Індуктивний масштабний перетворювач напруги

1. Індуктивний масштабний перетворювач напруги, який містить секційні обмотки каскадів різного старшинства, що має спільне для всіх кас C2 1 3 високу надійність та механічну міцність обмоток, що досить важливо при серійному виробництві ІМПН. Обмотки виконані у вигляді джгутів, це призводить до зменшення втрат за рахунок зменшення активної складової імпедансу та розширення діапазону робочих частот. Але струм у кожній секції каскадів відмінний за амплітудою та фазою, що призводить до шунтування наступним каскадом попереднього і таким чином погіршує точність перетворення напруги. Найбільш близьким до винаходу, що заявляють, за технічним змістом та результатом, що досягається, є ІМПН, який включає розташовані на одному осерді секційні обмотки старшого та молодшого каскадів. Секції старшого каскаду з'єднані між собою послідовно через комутаційні елементи, а обмотка молодшого каскаду через інші комутаційні елементи підключена між будь-якими сусідніми секціями обмотки старшого каскаду [а.с. SU №1292049, 4 H01F21/12]. Зазначений ІМПН забезпечує достатньо високу точність перетворення напруги при коефіцієнті масштабного перетворення з малим числом значущих цифр, тобто малим числом каскадів, але потребує великих витрат намотувального дроту при збільшенні значущих цифр у коефіцієнті масштабного перетворення (числі каскадів) і тому громіздкий та складний у виготовленні. У цьому ІМПН загальна кількість витків обмотки молодшого каскаду дорівнює кількості витків одної секції старшого каскаду. При декадній побудові багато-каскадного ІМПН кожний молодший каскад має у десять разів менше витків, ніж попередній старший каскад. Наприклад, якщо розглядати шести-каскадний ІМПН, у якому молодший каскад має всього 10 витків (по одному витку на секцію ), то кількість витків усього ІМПН буде 106 витків. Ступенева залежність кількості витків від кількості каскадів призводить до того ж і до ступеневої залежності збільшення паразитних ємностей, індуктивностей розсіювання та активного опору обмоток, а головне, до збільшення розкиду згаданих вище паразитних параметрів між собою. Все це веде до значного збільшення габаритів та матеріалоємності, затрудняє, ускладнює виготовлення секцій ідентичними та сприяє збільшенню похибки масштабного перетворення при збільшенні кількості каскадів. В основу винаходу поставлена задача удосконалення ІМПН таким чином, щоб зменшити кількість витків обмоток ІМПН при збереженні високої точності масштабного перетворення електричної напруги змінної сили струму. Поставлену задачу вирішують тим, що ІМПН, який містить секційні обмотки каскадів різного старшинства, що має спільне для всіх каскадів осердя та комутаційні елементи, за допомогою яких всі секції обмоток всіх каскадів послідовно поєднані і відводи секцій обмотки молодшого каскаду з'єднані з виходом, ще додатково включає осердя, які не є спільними для всіх каскадів. Обмотки найстаршого каскаду розміщені на всіх осердях, обмотки інших каскадів розміщені послідовно на меншій 86889 4 кількості осердь відповідно до зниження старшинства каскадів. Кількість осердь щонайменше дорівнює кількості каскадів. Зручніше, коли кількість секцій обмотки молодшого каскаду - N, кількість секцій обмоток кожного із інших каскадів - N-1. Краще, коли в кожному із каскадів секції розташовані на одній кількості осердь. Проведені експерименти виявили наступне. Виконання обмоток секційними спрощує процес намотування та дозволяє розташовувати секції обмотки кожного каскаду в потрібному місці серед секцій обмоток іншого каскаду. Це позитивно впливає на стабільність коефіцієнта масштабного перетворення, допомагає зменшити паразитні реактивні