Электрический высокочастотный резонансный трансформатор (варианты)

Изобретение относится к электротехнике, к электрическим трансформаторам для устройств передачи электрической энергии. Технический результат состоит в повышении передаваемой мощности и рабочей частоты за счет исключения магнитопровода, обеспечения возможности подключения к выходу трансформатора низкоомных нагрузок. В качестве магнитопровода используется резонансная обмотка для повышения связи между первичной и вторичной обмотками, обусловленной добротностью образуемого ею четвертьволнового вибратора. Электрический высокочастотный трансформатор дополнительно снабжен резонансной обмоткой (резонатором), выполненной в виде спиральной катушки с длиной намотки, равной четверти длины стоячей волны тока и напряжения и состоящей из последовательно соединенных секций спирально намотанного изолированного провода, сечение которого различно для каждой секции и уменьшается по мере удаления секции от начала резонансной обмотки. Поверх резонансной обмотки у ее начала в области формирования пучности тока размещены первичная и вторичная обмотки, соединенные с генератором и нагрузкой. Резонансная частота контуров первичной, вторичной и резонансной обмоток равны между собой. Начала первичной, вторичной и резонансной обмоток электрически соединены между собой и заземлены, а второй вывод резонансной обмотки изолирован. Начала первичной и вторичной обмоток могут быть соединены между собой, начало резонансной обмотки заземлено, а ее конец изолирован. Первичная и вторичная обмотки могут быть гальванически не связаны, начало резонансной обмотки заземлено, а ее конец изолирован. 3 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкции электрических высокочастотных трансформаторов для устройств передачи электрической энергии.

Известен электрический трансформатор напряжения - электромагнитный статический преобразователь электрической энергии, содержащий первичную и вторичную обмотки и магнитопровод. Энергия из одной обмотки в другую передается изменяющимся во времени магнитным потоком, охватывающим обе обмотки трансформатора. Для снижения магнитного сопротивления переменному магнитному потоку обмотки располагают на ферромагнитном сердечнике-магнитопроводе.

Эффективность передачи энергии в трансформаторе из первичной обмотки во вторичную определяется коэффициентом магнитной связи между обмотками. При этом в силу практического равенства магнитного потока вдоль всего магнитопровода, соотношение напряжений на выводах обмоток соответствует соотношению числа их витков. (Копылов Н.П. Электрические машины. - М.: Логос, 2002 г., стр.131-239).

Недостатком известного трансформатора является ограничение его параметров по частоте и мощности из-за имеющихся у магнитопроводящих материалов свойств нелинейной зависимости их от частоты и интенсивности магнитного потока, что является следствием доменной природы магнитных свойств ферромагнетиков. При большой частоте и большой величине магнитного потока магнитные домены магнитопроводящего сердечника перестают реагировать на изменения магнитного потока.

Известно устройство для преобразования электрической энергии, предложенное в 1897 г. Н.Тесла. Согласно изобретению устройство содержит первичную низковольтную обмотку, соединенную с электрическим генератором повышенной частоты, и вторичную высоковольтную обмотку для передачи электрической энергии по одному проводу. Длина вторичной обмотки приблизительно равна четверти длины волны электромагнитного поля. Высоковольтная обмотка располагается внутри первичной обмотки, а прилегающий к первичной обмотке вывод высоковольтной обмотки заземляется. При этом в высоковольтной обмотке возбуждаются стоячие волны тока и напряжения. В области, прилегающей к первичной обмотке, возбуждается пучность тока и, следовательно, пучность магнитной индукции, а в противоположной области высоковольтной обмотки возбуждается пучность напряжения с созданием высокого потенциала на выводе высоковольтной обмотки трансформатора. (Н.Тесла. Электрический трансформатор. Патент США №593138 от 12.11.1897 г.).

Недостатком данного электрического трансформатора является невозможность прямого подключения низкоомной нагрузки к вторичной обмотке из-за высокого выходного сопротивления трансформатора. Для обеспечения возможности подключения низкоомной нагрузки требуется применение специального согласующего устройства, например второго, понижающего, трансформатора Тесла.

Известен электрический высокочастотный трансформатор, содержащий низковольтную обмотку и высоковольтную обмотку, выполненную в виде спирали проводом разного сечения, причем сечение провода обмотки увеличивается по мере приближения к области пучности тока. Такое исполнение высоковольтной обмотки способствует снижению потерь на сопротивлении обмотки трансформатора при работе на повышенных частотах. При этом повышается добротность четвертьволновой высоковольтной обмотки и усиливается эффект образования пучности тока. (Патент РФ 2337423 от 07.09.2007 г.).

