RU116268U1 - PARAMETRIC TRANSFORMER - Google Patents

Abstract

Параметрический трансформатор, содержащий составной магнитопровод броневого типа, состоящий из двух боковых участков и среднего участка, входной обмотки, подключенной к сети с напряжением U1 частотой f1, выходной обмотки, резонансной обмотки, подключенной выводами к конденсатору и образующей с ним резонансный контур, отличающийся тем, что в нижнем конце среднего участка, в месте стыка с одним из боковых участков выполнена вставка из магнитного материала с пониженной индукцией насыщения, представляющая собой часть тороидального сердечника, на котором расположена первичная обмотка, при этом выходная обмотка выполнена отдельно от резонансной и разделена на две равные части, соединенные последовательно-встречно, и размещена на боковых участках магнитопровода, а резонансная обмотка расположена на среднем участке магнитопровода. A parametric transformer containing an armored-type composite magnetic circuit, consisting of two side sections and a middle section, an input winding connected to a network with a voltage U1 with a frequency f1, an output winding, a resonant winding connected by terminals to a capacitor and forming a resonant circuit with it, characterized by that at the lower end of the middle section, at the junction with one of the side sections, an insert is made of magnetic material with a reduced saturation induction, which is a part of the toroidal core on which the primary winding is located, while the output winding is made separately from the resonant one and is divided into two equal parts connected in series-oppositely and located on the side sections of the magnetic circuit, and the resonant winding is located on the middle section of the magnetic circuit.

Description

Полезная модель относится к области электротехники, и может быть использована в качестве стабильного источника вторичного электропитания повышенной частоты.The utility model relates to the field of electrical engineering, and can be used as a stable source of secondary power supply of high frequency.

Параметрический трансформатор является низкочастотным индуктивным параметрическим генератором с некоторыми свойствами обычного силового трансформатора. Он выполняет одновременно функции: трансформации, стабилизации напряжения, защиты от перегрузок, двусторонней фильтрации, конвертирования одной фазы в три и обратно.A parametric transformer is a low-frequency inductive parametric generator with some properties of a conventional power transformer. It simultaneously performs the functions of: transformation, voltage stabilization, protection against overloads, two-sided filtering, converting one phase into three and vice versa.

Однако, многие приведенные в книге конструкции или не отражают их функциональное назначение, или в них не обозначены все элементы конструкции, что делает невозможным их понимание. Например, схемы управляемых трансформаторов на рис.1.2, 1.5, 1.6 стр.13-18 не имеют управляющих обмоток, что с одной стороны делает их похожими на параметрические трансформаторы, с другой стороны затрудняет понимание их принципа действия.However, many of the designs given in the book either do not reflect their functional purpose, or they do not indicate all the structural elements, which makes their understanding impossible. For example, the controlled transformer circuits in Fig. 1.2, 1.5, 1.6 p. 13-18 do not have control windings, which on the one hand makes them look like parametric transformers, on the other hand makes it difficult to understand their operating principle.

Наиболее близким к предлагаемому является параметрический трансформатор, (в патенте RU №2040058, H01F 27/28, G05F 3/06, 20.07.1995 г.), конструкция, которого содержит составной магнитопровод броневого типа, состоящий из двух боковых участков и среднего участка, входной (первичной сетевой) обмотки, выходной обмотки, подключенная выводами к конденсатору и образующая с ним резонансный контур. Первичная обмотка, расположенная на одном из боковых участков, подключена к сети с напряжением U1, частотой fl, на другом боковом участке, расположена выходная резонансная обмотка, подключенная к конденсатору, средний 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.Closest to the proposed is a parametric transformer (in patent RU No. 2040058, H01F 27/28, G05F 3/06, 07/20/1995), a design that contains a composite armored magnetic circuit, consisting of two side sections and the middle section, input (primary network) winding, output winding connected by leads to the capacitor and forming a resonant circuit with it. The primary winding, located on one of the side sections, is connected to the network with a voltage U1, frequency fl, on the other side section, there is an output resonant winding connected to the capacitor, the middle section is periodically saturated with the magnetic flux of the primary winding and periodically modulates the inductance of the winding of the resonant circuit , and with it the parametric excitation of oscillations in the circuit.

Недостатком данного устройства, выбранного в качестве прототипа, является понижение величины выходного напряжения при увеличении тока нагрузки, что приводит к повышению температуры перегрева обмоток и уменьшению надежности устройства и КПД параметрического трансформатора.The disadvantage of this device, selected as a prototype, is a decrease in the output voltage when the load current increases, which leads to an increase in the temperature of the overheating of the windings and a decrease in the reliability of the device and the efficiency of the parametric transformer.

