Індуктивний масштабний перетворювач напруги

1. Індуктивний масштабний перетворювач напруги, який містить секційні обмотки каскадів різного старшинства, що мають спільне осердя, та комутаційні елементи, за допомогою яких секції обмоток всіх каскадів послідовно поєднані, а відводи секцій обмотки молодшого каскаду з'єднані з C2 2 (19) 1 3 та секційну обмотку молодшого каскаду, загальне число витків якої дорівнює числу витків однієї секції обмотки старшого каскаду. При чому одна із секцій старшого каскаду шунтована обмоткою молодшого каскаду. Крім цього, зазначений ІМПН обладнаний додатковою секційною обмоткою, яка підключена паралельно обмотці старшого каскаду за допомогою перемикачів. Виконання зазначеного ІМПН з додатковою секційною обмоткою дозволяє частково компенсувати вплив шунтування молодшого каскаду на старший каскад, але призводить до збільшення паразитних параметрів, що зменшує точність масштабного перетворювання. Недоліком є також зменшення точності масштабного перетворення ізза збільшення паразитних реактивних складових імпедансу викликане тим, що при різних значеннях коефіцієнта масштабного перетворення секційна обмотка молодшого каскаду знаходиться під різними потенціалами відносно землі, що впливає на значення паразитних струмів витоку, а значить і на точність масштабного перетворення. Крім того, така конструкція ІМПН призводить до збільшення витрат обмотувального дроту. Відомий ІМПН (авторське свідоцтво SU №1049991, дата публікації - 23.10.1983p., МПК: С1 3H01F 21/12), який містить попередню та наступну декади на феромагнітних осердях, на кожному із яких розташовані перша та друга додаткові обмотки з відводами, що з'єднані послідовно між собою, третя та четверта додаткові обмотки, аналогічні першій та другій, та основна обмотка, середній відвід якої з'єднаний зі спільною точкою додаткових обмоток, при чому число секцій і число витків основної обмотки, початок і кінець якої з'єднані з початком першої та третьої додаткових обмоток і кінцями другої та четвертої додаткових обмоток відповідно, а одноіменні відводи першої і третьої, другої і четвертої додаткових обмоток з'єднані між собою. Виконання обмоток у вигляді джгутів зі скрученими рівномірно ізольованими дротами призводить до розширення діапазону робочих частот, але негативно впливає на точність перетворення напруги за рахунок збільшення паразитних реактивних складових загального імпедансу. Це призводить до зниження верхньої межі діапазону робочих частот через значну нерівність значень еквівалентних паразитних ємностей, які шунтують декади ІМПН. Спроба зменшити вихідний активний опір декад шляхом використання дротів більшого діаметру або їх паралельного включення, та збільшення індуктивності обмотки наступної декади шляхом збільшення числа витків або розмірів осердя призводить до збільшення вхідної ємності та індуктивності розсіювання, тобто до зниження верхньої межі діапазону робочих частот. Недоліком є також зменшення точності масштабного перетворення із-за збільшення паразитних реактивних складових загального імпедансу визване тим, що при різних значеннях коефіцієнта масштабного перетворення обмотка попередньої декади знаходиться під різними потенціалами відносно землі, що впливає на значення паразитних струмів вито 89733 4 ку, а значить і на точності масштабного перетворення. Відомий багатодекадний ІМПН (патент RU №2223564, дата публікації - 10.02.2004р., МПК: 7H01F 21/12), що містить попередню та наступну декади, кожна з яких виконана із першої і другої додаткових п'ятисекційних обмоток з відводами, що з'єднані послідовно між собою, і основну десятисекційну обмотку, початок, кінець і середній відводи якої з'єднані відповідно з початком першої, кінцем другої і спільною точкою з'єднання додаткових п'ятисекційних обмоток, та багатопозиційні перемикачі. У попередньої та наступної декад, розташованих на спільному феромагнітному осерді, відводи крайніх секцій основної десятисекційної обмотки, першої і другої додаткових п'ятисекційних обмоток з'єднані між собою, при цьому в попередній декаді кінець третьої і початок четвертої додаткових шестисекційних обмоток з'єднані з середнім відводом основної десятисекційної обмотки, а інші відводи, за виключенням крайніх відводів, з'єднані з відповідними відводами першої і другої додаткових п'ятисекційних обмоток. Зазначений ІМПН має достатньо високу надійність та механічну міцність обмоток, що є важливим 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. Суттєва нерівність значень еквівалентних паразитних ємностей, які замкнені на секції ІМПН при виготовленні обмотки у вигляді джгутів, була частково компенсована тим, що основна декада