ТРАНСФОРМАТОР

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при изготовлении силовых трансформаторов и трансформаторов тока.
В настоящее время во многих конструкциях трансформаторов применяются магнитопроводы из магнитомягких сплавов с высокой магнитной проницаемостью [1]. Применение таких магнитопроводов обеспечивает малые потери на перемагничивание в высокочастотных или импульсных силовых трансформаторах и малые погрешности (или высокий класс точности) в трансформаторах тока.
Недостатком указанных магнитопроводов является то, что они работоспособны и надежны только в режиме непрерывно изменяющегося тока первичной обмотки. В этом случае ток, идущий через первичную обмотку, складывается из тока намагничивания магнитопровода и тока (приведенного к первичной обмотке), идущего через нагрузку, подключенную к вторичной обмотке. При этом нагрузка, подключенная к вторичной обмотке, ограничивает напряжение на этой обмотке и, соответственно, ограничивает величину магнитного потока в магнитопроводе, не позволяя ему входить в магнитное насыщение.
Если же ток, идущий через первичную обмотку, прерывистый (в том числе и режим работы с «постоянной составляющей в цепи переменного тока» по ГОСТ30207-94 (МЭК 1036-90) «Статические счетчики Ватт-часов активной энергии переменного тока»), то в периоды времени, когда величина этого тока не изменяется, ток, идущий через нагрузку, подключенную к вторичной обмотке, равен нулю и в этом случае ток,
идущий через первичную обмотку, равен току намагничивания, то есть трансформатор работает в режиме «холостого хода».
В момент времени, когда ток, идущий через первичную обмотку, начинает изменяться, начинается процесс перехода трансформатора из режима «холостого хода» в режим «работы под нагрузкой». Во время этого переходного процесса, пока нагрузка, подключенная к вторичной обмотке, еще не ограничивает величину магнитного потока в магнитопроводе, ток намагничивания может достигать величины, при которой магнитопровод входит в магнитное насыщение или приближается к магнитному насыщению. В этом случае происходит изменение характеристик трансформаторов, для трансформаторов тока увеличиваются погрешности (в некоторых случаях в десять раз и более), а для силовых трансформаторов преобразователей увеличиваются потери на перемагничивание и уменьшается индуктивное сопротивление первичной обмотки, что может привести к резкому увеличению тока через первичную обмотку и повреждению элементов в схеме управления и регулирования преобразователя.
Наиболее близким по техническому исполнению (прототипом) к предлагаемому устройству является преобразователь напряжения, заявленный в [2], выполненный из двух ферромагнитных сердечников, первичной обмоткой, расположенной на обоих сердечниках, и двумя вторичными обмотками, расположенными по одной на каждом из сердечников, причем один из сердечников имеет прямоугольную петлю гистерезиса, а второй - линейную (плоскую) петлю гистерезиса.
Указанный магнитопровод не может быть использован для трансформаторов тока, так как имеет малые значения магнитной проницаемости в начальной области намагничивания (при значениях амплитуды напряженности магнитного поля менее коэрцитивной силы сердечника с прямоугольной петлей гистерезиса). Это не позволяет
обеспечить чаще всего применяемые классы точности трансформаторов тока (классы 0,5 и более точные).
Другим недостатком является усложненная конструкция трансформатора, когда первичная обмотка расположена на трансформаторе в сборе, а две вторичные обмотки расположены отдельно на каждом из составляющих магнитопровод сердечников.
Целью данной полезной модели является обеспечение высокого класса точности трансформаторов тока (класс 0,5 и более точные), работающих в условиях прерывающегося первичного тока (в том числе и в режиме работы с «постоянной составляющей в цепи переменного тока» по ГОСТ30207-94 (МЭК 1036-90) «Статические счетчики Ватт-часов активной энергии переменного тока») и упрощение конструкции силовых трансформаторов.
Для достижения указанной цели в предложенном трансформаторе, содержащем первичную обмотку, вторичную обмотку и магнитопровод, состоящий из нескольких ферромагнитных сердечников двух типов, согласно полезной модели, сердечники первого типа имеют относительную начальную магнитную проницаемость более 10000, сердечники второго типа не входят в магнитное насыщение при амплитуде напряженности магнитного поля менее 200 А/м, обе обмотки расположены на всех сердечниках, составляющих магнитопровод.
