трансформатор статического преобразователя

Формула изобретения

Трансформатор статического преобразователя, содержащий магнитопровод, составленный из трех тороидальных сердечников, выполненных из одного и того же магнитного материала, первичную и вторичную обмотки, отличающийся тем, что сердечники магнитопровода выполнены из магнитного материала с узкой прямоугольной петлей гистерезиса, одновременно охвачены витками первичной обмотки, а каждый из них в отдельности дополнительно охвачен последовательно-согласно включенными витками обмоток W_р1, W_р2, W_р3, где W_р3 2 W_р2; W_р2 2 W_р1, образующих обмотку разведения W_р сердечников 1, 2, 3 по току перемагничивания i_K, где К=1, 2, 3, к выходным концам которой подключено реактивное сопротивление для исключения активных потерь мощности на разведение сердечников, а первый сердечник охвачен также витками вторичной обмотки, к концам которой подключено нагрузочное сопротивление.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в высокочастотных преобразователях напряжения (ПН) с независимым возбуждением для стабилизации их выходного напряжения.

Широко известны силовые трансформаторы статических преобразователей (ТСП) в качестве основного элемента высокочастотных преобразователей напряжения [1] которые состоят из магнитопровода тороидальной формы свитого из тончайшей ленты и охваченного витками первичной, вторичной и обмоток обратной связи.

Так как магнитный материал магнитопровода в основном определяет массогабаритные и энергетические характеристики ТСП, то он должен обладать высокой индукцией насыщения B_s, малыми удельными потерями - P_уд при работе на высоких частотах f_пр 100 кГц, узкой прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) с малым значением коэрцитивной силы - H_c, высокой температурной стабильностью. Таким требованиям могут отвечать, например, аморфные магнитные материалы (B_s 2Тл; f_пр 100 кГц; H_c 0,8 A/м).

Следовательно, такие трансформаторы могут иметь сравнительно небольшой ток холостого хода, высокий КПД, что является их достоинством.

Недостатком таких трансформаторов является то, что у них отсутствует возможность стабилизации выходного напряжения при изменении входного напряжения.

Кроме того, широко известны также электромагнитные стабилизаторы напряжения (ЭМСН) с амплитудной стабилизацией, либо стабилизацией выходного напряжения по среднему значению [2 и 3]

Принцип действия таких ЭМСН основан на известных свойствах материала нелинейных магнитных элементов (НМЭ) способности к насыщению с увеличением тока намагничивания. Однако следует отметить, что для всех известных схем обязательным элементом таких стабилизаторов является ненасыщающийся дроссель из магнитного материала с линейной КН либо с немагнитным зазором, где дроссель включен в первичную цепь стабилизатора либо последовательно, либо конструктивно объединен с ним на основе общего магнитопровода.

Основной функцией такого дросселя является удержание тока холостого хода (тока намагничивания) стабилизатора в допустимых пределах на время насыщенного состояния магнитного материала сердечника стабилизатора под обмоткой.

Достоинства таких схем простора конструкции, выполнение одновременно двух функций трансформации и стабилизации напряжения.

К числу основных недостатков указанных схем аналогов можно отнести следующие:

наличие значительного воздушного зазора в дросселе устанавливает линейную зависимость между током холостого хода стабилизатора с момента его насыщения или начала стабилизации и входным напряжением; следовательно, чем больше диапазон стабилизации, тем больше ток XX, тем больше потери мощности в насыщенном магнитопроводе, что вызывает снижению КПД устройства и требует сужение рабочего диапазона;

последовательное включение дросселя и трансформатора требует наличия двух отдельных намагничивающих обмоток, рассчитанных на амплитуду входного напряжения, так как в момент начала стабилизации (насыщения) к обмотке дросселя приложено практически все напряжение источника питания, что требует повышенный расход меди и крепежа, ухудшает массогабаритные показатели (указанный недостаток можно устранить объединением этих элементов в один электромагнитный элемент);