Недостатком известного электрического высокочастотного трансформатора является невозможность подключения к выходу трансформатора низкоомных нагрузок. Прямое подключение обычной низкоомной нагрузки равно аварийному режиму, соответствующему режиму короткого замыкания трансформатора, что не позволяет осуществить необходимую трансформацию и передачу электрической энергии.

Задачей изобретения является повышение эффективности преобразования и передачи электрической энергии.

Технический результат заключается в увеличении передаваемой мощности, повышении рабочей частоты, исключении использования магнитопровода и обеспечении возможности подключения к выходу трансформатора низкоомных нагрузок.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что предлагаемый электрический высокочастотный резонансный трансформатор, содержащий первичную обмотку, соединенную через первый резонансный конденсатор с высокочастотным генератором, вторичную обмотку, соединенную через второй резонансный конденсатор с нагрузкой, дополнительно снабжен резонансной обмоткой, выполненной в виде спиральной катушки с длиной намотки, равной четверти длины стоячей волны тока и напряжения, при этом резонансная обмотка состоит из нескольких последовательно соединенных секций спирально намотанного изолированного провода, сечение которого различно для каждой секции и уменьшается по мере удаления секции от начала резонансной обмотки, поверх резонансной обмотки, у её начала, в области формирования пучности тока, размещены первичная и вторичная обмотки, соединенные с генератором и нагрузкой, при этом резонансная частота контуров первичной, вторичной и резонансной обмоток равны между собой и соответствуют частоте генератора, а начала первичной, вторичной и резонансной обмоток электрически соединены между собой и заземлены, а конец резонансной обмотки изолирован, при этом резонансную обмотку используют в качестве магнитопровода для увеличения коэффициента связи между первичной и вторичной обмотками и расширения диапазона рабочей частоты.

В другом варианте электрический высокочастотный резонансный трансформатор, содержащий первичную обмотку, соединенную через первый резонансный конденсатор с высокочастотным генератором, вторичную обмотку, соединенную через второй резонансный конденсатор с нагрузкой, дополнительно снабжен резонансной обмоткой, выполненной в виде спиральной катушки с длиной намотки, равной четверти длины стоячей волны тока и напряжения, при этом резонансная обмотка состоит из нескольких последовательно соединенных секций спирально намотанного изолированного провода, сечение которого различно для каждой секции и уменьшается по мере удаления секции от начала резонансной обмотки, поверх резонансной обмотки, у ее начала, в области формирования пучности тока, размещены первичная и вторичная обмотки, соединенные с генератором и нагрузкой, при этом резонансная частота контуров первичной, вторичной и резонансной обмоток равны между собой и соответствуют частоте генератора, а начала первичной и вторичной обмоток соединены между собой, начало резонансной обмотки заземлено, а конец резонансной обмотки изолирован, при этом резонансную обмотку используют в качестве магнитопровода для увеличения коэффициента связи между первичной и вторичной обмотками и расширения диапазона рабочей частоты.

В другом варианте электрический высокочастотный резонансный трансформатор, содержащий первичную обмотку, соединенную через первый резонансный конденсатор с высокочастотным генератором, вторичную обмотку, соединенную через второй резонансный конденсатор с нагрузкой, дополнительно снабжен резонансной обмоткой, выполненной в виде спиральной катушки с длиной намотки, равной четверти длины стоячей волны тока и напряжения, при этом резонансная обмотка состоит из нескольких последовательно соединенных секций спирально намотанного изолированного провода, сечение которого различно для каждой секции и уменьшается по мере удаления секции от начала резонансной обмотки, поверх резонансной обмотки, у ее начала, в области формирования пучности тока, размещены первичная и вторичная обмотки, соединенные с генератором и нагрузкой, при этом резонансная частота контуров первичной, вторичной и резонансной обмоток равны между собой и соответствуют частоте генератора, первичная и вторичная обмотки гальванически не связаны, начало резонансной обмотки заземлено, а конец резонансной обмотки изолирован, при этом резонансную обмотку используют в качестве магнитопровода для увеличения коэффициента связи между первичной и вторичной обмотками и расширения диапазона рабочей частоты.

