Помехоустойчивый трансформатор

 

Использование: в области электротехники. Сущность: помехоустойчивый трансформатор содержит магнитопровод 1, экраны 2 и 3, первичную обмотку 4, подключенную через вводы 5 к сети 6, и вторичную обмотку 7, подключенную через выводы 8 к нагрузке 9, обмотки 4 и 7, залитые в оболочку 10 из смолы с наполнителем. Экраны 2 и 3 выполнены из двух взаимно ортогональных частей, собранных из листового магнитного материала. Одна часть экрана 2 снабжена радиальным разрезом 11, зашунтированным резистивным элементом 12. Обе части экрана соединены магнитным шунтом 13. 5 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области электротехники, точнее к помехозащитным устройствам, а именно к помехоустойчивым трансформаторам.

Известен трансформатор, содержащий экранированные первичную и вторичную обмотки, размещенные на магнитопроводе, что позволяет подавлять несимметричные помехи, но симметричные помехи в данном трансформаторе не ослабляются.

Известен трансформатор источника питания, содержащий первичную и вторичную обмотки, размещенные на магнитопроводе в полости экранирующего корпуса. Первичная и вторичная обмотка вместе с соответствующими частями магнитопровода отделены друг от друга экранами, представляющими собою часть корпуса. Однако в этой конструкции велики потери электроэнергии обусловленные токами, циркулирующими в экране и мало ослабление симметричных помех.

Существенно лучшие характеристики имеет помехоустойчивый трансформатор, где экран выполнен объемным из изотропного магнитомягкого материала и установлен в прорези магнитопровода. Недостатком этой конструкции является низкая технологичность, обусловленная сложностью изготовления объемного экрана.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является помехоразделительный трансформатор, содержащий основной магнитопровод, первичную обмотку, подключаемую к сети, и вторичную обмотку, подключаемую к нагрузке, размещенные на основном магнитопроводе, обмотки первичная и вторичная залиты в оболочку из смолы с наполнителем, имеющим высокую магнитную проницаемость для высоких частот.

Недостаток этого помехоразделительного трансформатора - ограниченные помехозащитные свойства в отношении низкочастотных симметричных помех. Это обусловлено тем, что на низких частотах шунтирование магнитных полей помех феррокомпаундом незначительно и часть магнитных полей помех проникает из первичной во вторичную обмотку. Возможности помехоразделительного трансформатора по подавлению несимметричных помех ограничены, так как феррокомпаунд экраном для них не является. Низкие энергетические характеристики, в частности большое изменение напряжения на вторичной обмотке под нагрузкой, обусловлены тем, что для эффективной защиты от симметричных помех между первичной и вторичной обмотками должен быть толстый слой феррокомпаунда, а это приводит к удалению обмоток друг от друга и, как следствие, увеличению эквивалентного последовательного сопротивления трансформатора как элемента передачи электроэнергии. На последовательном сопротивлении под нагрузкой падает напряжение и поэтому уменьшается выходное напряжение.

Цель изобретения - повышение энергетических и помехозащитных свойств трансформатора.

Поставленная цель достигается за счет того, что в помехоразделительном трансформаторе, содержащем магнитопровод, экран, первичную и вторичную обмотки, которые залиты в оболочку из смолы с высокочастотным магнитным наполнителем, экран выполнен из двух взаимно ортогональных частей, собранных из листового материала с магнитной проницаемостью и индукцией насыщения большей, чем у смолы с наполнителем оболочки. Одна часть экрана расположена в пространстве между первичной и вторичной обметками и снабжена радиальным разрезом, зашунтированным резистивным элементом. Вторая часть экрана охватывает снаружи оболочку и магнитопровод. Обе части экрана соединены магнитным шунтом и гальванически связаны с землей. Вторая часть экрана может быть выполнена по меньшей мере из одного листа низкочастотной электротехнической стали, а первая часть экрана - из одного листа высокочастотного пермаллоя. В этом варианте исполнения возможна замена пермаллоя на аморфное железо.

Весьма разумно, чтобы в помехоустойчивом трансформаторе резистивный элемент был выполнен в виде токопроводящего компаунда, заполняющего разрез. В этом варианте исполнения возможна замена компаунда на лист из материала с высоким удельным сопротивлением, например нихрома, перекрывающего разрез. Допустимо, чтобы в помехоустойчивом трансформаторе материал первой и второй части экрана обладал изотропными магнитными свойствами, например был бы выполнен из аморфного железа.

Предлагаемое решение позволяет повысить энергетические характеристики трансформатора за счет снижения падения выходного напряжения и увеличить помехозащитные свойства за счет уменьшения уровня несимметричных помех и симметричных помех в области низких частот.

