаторе напряжение поступает на каскадные генераторы различных типов. Для прецизионных экспериментов используется симметричный каскадный генератор Халперна с пониженным уровнем наводок.
Для такого генератора необходим определенный тип трансформаторов с двумя обмотками одинакового высшего напряжения: А.А.брамян, Б.А.Альтеркоп, Г.Д.Кулешов, Интенсивные электронные пучки, М., Энергоатомиздат, 1984, 232 с.[1].
Известно, что для создания одинакового напряжения на обмотках трансформатора необходим одинаковый магнитный поток и одинаковое количество витков: А.М.Дымков, В.М.Кибель, Ю.В.Тишенин. Трансформаторы напряжения. Москва. «Энергия» [2].
Известен трансформатор П-образной формы: С.С.Вдовин, Проектирование импульсных трансформаторов. Л., Энергоатомиздат, 1991 г., 208 с., [3].
На каждом стержне этого трансформатора концентрически располагаются обмотка низшего, и на нее намотана обмотка высшего напряжения. Такой трансформатор обеспечивает одинаковый по величине магнитный поток.
Но в данном П-образном трансформаторе близкое расположение обмоток приводит к большой величине паразитной емкости трансформатора. Это особенно существенно для высоковольтных трансформаторов с большим количеством витков в обмотках высшего напряжения. В ключевых преобразователях напряжения форма напряжения на транзисторах, входящих в состав преобразователей, близка к прямоугольной. Это приводит к большим броскам тока перезаряда паразитной емкости (импульсный ток через транзисторы до 10А) (Вопросы радиоэлектроники. Серия общетехническая. 1970, N18. Л.К.Буевич, В.Б.Гаазе. Некоторые вопросы построения схем высоковольтных источников питания электронно-лучевых трубок) [4].Это снижает надежность работы, увеличивает уровень помех преобразователя напряжения, в схему которого (как внешнего устройства) входит трансформатор.
Известен однофазный изолирующий трансформатор, описанный в патенте РФ2199786 [5], содержащий трехстержневой магнитопровод. На центральном стержне установлена вторичная обмотка. Первичная обмотка выполнена из двух секций, установленных на периферийных стержнях и соединенных между собой с возможностью образования в центральном стержне магнитных потоков одного направления. Этот трансформатор стабилизирует напряжение и не приспособлен для получения высокого напряжения.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по конструктивным признакам является Ш-образный трансформатор: Патент WO 2004/040600 [6]. Данный трансформатор содержит одну обмотку низшего напряжения, которая расположена на крайнем стержне, две обмотки высшего напряжения (вторичные обмотки), которые расположены: одна на центральном стержне, а другая на втором крайнем стержне.
В силу такой конструкции трансформатор не обеспечивает одинакового высокого напряжения на обмотках высшего напряжения вследствие того, что магнитные потоки во вторичных обмотках неодинаковы по величине.
Поэтому он не может использоваться в установках, использующих симметричные умножители напряжения (для решения физических задач с повышенной точностью).
Кроме того в трансформаторе существует воздушный промежуток, что уменьшает магнитный поток, а значит и ограничивает выходное напряжение.
Задачей данного технического решения является обеспечение одинакового по величине высокого напряжения на обеих обмотках высшего напряжения трансформатора, уменьшение паразитной емкости трансформатора и обеспечение понижения уровня помех в аппаратуре, в схему которой входит трансформатор, например, в преобразователях напряжения.
Поставленная задача достигается тем, что в известном Ш-образном трансформаторе, содержащем одну обмотку (катушка) низшего напряжения (первичная катушка), две обмотки (катушки) высшего напряжения, новьм является то, что обмотка низшего напряжения расположена на центральном стержне трансформатора, а каждая из обмоток высшего напряжения расположена на соответствующем крайнем стержне трансформатора, и обмотки (катушки) высшего напряжения выполнены с противоположным направлением намотки.
Заявляемая совокупность признаков не обнаружена в открытых публикациях.
Одним из наиболее рациональных вариантов преобразователя, является резонансный преобразователь с переключением в нуле тока или напряжения: Силовая электроника, N2, 2007. В.Ланцов, С.Эраносян. Электромагнитная совместимость импульсных источников питания, [7]. Такой преобразователь имеет высокий кпд и низкий уровень помех. В таком преобразователе образуется колебательный LC-контур из индуктивности рассеяния и паразитной емкости трансформатора.
В заявляемом трансформаторе первичная обмотка и вторичная обмотка удалены друг от друга размещением на разных стержнях трансформатора. Симметричное расположение обмоток высшего напряжения относительно обмотки низшего напряжения обеспечивает одинаковые магнитные потоки, что необходимо для создания одинакового напряжения на обоих обмотках высшего напряжения. Одинаковое высокое напряжение на обеих обмотках трансформатора необходимо для работы симметричного каскадного генератора Халперна. При таком удаленном расположении обмоток высшего и низшего напряжения значительно уменьшается паразитная емкость трансформатора. Это значительно уменьшает броски тока при коммутации транзисторов в ключевых схемах. В свою очередь, это приводит к уменьшению помех и увеличению надежности работы преобразователя.