наличие в ряде схем стабилизаторов компенсационной обмотки на вторичной стороне дросселя и ее последовательно-встречное включение с обмоткой трансформатора в цепь нагрузки с целью компенсации ухода величины стабилизируемого напряжения от заданной приводит к тому, что в режиме XX эта цель достигается, а в режиме нагрузки ток нагрузки из-за встречного включения обмоток заставляет магнитопровод дросселя намагничиваться одновременно с магнитопроводом трансформатора; следовательно, к первичной обмотке дросселя прикладывается часть напряжения источника питания, а с первичной обмотки трансформатора оно снимается, т.е. происходит перераспределение напряжений, что вызывает сужение диапазона стабилизации, и чем больше витков или величины тока нагрузки в композиционной обмотке, тем сильнее этот эффект проявляется;

не представляется возможным практическое исполнение схем аналогов с воздушным зазором на ленточных тороидальных сердечниках с ППГ без ухудшения их магнитных свойств для дальнейшего использования последних в высокочастотных ПН;

сравнительно низкие удельные и массогабаритные показатели (так, удельная масса однофазных стабилизаторов серии С составляет примерно 73 кг/кВг).

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является электромагнитный стабилизатор напряжения [3, с. 213 219, рис. 6.25] который включает трехстержневой магнитопровод, центральный стержень которого охвачен намагничивающей (первичной) обмоткой, крайний левый стержень имеет воздушный зазор и охвачен компенсационной обмоткой, крайний правый стержень имеет меньшее сечение, чем два других стержня, и охвачен обмоткой, которая последовательно-встречно включена с указанной компенсационной обмоткой на нагрузочное сопротивление.

Данный трансформатор практически представляет собой электромагнитный элемент конструктивно объединяющий по центральному стержню два замкнутых магнитопровода, охваченных одновременно первичной обмоткой магнитопровода с воздушным зазором, охваченного компенсационной обмоткой (дроссель с воздушным зазором), магнитопровода со стержнем меньшего сечения и охваченного обмоткой (насыщающегося трансформатора).

Указанному прототипу присущи все достоинства и недостатки рассмотренные выше для аналогов.

Цель изобретения повышение КПД электромагнитного стабилизатора напряжения посредством уменьшения тока холостого хода и потерь мощности на перемагничивание.

Цель достигается тем, что в трансформаторе статического преобразователя, содержащем магнитопровод из замкнутых сердечников из одного и того же магнитного материала, первичную и вторичную обмотки, магнитопровод состоит из трех тороидальных сердечников из магнитного материала с узкой ППГ, одновременно охваченных витками первичной обмотки, а каждый из них в отдельности дополнительно охвачен последовательно-согласно включенными друг с другом с разным числом витков обмоток разведения сердечников по току намагничивания, образующих общую обмотку, к выходным концам которой подключено реактивное сопротивление для исключения активных потерь мощности, а указанный первый сердечник охвачен витками выходной обмотки, к концам которой подключается нагрузочное сопротивление.

Это позволяет развести сердечники 1 3, магнитопровода по току перемагничивания на разную величину так, что в процессе возможного изменения входного напряжения последние никогда одновременно не перемагничиваются в силу свойств ППГ и разности по ниткам обмоток разведения, что позволяет при их поочередном (друг за другом) перемагничивании удержать ток холостого хода незначительный по величине, которая определяется только коэрцитивной силой используемого материала с узкой ППГ и практически неизменной в течении всего полупериода входного напряжения даже при насыщении основного (первого) сердечника под обмоткой. Всегда перемагничивается ровно столько магнитного материала, сколько необходимо для компенсации приложенного входного напряжения, т. е. происходит либо припасовывание, либо исключение сечений сердечников из процесса перемагничивания, что исключает лишние потери мощности на перемагничивание и насыщение. Следовательно, ток XX уменьшается, повышается КПД, следовательно такой трансформатор напряжения на основе ленточных тороидальных сердечников из аморфного, например, магнитного материала может быть использован в высокочастотных ПН малой и средней мощности для стабилизации выходного напряжения по среднему значению.

