Электрический высокочастотный трансформатор
Владельцы патента RU 2421838:
Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) (RU)
Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкции электрических высокочастотных трансформаторов для устройств передачи электрической энергии. Задачей изобретения является повышение надежности и срока службы высокочастотного трансформатора. Технический результат заключается в увеличении электрической прочности изоляции высоковольтной обмотки. В электрическом высокочастотном трансформаторе, содержащем низковольтную обмотку, подключенную через емкость к высокочастотному генератору, и высоковольтную обмотку, выполненную в виде спиральной катушки с длиной обмотки, равной четверти длины волны тока и напряжения, электрическое напряжение и толщина электрической изоляции проводника различна для каждой секции и увеличивается по мере удаления секции от начала спиральной обмотки согласно уравнению , где cosφi - нормированное значение тока i-й секции; , где Vi - напряжение в конце i-й секции; V0 - напряжение в конце спиральной обмотки; δi - толщина электрической изоляции в i-й секции,
2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкции электрических высокочастотных трансформаторов для устройств передачи электрической энергии.
Известен трансформатор напряжения - электромагнитный статический преобразователь электрической энергии, содержащий первичную и вторичную обмотки. Мощность из одной обмотки в другую передается электромагнитным полем. Для усиления связи обмотки располагают на ферромагнитном сердечнике - магнитопроводе. В трансформаторах имеет место высокий коэффициент электромагнитной связи С=0,93-0,999.
,
где M - взаимная индуктивность между первичной и вторичной обмоткой,
L1, L2 - индуктивности первичной и вторичной обмоток.
Для создания магнитного поля в трансформаторе используется реактивная мощность, которая затрачивается на создание поля взаимной индукции и полей рассеяния первичной и вторичной обмоток. Часть активной мощности расходуется на потери в меди в первичной и вторичной обмотке (Копылов И.П. Электрические машины. М.: Логос, 2002, стр.131-239).
Недостатком известного устройства является симметрия напряжения на выводах вторичной обмотки, что не позволяет использовать электрический трансформатор для передачи электрической энергии по однопроводниковой линии.
Известен электрический трансформатор, который имеет первичную обмотку, соединенную с электрическим генератором повышенной частоты. Первичная обмотка намотана на вторичную высоковольтную обмотку, длина провода которой значительно больше длины первичной обмотки и приблизительно равна четверти длины волны электромагнитного поля в линии. В этом случае потенциал одного внутреннего вывода высоковольтной обмотки равен нулю, а потенциал другого наружного вывода будет максимальный. Внутренний конец высоковольтной вторичной обмотки соединен с линией передачи электрической энергии, а наружный конец вторичной обмотки и прилегающий вывод первичной обмотки в целях электробезопасности соединен с землей (Н.Тесла. Электрический трансформатор. Пат. США №593138, от 02.11.1897).
Недостатком известного устройства являются потери мощности на высокой частоте из-за потерь на сопротивлении высоковольтной обмотки.
Известен высоковольтный высокочастотный трансформатор, содержащий однослойную спиральную катушку, которая выполнена однослойной с электрической длиной, равной четверти длины волны, и подключена к генератору и нагрузке несимметрично (Пат. РФ 2033651 от 22.04.1988).
Недостатком известного устройства является использование для получения резонансных колебаний собственной емкости спиральной обмотки.
Известен электрический высокочастотный трансформатор, содержащий низковольтную и высоковольтную обмотку, выполненные в виде спиральной катушки с длиной высоковольтной обмотки, равной четверти длины волны тока и напряжения, спиральная обмотка состоит из нескольких последовательно соединенных секций изолированного проводника, площадь сечения которого различна для каждой секции и уменьшается по мере удаления секции от начала спиральной обмотки согласно уравнению:
где cosφi - нормированное значение тока i-й секции;
,
где Ii - ток в i-й секции, I0 - ток в начале первой секции, Si - сечение проводника в i-й секции; 
, а начало спиральной обмотки соединено с концом низковольтной обмотки и через емкость - с одним из выводов высокочастотного генератора (патент РФ №2337423. Бюл. №30, опубл. 27. 10.2008).
Недостатком известного устройства является снижение надежности из-за увеличения напряжения по длине спиральной обмотки и возможности пробоя изоляции в конце спиральной обмотки.
Задачей изобретения является повышение надежности и срока службы высокочастотного трансформатора. Технический результат заключается в увеличении электрической прочности изоляции высоковольтной обмотки.
Технический результат достигается тем, что в электрическом высокочастотном трансформаторе, содержащем низковольтную обмотку, подключенную через емкость к высокочастотному генератору, и высоковольтную обмотку, выполненную в виде спиральной катушки с длиной обмотки, равной четверти длины волны тока и напряжения, спиральная обмотка состоит из нескольких секций изолированного проводника, площадь сечения которого различна для каждой секции и уменьшается по мере удаления секции от начала спиральной обмотки согласно уравнению:
где cosφi - нормированное значение тока i-й секции;
,
где Ii - ток в i-й секции, I0 - ток в начале первой секции, Si - сечение проводника в i-й секции; 
, а начало спиральной обмотки соединено с концом низковольтной обмотки и через емкость с одним из выводов высокочастотного генератора, электрическое напряжение и толщина электрической изоляции проводника различна для каждой секции и увеличивается по мере удаления секции от начала спиральной обмотки согласно уравнению
где sinψi - нормированное значение напряжения в конце i-й секции.
,
где Vi - напряжение в конце i-й секции;
V0 - напряжение в конце спиральной обмотки;
δi - толщина электрической изоляции в i-й секции.