параметри, а саме, паразитні ємності, індуктивності розсіювання, що сприяє підвищенню точності перетворювача. Комутаційні елементи, що забезпечують послідовне поєднання всіх секцій обмоток всіх каскадів з можливістю подачі вхідної напруги на найстарший каскад та вимірювання вихідної напруги на молодшому каскаді, дозволяють перемикати всі секції всіх каскадів у потрібній послідовності, що визначає коефіцієнт масштабного перетворення, допомагає зменшити паразитні реактивні параметри. Послідовне поєднання всіх обмоток всіх каскадів забезпечує однаковість сили струму у всіх секціях обмоток всіх каскадів, що забезпечує однаковість значень падінь напруги у всіх секціях кожного з каскадів за амплітудою та всіх значень падінь напруги всіх секцій всіх каскадів за фазою. Використання декількох осердь, які є магнітопроводом, що можуть мати відмінну площу поперечного зрізу, розміщення обмоток на них послідовно зі зменшенням значущості каскаду у коефіцієнті масштабного перетворення щоразу на меншій кількості осердь, дозволяє змінювати площу поперечного зрізу магніто-проводу для кожного каскаду. При цьому кількість осердь щонайменше дорівнює кількості каскадів. Зручніше при проектуванні та виготовленні ІМПН, коли кількість секцій обмотки молодшого каскаду - N, кількість секцій обмоток кожного із інших каскадів - N-1. При виготовленні ІМПН зручніше, коли в кожному із каскадів секції розташовані на одній кількості осердь. ІМПН змінної сили струму являє собою автотрансформатор на холостому ході. Електрорушійна сила самоіндукції ІМПН змінної сили струму пропорційна потокозчепленню Ψ=ώ×Φ , яке пропорційне як кількості витків ώ, так і магнітному потоку Ф, який охоплений цими витками, який в свою чергу Ф=В×П м є пропорційним магнітній індукції В та площі поперечного зрізу магнітопроводу Пм [А.В.Іванов-Смоленський. Електричні машини. М. Енергія. 1980, стор.8]. Таким чином, якщо всі каскади укладені на одному осерді, то коефіцієнт масштабного перетворення визначається співвідношенням кількості витків нижнього плеча ІМПН змінної сили струму до загальної кількості витків, як це визначається у 5 прототипі. У ІМПН змінної сили струму, що заявляється, обмотки різних каскадів охоплюють різну кількість осердь, тобто площа поперечного зрізу магнітопроводу Пм у всіх каскадів різна. Завдяки цьому коефіцієнт масштабного перетворення визначається не тільки співвідношенням кількості витків, але й співвідношенням площ поперечного зрізу магнітопроводів. До того ж, як правило, зменшення числа витків зменшує паразитні параметри, що сприяє також підвищенню точності перетворювача. Суть винаходу пояснюють креслення. Фіг.1 - принципова схема трьох - каскадного ІМПН, що заявляється. Фіг.2 - спрощена схема послідовного з'єднання та розташування секцій каскадів на осердях у трьох - каскадному ІМПН, що заявляється (без комутаційних елементів). Де: 1 - осердя, спільне для всіх каскадів, має площу поперечного зрізу S1; 2, 3, 5 - каскади ІМПН, відмінні за старшинством; 2і - секції обмоток молодшого каскаду, і=1, 2,..., n; 3k - секції обмоток більш старшого каскаду, к=1, 2,..., n-1; 5l - секції обмоток найстаршого каскаду, l=1, 2,..., n-1; 4, 6 - осердя, що мають площу поперечного зрізу відповідно S2 та S3, S2=S1; S3=2S1; 7, 8, 9, 10, 11 - комутаційні елементи; 12 - загальна шина. Порівняємо конструкції трьох-каскади их ІМПН: того, що створений за прототипом, та ІМПН, який заявляється, на прикладі декадної побудови каскадів, що спрощує процес розрахунку і встановлення реального коефіцієнта масштабного перетворення. Заданий коефіцієнт масштабного перетворення - 0,881. У прототипі кількість секцій у молодшому каскаді 2, n=10. Старші каскади 3 та 5 містять по n– 