Кроме того, имеется возможность расширения рабочего диапазона стабилизации за счет увеличения сечений дополнительных сердечников 2 и 3 без снижения КПД стабилизатора. Воздушный зазор не нужен. При этом чем лучше горизонтальность участков ППГ, тем выше точность стабилизации.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема трансформатора статического преобразователя; на фиг. 2 конструктивный чертеж трансформатора статического преобразователя; на фиг. 3 кривые магнитного гистерезиса материалов сердечников магнитопровода, расположение рабочих точек сердечников в режиме холостого хода и нагрузки в положительный полупериод, а также кривые изменения дифференциальной индуктивности обмотки W₁ от перемагничивания сердечников током намагничивания первичной обмотки трансформатора статического преобразователя; на фиг. 4 эпюры входного и выходного напряжения на перв. и втор. обмотках трансформатора, а также кривые изменения магнитного потока в сердечниках магнитопровода при изменении времени воздействия входного напряжения на первичную обмотку трансформатора статического преобразователя.

Принципиальная электрическая схема предлагаемого трансформатора статического преобразователя (фиг. 1) включает магнитопровод, состоящий из сердечников 1 3, выполненных из одного и того же магнитного материала с узкой петлей гистерезиса (ППГ) и одновременно охваченных витками первичной обмотки W₁, а каждый из них в отдельности дополнительно охвачен последовательно-согласно включенными витками обмоток W_p1, W_p2, W_p3, где W_p3 2W_p2; W_p22W_p1, образующих обмотку "разведения" W_p сердечников 1, 2 и 3 по току перемагничивания i_к где k 1, 2 и 3, к выходным концам которой подключено реактивное сопротивление для исключения активных потерь мощности на разведение сердечников.

Кроме того, указанный сердечник 1 дополнительно охвачен выходной обмоткой W₂, концы которой подключены на нагрузочное сопротивление.

Это позволяет "развести" сердечники 1, 2 и 3 магнитопровода трансформатора по току перемагничивания i_к где k 1, 2, и из-за разного числа витков разведения W_p1 W_p2 W_p3 так, что в процессе возможного изменения амплитуды входного напряжения U_вx последние никогда одновременно не перемагничиваются, хотя выполнены из одного магнитного материала с ППГ и имеют одинаковую среднюю магнитную длину.

Теперь, если амплитуда U_вx снизилась до величины U_вx U_{m min}, то перемагничивается только один сердечник первый, имеющий основное сечение S₁, которое способно обеспечить по нему трансформацию входного напряжения из первичной обмотки во вторичную в течение всего, либо положительного, либо отрицательного полупериода. В выходной обмотке W₂ формируется импульс напряжения положительной или отрицательной полярности среднее значение которого и вольт-секундная площадь за полупериод величины постоянные.

Если напряжение U_вx достигло по амплитуде номинального значения U_вx U_{m ном} (основной режим работы), то происходит припасовывание в первичной обмотке W₁ к сечению S₁ дополнительного сечения S₂ для их поочередного (друг за другом), сначала первого, затем второго перемагничивания с целью компенсации их противо-ЭДС величины приложенного к первичной обмотке входного напряжения. Третий сердечник сечением S₃ не перемагничивается, а в выходной обмотке W₂ среднее значение выходного напряжения и вольт-секундная площадь остаются величинами неизменными.

Если напряжение U_вx повышается до амплитудного значения U_вx U_{m max}, то происходит припасовывание к первому S₁ и второму S₂ сечениям сердечников 1 и 2 дополнительного сечения S₃ сердечника 3 в первичной обмотке W₁ трансформатора для их поочередного (друг за другом) сначала первого, затем второго, затем третьего перемагничивания с целью компенсации их противо-ЭДС возросшей величины приложенного входного напряжения.

При этом в выходной обмотке W₂ по прежнему среднее значение выходного напряжения, а также его вольт-секундная площадь остаются величинами постоянными.

При обратном снижении амплитуды входного напряжения от U_{m max} до U_{m ном}, до U_{m min} происходит соответствующее исключение сечений S₃ и S₂ из процесса перемагничивания сердечников магнитопровода, но в выходной обмотке W₂ ничего не меняется для любого полупериода работы стабилизатора. Ток холостого хода ограничен величиной .