Исключение из конструкции трансформатора магнитопроводящего ферромагнитного сердечника снимает ограничение на увеличение магнитной индукции и рабочей частоты при работе электрического высокочастотного резонансного трансформатора. Увеличение передаваемой мощности и повышение рабочей частоты достигается в результате замены магнитопроводящего сердечника трансформатора на резонансную обмотку (резонатор), выполненную в виде спирали с электрической длиной, равной четверти длины стоячей волны тока и напряжения в ней.

На фиг.1-3 представлен электрический высокочастотный резонансный трансформатор и схема его соединения с питающим генератором и нагрузкой.

Устройство содержит электрический высокочастотный резонансный трансформатор 1, имеющий первичную обмотку 2 с индуктивностью L₁, соединенную через первый резонансный конденсатор 3 емкостью C₁ с генератором 4, и вторичную обмотку 5 с индуктивностью L₂, соединенную через второй резонансный конденсатор 6 емкостью C₂ с нагрузкой 7, а также резонансную обмотку 8, обладающую индуктивностью L_p и собственной емкостью С_р. Начала первичной обмотки 3, вторичной обмотки 6 и резонансной обмотки 8 объединены и соединены с землей 9, а конец 10 резонансной обмотки 8 изолирован.

Электрический высокочастотный трансформатор работает следующим образом. Электрическая энергия повышенной частоты от генератора 4 подается на входной контур, образуемый индуктивностью L₁ первичной обмотки 2 и емкостью C₁ первого резонансного конденсатора 3. Магнитный поток, создаваемый током в первичной обмотке 2, переносит энергию из входного резонансного контора в выходной резонансный контур, образуемый индуктивностью L₂ вторичной обмотки 5 и емкостью С₂ второго резонансного конденсатора 6, и отдает ее нагрузке 7. Магнитный поток первичной обмотки 2 возбуждает также резонансную обмотку 8, вдоль которой в условиях резонанса устанавливаются стоячие волны напряжения и тока. При этом создаваемые резонансной обмоткой 8 пучности тока находятся в области расположения первичной обмотки 2, что приводит к увеличению интенсивности магнитного потока в обмотке 2, уменьшению магнитного потока рассеяния трансформатора 1 и увеличению коэффициента связи и величины магнитной индукции при передаче энергии к нагрузке практически без ограничения по частоте.

Работа электрического высокочастотного резонансного трансформатора 1 с резонансной обмоткой 8 в качестве дополнительного намагничивающего четвертьволнового вибратора осуществляется при равенстве частот питающего генератора 4, входного контура (L₁, C₁), образуемого первичной обмоткой 2 и первым конденсатором 3, выходного контура (L₂, C₂), образуемого вторичной обмоткой 5 и емкостью второго конденсатора 6, а также частотой резонансной обмотки 8, обладающей индуктивностью L_p, собственной емкостью С_р.

Рабочие резонансные частоты входного и выходного контуров и резонансной обмотки электрического высокочастотного резонансного трансформатора определяются их электрическими параметрами и соответствуют следующим выражениям.

Рабочая частота входного резонансного контура:

Рабочая частота выходного резонансного контура:

Рабочая частота резонансной обмотки (резонатора) 8:

где L₁, L₂, C₁, C₂ - индуктивности обмоток в Гн, и емкости конденсаторов в Ф первичного и вторичного контуров;

L₀, С₀ - распределенная погонная индуктивность в Гн/м, и емкость, Ф/м резонансной обмотки 8; l_э - длина катушки резонансной обмотки 8.

Резонансные частоты f₁, f₂, f₃ и частота тока f_г питающего генератора 4 равны между собой и являются рабочей частотой электрического высокочастотного резонансного трансформатора.

В варианте исполнения трансформатора по фиг.2 начала первичной обмотки 2 и вторичной обмотки 5 соединены между собой, начало 9 резонансной обмотки 8 заземлено, а ее конец 10 изолирован.

В другом варианте, в соответствии с фиг.3, начала первичной обмотки 2 и вторичной обмотки 5 между собой и с началом резонансной спиральной обмотки 8 гальванически не связаны, начало 9 резонансной обмотки 8 заземлено, а её конец 10 изолирован.

