ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ТРАНСФОРМАТОР

Полезная модель относится к области электротехники, и может быть использована в качестве стабильного источника вторичного электропитания повышенной частоты.
Параметрический трансформатор является низкочастотным индуктивным параметрическим генератором с некоторыми свойствами обычного силового трансформатора. Он выполняет одновременно функции: трансформации, стабилизации напряжения, защиты от перегрузок, двусторонней фильтрации, конвертирования одной фазы в три и обратно.
Однако, многие приведенные в книге конструкции или не отражают их функциональное назначение, или в них не обозначены все элементы конструкции, что делает невозможным их понимание. Например, схемы управляемых трансформаторов на рис.1.2, 1.5, 1.6 стр.13-18 не имеют управляющих обмоток, что с одной стороны делает их похожими на параметрические трансформаторы, с другой стороны затрудняет понимание их принципа действия.
Наиболее близким к предлагаемому является параметрический трансформатор, (в патенте RU №2040058, H01F 27/28, G05F 3/06, 20.07.1995 г.), конструкция, которого содержит составной магнитопровод броневого типа, состоящий из двух боковых участков и среднего участка, входной (первичной сетевой) обмотки, выходной обмотки, подключенная выводами к конденсатору и образующая с ним резонансный контур. Первичная обмотка, расположенная на одном из боковых участков, подключена к сети с напряжением U1, частотой fl, на другом боковом участке, расположена выходная резонансная обмотка, подключенная к конденсатору, средний участок периодически насыщается магнитным потоком первичной обмотки и вызывает периодическую модуляцию индуктивности обмотки резонансного контура, а вместе с этим и параметрическое возбуждение колебаний в контуре.
Недостатком данного устройства, выбранного в качестве прототипа, является понижение величины выходного напряжения при увеличении тока нагрузки, что приводит к повышению температуры перегрева обмоток и уменьшению надежности устройства и КПД параметрического трансформатора.
Техническим результатом предлагаемой модели является повышение выходного напряжения параметрического трансформатора, снижение температуры перегрева обмоток, повышение надежности и КПД.
Технический результат достигается тем, что параметрический трансформатор, содержащий составной магнитопровод броневого типа, состоящий из двух боковых участков и среднего участка, входной (первичной сетевой) обмотки, подключенной к сети с напряжением U1, частотой fl, выходной обмотки, резонансной обмотки, подключенной выводами к конденсатору и образующей с ним резонансный контур, согласно полезной модели, в нижнем конце среднего участка, в месте стыка с одним из боковых участков выполнена вставка из магнитного материала с пониженной индукцией насыщения, представляющая собой часть тороидального сердечника, на котором расположена первичная обмотка, при этом, выходная обмотка выполнена отдельно от резонансной и разделена на две равные части, соединенные последовательно-встречно, и размещена на боковых участках магнитопровода, а резонансная обмотка расположена на среднем участке магнитопровода.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 показана конструкция параметрического трансформатора. На фиг.2 показаны нагрузочные характеристики прототипа (кривая 1) и предлагаемого параметрического трансформатора (кривая 2).
Параметрический трансформатор содержит составной магнитопровод броневого типа, состоящий из двух боковых участков 1, 2 и среднего участка 3, входной (первичной сетевой) обмотки 4, подключенной к сети с напряжением U1, частотой f1, выходной обмотки 5, резонансной обмотки 6, подключенной выводами к конденсатору 7 и образующей с ним резонансный контур, согласно полезной модели, в нижнем конце среднего участка 3, в месте стыка с одним из боковых участков 2 выполнена вставка 8 из магнитного материала с пониженной индукцией насыщения, представляющая собой часть тороидального сердечника 9, на котором расположена первичная обмотка 4, при этом, выходная обмотка 5 выполнена отдельно от резонансной 6 и разделена на две равные части, соединенные последовательно-встречно, и размещена на боковых участках 1, 2 магнитопровода, а резонансная обмотка 6 расположена на среднем участке 3 магнитопровода.
