Область техники

Группа изобретений относится к преобразовательной технике, а именно к обратноходовым трансформаторам.

Предшествующий уровень техники

Аналогов и прототипа не обнаружено.

Раскрытие изобретения

Обратноходовый трансформатор выполнен на нескольких ферромагнитных сердечниках, разделенных воздушным зазором. Обмотка намагничивания выполнена только на одном или части ферромагнитных сердечников, образуя индуктор, намагничивающую часть магнитной системы.

При подаче тока в обмотку намагничивания намагничивается и ферромагнитный сердечник индуктора и через воздушный зазор соседние ферромагнитные сердечники. Величина воздушного зазора подбирается такой, что значительная часть магнитного поля сердечников замкнута по воздуху, образуя вторичное магнитное поле рассеивания.

В обрататноходовых трансформаторах обычного исполнения обмотка намагничивания (первичная) и вторичная обмотка намотаны на один магнитопровод с воздушным зазором фактически одна на другую. При этом первичная обмотка охватывает весь магнитный поток магнитопровода. Воздушный зазор делит магнитную систему на части. Вторичная обмотка может находиться и на индукторе, и на соседних ферромагнитных сердечниках и охватывает магнитное поле всех сердечников.

Термин магнитопровод в данном изобретении не корректен, т.к. в данном устройстве используется значительная часть магнитной энергии потоков рассеяния, которая замыкается не по магнитной цепи, а по воздуху вокруг каждого из ферромагнитных сердечников. Сердечники обязательно разделены воздушным зазором, достаточным для образования потоков рассеяния. Те сердечники, на которых не расположена намагнмичмвающая обмотка, я обозначаю как вторичные сердечники.

Вторичные магнитные поля замкнуты только вокруг ферромагнитных сердечников по воздуху (диэлектрику). Часть магнитного поля всех сердечников замкнута по магнитной цепи, через воздушный зазор, образуя общую магнитную цепь, общий магнитный поток.

Магнитное поле рассеяния ферромагнитных сердечников замкнуто вне индуктора и не участвует в их магнитном взаимодействии, не образует общего потокосцепления с намагничивающей обмоткой индуктора. Поэтому не влияет на установление тока в обмотке индуктора, так как не создает ЭДС против тока при намагничивании.

На соседних с индуктором ферромагнитных сердечниках расположены специальные дополнительные обмотки, охватывающие все магнитное поле вторичных сердечников, включая магнитное поле рассеяния. Эти обмотки не участвуют в намагничивании и служат лишь для преобразования всех вторичных магнитных потоков рассеяния в электроэнергию при размагничивании. За счет этого достигается более полное преобразование всей магнитной энергии системы в электроэнергию. При этом вторичные магнитные поля рассеяния индуцируют дополнительную ЭДС и ток к той магнитной энергии, которая преобразуется в общей магнитной цепи. Вторичные обмотки могут образовывать с обмоткой индуктора гальваническую связь и включаться с ней параллельно на общую нагрузку либо гальванически развязано с другими вторичными обмотками на индукторе.

Конструктивно такой обратноходовый трансфотматор может быть выполнен в виде 2-х Пгобразных магнитопроводов, разделенных воздушным зазором, либо в виде П- образного сердечника и прямой перемычки. При этом индуктор и вторичный магнитопровод могут быть выполнены на ферромагнитных сердечниках разной формы и разного сечения, разной площадью сечения и из разных магнитных материалов. Например, индуктор может быть в виде короткого сегмента - части в тороидальной части в тороидальной магнитной цепи (с воздушными зазорами). Индуктор может быть в виде перемычки, замыкающей П-образную магнитную часть или быть в виде короткого участка в прямоугольной магнитной цепи. Ферромагнитный сердечник индуктора и вторичный (намагничиваемый) ферромагнитный сердечник должен быть разделен достаточно большим воздушным зазором (диэлектрик, более слабый магнетик), чтобы образовались существенные магнитные поля рассеяния, замкнутые по воздуху вокруг каждого сердечника.

Устройство такого обратноходового трансформатора может быть выполнено и на магнитопроводах для разветвленной магнитной цепи. Обратноходовый трансформатор может быть выполнен из 2-х Ш-образных сердечников разделенных зазором. Один Ш-образный сердечник выполняет в данном случае роль индуктора, другой - роль вторичного сердечника. Вторичная обмотка может находиться на 2-х Ш- образных сердечниках либо только на вторичном. Трансформатор может быть выполнен на 2-х Ш-образных сердечниках разной высоты, площади сечения и т.д.