виконується з трьох джгутів: перший джгут - основна обмотка; другий джгут - дві додаткові обмотки; третій джгут - ще дві додаткові обмотки. Спеціальне електричне з'єднання всіх цих обмоток частково компенсує нерівність значень еквівалентних паразитних ємностей, які замкнені на секції ІМПН, але немає рівності значень еквівалентних паразитних ємностей при такому виконанні обмоток. Виконання основної декади з трьох джгутів призводить до збільшення паразитних ємностей та індуктивностей розсіювання, а головне, до збільшення розкиду значень згаданих вище паразитних параметрів між собою. Все це призводить до значного збільшення габаритів та матеріалоємності, ускладнює виготовлення секцій ідентичними та сприяє збільшенню похибки масштабного перетворення. Недоліком є також зменшення точності масштабного перетворення із-за збільшення паразитних реактивних складових імпедансу викликане тим, що при різних значеннях коефіцієнта масштабного перетворення секційні обмотки попередньої декади знаходиться під різними потенціалами відносно землі, що впливає на значення паразитних струмів витоку, а значить і на точність масштабного перетворення. Найбільш близьким до винаходу, що заявляється, є ІМПН (авторське свідоцтво SU №1292049, дата публікації - 23.02.1987р., МПК: 4H01F 21/12), який містить розташовані на одному осерді секційні обмотки старшого та молодшого каскадів. Секції старшого каскаду з'єднані між собою послідовно через комутаційні елементи, а обмотка молодшого 5 каскаду через інші комутаційні елементи підключена між будь-якими сусідніми секціями обмотки старшого каскаду. Загальна кількість витків обмотки молодшого каскаду дорівнює кількості витків одної секції старшого каскаду. Відомий 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. При декадній побудові багатокаскадного ІМПН кожний молодший каскад має у десять разів менше витків, ніж попередній старший каскад. Наприклад, якщо розглядати шестикаскадний 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 призводить до значного збільшення габаритів та матеріалоємності, ускладнює виготовлення секцій ідентичними та сприяє збільшенню похибки масштабного перетворення при збільшенні кількості каскадів. Крім того, зменшення точності масштабного перетворення із-за збільшення значень паразитних ємностей, індуктивностей розсіювання та активного опору обмоток, а головне, із-за збільшення розкиду згаданих вище значень паразитних параметрів між собою викликано тим, що при різних значеннях коефіцієнта масштабного перетворення секційні обмотки молодшого каскаду знаходяться під різними потенціалами відносно землі, що впливає на значення паразитних струмів витоку, а значить і на точність масштабного перетворення. Крім того, таке виконання ІМПН не дозволяє забезпечити електричне, електромагнітне та еквіпотенційне екранування секційних обмоток молодших каскадів, що призводить до наведення в них паразитної електрорушійної сили зовнішнім електричним та електромагнітним полем. При цьому, зовнішнє електричне та електромагнітне поле в заданий момент має задане значення і його паразитний вплив на точність масштабного перетворення секційних обмоток молодших каскадів зростає від старших каскадів до молодших пропорційно кількості секцій у каскаді. Так, при декадній побудові каскадів відносний рівень паразитних впливів зовнішніх електричних та електромагнітних полів зростає від старших каскадів до молодших в десять разів від каскаду до каскаду. При чому, розташування каскадів у своїх електричних та електромагнітних екранах ведедо значного збільшення, як габаритів ІМПН, так і значень паразитних параметрів. Задачею даного винаходу являється удосконалення індуктивного масштабного перетворювача напруги в якому за рахунок запропонованого 89733 6 виконання секційних обмоток каскадів різного старшинства та їх розташування забезпечується зменшення значення паразитних струмів витоку та забезпечується зменшення паразитного впливу зовнішнього електричного і електромагнітного полів на точність масштабного перетворення секційних обмоток молодших каскадів ІМПН при збереженні високої точності масштабного перетворення електричної напруги змінної сили струму. Крім того, таке виконання індуктивного масштабного перетворювача дозволяє зменшити залежність розбігу значень паразитних струмів витоку при різних значеннях коефіцієнта масштабного перетворення. Поставлена задача вирішується запропонованим індуктивним масштабним перетворювачем напруги, що містить секційні обмотки каскадів різного старшинства, що мають спільне осердя, та комутаційні елементи, за допомогою яких секції обмоток всіх каскадів послідовно поєднані, а відводи секцій обмотки