Техническим результатом предлагаемой модели является повышение выходного напряжения параметрического трансформатора, снижение температуры перегрева обмоток, повышение надежности и КПД.The technical result of the proposed model is to increase the output voltage of the parametric transformer, lower the temperature of the overheating of the windings, increase the reliability and efficiency.

Технический результат достигается тем, что параметрический трансформатор, содержащий составной магнитопровод броневого типа, состоящий из двух боковых участков и среднего участка, входной (первичной сетевой) обмотки, подключенной к сети с напряжением U1, частотой fl, выходной обмотки, резонансной обмотки, подключенной выводами к конденсатору и образующей с ним резонансный контур, согласно полезной модели, в нижнем конце среднего участка, в месте стыка с одним из боковых участков выполнена вставка из магнитного материала с пониженной индукцией насыщения, представляющая собой часть тороидального сердечника, на котором расположена первичная обмотка, при этом, выходная обмотка выполнена отдельно от резонансной и разделена на две равные части, соединенные последовательно-встречно, и размещена на боковых участках магнитопровода, а резонансная обмотка расположена на среднем участке магнитопровода.The technical result is achieved by the fact that a parametric transformer containing a composite armored magnetic circuit, consisting of two lateral sections and a middle section, an input (primary network) winding connected to a network with voltage U1, frequency fl, output winding, resonant winding connected to the terminals according to the utility model, at the lower end of the middle section, at the junction with one of the side sections, an insert made of magnetic material with a reduced inductor saturation, which is a part of the toroidal core on which the primary winding is located, while the output winding is made separately from the resonant one and is divided into two equal parts connected in series and opposite, and placed on the side sections of the magnetic circuit, and the resonant winding is located in the middle section magnetic circuit.

Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 показана конструкция параметрического трансформатора. На фиг.2 показаны нагрузочные характеристики прототипа (кривая 1) и предлагаемого параметрического трансформатора (кривая 2).The essence of the claimed utility model is illustrated by drawings. Figure 1 shows the design of a parametric transformer. Figure 2 shows the load characteristics of the prototype (curve 1) and the proposed parametric transformer (curve 2).

Параметрический трансформатор содержит составной магнитопровод броневого типа, состоящий из двух боковых участков 1, 2 и среднего участка 3, входной (первичной сетевой) обмотки 4, подключенной к сети с напряжением U1, частотой f1, выходной обмотки 5, резонансной обмотки 6, подключенной выводами к конденсатору 7 и образующей с ним резонансный контур, согласно полезной модели, в нижнем конце среднего участка 3, в месте стыка с одним из боковых участков 2 выполнена вставка 8 из магнитного материала с пониженной индукцией насыщения, представляющая собой часть тороидального сердечника 9, на котором расположена первичная обмотка 4, при этом, выходная обмотка 5 выполнена отдельно от резонансной 6 и разделена на две равные части, соединенные последовательно-встречно, и размещена на боковых участках 1, 2 магнитопровода, а резонансная обмотка 6 расположена на среднем участке 3 магнитопровода.The parametric transformer contains a composite armored magnetic circuit consisting of two side sections 1, 2 and a middle section 3, an input (primary network) winding 4 connected to a network with voltage U1, frequency f1, output winding 5, resonant winding 6 connected by leads to capacitor 7 and forming a resonant circuit with it, according to a utility model, at the lower end of the middle section 3, at the junction with one of the side sections 2, an insert 8 of magnetic material with reduced saturation induction is made, representing the ohmic part of the toroidal core 9, on which the primary winding 4 is located, while the output winding 5 is made separately from the resonant 6 and is divided into two equal parts connected in series and opposite, and placed on the side sections 1, 2 of the magnetic circuit, and the resonant winding 6 located on the middle section 3 of the magnetic circuit.

