Трансформатор на основе длинной линии

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ТРАНСФОРМАТОР НА ОСНОВЕ ДЛИННОЙ ЛИНИИ(71) Заявитель Черяев Виктор Александрович(72) Автор Черяев Виктор Александрович(73) Патентообладатель Черяев Виктор Александрович(57) 1. Трансформатор, содержащий магнитопровод, первичную и вторичную обмотки, отличающийся тем, что первичная обмотка выполнена в виде длинной линии с магнитопроводом, а вторичная обмотка расположена на магнитопроводе с возможностью охвата силовых линий магнитного потока длинной линии таким образом, что направление силовых линий магнитного потока совпадает с направлением нормали к плоскости контура вторичной обмотки. 2. Трансформатор по п. 1, отличающийся тем, что первичная обмотка выполнена в виде длинной линии на элементах с распределенными параметрами, пространство между проводниками которой заполнено магнитопроводом - материалом с высокими магнитной и диэлектрической проницаемостями. 3. Трансформатор по п. 1, отличающийся тем, что первичная обмотка выполнена в виде длинной линии на элементах с сосредоточенными параметрами, причем индуктивности линии выполнены на отдельных магнитопроводах из ферромагнитного материала, последние вместе образуют магнитопровод трансформатора. 9879 1 2007.10.30 Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в радиоэлектронике и преобразовательной технике, например в источниках вторичного электропитания. Известны трансформаторы импульсов напряжения, которые состоят из магнитопровода с расположенными на нем первичной и вторичной обмотками. Такие трансформаторы,как и классические трансформаторы периодических электрических сигналов, функционируют на основе закона электромагнитной индукции, отличаясь разнообразными конструктивными особенностями для улучшения своих импульсных характеристик. Описание конструкций импульсных трансформаторов можно найти в 1. Закон функционирования классического трансформатора, в котором потери в обмотках пренебрежимо малы, можно описать формулами (1) и (2) Ф где в - напряжение на первичной обмотке, В Ф - магнитный поток, Вб- время, с 1 - число витков первичной обмотки В - магнитная индукция, Тл- площадь сечения магнитопровода, м 2.(2) выхвгде вых - э.д.с. во вторичной обмотке, В- коэффициент трансформации вх - напряжение на первичной обмотке, В. Так как площадь сечения, через которую проходят линии магнитной индукции трансформатора, не изменяется, выражение (1) обычно записывается так Ф где- площадь сечения магнитопровода, м 2 0410-7 - магнитная постоянная- относительная магнитная проницаемость материала магнитопровода, Гн/м Н - напряженность магнитного поля, А/м- время, с. Как следует из выражения (3), изменение магнитного потока происходит из-за изменения модуля напряженности магнитного поля. Изменяющееся магнитное поле в магнитопроводе импульсного трансформатора обеспечивается составляющей тока первичной обмотки, называемой током намагничивания, которая имеет индуктивный характер. При подаче прямоугольного импульса напряжения на первичную обмотку напряженность магнитного поля линейно изменяется за счет возрастания тока намагничивания от 0 до максимального значения. В импульсных трансформаторах, передающих энергию от источника в нагрузку на прямом ходу, индуктивный характер тока намагничивания является недостатком. Известны также длинные линии, или линии передачи, состоящие из двух изолированных проводников на отрезках длинных линий и их эквивалентах созданы различные устройства, например формирующие линии, резонаторы, линии задержки 2. Цель изобретения - обеспечить изменение магнитного потока в магнитопроводе трансформатора за счет изменения площади, в пределах которой локализованы линии магнитной индукции, создаваемые током намагничивания, тем самым, на основе закона электромагнитной индукции, обеспечить в трансформаторе другой принцип передачи энергии во вторичную обмотку и получить новый класс трансформаторов электрической энергии. Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом трансформаторе первичная обмотка выполняется в виде длинной линии с магнитопроводом, а вторичная обмотка расположена на магнитопроводе с возможностью охвата силовых линий магнитного пото 2 9879 1 2007.10.30 ка длинной линии таким образом, что направление силовых линий магнитного потока совпадает с направлением нормали к плоскости контура вторичной обмотки. Длинная линия может быть выполнена на элементах с распределенными параметрами,например, в виде линии, пространство между проводниками которой заполнено магнитопроводом - материалом с высокими магнитной и диэлектрической проницаемостями. Длинная линия может быть выполнена на элементах с сосредоточенными параметрами. Причем индуктивности линии могут быть выполнены на отдельных магнитопроводах из ферромагнитного материала, последние вместе образуют магнитопровод трансформатора. Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена схема предлагаемого трансформатора с первичной обмоткой, выполненной в виде замкнутой на конце длинной линии. На фиг. 2 изображены разрез и сечение одной из возможных конструкций трансформатора на основе замкнутой на конце длинной линии с распределенными параметрами. На фиг. 3 схематично представлено предлагаемое устройство с первичной обмоткой, выполненной в виде разомкнутой линии с сосредоточенными параметрами. Описание устройства рассмотрим на примере трансформатора с первичной обмоткой,выполненной в виде длинной линии с распределенными параметрами, проводники которой являются коаксиально расположенными полыми цилиндрами, как показано на фиг. 2. Устройство содержит одновитковую первичную обмотку в виде длинной линии, состоящей из двух коаксиально расположенных внешнего 1 и внутреннего 2 проводников, выполненных в виде проводящих полых цилиндров, пространство между которыми заполнено магнитопроводом 3 - материалом с высокими диэлектрической и магнитной проницаемостями. Вторичная обмотка 4 расположена на магнитопроводе 3. На фиг. 2 изображено, что проводники линии 1 и 2 замкнуты на конце линии, но линия может быть также разомкнутой. Устройство работает следующим образом. При подаче на входные зажимы А и В прямоугольного импульса напряжения в длинной линии, представляющей собой два коаксиально расположенных внешнего 1 и внутреннего 2 проводников, выполненных в виде проводящих полых цилиндров, пространство между которыми заполнено магнитопроводом 3, распространяется волна тока намагничивания , величина которого определяется выражением где- ток намагничивания, А- волновое сопротивление линии, Ом вх - амплитуда напряжения входного импульса, В. Ток намагничивания , распространяющийся в длинной линии, протекает от входной клеммы А по внешнему проводнику 1 через распределенную емкость длинной линии в виде тока смещения, по внутреннему проводнику 2 к входной клемме В. Площадь контура токав пределах длинной линии изменяется от 0 до максимального значения по достижении волной тока конца длинной линии. Соответственно магнитный поток за время распространения волны тока изменяется от 0 до максимального значения. Силовые линии магнитного потока направлены перпендикулярно направлению распространения тока намагничивания , по форме представляют собой концентрические окружности и сосредоточены в радиальном направлении между внутренним проводником 2 и внешним проводником 1, а в аксиальном направлении - внутри контура тока . Величина тока намагничиванияостается постоянной до достижения волной тока конца длинной линии и определяется формулой (4). Магнитная индукция и напряженность магнитного поля внутри контура тока намагничивания остаются постоянными, а изменение магнитного потока происходит из-за изменения площади контура тока намагничивания. Таким образом, для идеализированного предлагаемого устройства выражение (1) можно записать так 3 где в - напряжение на входе линии, В Ф- магнитный поток, Вб- время, с 1 - число витков первичной обмотки В - магнитная индукция, Тл- площадь контура тока намагничивания, м 2 0410-7 - магнитная постоянная- относительная магнитная проницаемость материала магнитопровода, Гн/м Н - напряженность магнитного поля, А/м- ток намагничивания, А- индуктивность линии, Гн- волновое сопротивление линии, Ом. Вторичная обмотка 4 расположена на длинной линии, как показано на фиг. 2, и охватывает силовые линии ее магнитного потока. При изменении магнитного потока во вторичной обмотке 4 наводится э.д.с. индукции, величина которой определяется формулой(2). В рассматриваемом случае коэффициент трансформацииравен числу витков вторичной обмотки. На выходных зажимах С ивозникает импульс напряжения. Рассмотрен принцип трансформации при подаче прямоугольного импульса напряжения. Особенностью является характер перемагничивания магнитопровода быстрое перемагничивание в узком фронте распространения волны тока намагничивания. Входной сигнал может также иметь форму, отличающуюся от прямоугольной. В рассмотренном по фиг. 2 устройстве линия с распределенными параметрами выполнена в виде коаксиальной линии, но она может быть выполнена и в других исполнениях,например в виде полосковой линии. На фиг. 3 схематично изображено предлагаемое устройство на элементах с сосредоточенными параметрами. Отдельные магнитопроводы 5 выполнены в форме колец, но они могут иметь и другую форму. Предлагаемое устройство может использоваться в режимах с замкнутой на конце линией и с разомкнутой. Возможен также режим с разделенной нагрузкой, когда одна нагрузка включается во вторичной обмотке, другая подключается к концу линии. В общем случае, во время распространения волны зарядного тока коэффициент трансформации напряжения определяется выражениемвх где 1 - число витков первичной обмотки 2 - число витков вторичной обмотки- волновое сопротивление линии н - сопротивление нагрузки, включенной в цепи вторичной обмотки 2 - сопротивление, подключенное параллельно концу линии знакобозначает параллельное соединение сопротивлений. В режиме с замкнутой линией 20, и коэффициент трансформации определяется так же, как в классическом трансформаторе. Число витков первичной обмотки для линии с сосредоточенными параметрами равно числу витков одной индуктивности. В режиме с разомкнутой линией 2, и коэффициент трансформации зависит от сопротивления нагрузки. Он определяется соотношением волнового сопротивления линии и сопротивления нагрузки, а также отношением числа витков вторичной к числу витков первичной обмотки. Предлагаемое устройство может быть использовано как импульсный трансформатор,имеющий ряд свойств. Входной импеданс трансформатора может быть активным сопро 9879 1 2007.10.30 тивлением. Возможна работа трансформатора не только от источников напряжения, но и тока, например формирование на нагрузке прямоугольных импульсов напряжения при подаче на вход прямоугольного импульса тока. В режиме с разомкнутой линией ограничивается ток при коротком замыкании в цепи вторичной обмотки. Такой импульсный трансформатор обладает встроенным демпфером и ограничивает всплески напряжения на ключе при размыкании тока первичной обмотки. Предлагаемое устройство может быть использовано также в качестве формирующей линии, совмещенной с импульсным трансформатором, например в формирующих цепях импульсных модуляторов. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5