Электрический высокочастотный трансформатор
Владельцы патента RU 2337423:
Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) (RU)
Изобретение относится к электротехнике, к электрическим высокочастотным трансформаторам для устройств передачи электрической энергии. Технический результат заключается в снижении потерь на сопротивлении обмоток трансформатора при работе на повышенной частоте и увеличении добротности высоковольтной обмотки. Электрический высокочастотный трансформатор содержит 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 равно Ii/I0, где Ii - ток в i-й секции, I0 - ток в начале первой секции; Si - сечение проводника в i-й секции, 0≤ϕi≤π/2. Начало спиральной обмотки соединено с концом низковольтной обмотки и через емкость - с одним из выводов высокочастотного генератора. 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 г., 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.
Известно устройство для преобразования и передачи электрической энергии по однопроводной линии на большое расстояние, разработанное Н.Тесла в 1897 году. Согласно изобретению Н.Тесла устройство состоит из двух трансформаторов, один для повышения, а другой для уменьшения потенциала тока, указанные трансформаторы имеют вывод обмотки с проводом большой длины, соединенный с линией, и другой вывод этой обмотки, примыкающий к обмотке из провода более короткой длины, соединен электрически с ней и с землей.
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 г.).
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 г.).
Недостатком известного устройства является использование для получения резонансных колебаний собственной емкости спиральной обмотки.
Задачей изобретения является повышение эффективности преобразования и передачи электрической энергии. Технический результат заключается в снижении потерь на сопротивлении обмоток трансформатора при работе на повышенной частоте и увеличении добротности высоковольтной обмотки.
Указанный результат достигается тем, что в электрическом высокочастотном трансформаторе, содержащем 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.
В варианте исполнения электрического высокочатотного трансформатора в качестве нормированного тока I-ой секции используют среднее значение тока в секции и соответствующее среднему току сечение проводника в секции.
В другом варианте конструкции электрического высокочастотного трансформатора в качестве нормированного тока i-й секции используют максимальное значение тока в этой секции и соответствующее максимальному току максимальное сечение проводника секции.
Сущность изобретения иллюстрируется на фиг.1, 2. На фиг.1 представлена электрическая схема устройства и на фиг.2 показано распределение тока 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, равной 
длины волны тока и напряжения.
где С - скорость электромагнитной волны.
При частоте генератора f0=25 кГц: 
Высоковольтная обмотка 5 состоит из секций С1, С2, C3, C4 с разным сечением проводника.
На фиг.2 показано распределение волны тока в четвертьволновой линии спиральной высоковольтной обмотки 5. Средняя плотность тока ji в каждой секции Сi равна:
где Ii=I0cosϕI - средний ток в i-й секции,
I0 - ток в начале первой секции,
Si - сечение проводника в i-й секции. Считая плотность тока ji=A постоянной вдоль проводника высоковольтной обмотки, получим уравнение:
где A=const, постоянная величина.
Так как I0 - фиксированная величина тока для данного трансформатора и режима передачи электроэнергии, разделим обе части равенства на I0, получим уравнение (I):
где В - новая постоянная величина, а cosϕI - нормированное значение тока в i-й секции спиральной обмотки.
На фиг.2 высоковольтная спиральная обмотка четвертьволновой линии длиной 3000 м при частоте 25 кГц содержит три секции по 1000 м каждая. Принимая средние значения нормированных токов для секции С1, ϕ1=15° cosϕ1=0,996; для секции С2 ϕ2=45° cos ϕ2=0,707; для секции C3 ϕ3=75° cos ϕ3=0,26.
Для выполнения условия (1) одинаковой плотности токов во всех секциях обмотки 5 получаем соотношения для сечений проводника в секциях:
S1=0,966B, где B - const;
S2=0,707B;
S3=0,26B;
Выбирая для третьей секции сечение проводника S3=1 мм2, получим S2=2,72 мм2, S3=3,71 мм2.
В варианте исполнения в качестве Ii берут максимальный ток в i-й секции. Тогда для первой секции I1=I0, cos ϕ1=1.
Пример выполнения высокочастотного трансформатора.
Число витков в низковольтной обмотке 3 W1=25.
Число витков в высоковольтной спиральной обмотке 5 W2=1244 витков, число слоев - 21, общая длина обмотки 5 lв=2474,019 м. Обмотка имеет 3 секции. Первая секция выполнена из провода ПВЗ-10 длиной 355,63 м, сечением 10 мм2; вторая секция из провода ПЗ-6 сечением 6 мм2, длиной 409,61 м и третья секция из провода ПВВ-1 сечением 1 мм2, длиной 2100,524 м. Сопротивление обмотки 5 на частоте f0=1 кГц, R=450 кОм, индуктивность L=0,93 Гн, емкость обмотки 26,82 нФ, добротность Q1=129.
При выполнении высоковольтной обмотки 5 только из провода ПВВ-1 сечением 1 мм2 длиной 2100,524 м добротность снизилась в 3,28 раза и составила Q2=39,3.
Таким образом, по сравнению с известным трансформатором, у которого высоковольтная обмотка выполнена из проводника минимального сечения, одинакового по всей длине высоковольтной обмотки, выполнение высоковольтной спиральной катушки из нескольких секций, в которых сечение проводника уменьшается в соответствии с соотношением (1), снижает потери на сопротивлении обмоток, увеличивает добротность и эффективность преобразования электромагнитной энергии в высокочастотном трансформаторе.
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, отличающийся тем, что 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.
2. Электрический высокочастотный трансформатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве нормированного тока i-й секции используют среднее значение тока в секции и соответствующее среднему значению тока сечение проводника в секции.
3. Электрический высокочастотный трансформатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве нормированного тока i-й секции используют максимальное значение тока в этой секции и соответствующее максимальному току максимальное сечение проводника секции.