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет стабилизировать выходное напряжение по среднему значению его за полупериод и может быть использовано в качестве совмещенного трансформатора стабилизатора в нерегулируемых преобразователях постоянного тока малой и средней мощности.

На фиг. 1 4 обозначено:

1, 2 и 3 номер сердечника магнитопривода трансформатора TV;

U_вx, U_вых мгновенные значения входного и выходного напряжения трансформатора TV;

U_p мгновенное значение выходного напряжения в обмотке разведения;

i_вx, i_н и i_р мгновенные значения соответственно входного тока, тока нагрузки и тока разведения сердечников;

U_m и I_m амплитудное значение напряжения, тока;

КН кривая намагничивания;

r_н величина активного сопротивления нагрузки;

Z_р модуль реактивного сопротивления разведения сердечников;

W₁, W₂ число витков, соответственно, первичной и вторичной обмоток;

W_р1, W_р2, W_р3 число витков обмоток разведения, охватывающих, соответственно сердечники 1, 2 и 3;

B индукция;

B_s индукция насыщения;

i_к ток магничивания k 1, 2 и 3-сердечника;

H_c коэрцитивная сила;

l длина сердечника по средней магнитной линии;

i^*_p , i^*_н приведенный к обмотке W₁ ток разведения i_p и ток нагрузки i_н;

1, 2 и 3 рабочие точки сердечников 1, 2 и 3, расположенные либо на горизонтальных, либо на вертикальных участках ППГ, где ХХ режим холостого хода, Н нагрузка; L_д- дифференциальная индуктивность обмотки W₁ от перемагничивания сердечника;

магнитный поток;

F_S поток насыщения;

₂ длительность импульса выходного напряжения стабилизатора;

_к длительность импульса противо-ЭДС e^*_1к в обмотке W₁ от перемагничивания k 2, 3 сердечника;

t текущая фаза.

Предлагаемое устройство работает следующим образом (фиг. 1). Пусть исходное магнитное состояние сердечников соответствует состоянию (-Bs).

Тогда при подключении к обмотке W₁ знакопеременного напряжения, например, прямоугольной формы U_вх U_m с выхода нерегулируемого статического преобразователя (инвертора) по ней протекает ток i_вх, который создает в обмотке W₁ МДС перемагничивания сердечников 1, 2 и 3 F_вх i_вхW₁. В сердечниках 1, 2, 3 образуются магнитные потоки ₁, ₂, ₃ (фиг. 4.б, в, г), а во всех обмотках трансформатора ЭДС от изменения этих потоков во времени (фиг. 4.д, ж). Процесс перемагничивания сердечников трансформатора, а также все другие электромагнитные процессы при передаче энергии источника питания через трансформатор в нагрузку могут быть описаны системой дифференциальных уравнений для мгновенных значений токов, напряжений, МДС (без учета потерь на рассеяние и на активные потери) согласно законов полного тока и закона электромагнитной индукции

,







где e^*₁₁, e^*₁₂, e^*₁₃ противо-ЭДС в обмотке W₁ от перемагничивания соответственно первого, второго и третьего сердечников;

дифференциальная индуктивность обмотки W₁ от перемагничивания k-го сердечника сечением S_k длиной l_k, k 1, 2, 3;

_gк дифференциальная магнитная проницаемость магнитного материала _g=0 на горизонтальных участках ППГ), (_g= на вертикальных участках ППГ);

Z_p модуль сопротивления (активного r_p либо емкостного X_cp, либо индуктивного X_hp);

F₁=i₁W₁; F₂=i₂W₁; F₃=i₃W₁ МДС намагничивания сердечников 1, 2, 3;

F_р1 i_рW_р1; F_р2 i_рW_р2; F_р3 i_рW_р3 МДС "разведения" или реакции сердечников 1, 2, 3;

F_н i_нW₂ МДС нагрузки (ампер-витки нагрузки).