Замена феррокомпаунда в пространстве между первичной и вторичной обмотками на первую часть экрана из листового материала позволяет сблизить первичную и вторичную обмотки и уменьшить падение напряжения. Одновременно первая часть экрана является третичной обмоткой, нагруженной на резистивный элемент. Число витков третичной обмотки, образованной первой частью экрана существенно меньше, чем первичной обмотки, сопротивление резистивного элемента можно выбрать достаточно большим, поэтому потери в первой части экрана на рабочей частоте трансформатора будут незначительны. В то же время для высокочастотных симметричных помех, например коротких импульсов, имеет место волновой характер их распространения, например по первичной обмотке. Поэтому импульсное напряжение прикладываемое первоначально к нескольким виткам первичной обмотки и напряжение, наводимое в третичной обмотке, образованной первой частью экрана, будет велико, что обусловит эффективное поглощение энергии импульсных помех в резистивном элементе и демпфирование колебаний. Связанные магнитным шунтом основной магнитопровод, первая часть экрана, вторая часть экрана образуют единую магнитную систему, охватывающую снаружи обмотки, оболочку из смолы с наполнителем и стержни основного магнитопровода. Эта магнитная система имеет малое сопротивление для потока рассеяния низкочастотных помех. Низкочастотные помехи из первичной обмотки замыкаются через магнитную систему и не достигают вторичной обмотки, что и обусловливает повышение помехозащищенности по отношению к низкочастотным симметричным помехам. В то же время потоки рассеяния высокочастотных симметричных помех замыкаются через оболочку из смолы с наполнителем и первую часть экрана, т.е. помехозащищенность по отношению к высокочастотным симметричным помехам сохраняется. Так как по второй части экрана замыкаются низкочастотные помехи, он может быть выполнен из низкочастотной электротехнической стали, которая одновременно будет поглощать энергию высокочастотных помех, проникающих за пределы оболочки из смолы. По первой части экрана замыкаются и высокочастотные и низкочастотные помехи, поэтому он должен выполняться из высокочастотного пермаллоя или аморфного железа. Для сохранения характеристик магнитной системы прототипа, образованной оболочкой из смолы с наполнителем (феррокомпаунда), магнитная проницаемость и индукция насыщения первой части экрана должны быть больше, чем у оболочки из смолы с наполнителем, так как это позволяет замыкать через него потоки высокочастотных и низкочастотных помех при уменьшении расстояния между первичной и вторичной обмотками. Электрическое соединение между магнитопроводами и цепью заземления придает магнитопроводам свойства электростатических экранов, образующих отдельные полости для размещения первичной и вторичной обмоток, что увеличивает помехозащитные свойства трансформатора по отношению к несимметричным помехам. Для расширения защитных свойств трансформатора в сторону более высокочастотных помех резистивный элемент целесообразно выполнить из токопроводящего компаунда, заполняющего разрез или из листа материала с высоким удельным сопротивлением (например нихрома), перекрывающего разрез. Это позволяет снизить индуктивность цепи отвода энергии и улучшить ее высокочастотные свойства. Идеальным вариантом являлось бы изготовление первой части экрана без разреза из материала, обладающего одновременно и магнитными и резистивными свойствами в необходимом соотношении. Так как в первой части экрана и второй части экрана направление магнитных потоков может быть различным, целесообразно выбирать материал для них с изотропными свойствами. Дальнейшего улучшения помехозащитных свойств можно добиться посредством установки между вторичной обмоткой и нагрузкой фильтра в простейшем варианте конденсатора.

На фиг. 1 показано устройство трансформатора на трехстержневом магнитопроводе; на фиг. 2 - электрическая схема трансформатора; на фиг. 3 и 4 - варианты исполнения резистивного элемента; на фиг. 5 - вариант исполнения экрана на двухстержневом магнитопроводе; на фиг. 6 - амплитудно-частотная характеристика для симметричных помех у различных помехоустойчивых трансформаторов.

Помехоустойчивый трансформатор содержит магнитопровод 1, экраны 2 и 3, первичную обмотку 4, подключенную через вводы 5 к сети 6, и вторичную обмотку 7, подключенную через выводы 8 к нагрузке 9. Обмотки залиты в оболочку 10 из смолы с высокочастотным ферромагнитным наполнителем. Экран выполнен из двух взаимно ортогональных частей 2 и 3, собранных из листового магнитного материала с магнитной проницаемостью и индукцией насыщения, большими, чем у смолы с наполнителем оболочки 10. Часть экрана 2 расположена в пространстве между первичной 4 и вторичной 7 обмотками и снабжена радиальным разрезом 11, зашунтированным резистивным элементом 12. Часть экрана 3 охватывает снаружи оболочку 10 и магнитопровод 1. Обе части экрана 2 и 3 соединены магнитным шунтом 13, который является продолжением листа части экрана 2, и гальванически соединены с землей 14. Вторая часть экрана 3 может быть выполнена по меньшей мере из одного листа низкочастотной электротехнической стали, а часть экрана 2 может быть выполнена по меньшей мере из одного листа высокочастотного пермаллоя. Часть экрана 2 может быть выполнена также по меньшей мере из одного листа аморфного железа. Резистивный элемент 12 может быть выполнен в виде токопроводящего компаунда 15, заполняющего разрез 11. Резистивный элемент 12 может быть выполнен в виде листа из материала с высоким удельным сопротивлением 16, например нихрома, перекрывающего разрез 11. Материал экранов 2 и 3 может дополнительно обладать изотропными магнитными свойствами. В качестве электротехнической стали можем использоваться любая известная, пермаллой, например, типа 50НН, смола, например, эпоксидная марки ЭД-20, наполнитель-порошок карбонильного железа Р-8.