молодшого каскаду з'єднані з виходом, включає додаткові осердя, виконані так, що секційні обмотки старшого каскаду розміщені на всіх осердях, а секційні обмотки інших каскадів розміщені на меншій кількості осердь відповідно до зниження старшинства каскадів, при цьому осердя з розташованими на ньому секційними обмотками молодшого каскаду вміщене в середині осердя більш старшого каскаду, яке з розташованими на ньому секційними обмотками вміщене у середині осердя ще більш старшого каскаду і так до найстаршого каскаду. Перетворювач містить кількість осердь, яка дорівнює кількості каскадів. Краще, коли кожне осердя виконано у формі тору. Секційні обмотки кожного каскаду рівномірно укладені на поверхні відповідного осердя. Для забезпечення зручності визначення значення коефіцієнта масштабного перетворення у десятковій системі обчислення при декадній побудові ІМПН краще, коли обмотка молодшого каскаду містить п секцій, а обмотки всіх інших каскадів містять n-1 секцій. Експериментальним шляхом було встановлено наступне. Виконання обмоток секційними спрощує процес намотування та дозволяє розташовувати секції обмотки кожного каскаду в потрібному місці відносно секцій обмоток іншого каскаду та рівномірно розосереджувати їх на осерді. Це позитивно впливає на стабільність коефіцієнта масштабного перетворення, допомагає зменшити значення паразитних реактивних параметрів, а саме, паразитних ємностей, індуктивності розсіювання, що сприяє підвищенню точності перетворювача. Зручніше при проектуванні та виготовленні ІМПН, коли кількість секцій обмотки молодшого каскаду - n (при n=10), кількість секцій обмоток кожного із інших каскадів - n-1. При чому, зручніше, коли в кожному із каскадів секції розташовані на одній кількості осердь. Крім того, як правило, зменшення числа витків зменшує паразитні параметри, що сприяє також підвищенню точності перетворювача. 7 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 дозволяє визначити коефіцієнт масштабного перетворення та допомагає зменшити значення паразитних реактивних параметрів. 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 у всіх секціях всіх каскадів за фазою. Використання декількох осердь, які є магнітопроводами, 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 осердя для кожного каскаду. Зокрема, збільшення площі поперечного зрізу осердь від молодших каскадів до найстаршого каскаду сприяє зменшенню загальної кількості витків від молодших каскадів до найстаршого каскаду, що дозволяє зменшити значення паразитних параметрів. При цьому кількість осердь щонайменше дорівнює кількості каскадів. Для забезпечення зменшення паразитного впливу зовнішнього електричного та електромагнітного полів на точність масштабного перетворення секційних обмоток молодших каскадів ІМПН осердя з розташованими на ньому обмотками молодшого каскаду вміщене в середині осердя більш старшого каскаду, яке з розташованими на ньому секційними обмотками вміщене у середині осердя ще більш старшого каскаду і так до найстаршого каскаду. При такому розташуванні осердя старших каскадів є захисними електромагнітними екранами для обмоток молодших каскадів, а обмотки старших каскадів є захисними електричними екранами для обмоток молодших каскадів. Значення електричного потенціалу осердя каскаду дорівнює значенню потенціалу середини обмотки, що розташована на цьому осерді, при чому в зазначеному осерді як у еквіпотенційному електричному та електромагнітному екрані знаходиться молодший каскад відповідно до зниження старшинства каскадів. Мале значення різниці потенціалів між обмоткою відповідного каскаду та осердям більш старшого каскаду, який є еквіпотенційним електричним та електромагнітним екранами для цього каскаду, у порівнянні з різницею потенціалів між обмоткою відповідного каскаду і землею, сприяє зниженню значень струмів витоків та їх сталому значенню у динамічному діапазоні зміни значень коефіцієнта масштабного перетворення, оскільки значення струмів витоків дорівнює значенню різниці потенціалі, поділеному на значення опору ізоляції. Тобто, при різних значеннях коефіцієнта масштабного перетворення багатокаскадного ІМПН значення струмів витоку однакові, що сприяє сталому впливу на значення похибки багатокаскадного ІМПН у 89733 8 динамічному діапазоні зміни значень коефіцієнта масштабного перетворення. Чим молодший каскад, тим більша кількість паразитних електричних ємностей (осердь з розташованими на них обмотками), з'єднаних послідовно, відділяє зазначений каскад від нульового потенціалу. При цьому еквівалентна електрична ємність відносно нульового потенціалу при послідовному з'єднанні електричних ємностей зменшується, тобто