Первое уравнение системы (1) характеризует электромагнитный процесс в трансформаторе при подключении первичной обмотки W₁ к источнику напряжения U_вх и описывает динамику распределения противо-ЭДС e^*_1к по сердечникам 1, 2 и 3 для их перемагничивания с целью компенсации приложенного входного напряжения U_вх.

Второе уравнение системы (1) характеризует электромагнитный процесс во вторичной обмотке W₂ трансформатора и описывает динамику трансформации напряжения из первичной во вторичную обмотки только по рабочему сердечнику 1 сечением S₁.

Третье и четвертое уравнения системы (1) характеризуют электромагнитный процесс в трансформаторе при загрузке каждого из сердечников разным числом ампер-витков тока "разведения" сердечников вдоль оси координат F (фиг. 3, а), т. е. устанавливают очередность (последовательность) перемагничивания сердечников по отношению друг к другу.

Следовательно, так как обмотки "разведения" сердечников W_p1, W_p2, W_p3 последовательно-согласно включены друг с другом и замкнуты на сопротивление Z_p, но при появлении хотя бы в одной обмотке W_рк, K[1, 2 и 3] напряжения U_рк по обмоткам потечет ток "разведения" i_р, создающий разные МДС реакции для каждого сердечника F_рк i_рW_рк согласно выражению F_р1 F_р2 F_р3.

Это достигается посредством применения разного числа витков, например, с кратностью два, т.е.

Последнее обстоятельство приводит к тому, что все сердечники становятся теперь нагружены разным числом ампер-витков тока "разведения" i_p и не могут быть все одновременно перемагничены током i_вх первичной обмотки W₁ при любых изменениях (отклонениях) амплитуды U_вх от номинального значения, а именно при:

перемагничивается только сердечник 1 с основным сечением S₁, все другие не перемагничиваются (физически это означает, что при f const сердечник 2 и 3 не успевают перемагнитится за полупериод входного напряжения);

перемагничиваются по очереди сначала первый, затем второй сердечники 1 и 2, третий сердечник не перемагничивается (физически это означает, что сердечник 3 не успевает перемагнитится за полупериод входного напряжения при f const).

перемагничиваются по очереди сначала первый, затем второй, затем третий сердечники 1, 2 и 3.

Переключение сердечников в процессе их поочередного перемагничивания с одного на другой происходит мгновенно. На время перемагничивания любого k 1, 2, 3-сердечника в любом диапазоне стабилизации напряжения ток холостого хода трансформатора скачком не изменяется и ограничен величиной коэрцитивной силы H_c магнитного материала сердечников согласно выражению



Однако это не означает, что МДС F_к, k 1, 2, 3 для сердечников одинаковые. Согласно выражению (1, Г): F₁ F₂ F₃ из-за разного числа витков W_p1 W_p2 W_p3.

Реактивное сопротивление Z_p (емкостное, индуктивное) выполняет роль нагрузного сопротивления для разведения током i_p сердечников 1, 2, 3 по F_к перемагничивания и исключения активных потерь мощности в обмотке разведения, так как реактивное сопротивление потребляет и возвращает в источник только реактивную мощность.

1. Режим холостого хода (r_н , Z_p8)

Из закона полного тока трансформатора (выражение 1, Г) следует, что при i_н 0:



Сердечник 1 охвачен таким числом витков W_р1, чтобы при где H_c коэрцитивная сила магнитного материала; l длина сердечника. Тогда из (4) для любого сердечника относительно первого, либо другого можно найти ток намагничивания i_к, который протекает по обмотке W₁ при согласно-последовательном включении обмоток разведения W_рк всех сердечников: а)

т.е. рабочая точка 1 сердечника 1 находится например, на вертикальном участке восходящей ППГ (фиг. 3, а); б)

,

т. е. сердечник 2 относительно первого сердечника размагничен током i_p и его рабочая точка находится в (-Bs) насыщении (см. фиг. 3,а); в)

,

т. е. сердечник 3 относительно сердечника 1 размагничен током i_p и его рабочая точка находится в (-B_s) насыщении (фиг. 3, а).