Устройство может быть выполнено и в виде индуктора как части центрального участка, части Ш-образной части и 2-х Ш-образных магнитопроводов (вторичных), замыкающих индуктор с двух сторон. Образуется в целом Ш-образная магнитная цепь из центрального индуктора и 2-х Ш-образных вторичных сердечников, замыкающих индуктор с двух сторон. Вторичная обмотка намотана на центральные части вторичных Ш-образных сердечников.

Обратноходовый трансформатор может быть выполнен в виде броневого трансформатора. Индуктор выполнен в виде участка, вставки в центральную часть сердечника, а роль вторичного сердечника выполняет остальная часть броневого трансформатора. Индуктор является частью центрального стержня и отделен от остального сердечника воздушными зазорами. Вторичные обмотки намотаны на центральные участки броневого трансформатора, сверху и снизу от индуктора. Индуктор имеет ферромагнитный сердечник и вместе со вторичным сердечником образует броневой трансформатор с двумя зазорами, отделяющими индуктор.

Устройство может быть выполнено на ферритах в форме чашек (это т.н. Р-серия в европейской классификации ферритов, принятая ведущими производителями) или близких по форме серий PM, RM серий, а также серий EP и планарных плоских форм. Надо отметить, что называемая в России Ш-образная форма ферритовых сердечников в европейской классификации обозначается как Е-серия и ее разновидности ЕС-серия, ЕТD-серия, а также ЕFD-серия. Топологически это все является разновидностями III- образных магнитных цепей, так как в разрезе это Ш-образная (Е-серия) система. Отличия заключаются лишь в форме сечения. Серии типа RM и PM являются переходными от Ш-образной магнитной цепи к форме чашки,- РМ-серия-это чашки с двумя боковыми как бы вырезами (как и RМ-серия).

Устройство может состоять из двух чашек. При этом одна из чашек выполняет роль индуктора, а вторая - роль намагничиваемого ферромагнитного объема. Чашки разделены воздушным зазором. Возможна и такая форма, в которой воздушный зазор есть только в центральной части, а в боковых ветвях отсутствует или намного меньше, чем в центральной части.

Возможна топология устройства из 3-х ферромагнитных объемов. При этом индуктор находится между двумя чашкообразными ферритами (это могут быть сердечники RM или PM серий). Два намагничиваемых ферромагнитных объема E- образной или Р-серии примыкают с 2-х сторон к индуктору. Между ферромагнитными сердечниками и индуктором выполняются небольшие воздушные зазоры с 2-х сторон. Величина воздушного зазора в боковых ветвях может быть очень большой с целью увеличения рассеяния магнитного потока вокруг намагничиваемых ферромагнитных объемов. При размагничивании вся магнитная энергия со всех 3-х ферромагнитных объемов может быть преобразована в электроэнергию и через цепь рекуперации возвращена обратно в источник электроэнергии.

Так как преобразование вторичных магнитных полей приводит к образованию дополнительной ЭДС и электроэнергии, то в источник возвращается, рекуперируется больше энергии, чем было взято на цикле намагничивания. Эту дополнительную энергию можно использовать на подзарядку конденсатора питания (через цепь рекуперации) в устройстве постоянного тока или на подзарядку конденсатора колебательного контура (системы переменного тока). Чтобы исключить рост избыточного напряжения пробоя конденсатора нагрузка Rн подключается к конденсатору через ключ, открывающийся при определенном напряжении Uн и закрывающийся при падении Uн до минимума (Uн2)

В системах переменного тока отбор мощности из колебательного контура может быть как в автогенераторах через трансформаторную автотрансформаторную или емкостную связь.

Обратноходовый трансформатор с преобразованием вторичных магнитных полей рассеяния в общем виде может быть выполнен как из 2-х или 3-х ферромагнитных объемов, так и из большего их количества. Например, магнитная цепь прямоугольной формы может состоять из 2-х индукторов и 2-х намагничиваемых ферромагнитных объемов. Например, по европейской классификации IU серия из прямого участка и U(P)-oбpaзнoй части.