Применение в трансформаторе тока магнитопровода, один из сердечников которого имеет высокую начальную магнитную проницаемость, обеспечивает получение класса точности 0,5 или более точного. Второй сердечник, который не входит в магнитное насыщение при амплитуде напряженности магнитного поля менее 200 А/м, обеспечивает работоспособность трансформатора в условиях прерывающегося первичного тока (в том числе и в режиме работы с «постоянной составляющей в цепи переменного тока» по ГОСТ30207-94
(МЭК 1036-90) «Статические счетчики Ватт-часов активной энергии переменного тока»).
Упрощение конструкции трансформаторов достигается за счет того, что вторичная обмотка расположена не отдельно на каждом из составляющих магнитопровод сердечнике, а на всем магнитопроводе в сборе.
Величина относительной магнитной проницаемости сердечника первого типа менее 10000 не обеспечивает класс точности трансформатора тока 0,5. Величина амплитуды напряженности магнитного поля, при которой магнитопровод входит в магнитное насыщение менее 200 А/м не обеспечивает работоспособность.
Для примера изготавливали трансформаторы с витыми кольцевыми магнитопроводами из ленты композиционного магнитного сплава по патенту [3] для сердечников первого типа с различной величиной относительной начальной магнитной проницаемости и непрямоугольной петлей магнитного гистерезиса и из ленты из аморфного сплава по патенту [4] для сердечников второго типа с различной величиной амплитуды напряженности магнитного поля, при которой магнитопровод входит в магнитное насыщение, с линейной петлей гистерезиса.
Для сравнения с прототипом изготавливали трансформатор с магнитопроводом из тех же материалов, но с прямоугольной петлей гистерезиса для сердечников первого типа, а сердечник второго типа был идентичен соответствующему сердечнику, изготовленному по изобретению. Различие магнитных свойств сердечников получали изменением режимов термообработки по принятой технологии.
Для сравнения с аналогом изготавливали трансформатор с магнитопроводом, состоящим из одного сердечника из ленты композиционного магнитного сплава по патенту [3].
Массогабаритные параметры всех магнитопроводов и характеристики обмоток были одинаковыми. Результаты испытаний представлены в таблице.
Таблица
Номер
Примечание
μ
H<sub>s</sub>, А/м
Класс
Работоспособность
трансформатора
точности
трансформатора
тока
1
по
12000
100
0,5
не работает
предложенной
полезной
модели
2
по
12000
200
0,5
Работает
предложенной
полезной
модели
3
по
12000
220
0,5
Работает
предложенной
полезной
модели
4
по
12000
400
0,5
Работает
предложенной
полезной
модели
5
по
8000
250
1,0
работает
предложенной
полезной
модели
6
по
10000
250
0,5
работает
предложенной
полезной
модели
7
по
11000
250
0,5
работает
предложенной
полезной
модели
8
по
20000
250
0,2
работает
предложенной
полезной
модели
9
по аналогу
12000
20
0,5
не работает
10
по прототипу
600
250
3,0
работает
Примечания:
- μ - относительная начальная магнитная проницаемость сердечника первого типа;
s
- H - амплитуда напряженности магнитного поля, при которой магнитопровод входит в магнитное насыщение.
Параметры, указанные в ячейках таблицы с серым фоном, не соответствуют требованиям, предъявляемым к параметрам трансформаторов.
Работоспособность в режиме работы с «постоянной составляющей в цепи переменного тока» по ГОСТ30207-94 (МЭК 1036-90) «Статические счетчики Ватт-часов активной энергии переменного тока».
Как видно из результатов испытаний, трансформаторы по аналогу и прототипу, а также с сердечниками первого типа с относительной начальной магнитной проницаемостью меньшей, чем у заявленной и с сердечникам второго типа с амплитудой напряженности магнитного поля, при которой магнитопровод входит в магнитное насыщение, меньше, чем у заявленной, не соответствуют предъявляемым к ним требованиям.
Трансформаторы по полезной модели полностью соответствуют предъявляемым к ним требованиям.
Список используемых аналогов и прототипов:
1. Европатент номер ЕР 0563606, заявитель Vacuumschmelze GMBH (DE), авторы Herzer Giselher Dr (DE), Hilzinger Hans Reiner DR (DE), дата публикации 1993-10-06 (аналог).
2. Патент РФ номер RU 2059980, заявитель и автор Холин С.Н., дата публикации 1996.05.10 (прототип).
3. Патент РФ номер RU 2269174 «Магнитомягкий композиционный материал на основе железа».
4. Патент РФ номер RU 2269173 «Магнитомягкий аморфный сплав на основе системы Fe-Co-Ni».