При удаленном расположении обмоток высшего и нижнего напряжения увеличивается индуктивность рассеяния трансформатора, что приводит к уменьшению коэффициента полезного действия преобразователя напряжения. Но увеличение индуктивности рассеяния не оказывает определяющего влияния на коэффициент полезного действия в резонансных схемах: В.Ланцов, С.Эраносян. Квазирезонансные источники питания: проблемы, новый взгляд. Силовая электроника, N3, 2007 [8]. Основным величиной, характеризующей потери мощности в резонансных схемах, является добротность колебательного контура, образованного индуктивностью рассеяния и паразитной емкостью трансформатора. В последовательном колебательном контуре увеличение индуктивности ведет к увеличению добротности контура,
В предлагаемом трансформаторе, увеличение индуктивности рассеяния были скомпенсированы малыми потерями колебательного контура. С помощью заявляемого трансформатора было получено выходное высокое напряжение, одинаковое на обеих обмотках (катушках) высокого напряжения и равное 10 кВ на каждой обмотке.
Кроме того, увеличение индуктивности рассеяния приводит к уменьшению резонансной частоты. Уменьшение резонансной частоты уменьшает потери на перемагничивание материала сердечника трансформатора и уменьшает перенапряжение на транзисторах. Это уменьшает вероятность пробоев транзисторов и повышает надежность преобразователя напряжения,
Известный П-образный трансформатор [3] дает возможность получить одинаковый магнитный поток и одинаковое напряжение на обеих вторичных обмотках. Но преобразователь с таким трансформатором менее надежен, более энергозатратен и имеет более высокий уровень помех в сравнении с предлагаемым трансформатором.
На фиг.1 представлено заявляемое устройство в разрезе, где: 1 - катушка (обмотка) низшего напряжения; 2, 3 - катушки (обмотки) высшего напряжения выполнены с противоположным направлением намотки (левая и правая намотка); 4- центральный стержень трансформатора, на котором расположена катушка (обмотка) низшего напряжения (1); 5, 6 - боковые стержни трансформатора, на которых расположены катушки (2, 3) высшего напряжения; 7, 8- высоковольтные выводы.
На фиг.2 (а) представлены осциллограммы тока (верхняя кривая) и напряжения (нижняя кривая) на транзисторе с П-трансформатором. Частота 15.75 кГц.
На фиг.2 (б) представлены осциллограммы тока (верхняя кривая) и напряжения (нижняя кривая) на транзисторе с заявляемым трансформатором. Частота 6,25 кГц.
Работа заявляемого устройства и возможность достижения эффекта заключается в следующем.
К обмотке низшего напряжения 1, расположенной на центральном стержне - 4 трансформатора, подключают источник переменного (импульсного) тока. Обмотки высшего напряжения -2 и 3, расположенные на боковых стержнях -5 и 6, подключаются к нагрузке (например, симметричный каскадный генератор Халперна). Расположение обмоток высшего и низшего напряжения на разных стержнях трансформатора приводит к уменьшению паразитной емкости, и соответственно к уменьшению импульсного тока по перезаряду этой емкости, что уменьшает вероятность выхода из строя полупроводниковых приооров и увеличивает к.п.д. преооразователя. расположение обмотки низшего напряжения на центральном стержне, а обеих обмоток высшего напряжения на крайних создает симметричный магнитный поток и одинаковое напряжение на обмотках высшего (при равенстве количества витков).
Чтобы снизить уровень помех необходимо, чтобы напряжение на каскадный генератор Халперна поступало поочередно, два раза за период. Кроме того, высоковольтный вывод должен находиться на наружной стороне обмотки, чтобы обеспечить электрическую безопасность. В заявляемом трансформаторе, чтобы соблюсти эти условия обмотки высшего напряжения имеют противоположную намотку.
Другими словами, когда низковольтные выводы катушек высшего напряжения с противоположной намоткой соединены, то на высоковольтных выводах (7, 8) этих катушек (обмоток) напряжение равно сумме напряжений на каждой катушке.
На обмотках высшего напряжения 2, 3 получают равное высокое напряжение.
В силу того, что обмотки высокого напряжения расположены симметрично относительно обмоток низшего напряжения, трансформатор обеспечивает разделенный магнитный поток, и одинаковые магнитные потоки в катушках (обмотках) высшего напряжения будут симметричны и одинаковы по величине, т.к. длина силовой линии, связывающей катушку низшего напряжения с каждой катушкой высшего напряжения, одинакова.