где

* обозначает, что ток i^*_p приведен к первичной обмотке W₁ известным правилом.

Пусть сердечники магнитопровода стабилизатора перемагничиваются согласно установленного в предлагаемом устройстве алгоритма:

а) только первый для ;

б) первый и второй по очереди для ;

в) первый, второй, третий по очереди для

Далее более подробно рассматривается механизм перемагничивания сердечников магнитопровода.

А) Для перемагничивания только первого сердечника (фиг. 3, а) в положительный полупериод необходимо и достаточно чтобы амплитуда входного напряжения была равна



где U_S1 напряжение для насыщения 1-го сердечника.

При этом длительность перемагничивания сердечника 1 по оси t (фиг. 4, б) равна согласно [1] при





Откуда

В соответствии с выражением (7) в сердечнике 1 формируется магнитный поток и выходное напряжение среднее значение которого можно определить согласно [1]



Вольт-секундная площадь выходного напряжения за полупериод равна произведению амплитуды на длительность полупериода, т.е.

Механизм разведения сердечников по току намагничивания i_к следующий (фиг. 3, а): с подачей ток намагничивания скачком принимает значение и остается практически величиной постоянной на весь полупериод входного напряжения, т.к. рабочая точка сердечника 1 будет находиться на восходящем вертикальном участке ППГ (фиг. 3,а). При этом в обмотке W_p1, охватывающий сердечник 1 появляется напряжение (фиг. 4, ж) и ток разведения который смещает рабочие точки сердечников 2 и 3 в область (B_s), т.е. размагнитит сердечники (фиг. 3,а). Токи намагничивания для этих сердечников могут быть найдены относительного первого, согласно выражений



где

* означает приведенный к обмотке W₁ ток.

При этом следует указать, что ток I_p1 остается практически неизменным по амплитуде на весь полупериод входного напряжения , так как перемагничивается только один первый сердечник.

б) Для поочередного перемагничивания первого и второго сердечников в положительный полупериод необходимо и достаточно, чтобы амплитуда входного напряжения была равна



где U_s12 напряжение для насыщения двух сечений сердечника 1 и сердечника 2 при f=const.

Следовательно, скорость перемагничивания сердечников возрастает, так как за полупериод входного напряжения необходимо уже перемагничивать два сечения (S₁+S₂).

Тогда сечение S₁ сердечника 1 будет перемагничено за меньшее время, чем в случае а), или в интервале согласно выражению (6) при



а среднее значение выходного напряжения определяется согласно выражения (8)



Вольт-секундная площадь выходного напряжения равна



Другая часть полупериода (фиг. 4,с) будет заполнена импульсом противо-ЭДС e^*₁₂ от перемагничивания сердечника 2 напряжением U_mном.

Следовательно, при происходит припасовывание к сечению S₁ дополнительно сечения S₂, но оба перемагничиваются уже разное время.

В сердечниках 1 и 2 на время их перемагничивания формируются магнитные потоки показанные на фиг. 3б,с, с разными наклонами к оси t.

Механизм разведения сердечников по току намагничивания следующий:

С подачей (фиг. 4,а), а также (фиг. 3,а и б) ток намагничивания скачком принимает значения и остается величиной постоянной с шириной импульса , так как рабочая точка сердечника 1 находится на восходящем вертикальном участке ППГ пока сердечник не насытится. При этом в обмотке W_p1 появляется напряжение и ток который смещает рабочие токи сердечников 2 и 3 (-B_s) насыщение.

Ток разведения имеет амплитуду и ширину импульса . После перемагничивания сердечника 1 напряжение и ток исчезают. Рабочая точка перемещается в (+B_s) насыщение (фиг. 3). Практически мгновенно рабочая точка сердечника 2 перемещается на вертикальный восходящий участок ППГ и в обмотке W_p2 появляется напряжение с амплитудой и ток, равный по амплитуде .

Данный ток снова смещает рабочую точку сердечника 3 в (-B_s) насыщение. Ток разведения остается практически неизменным до конца полупериода с шириной импульса .