Принцип работы параметрического трансформатора основан на возникновении периодических колебаний в колебательном контуре при периодическом изменение какого-либо параметра, в частности индуктивности обмотки колебательного контура. Это осуществляется периодическим насыщением части участка магнитопровода, на котором расположена соответствующая обмотка. Эффективность преобразования энергии зависит от величины изменения индуктивности ΔL обмотки (или глубины модуляции m). Под действием тока первичной обмотки 4 тороидальный сердечник 9 периодически насыщается, насыщается и вставка 8, являющаяся общей частью тороидального сердечника 9 и среднего участка 3, на котором расположена резонансная обмотка 6. В результате периодического насыщения вставки 8 изменяется магнитное сопротивление всего среднего участка 3, что приводит периодическому изменению (модуляции) индуктивности резонансной обмотки 6, и в цепи резонансной обмотки 6 возбуждаются параметрические колебания с частотой входного сигнала. Поскольку средний участок 3 является общей частью первичной и вторичной магнитных цепей, то по принципу трансформаторной ЭДС наводятся и в выходных обмотках 5.
Предлагаемая конструкция параметрического трансформатора позволяет повысить приращение индуктивности ΔL, тем самым повысить амплитуду выходного напряжения. Это достигается следующим образом. Как было показано выше под действием первичного напряжения в первичной обмотке 4, расположенной на тороидальном сердечнике 9, формируется магнитный поток.
8
В месте стыка трех участков 8, 2 и 3 магнитный поток распределяется обратно пропорционально их магнитным сопротивлением. Если основной магнитопровод выполнен из электротехнической стали, а тороидальный сердечник из феррита, то величина приращения индуктивности резонансной обмотки 6 в процессе периодического насыщения вставки 8 увеличивается за счет уменьшенной индукции насыщения вставки 8 (Bнас) по отношению к индукции насыщения среднего участка 3, т.к. магнитная индукция насыщения Внас магнитного материала для электротехнической стали в среднем составляет 1,8 Т, а индукция насыщения ферритов составляет приблизительно 10-15% от индукции насыщения электротехнической стали. При этом величина магнитного сопротивления цепи резонансной обмотки и амплитуда выходных колебаний увеличивается на 10-15%, по сравнению с прототипом, конструкция, которого полностью выполнена из электротехнической стали. При этом на столько же возрастает и КПД устройства.
Кроме того, поскольку масса вставки 8 среднего участка 3, работающая в режиме насыщения, снижена до минимума, и свойства ферромагнитного материала тороидальном сердечнике 9 и соответственно вставки 8, как было указано выше, позволяют получить более низкую индукцию насыщения, это приводит к сокращению потерь примерно в том же соотношении (10-15%). В связи с этим, суммарный КПД устройства по сравнению с прототипом повысится до 20-30% и будет сравним с КПД силового высокочастотного трансформатора.
Раздельное выполнение резонансной 6 и выходной обмотки 5 позволяет получить следующее: активное сопротивление резонансной обмотки можно выполнить минимальным, т.е она должна иметь минимально возможное число витков. Это приводит к повышению добротности резонансного контура и увеличению стабильности колебаний при больших нагрузках, не уменьшая выходное напряжение, величина которого определяется коэффициентом трансформации выходной обмотки по отношению к резонансной. Благодаря этому улучшается устойчивость колебаний LC контура резонансной обмотки 6 в области больших нагрузок параметрического трансформатора, и вид нагрузочной характеристики приближается к, идеальному (фиг.2, кривая 2) по сравнению с прототипом (фиг.2, кривая 1). Кроме того, при соединении вторичных обмоток последовательно и встречно происходит частичная компенсация параметров нагрузки, а именно уменьшается размагничивающее влияние вторичного потока нагрузки на первичный.
Предлагаемая конструкция параметрического трансформатора приводит к увеличению поверхности охлаждения насыщаемого среднего участка 3, за счет того, что вставка 8 принадлежит тороидальному сердечнику 9, что в целом снижает температуру перегрева всего магнитопровода параметрического трансформатора и повышает надежность параметрического трансформатора.
Таким образом, предлагаемая конструкция параметрического трансформатора имеет повышенное выходное напряжение и повышенный КПД по сравнению с прототипом, за счет введения вставки из материала, имеющего пониженную индукцию насыщения по сравнению с основным магнитопроводом и введением дополнительной потоковой связи между первичной и выходными обмотками; повышенную стабильность и устойчивость колебаний при повышенных нагрузках при постоянстве выходного напряжения из-за последовательно-встречного соединения выходных обмоток на боковых участках и увеличения глубины модуляции (увеличение ΔL за счет уменьшения индукции насыщения вставки 8); повышенную надежность за счет уменьшения температуры перегрева обмоток в связи с увеличением поверхности охлаждения всей конструкции.