Все устройства объединяет то, что они в общем виде состоят из одного (или более) индуктора и примыкающих к нему через диэлектрический зазор одного и 2-х (всего из 3-х частей) намагичиваемых ферромагнитных объемов с расположенными на них съемными вторичными обмотками. Энергия магнитного поля (полей) при размагничивании преобразуется со всех ферромагнитных объемов, включая индуктор. При этом в полезную энергию преобразуется как энергия магнитных полей связанных с намагничивающей обмоткой, так и энергия вторичных магнитного полей, замкнутых только вокруг намагничиваемых ферромагнитных объемов.

Данное устройство может работать и на постоянном импульсном токе, и на переменном токе (в том числе токе промышленных частот). Магнитопровод может исполняться из трансформаторной, электротехнической стали (и т.д.). В переменном токе есть так же фаза намагничивания (рост тока) и фаза размагничивания при убывании тока. Устройство работает следующим образом. В фазе роста тока к электрической цепи подключена только обмотка намагничивания. В момент максимального тока последовательно с ней включается вторичная обмотка, и убывающий ток идет уже через две обмотки. При этом вторичное магнитное поле B2 связанное с вторичной обмоткой индуцирует дополнительную ЭДС к той, что индуцируется в первичной обмотке намагничивания. В результате при убывании тока генерируется дополнительная реактивная мощность. Это возможно потому, что в фазе убывания тока суммарная магнитная энергия, связанная с обмотками, существенно возрастает. В фазе убывания тока обмотки соединены последовательно. При росте тока к электрической цепи подключена только первичная намагничивающая обмотка. Вторичное магнитное поле не связано с первичной обмоткой, а только с вторичной.

Устройство может быть выполнено из 2-х Ш-образных магнитопроводов, разделенных диэлектрическим воздушным зазором. Первичная обмотка расположена на одном Ш-образном сердечнике (его центральной части как броневом трансформаторе), а вторичная на 2-м Ш-образном сердечнике. Зазор из диэлектрика подбирается так, чтобы достаточно хорошо намагнитить через зазор 2-й сердечник (без обмотки намагничивания), и при этом достаточный для образования вторичного магнитного поля вокруг 2-го сердечника.

Устройство может представлять собой 2 Ш-образных сердечника с укороченным центральным стрежнем, между которыми через диэлектрические зазоры размещается индуктор (обмотка намагничивания на ферромагнитном сердечнике). В сборке это устройство представляет броневой магнитопровод, в котором индуктор расположен в центральной части этого броневого сердечника. Устройство может быть выполнено из 2-х Ш-образных магнитопроводов разделенных диэлектрическим зазором. Каждая из фаз (3-фaзнaя система) расположена на одном из стержней магнитопровода и состоит из первичных обмоток на одном Ш- образном магнитопроводе и вторичных на другом Ш-образном магнитопроводе. Каждая фаза расположена на одном из стержней как в обычных 3-х фазных трансформаторах. Такое устройство сразу выдает 3-х фазную электрическую мощность. Каждая фаза может располагаться как на отдельном устройстве, так и на общем 3-х фазном устройстве.

Если устройство состоит из П-образных магнитопроводов, то обмотки намагничивания лучше располагать ближе к воздушным зазорам, на параллельные ветви (и вторичные).

Устройство для 3-х фазной системы состоит из 2-х Ш-образных магнитопроводов (площади сечения всех трех ветвей одинаковые). С целью увеличения рассеяния магнитного поля на вторичном магнитопроводе направление шихты в пакетах (в параллельных ветвях) может быть развернуто на 90 градусов относительно плоскости общей магнитной цепи. С этой же целью направления осей максимального намагничивания у электротехнической стали (анизотропия по осям) может не совпадать с общим магнитным потоком в магнитной цепи. За счет этого можно значительно увечить долю магнитного поля, которое замкнуто вокруг вторичного сердечника по воздуху (диэлектрику) не образуя общую магнитную цепь и общий магнитный поток.

При этом важно получить максимальное рассеяние только вокруг вторичного сердечника. Для этого желательно максимально увеличить площадь поверхности по отношению к сечению. Устройство должно быть как бы уплощено в одной из плоскостей. В направлении максимального рассеяния шихта листов электротехнической стали должна быть параллельна магнитному потоку ,a не поперек ему.