Сердечник 3 в этом режиме работы стабилизатора не перемагничивается, так как при f const он не входит по длительности в полупериод, а суммарного сечения (S₁+S₂) достаточно для компенсации приложенного напряжения в течение всего полупериода t=

С учетом выше сказанного токи намагничивания могут быть найдены из выражений:

а) На время перемагничивания первого сердечника (фиг. 3,а):



где * означает приведенный к обмотке W₁ ток.

б) На время перемагничивания второго сердечника (фиг. 3 и б):



в) Для поочередного перемагничивания первого, затем второго, затем третьего сердечников в положительный полупериод необходимо и достаточно, чтобы амплитуда входного напряжения бала (фиг. 4,а):



где U_s1;₂;₃ напряжение для насыщения трех сечений (S₁+S₂+S₃).

При этом исходит припасовывание дополнительных сечений S₂ и S₃ к основному сечению S₁. Следовательно, скорость перемагничивания сердечников еще более возрастает, так как за полупериод входного напряжения требуется при f const перемагнитить уже три сечения (S₁+S₂+₃).

Тогда сечение S₁ сердечника 1 будет перемагничено в интервале (фиг. 4,б), где:



а среднее значение выходного напряжения стабилизатора в обмотке W₂ определится согласно выражения



Вольт-секундная площадь выходного напряжения равна



Вторая часть полупериода будет занята импульсом противо-ЭДС от перемагничивания сердечника 2, напряжением U_mmax (см. фиг. 4, с).

Третья часть полупериода будет занята импульсом противо-ЭДС от перемагничивания сердечника 3 напряжением U_{m max} (см. фиг.4, д), но



В сердечниках 1, 2 и 3 на время их перемагничивания формируются магнитные потоки показанные на фиг. 4,б,с и д, с разными наклонами к оси t

Механизм разведения сердечников по току намагничивания следующий (фиг. 3,а и б). С подачей ток намагничивания скачком принимает значение с длительностью импульса . В обмотке W_p1 появляется напряжение и ток разведения , которые смещают сердечники 2 и 3 в область (-B_s) насыщения на время . После перемагничивания сердечника 1, его рабочая точка переходит в область (+B_s) насыщения ППГ и практически мгновенно рабочая точка сердечника 2 занимает место на восходящем участке ППГ. Снова устанавливается ток , сердечник 2 начинает перемагничиваться. В его обмотке W_p2 появляется напряжение и ток разведения , которые смещают рабочую точку сердечника 3 в (-B_s) насыщение на время

После перемагничивания сердечника 2 его рабочая точка переходит в область (+B_s) насыщения и практически мгновенно рабочая точка сердечника 3 занимает место на восходящем вертикальном участке ППГ.

Затем снова устанавливается ток , а сердечник 3 начинает перемагничиваться. В его обмотке W_p3 появляется напряжение и ток которые собственно являются для сердечника 3 просто дополнительной нагрузкой на время .

С учетом выше сказанного токи намагничивания , где к 1, 2, 3, могут быть найдены из выражений (* означает приведенный к обмотке W₁ ток):

а) На время перемагничивания первого сердечника (фиг. 3,а)



б) На время перемагничивания второго сердечника (фиг.3,б)



в) На время перемагничивания третьего сердечника (фиг. 3,в)



Следовательно, если известны значения тока намагничивания , значения тока разведения , где k 1, 2, 3, то может быть найден входной ток i_Bx для каждого режима работы стабилизатора согласно выражения (4) (фиг.4,к).

При смеси полярности входного напряжения U_вx -U_m для всех режимов работы трансформатора процесс перемагничивания сердечников происходит аналогично рассмотренному выше, но перемагничивание происходит из состояния (+B_s) в состоянии (-B_s).