Таким образом, заявляемый трансформатор обеспечивает одинаковое высокое выходное напряжение на катушках высшего напряжения, обусловленное их симметричным расположением в отличие от прототипа.
Предлагаемое техническое решение имеет следующие преимущества перед прототипом:
1. Обеспечивает симметричную магнитную связь между катушкой низшего напряжения и каждой катушкой высшего напряжения, что позволяет использовать его для прецизионных экспериментов, где используются специальные устройства с пониженным уровнем наводок и высоким напряжением, как например, симметричный каскадный генератор Халперна.
2. Обеспечивает согласное включение 2-х обмоток высшего напряжения для уменьшения амплитуды пульсаций высокого напряжения и отсутствие пробоев высокого напряжения, т.к. высоковольтные выводы катушек высшего напряжения находятся на наружной стороне катушек.
4. Меньше длина магнитной силовой линии в цепи, связывающей катушку низшего напряжения и каждую из катушек высшего напряжения, что уменьшает магнитное сопротивление сердечника трансформатора.
Как было сказано выше, известен П-образный трансформатор, обеспечивающий одинаковое высокое напряжение.
При исследовании П-образного трансформатора, выявлены преимущества заявляемого трансформатора:
Значительно меньше паразитная емкостная связь между обмотками, что уменьшает потери и увеличивает выходное напряжение. На перезаряд этой емкости требуется большой импульсный ток. Как видно по осциллограммам тока (фиг.2) транзистора в обмотке низшего напряжения заявляемого трансформатора ток имеет синусоидальную форму, а в П-образном трансформаторе - сильно искаженную (первый полупериод имеет форму, близкую к прямоугольной), есть бросок тока. При работе с заявляемым трансформатором на осциллограмме тока нет броска тока при включении транзистора, что уменьшает потери и увеличивает надежность работы преобразователя.
При работе в резонансном источнике питания благодаря увеличенной индуктивности рассеяния трансформатора (которая вместе с паразитной емкостью образуют LC-контур) резонансная частота его значительно уменьшена. Соответственно, рабочая частота резонансного преобразователя значительно снижена, и в момент закрытия ключевого элемента (транзистора) напряжение на нем значительно снижено. Это увеличивает надежность преобразователя и уменьшает потери энергии, т.к. становится возможным использовать низковольтные транзисторы с малым сопротивлением канала. (фиг.2)
Меньше длина магнитной силовой линии, что увеличивает магнитный поток. Диаметр обмотки высшего напряжения в заявляемом трансформаторе меньше, чем в П-образном трансформаторе, где она располагается поверх первичной. Это значительно уменьшает длину и активное сопротивление провода и поля рассеяния. Это приводит к увеличению добротности контура и увеличению амплитуды напряжения на обмотке высшего напряжения.
В заявляемом трансформаторе значительно облегчена проблема изоляции высоковольтной обмотки.
Расположение обмотки высшего напряжения на крайних стержнях, облегчает проблему отвода тепла, что повышает надежность работы преобразователя.
Такой трансформатор открывает возможность уменьшения помех и повышает надежность преобразователей, значительно увеличивает их кпд.
Испытания высоковольтного источника показали, что мощность блока питания, затрачиваемая на создание выходного напряжения 200 кВ, на 40% меньше с заявляемым трансформатором, чем с П-образным трансформатором. Напряжение на полупроводниковом элементе (полевой транзистор) в два раза меньше при работы преобразователя с заявляемым трансформатором, чем с П-образным.
Заявляемый трансформатор предполагается использовать в преобразователе высокого напряжения для проведения экспериментов по измерению электрического дипольного момента нейтрона в ФГБУ ПИЯФ в установке ЭДМ спектрометра.
Литература
1. А.Абрамян, Б.А.Альтеркоп, Г.Д.Кулешов, Интенсивные электронные пучки, М., Энергоатомиздат, 1984.
2. А.М.Дымков, В.М.Кибель, Ю.В.Тишенин. Трансформаторы напряжения. Москва. «Энергия».
3. С.С.Вдовин, Проектирование импульсных трансформаторов. Л., Энергоатомиздат, 1991 г., 208 с.
4. Вопросы радиоэлектроники. Серия общетехническая. 1970, N18. Л.К.Буевич, В.Б.Гаазе. Некоторые вопросы построения схем высоковольтных источников питания электронно-лучевых трубок.
7
5. Патент RU №2199786. MПК H01F 30/10.
6. Патент WO 2004/04060, МПК Н01F 27/28; H01F 29/14 - прототип.
7. Силовая электроника. N2, 2007. В.Ланцов, С.Эраносян. Электромагнитная совместимость импульсных источников питания.
8. В.Ланцов, С.Эраносян. Квазирезонансные источники питания: проблемы, новый взгляд. Силовая электроника, N3, 2007.