В устройстве желательно иметь общий магнитопровод, например в плоскости общего магнитного потока. Плоскость шихты электротехнической стали в стержнях расположена по тому направлению, где он максимален. Плоскость шихты в боковых ветвях развернута на 90 градусов относительно плоскости магнитной цепи, если магнитная цепь уплощена в плоскости. Плоскость шихты в ветвях магнитопровода может быть развернута на 90 градусов относительно балки-перемычки в П-образном или Ш-образном магнитопроводе. Максимальный поток должен замыкаться параллельно плоскости шихты электротехнической трансформаторной стали, а не поперек листов. В качестве магнитопроводов можно использовать статорные и роторные магнитопроводы от электрических машин. Шихтованные и без демпферных обмоток. Магнитопровод электромашинного типа используется в статическом виде без вращения. Первичные и вторичные обмотки расположены попарно, либо на роторе, либо на статоре. На роторе могут быть расположены только первичные обмотки, а на статоре только вторичные. Либо наоборот. В качестве индуктора может быть ротор либо статор. В качестве магнитопровода могут использоваться как магнитопровод от явно полюсной машины, так и от неявнополюсной, например, от синхронных генераторов или двигателей.

В явно полюсном магнитопроводе можно изменять воздушный зазор, меняя угол поворота ротора относительно статора. Воздушный зазор подбирается так, чтобы получить достаточно большой магнитный поток рассеяния вокруг магнитопроводов. Такое устройство может работать как в однофазном, так и в многофазном варианте (в том числе в 3-х фазном). Для этого расположение обмоток подбирается таким, чтобы магнитные потоки замыкались как в обычном 3-х стержневом 3-х фазном трансформаторе. Вторичные же магнитные потоки замыкаются по воздуху вокруг статорного или роторного магнитопровода, не образуя общий магнитный поток, и не замыкаются по общей магнитной цепи. Первичные и вторичные обмотки находятся на разных зубцах магнитопровода и разделены воздушными зазорами. В явно полюсной конструкции явно полюсным может быть как ротор, так и статор. Электромашинный магнитопровод используется в заторможенном виде без вращения. В такой конструкции можно использоваться и съемные полюса статора. Магнитопроводы от неявнополюсных электромашин используются с увеличенным воздушным зазором для получения значительного вторичного магнитного поля.

Обратноходовый преобразователь переменного тока (в том числе и синусоидального) 3-х фазной системы может быть выполнен в виде устройства из 3-х индукторов и 2-х Ш-образных магнитопроводов, вместе образующих замкнутую (с диэлектрическим зазором) Ш-образную магнитную цепь. Индукторы находятся в центральной части каждой из 3-х ветвей (все вместе-магнитная цепь 3-х фазного 3-х стержневого трансформатора) и замкнуты с 2-х сторон двумя Ш-образными магнитопроводами, выполняющими роль вторичных магнитопроводов с расположенными на них вторичными съемными обмотками. Нарастающий ток (намагничивание) подается только в индукторные обмотки. А при убывании тока (размагничивании) к индукторной обмотке подключаются вторичные съемные обмотки. Вторичные магнитные поля при размагничивании (обратный ход) индуцируют во вторичных обмотках дополнительную ЭДС и электроэнергию дополнительно к той, что индуцируется в обмотках индуктора. Можно сказать, что во вторичных обмотках преобразование вторичных магнитных полей (замкнутых только вокруг вторичных сердечников) генерирует дополнительную реактивную электрическую мощность, электроэнергию. Кроме магнитного поля индуктора в электроэнергию преобразуется и энергия вторичных магнитных полей.

Нарастающий намагничивающий ток подается только в три индуктора, а при размагничивании энергия снимается (спадающий ток, обратный ход) со всех 3-х индукторов и с 2-х Ш-образных магнитопроводов. Так как токи в обмотках индуктора сдвинуты по фазе как в 3-х фазной обычной магнитной цепи, то генерируемая реактивная мощность будет содержать 3 фазы, сдвинутые на 120 градусов как в обычном 3-х фазном индуктивном дросселе, в 3-х обмотках сразу генерируется 3-х фазная Эл. Мощность в виде дополнительной реактивной мощности.

Такие устройства позволяют сразу генерировать 3-х фазную Эл. Мощность промышленной частоты синусоидального тока. Все 3-х фазные системы могут быть выполнены либо на отдельных магнитопроводах каждая фаза, либо на общем 3-х фазном стержневом магнитопроводе. В общем виде это обязательно 3 фазных индуктора и 3 (или 3 пары) вторичные обмотки. 3-х фазные системы могут быть выполнены и на магнитопроводах электромашинного типа (как токоограничивающие реакторы). На магнитопроводах (ротор и статор) электромашинного типа в заторможенном состоянии.