Принцип работы параметрического трансформатора основан на возникновении периодических колебаний в колебательном контуре при периодическом изменение какого-либо параметра, в частности индуктивности обмотки колебательного контура. Это осуществляется периодическим насыщением части участка магнитопровода, на котором расположена соответствующая обмотка. Эффективность преобразования энергии зависит от величины изменения индуктивности ΔL обмотки (или глубины модуляции m). Под действием тока первичной обмотки 4 тороидальный сердечник 9 периодически насыщается, насыщается и вставка 8, являющаяся общей частью тороидального сердечника 9 и среднего участка 3, на котором расположена резонансная обмотка 6. В результате периодического насыщения вставки 8 изменяется магнитное сопротивление всего среднего участка 3, что приводит периодическому изменению (модуляции) индуктивности резонансной обмотки 6, и в цепи резонансной обмотки 6 возбуждаются параметрические колебания с частотой входного сигнала. Поскольку средний участок 3 является общей частью первичной и вторичной магнитных цепей, то по принципу трансформаторной ЭДС наводятся и в выходных обмотках 5.The principle of operation of a parametric transformer is based on the occurrence of periodic oscillations in the oscillatory circuit with a periodic change in any parameter, in particular the inductance of the winding of the oscillatory circuit. This is done by periodically saturating part of the magnetic circuit section on which the corresponding winding is located. The energy conversion efficiency depends on the magnitude of the change in the inductance ΔL of the winding (or modulation depth m). Under the influence of the current of the primary winding 4, the toroidal core 9 is periodically saturated, and the insert 8, which is a common part of the toroidal core 9 and the middle section 3, on which the resonant winding 6 is located, is saturated as a result of the periodic saturation of the insert 8, the magnetic resistance of the entire middle section 3 changes, which leads to a periodic change (modulation) of the inductance of the resonant winding 6, and parametric oscillations are excited in the circuit of the resonant winding 6 with the frequency of the input signal. Since the middle section 3 is a common part of the primary and secondary magnetic circuits, then, according to the principle of transformer EMF, they are induced in the output windings 5.

Предлагаемая конструкция параметрического трансформатора позволяет повысить приращение индуктивности ΔL, тем самым повысить амплитуду выходного напряжения. Это достигается следующим образом. Как было показано выше под действием первичного напряжения в первичной обмотке 4, расположенной на тороидальном сердечнике 9, формируется магнитный поток.The proposed design of a parametric transformer allows to increase the inductance increment ΔL, thereby increasing the amplitude of the output voltage. This is achieved as follows. As shown above, under the influence of the primary voltage in the primary winding 4 located on the toroidal core 9, a magnetic flux is formed.

В месте стыка трех участков 8, 2 и 3 магнитный поток распределяется обратно пропорционально их магнитным сопротивлением. Если основной магнитопровод выполнен из электротехнической стали, а тороидальный сердечник из феррита, то величина приращения индуктивности резонансной обмотки 6 в процессе периодического насыщения вставки 8 увеличивается за счет уменьшенной индукции насыщения вставки 8 (Bнас₈) по отношению к индукции насыщения среднего участка 3, т.к. магнитная индукция насыщения Внас магнитного материала для электротехнической стали в среднем составляет 1,8 Т, а индукция насыщения ферритов составляет приблизительно 10-15% от индукции насыщения электротехнической стали. При этом величина магнитного сопротивления цепи резонансной обмотки и амплитуда выходных колебаний увеличивается на 10-15%, по сравнению с прототипом, конструкция, которого полностью выполнена из электротехнической стали. При этом на столько же возрастает и КПД устройства.At the junction of the three sections 8, 2 and 3, the magnetic flux is distributed inversely proportional to their magnetic resistance. If the main magnetic core is made of electrical steel, and the toroidal core is made of ferrite, then the magnitude of the inductance increment of the resonant winding 6 during the periodic saturation of the insert 8 increases due to the reduced saturation induction of the insert 8 (Bnas ₈ ) relative to the saturation induction of the middle section 3, t. to. magnetic induction of saturation Vnas of magnetic material for electrical steel is on average 1.8 T, and the induction of saturation of ferrites is approximately 10-15% of the saturation induction of electrical steel. The magnitude of the magnetic resistance of the resonant winding circuit and the amplitude of the output oscillations increases by 10-15%, compared with the prototype, the design of which is completely made of electrical steel. At the same time, the efficiency of the device also increases by the same amount.

Кроме того, поскольку масса вставки 8 среднего участка 3, работающая в режиме насыщения, снижена до минимума, и свойства ферромагнитного материала тороидальном сердечнике 9 и соответственно вставки 8, как было указано выше, позволяют получить более низкую индукцию насыщения, это приводит к сокращению потерь примерно в том же соотношении (10-15%). В связи с этим, суммарный КПД устройства по сравнению с прототипом повысится до 20-30% и будет сравним с КПД силового высокочастотного трансформатора.In addition, since the mass of the insert 8 of the middle section 3 operating in the saturation mode is reduced to a minimum, and the properties of the ferromagnetic material of the toroidal core 9 and, accordingly, of the insert 8, as mentioned above, allow a lower saturation induction to be obtained, this leads to a reduction in losses of approximately in the same ratio (10-15%). In this regard, the total efficiency of the device compared to the prototype will increase to 20-30% and will be comparable with the efficiency of the power high-frequency transformer.