1=9 секцій так, як десятою секцією старшого каскаду є молодший каскад. При декадній побудові каскадів у випадку, коли усі каскади розташовані на одному осерді з однаковою площею поперечного зрізу, як у прототипі, співвідношення витків у секціях старшого та молодшого каскадів дорівнює 10, тобто ,якщо, наприклад, у секції молодшого каскаду 2, -10 витків, то у секції більш старшого каскаду 3, -102=100 витків, а у секції найстаршого каскаду 5, -103=1000 витків. Положення комутаційних елементів забезпечують подачу вхідної напруги на верхній вивід секції 5n-1 та вивід загальної шини 12, вихідну напругу знімають з верхнього виводу секції 21 та виводу загальної шини 12. При цьому отримуємо коефіцієнт масштабного перетворення - 0,881. В IМП, що заявляється, (Фіг.1, Фіг.2) на осерді 1 розташовані секції 2i обмоток молодшого каскаду 2 та секції 3к каскаду 3, який є наступним за старшинством. 86889 6 Секційні обмотки каскаду 3 охоплюють також осердя 4. На осерді 4 розташовані також секції 5l обмотки найстаршого каскаду 5, які охоплюють також осердя 1 та 6. У найстаршому каскаді за допомогою комутаційного елементу 8 з'єднують потенційний вхід ІМПН з верхнім виходом верхньої 5n-1 секції найстаршого каскаду 5. До загальної шини 12 підключають нижній вихід нижньої 51 секції та послідовно поєднані між собою секції 51,..., 5n-2 найстаршого каскаду, а за допомогою комутаційних елементів 10 всі секції нижчого за старшинством каскаду 3 підключають між секціями 5n-2 і 5n-1. У цьому каскаді 3 за допомогою комутаційних елементів 7 з'єднують послідовно між собою секції 31,..., 3n-2, а за допомогою комутаційних елементів 9 всі секції молодшого каскаду підключають між секціями 3n-2 і 3n-1. Положення комутаційних елементів 7, 8, 9, 10 та 11 (Фіг.1) при декадній побудові каскадів ІМПН відповідає коефіцієнтам масштабною перетворення: найстаршого каскаду - 0,8; нижчого за старшинством від нього каскаду - 0,8; молодшого каскаду - 0,1. Для всього ІМПН коефіцієнт масштабного перетворення дорівнює - 0,881. В ІМПН, який заявляється, відбувається збільшення площі поперечного зрізу магнітопроводу Sм всіх каскадів від молодшого до старшого, наприклад, удвічі, за рахунок збільшення кількості осердь та зміни площі їх поперечного зрізу. При наявності 10 витків у секції молодшого каскаду у секції більш старшого каскаду буде 102:2=50 витків, а у секції найстаршого каскаду буде 103:22=250 витків. Тобто, у порівнянні з прототипом число витків обмоток скорочується в 3,6 рази при послідовному збільшенні площі поперечного зрізу магнітопроводу Sм всіх каскадів від молодшого до старшого удвічі. ІМПН, який заявляється, працює наступним чином. На потенційний вхід ІМПН ( верхній вивід секції 5n-1) та вивід загальної шини 12 подають вхідну напругу, вихідну напругу знімають з верхнього виводу секції 21 та виводу загальної шини 12. Для даного ІМПН (Фіг.1, Фіг.2) отримаємо коефіцієнт масштабного перетворення - 0,881. Таким чином удосконалення ІМПН дозволяє зменшити кількість витків обмоток ІМПН при збереженні високої точності масштабного перетворення електричної напруги змінної сили струму. До того ж зменшення паразитних параметрів, що виникає внаслідок зменшення числа витків обмоток, розширює частотний, амплітудний та динамічний ( кількість каскадів ) діапазони ІМПН при збереженні високої точності масштабного перетворення електричної напруги змінної сили струму, тобто, при коливаннях частоти та амплітуди напруги в електричній мережі на вході ІМПН не погіршується точність масштабного перетворення у широкому динамічному діапазоні, що є важливим для широкого кола споживачів. 7 Комп’ютерна верстка Н. Лисенко 86889 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601