В электрическом высокочастотном резонансном трансформаторе резонансная обмотка 8, выполненная в виде спирали с четвертьволновой электрической длиной, выполняет функцию ферромагнитного сердечника. Первичная 2 и вторичная 5 обмотки намотаны поверх четвертьволновой резонансной обмотки 8 и расположены в области формирования пучности тока по длине резонансной обмотки 8, которая в условиях резонанса работает в качестве четвертьволнового вибратора. Энергетический обмен между первичной и вторичной обмотками происходит через магнитное поле, возбуждаемое в области пучности тока резонансной катушки. За счет увеличения добротности четвертьволнового вибратора, образуемого резонансной обмоткой 8, значительно увеличивается коэффициент связи и энергетический обмен между первичной и вторичной обмотками.

Используемая в электрическом высокочастотном резонансном трансформаторе резонансная обмотка (резонатор) не требует применения ферритов или трансформаторного железа, выполняет функции магнитопровода, практически не имеющего предела магнитного насыщения, расширяя рабочий частотный диапазон в 10-100 раз, повышает коэффициент связи между первичной и вторичной обмотками, что значительно повышает величину передаваемой мощности.

1. Электрический высокочастотный резонансный трансформатор, содержащий первичную обмотку, соединенную через первый резонансный конденсатор с высокочастотным генератором, вторичную обмотку, соединенную через второй резонансный конденсатор с нагрузкой, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен резонансной обмоткой, выполненной в виде спиральной катушки с длиной намотки, равной четверти длины стоячей волны тока и напряжения, при этом резонансная обмотка состоит из нескольких последовательно соединенных секций спирально намотанного изолированного провода, сечение которого различно для каждой секции и уменьшается по мере удаления секции от начала резонансной обмотки, поверх резонансной обмотки, у ее начала, в области формирования пучности тока, размещены первичная и вторичная обмотки, соединенные с генератором и нагрузкой, при этом резонансные частоты контуров первичной, вторичной и резонансной обмоток равны между собой и соответствуют частоте генератора, а начала первичной, вторичной и резонансной обмоток электрически соединены между собой и заземлены, а конец резонансной обмотки изолирован, при этом резонансную обмотку используют в качестве магнитопровода для увеличения коэффициента связи между первичной и вторичной обмотками с расширением диапазона рабочей частоты.

2. Электрический высокочастотный резонансный трансформатор, содержащий первичную обмотку, соединенную через первый резонансный конденсатор с высокочастотным генератором, вторичную обмотку, соединенную через второй резонансный конденсатор с нагрузкой, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен резонансной обмоткой, выполненной в виде спиральной катушки с длиной намотки, равной четверти длины стоячей волны тока и напряжения, при этом резонансная обмотка состоит из нескольких последовательно соединенных секций спирально намотанного изолированного провода, сечение которого различно для каждой секции и уменьшается по мере удаления секции от начала резонансной обмотки, поверх резонансной обмотки, у ее начала, в области формирования пучности тока, размещены первичная и вторичная обмотки, соединенные с генератором и нагрузкой, при этом резонансные частоты контуров первичной, вторичной и резонансной обмоток равны между собой и соответствуют частоте генератора, начала первичной и вторичной обмоток соединены между собой, начало резонансной обмотки заземлено, а конец резонансной обмотки изолирован, при этом резонансную обмотку используют в качестве магнитопровода для увеличения коэффициента связи между первичной и вторичной обмотками с расширением диапазона рабочей частоты.

3. Электрический высокочастотный резонансный трансформатор, содержащий первичную обмотку, соединенную через первый резонансный конденсатор с высокочастотным генератором, вторичную обмотку, соединенную через второй резонансный конденсатор с нагрузкой, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен резонансной обмоткой, выполненной в виде спиральной катушки с длиной намотки, равной четверти длины стоячей волны тока и напряжения, при этом резонансная обмотка состоит из нескольких последовательно соединенных секций спирально намотанного изолированного провода, сечение которого различно для каждой секции и уменьшается по мере удаления секции от начала резонансной обмотки, поверх резонансной обмотки, у ее начала, в области формирования пучности тока, размещены первичная и вторичная обмотки, соединенные с генератором и нагрузкой, при этом резонансные частоты контуров первичной, вторичной и резонансной обмоток равны между собой и соответствуют частоте генератора, первичная и вторичная обмотки гальванически не связаны, начало резонансной обмотки заземлено, а конец резонансной обмотки изолирован, при этом резонансную обмотку используют в качестве магнитопровода для увеличения коэффициента связи между первичной и вторичной обмотками с расширением диапазона рабочей частоты.