Параметрический ортогонально-потоковый трансформатор

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в повышении КПД и энергоэффективности. Параметрический ортогонально-потоковый трансформатор с независимыми замкнутыми магнитопроводами содержит две входные обмотки, расположенные на первичном магнитопроводе, и две выходные обмотки, каждая из которых расположена на собственном замкнутом вторичном магнитопроводе. Первичный магнитопровод пересекается с вторичными магнитопроводами под прямыми углами так, что магнитный поток входных обмоток влияет только на изменение магнитной проницаемости вторичных магнитопроводов с выходными обмотками на участках их пересечения, а ЭДС от магнитного потока входных обмоток не возбуждается. Входные обмотки подсоединены параллельно к питающему напряжению таким образом, что в каждый полупериод напряжение поступает только на одну из входных обмоток. По центру первичного магнитопровода установлен постоянный магнит с возможностью разделения его магнитного потока в первичном магнитопроводе на две равные части. Выходные обмотки замкнуты на конденсаторы и образуют с ними резонансные контуры. 1 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при проектировании параметрических трансформаторов для источников вторичного электропитания.

Наиболее подробно вопросы теории параметрических трансформаторов рассмотрены в книге Задерей Г.П., Заика П.Н. Многофункциональные трансформаторы в средствах связи вторичного электропитания. -М.: Радио и связь, 1989. - 176.

Согласно первоисточнику, параметрический трансформатор (паратранс) может быть построен по любой из магнитных систем: балансной мостовой, с взаимно-ортогональным расположением магнитных потоков входной и выходной обмоток. Представлена простейшая схема паратранса, показанная на рис. 1.3, состоящая из двух С-образных магнитопроводов, взаиморазвернутых на 90° и состыкованных вместе, первичной обмотки, расположенной на одном из магнитопроводов, и подключенной к сети, и вторичной обмотки, расположенной на другом магнитопроводе, и подключенной к емкости, образуя с ней колебательный контур.

Для осуществления параметрической связи необходимо параметрическое изменение (модуляция) какого либо параметра, в частности, индуктивности обмотки колебательного контура. Это возможно при периодическом насыщении части или всего сердечника, сопровождающееся большим расходом энергии и снижением КПД. Этот недостаток простейшего паратранса в разной мере присущ почти всем параметрическим трансформаторам. Кроме указанного недостатка паратранс по рис. 1.3 имеет еще один недостаток - неполное исключение трансформаторной связи в области стыков С-образных магнитопроводов.

Известен параметрический трансформатор, (RU №2040058, МПК H01F27/28, G05F3/06, 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 и вызывает периодическую модуляцию индуктивности обмотки резонансного контура а вместе с этим и параметрическое возбуждение колебаний в контуре.

Недостатком данного аналога также как предыдущего 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, 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-образного сердечника, плоскость окна которого перпендикулярна плоскости плоскости окон сдвоенного Ш-образного магнитопровода. По п. 2 параметрический трансформатор дополнительно снабжен магнитными шунтами, через которые С-образный сердечник состыкован с Ш-образным магнитопроводом, магнитные шунты набраны из листов магнитного материала и их плоскости перпендикулярны плоскостям листов Ш-образного магнитопровода.

Недостатком 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.

Ивестен параметрический трансформатор (А.С SU 1663631, МПК H01F 29/00, H01F 35/00, опубликованное 15.07.91, бюл №28), содержащий стержневой магнитопровод, первичную и вторичные 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 паротрансов - 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.

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.

Существенное изменение магнитной проницаемости возможно при индукциях, близких к индукции насыщения. Процессы, связанные с насыщением магнитопроводов, обычно сопровождаются повышенным расходом энергии и снижением КПД устройства.

Задачей предлагаемого изобретения является улучшение энергосбережения устройств, в которых применяется предлагаемый параметрический ортогонально-потоковый трансформатор, за счет повышения КПД.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является сохранение функции параметрического трансформатора, повышение КПД и энергоэффективности устройства.