Таким образом, если напряжение U_вх по амплитуде возрастает, то в трансформаторе происходит динамическое припасовывание дополнительных сечений S₂ и S₃ к основному S₁; если амплитуда напряжения снижается, то сечения S₂ и S₃ исключаются из процесса перемагничивания. При этом возможны другие комбинации сердечников (например, использование всего двух сердечников S₁ и S₂ равных сечений). Тогда при изменении входного напряжения будет частичное или полное перемагничивание сечение S₂. Но в данном случае будет только две обмотки W_p1 и W_p2 и т.д. Однако при проектировании схем стабилизаторов на магнитных материалах с ППГ следует учитывать явление остаточной намагниченности.

Так, в предлагаемой схеме при идеальной ППГ возможен случай когда, например, сердечник 3 был намагничен до состояния (+B_s) положительным импульсом части полупериода входного напряжения U_вх=+U_{m max}. Затем входное напряжение снизилось по амплитуде, по состоянию сердечника осталось прежним (+B_s). Теперь с приходом случайно возросшего снова положительного U_вx=+U_m в трансформаторе возможен режим K3, так как в первичной обмотке сечение S₃ закорочено (дифференциальная индуктивность Lд₃ 0).

Вместе с тем, в преобразовательной технике известно много схемных решений по исключению этого явления и в данном описании принципа работы предлагаемого стабилизатора эти решения не рассмотрены [см.2]

2. Режим нагрузки (r_н , Z_p/ ).

Если i_н 0 то согласно выражений (1 и 2) для всех обмоток трансформатора



Откуда, например, при выражения для токов намагничивания имеют вид

а) На время перемагничивания первого сердечника (фиг. 3,а)



где приведенные к обмотке W₁ точки.

б) На время перемагничивания второго сердечника (фиг. 3,б)



где приведенные к обмотке W₁ токи.

в) На время перемагничивания третьего сердечника (фиг. 3,в)



Анализ выражений (25) и (26) показывает, что при перемагничивании любого, например первого очередного сердечника, ток нагрузки протекающий в обмотке W₂ оказывает подмагничивающее действие на все последующие сердечники, например, на второй и третий, приближая их рабочие точки к вертикальной оси системы координат B=f(i). Следовательно, возможен такой режим работы (нагрузки), когда ток намагничивания, например, второго сердечника будет равен току намагничивания первого сердечника, когда последний находится на вертикальном восходящем участке ППГ. Следовательно сердечники 1 и 2 начнут перемагничиваться одновременно в положительный полупериод , что нарушает установленный алгоритм предлагаемого устройства.

Поэтому с целью исключения всяких нарушений устойчивой работы стабилизатора необходимо выполнить условие, чтобы на время перемагничивания очередного, например первого сердечника, токи намагничивания последующих, например второго и третьего сердечников, не принимали положительных значений (не выходили за вертикальную ось координат в область положительных значений i_/ ), т.е. для выражений (25), (26), (27) это условие будет иметь вид





Из условий (28) следует, что при прямоугольном входном напряжении в режиме, например , при среднем значении выходного напряжения приложенным к нагрузочному сопротивлению r_н, при кратности два для витков разведения т.е. W_p2=2W_p1; W_p3=2W_p2=4W_p1, а также пренебрегая гистерезисом H_c-0, следует, что:

а) На время перемагничивания 1-го сердечника, когда условие устойчивости для второго сердечника имеет вид



условие устойчивости для третьего сердечника имеет вид



б) На время перемагничивания 2-го сердечника, когда

условие устойчивости для третьего сердечника имеет вид



Анализ выражений (29), (30), (31) показывает что при указанной кратности "два" наибольшим запасом по "устойчивости" процесса поочередного перемагничивания имеет третий сердечник, наименьший второй. При .

Следовательно, для практических расчетов стабилизатора может быть выбрано выражение (29), из которого следует, что приведенные сопротивления должны быть примерно одинаковые при любых комбинациях либо витками, либо величиной сопротивления. Только тогда нарушений условия поочередного перемагничивания сердечников не будет и стабилизатор будет устойчиво работать.

Таким образом, в предлагаемом устройстве возможна стабилизация выходного переменного напряжения по его среднему значению за полупериод при измерении входного напряжения в режиме XX и нагрузки, а также повышения КПД источника тока XX.