.
В варианте электрического высокочастотного трансформатора он выполнен без сердечника.
В другом варианте электрического высокочастотного трансформатора он содержит незамкнутый сердечник.
Сущность изобретения иллюстрируется на фиг.1, 2. На фиг.1 представлена электрическая схема устройства и на фиг.2 показано распределение тока и напряжения в секциях высоковольтной обмотки высокочастотного трансформатора.
Согласно фиг.1 высокочастотный генератор 1 через емкости 2 подключен к низковольтной обмотке 3 высокочастотного трансформатора 4. Высоковольтная обмотка 5 выполнена в виде спиральной катушки с длиной проводника lB, равной 
длины волны тока и напряжения.
, где C - скорость электромагнитной волны.
При частоте генератора f0=50 кГц
Высоковольтная обмотка 5 состоит из секций C1, C2, C3 с разным сечением проводника и разной толщиной изоляции.
На фиг.2 показано распределение волны тока 6 и напряжения 7 в четвертьволновой спиральной высоковольтной обмотке 5.
Максимальная величина электрического поля в изоляции в секции Ci равна
,
где Vi=V0sinφi - напряжение в конце i-й секции;
V0 - максимальное напряжение в конце спиральной обмотки, равное номинальному напряжению высоковольтной обмотки высокочастотного трансформатора 4;
δi - толщина изоляции i-й секции.
Считая электрическое поле постоянным по длине спиральной обмотки, получим уравнение
где A1 - постоянная величина;
V0 - номинальное напряжение высоковольтной обмотки 5 высокочастотного трансформатора 4 и является постоянной величиной. Разделим обе части уравнения на V0. Получим
где A2 - другая постоянная величина, a sinψi - нормированное значение электрического напряжения в i-й секции спиральной обмотки
.
На фиг.2 высоковольтная спиральная обмотка 5 четвертьволнового резонансного трансформатора 4 длиной 1500 м при частоте 50 кГц содержит три секции по 500 м каждая. Принимая максимальное значение нормированного напряжения для секции C1 ψ1=30°, sinψ1=0,5; для секции C2 ψ2=60°, sinψ2=0,815; для секции C3 ψ3=90°, sinψ3=1.
Для выполнения условия одинаковой величины электрического поля в изоляции проводника получаем соотношения для толщины изоляции в секциях
; 
; 
.
; 
; 
.
Выбирая для конца третьей секции С3 напряжение V0=100 кВ, толщину изоляции 15 мм, получим δ1=7,5 мм, δ2=0,815·15=12 мм, δ3=15 мм.
Выполнение высокочастотного трансформатора 4 без сердечника обеспечивает несимметрию потенциалов на выводах высоковольтной обмотки 5 с нулевым потенциалом на выводе секции C1, соединенной с низковольтной обмоткой 3 и полным потенциалом, равным номинальному напряжению V0 высоковольтной обмотки 5, на конце секции C3. Использование незамкнутого сердечника с воздушным зазором 1-100 мм в зависимости от размеров трансформатора позволяет уменьшить размеры высокочастотного трансформатора за счет увеличения коэффициента электромагнитной связи при сохранении несимметрии потенциалов на выводах высоковольтной обмотки 5.
Пример выполнения высокочастотного трансформатора.
Высокочастотный трансформатор выполнен без сердечника.
Число витков в низковольтной обмотке 3 равно 4. Высоковольтная обмотка 5 имеет общую длину 1500 м. Обмотка имеет три секции по 500 м. Первая секция C1 имеет сечение проводника 15 мм2, толщина изоляции 7,5 мм, вторая секция C2 имеет сечение проводника 6 мм2, толщину изоляции 12 мм, третья секция C3 имеет сечение проводника 4 мм2, толщину изоляции 15 мм.
Таким образом, по сравнению с известным трансформатором, у которого высоковольтная обмотка выполнена из проводника с изоляцией, одинаковой по всей длине высоковольтной обмотки, выполнение высоковольтной спиральной катушки из нескольких секций, в которых толщина изоляции увеличивается в соответствии с соотношением (1), увеличивает электрическую прочность изоляции, надежность и срок службы высокочастотного трансформатора.
1. Электрический высокочастотный трансформатор, содержащий низковольтную обмотку, подключенную через емкость к высокочастотному генератору, и высоковольтную обмотку, выполненную в виде спиральной катушки с длиной обмотки, равной четверти длины волны тока и напряжения, спиральная обмотка состоит из нескольких секций изолированного проводника, площадь сечения которого различна для каждой секции и уменьшается по мере удаления секции от начала спиральной обмотки согласно уравнению
где cosφi - нормированное значение тока i-й секции;
,
где Ii - ток в i-й секции, I0 - ток в начале первой секции, Si - сечение проводника в i-й секции; , а начало спиральной обмотки соединено с концом низковольтной обмотки и через емкость - с одним из выводов высокочастотного генератора, отличающийся тем, что электрическое напряжение и толщина электрической изоляции проводника различна для каждой секции и увеличивается по мере удаления секции от начала спиральной обмотки согласно уравнению
где sinψi - нормированное значение напряжения в конце i-ой секции.
,
где Vi - напряжение в конце i-ой секции;
V0 - напряжение в конце спиральной обмотки;
δi - толщина электрической изоляции в i-ой секции,
2. Электрический высокочастотный трансформатор по п.1, отличающийся тем, что он выполнен без сердечника.
3. Электрический высокочастотный трансформатор по п.1, отличающийся тем, что он содержит незамкнутый сердечник.