Технический результат достигается тем, что параметрический ортогонально-потоковый трансформатор с независимыми замкнутыми магнитопроводами, содержащий две входных и две выходных обмотки, каждая из которых расположена на собственном замкнутом магнитопроводе, которые пересекаются друг с другом под прямыми углами так, что магнитный поток входных обмоток влияет только на изменение магнитной проницаемости магнитопроводов выходных обмоток на участках их пересечения, а ЭДС от магнитного потока входных обмоток не возбуждается, согласно изобретению входные обмотки расположены на первичном магнитопроводе и подсоединены параллельно к питающему напряжению через диоды таким образом, что в каждый полупериод напряжение поступает только на одну из входных обмоток, кроме того, по центру первичного магнитопровода установлен постоянный магнит с возможностью разделения его магнитного потока в первичном магнитопроводе на две равные части, а выходные обмотки, каждая из которых расположена на собственном вторичном магнитопроводе, замкнуты на конденсаторы и образуют с ним резонансные контура.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом. На фиг. показан параметрический ортогонально-потоковый трансформатор с независимыми замкнутыми магнитопроводами, содержащий две входных 1, 2 и две выходных 3, 4 обмотки. Входные обмотки 1, 2 расположены на первичном магнитопроводе 5, а каждая из выходных обмоток 3, 4 расположена на собственном вторичном магнитопроводе 6, 7. Первичный магнитопровод 5 и вторичные магнитопроводы 6, 7 пересекаются друг с другом под прямыми углами так, что магнитный поток входных обмоток 1, 2 влияет только на изменение магнитной проницаемости вторичных магнитопроводов 6, 7 на участках их пересечения 8, 9, а ЭДС от магнитного потока входных обмоток 1, 2 не возбуждается, согласно изобретению входные обмотки 1, 2 расположены на первичном магнитопроводе 5 и подсоединены параллельно к питающему напряжению через диоды 10, 11 таким образом, что в каждый полупериод напряжение поступает только на одну из входных обмоток 1 или 2, кроме того, по центру первичного магнитопровода 5 установлен постоянный магнит 12, магнитный поток которого в первичном магнитопроводе 5 разделяется на две равные части, выходные обмотки 3, 4 замкнуты на конденсаторы 13, 14 и образуют с ними резонансные контура.

Недостаток прототипа можно устранить применением подмагничивания потоком постоянного магнита 12. Применение магнитных материалов с прямоугольной кривой намагничивания позволяет перераспределить соотношение магнитных потоков - увеличить результирующий поток Ф_Σ за счет потока постоянного магнита 12 при уменьшении потока от входных обмоток Ф₁. Это приводит к увеличению энергоэффективности и КПД устройства.

Принцип работы предлагаемого параметрического ортогонально-потоковый трансформатора основан на возникновении периодических колебаний в резонансных контурах при периодическом изменением какого-либо параметра, в частности, индуктивности выходных обмоток 3, 4 резонансных контуров. Это осуществляется периодическим насыщением участков пересечения 8, 9 первичного магнитопровода 5 и вторичных магнитопроводов 6, 7 от результирующего магнитного потока Ф_Σ.

Магнитное сопротивление постоянного магнита 12 намного больше, чем магнитное сопротивление магнитомягких материалов, их которых изготовлен первичный магнитопровод 5 (аморфная сталь). Поэтому магнитный поток от входных обмоток 1, 2 Ф₁ будет замыкаться преимущественно по первичному магнитопроводу 5.

На фиг. показано распределение потока Ф₁ от одной из входных обмоток 1 и потока Ф_м постоянного магнита 12 в один из полупериодов входного напряжения, когда оно поступает только на входную обмотку 1. Через боковые стержни первичного магнитопровода 5 и участки его пересечения 8, 9 со вторичными магнитопроводами 6, 7 будет проходить результирующий поток Ф_Σ, причем через участок пересечения 9 он равен сумме потоков а через участок пересечения 8 результирующий поток будет равен разности потоков В следующий полупериод напряжение будет поступать на вторую из входных обмоток 2, направление результирующего потока изменится на противоположное.

В связи с тем, что первичный магнитопровод 5 выполнен из аморфной стали, а вторичные магнитопроводы 6, 7 выполнены из феррита, имеющего меньшую индукцию насыщения, то участки пересечения магнитопроводов 8, 9, через которые проходит результирующий поток, попеременно насыщаются, в результате чего изменяется магнитное сопротивление вторичных магнитопроводов 6, 7, что приводит к периодическому изменению индуктивности выходных обмоток 3, 4, появлению параметрической ЭДС и в цепи резонансных контуров возбуждаются электрические колебания.

Таким образом, предлагаемое устройство параметрического ортогонально-потокового трансформатора позволяет повысить энергоэффективность и КПД устройства за счет подмагничивания потоком постоянного магнита и применением магнитных материалов вторичных магнитопроводов с прямоугольной кривой намагничивания. Кроме того, повышается энергосбережение устройств, в которых применяется предлагаемый параметрический ортогонально-потоковый трансформатор.

Параметрический ортогонально-потоковый трансформатор с независимыми замкнутыми магнитопроводами, содержащий две входные обмотки, расположенные на первичном магнитопроводе, и две выходные обмотки, каждая из которых расположена на собственном замкнутом вторичном магнитопроводе, причем первичный магнитопровод пересекается с вторичными магнитопроводами под прямыми углами так, что магнитный поток входных обмоток влияет только на изменение магнитной проницаемости вторичных магнитопроводов с выходными обмотками на участках их пересечения, а ЭДС от магнитного потока входных обмоток не возбуждается, отличающийся тем, что входные обмотки подсоединены параллельно к питающему напряжению таким образом, что в каждый полупериод напряжение поступает только на одну из входных обмоток, кроме того, по центру первичного магнитопровода установлен постоянный магнит с возможностью разделения его магнитного потока в первичном магнитопроводе на две равные части, а выходные обмотки замкнуты на конденсаторы и образуют с ними резонансные контуры.