Раздельное выполнение резонансной 6 и выходной обмотки 5 позволяет получить следующее: активное сопротивление резонансной обмотки можно выполнить минимальным, т.е она должна иметь минимально возможное число витков. Это приводит к повышению добротности резонансного контура и увеличению стабильности колебаний при больших нагрузках, не уменьшая выходное напряжение, величина которого определяется коэффициентом трансформации выходной обмотки по отношению к резонансной. Благодаря этому улучшается устойчивость колебаний LC контура резонансной обмотки 6 в области больших нагрузок параметрического трансформатора, и вид нагрузочной характеристики приближается к, идеальному (фиг.2, кривая 2) по сравнению с прототипом (фиг.2, кривая 1). Кроме того, при соединении вторичных обмоток последовательно и встречно происходит частичная компенсация параметров нагрузки, а именно уменьшается размагничивающее влияние вторичного потока нагрузки на первичный.Separate execution of the resonant 6 and the output winding 5 allows you to obtain the following: the active resistance of the resonant winding can be minimal, that is, it should have the minimum possible number of turns. This leads to an increase in the quality factor of the resonant circuit and an increase in the stability of oscillations at high loads without decreasing the output voltage, the value of which is determined by the transformation coefficient of the output winding with respect to the resonant one. This improves the stability of oscillations of the LC circuit of the resonant winding 6 in the region of high loads of the parametric transformer, and the type of load characteristic approaches ideal (Fig. 2, curve 2) in comparison with the prototype (Fig. 2, curve 1). In addition, when the secondary windings are connected in series and counterclockwise, partial compensation of the load parameters occurs, namely, the demagnetizing effect of the secondary load flow on the primary is reduced.

Предлагаемая конструкция параметрического трансформатора приводит к увеличению поверхности охлаждения насыщаемого среднего участка 3, за счет того, что вставка 8 принадлежит тороидальному сердечнику 9, что в целом снижает температуру перегрева всего магнитопровода параметрического трансформатора и повышает надежность параметрического трансформатора.The proposed design of the parametric transformer leads to an increase in the cooling surface of the saturated middle portion 3, due to the fact that the insert 8 belongs to the toroidal core 9, which generally reduces the superheat temperature of the entire magnetic core of the parametric transformer and increases the reliability of the parametric transformer.

Таким образом, предлагаемая конструкция параметрического трансформатора имеет повышенное выходное напряжение и повышенный КПД по сравнению с прототипом, за счет введения вставки из материала, имеющего пониженную индукцию насыщения по сравнению с основным магнитопроводом и введением дополнительной потоковой связи между первичной и выходными обмотками; повышенную стабильность и устойчивость колебаний при повышенных нагрузках при постоянстве выходного напряжения из-за последовательно-встречного соединения выходных обмоток на боковых участках и увеличения глубины модуляции (увеличение ΔL за счет уменьшения индукции насыщения вставки 8); повышенную надежность за счет уменьшения температуры перегрева обмоток в связи с увеличением поверхности охлаждения всей конструкции.Thus, the proposed design of the parametric transformer has an increased output voltage and increased efficiency compared to the prototype, due to the introduction of an insert made of a material having a reduced saturation induction compared to the main magnetic circuit and the introduction of additional flow communication between the primary and output windings; increased stability and stability of oscillations at increased loads with a constant output voltage due to the series-opposite connection of the output windings in the lateral sections and an increase in the modulation depth (an increase in ΔL due to a decrease in the saturation induction of insert 8); increased reliability by reducing the temperature of the overheating of the windings in connection with an increase in the cooling surface of the entire structure.

Claims (1)

Параметрический трансформатор, содержащий составной магнитопровод броневого типа, состоящий из двух боковых участков и среднего участка, входной обмотки, подключенной к сети с напряжением U1 частотой f1, выходной обмотки, резонансной обмотки, подключенной выводами к конденсатору и образующей с ним резонансный контур, отличающийся тем, что в нижнем конце среднего участка, в месте стыка с одним из боковых участков выполнена вставка из магнитного материала с пониженной индукцией насыщения, представляющая собой часть тороидального сердечника, на котором расположена первичная обмотка, при этом выходная обмотка выполнена отдельно от резонансной и разделена на две равные части, соединенные последовательно-встречно, и размещена на боковых участках магнитопровода, а резонансная обмотка расположена на среднем участке магнитопровода.

A parametric transformer containing a composite armored magnetic circuit, consisting of two side sections and a middle section, an input winding connected to a network with a voltage U1 of frequency f1, an output winding, a resonant winding connected by leads to a capacitor and forming a resonant circuit with it, characterized in that at the lower end of the middle section, at the junction with one of the side sections, an insert made of magnetic material with reduced saturation induction is made, which is part of the toroidal core a, on which the primary winding, the output winding is formed separately from the resonance and divided into two equal parts connected in series-opposite, and placed on the side portions of the magnetic circuit and the resonance coil disposed in the middle portion of the magnetic circuit.