Помехоустойчивый трансформатор работает следующим образом.

Вводы 5 первичной обмотки 4 подключаются к сети 6 переменного тока. В магнитопроводе 1 возникает изменяющийся поток, который наводит во вторичной обмотке 7 напряжение, подводимое через выводы 8 к нагрузке 9. В части экрана 2 также наводится ток, но из-за большого сопротивления резистивного элемента 12 и наличия разреза 11 потери энергии от основного потока в первой части экрана невелики. Из-за выполнения первой части экрана 2 из листового тонкого материала в нормальном к поверхности листа направлении магнитное сопротивление первой части экрана 2 для основного потока мало. В части экрана 3 ток не наводится благодаря тому, что он охватывает все стержни 17 основного магнитопровода 1. Несимметричные помехи из сети 6 непосредственно через трансформатор не могут передаваться в нагрузку 9, так как первая часть экрана 2, вторая часть экрана 3 и основной магнитопровод 1 электрически соединены между собой и цепью заземления в точке 18, образуя высококачественный объемный электростатический экран между первичной 4 и вторичной 7 обмотками. Симметричные помехи из сети 6 распространяются в нагрузку 9 преимущественно через поток рассеяния, который, исходя из первичной обмотки 4, первоначально сцепляется с объемным магнитопроводом, образованным первой 2 и второй 3 частями экрана, замкнутыми магнитным шунтом 13 и магнитосвязанным с ними через потоки рассеяния основным магнитопроводом 1. Кроме того, высокочастотные потоки помех сцепляются с оболочкой 10. Образованный таким путем объемный магнитопровод имеет две полости для обмоток 4 и 7, которые локализуют потоки рассеяния помех и препятствуют взаимному проникновению их из одной полости в другую, чем и обеспечивается повышенная помехозащищенность по отношению к симметричным помехам. Для коротких импульсов часть экрана 2 с резистивным элементом 12 выполняет роль контура с высокими потерями.

Таким образом, изобретение позволяет осуществить более эффективное подавление симметричных и несимметричных помех, обладая при этом более высокими энергетическими характеристиками.

Этот факт подтверждается результатами испытаний, представленными в таблице и на фиг. 6, где соответственно представлены массогабаритные характеристики известных помехоустойчивых трансформаторов 1 и 2 и предлагаемого трансформатора 3, а также их амплитудно-частотные характеристики для симметричных помех, а именно зависимость коэффициента ослабления от частоты.

Предлагаемый помехоустойчивый трансформатор в сравнении с известными позволяет уменьшить количество сбоев в работе электронной аппаратуры, а также улучшить характеристики сложнобытовой электронной техники за счет эффективного подавления симметричных и несимметричных помех, поступающих из сети питания. Ослабление несимметричных помех на 40 дБ, а симметричных помех на 20 дБ лучше, чем у известного трансформатора.

Помехоустойчивый трансформатор предназначен для применения в устройствах электропитания цифровых технических средств, в которых проявляется повышенная чувствительность к помехам, например в локальных сетях, персональных компьютерах, устройствах с числовым программным управлением.

Формула изобретения

1. ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫЙ ТРАНСФОРМАТОР, содержащий магнитопровод, экран, первичную и вторичную обмотки, которые залиты оболочку из смолы с высокочастотным ферромагнитным наполнителем, отличающийся тем, что он имеет резистивный элемент и магнитный шунт, экран выполнен из двух взаимно ортогональных частей, собранных из листового магнитного материала с магнитной проницаемостью и индукцией насыщения, большими, чем у смолы с наполнителем оболочки, одна часть экрана расположена в пространстве между первичной и вторичной обмотками и снабжена радиальным разрезом, зашунтированным резистивным элементом, другая часть экрана охватывает снаружи оболочку и магнитопровод, обе части экрана соединены магнитным шунтом и гальванически связаны с землей.

2. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что одна часть экрана выполнена по меньшей мере из листа низкочастотной электротехнической стали, а другая часть экрана - по меньшей мере из одного листа высокочастотного пермаллоя.

3. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что одна часть экрана выполнена по меньшей мере из одного листа низкочастотной электротехнической стали, а другая часть экрана - по меньшей мере из одного листа аморфного железа.

4. Трансформатор по пп.1 - 3, отличающийся тем, что резистивный элемент выполнен в виде токопроводящего компаунда, заполняющего разрез.

5. Трансформатор по пп.1 -3, отличающийся тем, что резистивный элемент выполнен в виде листа из материала с высоким удельным сопротивлением, преимущественно нихрома, перекрывающего разрез.

6. Трансформатор по пп.1 - 5, отличающийся тем, что экран выполнен из материала, обладающего изотропными магнитными свойствами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7