зменшується значення ємнісних струмів витоку. При чому, кожний каскад з розташованими на ньому обмотками знаходиться під своїм наведеним чи прикладеним потенціалом, що сприяє стабільності значень струмів витоку у динамічному діапазоні зміни значень коефіцієнта масштабного перетворення. ІМПН змінної сили струму являє собою автотрансформатор на холостому ході. Електрорушійна сила самоіндукції ІМПН змінної сили струму про' порційна потокозчепленню Ф , яке пропор ' ційне як кількості витків , так і магнітному потоку Ф, який охоплений цими витками, який в свою чергу Ф=В×Пм 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 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. Запропонований винахід пояснюється кресленнями, де зображено на: Фіг. 1 - принципова схема трьохкаскадного ІМПН. Фіг. 2 - спрощена схема послідовного з'єднання та розташування секцій каскадів на осердях у трьохкаскадному ІМПН (без комутаційних елементів). Фіг. 3 - зріз трьохкаскадного ІМПН, перпендикулярно осі осердь. Фіг. 4 - сектор зрізу трьохкаскадного ІМПН, перпендикулярно осі ІМПН посередині всіх осердь. Індуктивний масштабний перетворювач напруги містить осердя 1, спільне для секційних обмоток 2i (де і=1, 2, ..., n), 3k (де k=1, 2, ..., n-1), 4L (де L=1, 2, ..., n-1) відповідних каскадів 2, 3, 4 різного старшинства з молодшого каскаду 2 до найстаршого 4, та включає додаткові осердя 5 і 6 виконані так, що секційні обмотки 4L найстаршого каскаду 4 розміщені на осердях 1, 5 та 6, секційні обмотки 3k каскаду 3 меншого старшинства розміщені на осердях 1 та 5, а секційні обмотки 2i молодшого каскаду 2 розміщені на осерді 1. За допомогою комунікаційних елементів 7, 8, 9, 10 та 11 секційні 9 обмотки 2i, 3k, 4L відповідних каскадів 2, 3, 4 послідовно поєднані між собою, а відводи секцій обмотки 2i молодшого каскаду 2 зв'язані з виходом. Осердя 1 з розташованими на ньому секційними обмотками 2i молодшого каскаду 2 вміщене в середині осердя 5 більш старшого каскаду 3, а осердя 5 з розташованими на ньому секційними обмотками 3k каскаду 3 вміщене у середині осердя 6 найстаршого каскаду 4. Кожне осердя 1, 5 та 6 виконано у формі тору. Секційні обмотки 2i, 3k та 4L рівномірно укладені відповідно на поверхні осердь 1, 5, та 6. При такому розташуванні осердя старших каскадів є захисними електромагнітними екранами для обмоток молодших каскадів, а обмотки старших каскадів є захисними електричними екранами для обмоток молодших каскадів. Обмотка 2i молодшого каскаду 2 містить n секцій, а обмотки 3k і та 4L каскадів 3 і 4 відповідно містять n-1 секцій. Перетворювач містить шину 12. Осердя 1 має площу поперечного зрізу S1, осердя 5 має площу поперечного зрізу S2, а осердя 6 має площу поперечного зрізу S3. При чому S2=S1, S3=2S1. Осердя 6 найстаршого каскаду 4 є захисним електромагнітним екраном для обмоток 3k каскаду 3, а обмотка 4L каскаду 4 є захисним електричним екраном для обмотки 3k каскаду 3. Осердя 5 каскаду 3 є захисним електромагнітним екраном для обмоток 2i каскаду 2, а обмотка 3k каскаду 3 є захисним електричним екраном для обмотки 2i каскаду 2. Порівняємо конструкції трьохкаскадного ІМПН, що заявляється, та ІМПН за прототипом 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 2n=10. Старші каскади 3 та 4 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 2 витків, то у секції більш старшого каскаду 3 10 3 (100) витків, а у секції найстаршого каскаду 4 10 (1000) витків. Розташування комутаційних елементів 7, 8, 9, 10 та 11 забезпечує подачу вхідної напруги на верхній вивід секції 4n-1 найстаршого каскаду 4 та вивід загальної шини 12, а вихідну напругу знімають з верхнього виводу секції 2і молодшого каскаду 2 та виводу загальної шини 12. При цьому отримуємо коефіцієнт масштабного перетворення - 0,881. В ІМПН, що заявляється, на осерді 1 розташовані секції 2i обмоток молодшого каскаду 2, секції 3k каскаду 3, який є наступним за старшинством та секції 4L обмотки найстаршого каскаду 4 (фіг. 1, фіг. 2, фіг. 3, фіг. 4). 89733 10 Секційні обмотки 3k каскаду 3 охоплюють також осердя 5. На осерді 5 розташовані також секції 4l обмотки найстаршого каскаду 4, які охоплюють також осердя 1 та 6. У найстаршому каскаді 4 за допомогою комутаційного елементу 8 з'єднують потенційний вхід ІМПН з верхнім виходом верхньої секції 4n-1 найстаршого каскаду 4. До загальної шини 12 підключають нижній вихід нижньої секції 41 та послідовно поєднані між собою секції 4l, ... , 4n-2 найстаршого каскаду 4, а за допомогою комутаційних елементів 10 всі секції нижчого за старшинством каскаду З підключають між секціями 4n-2 і 4n-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 2 підключають між секціями 3n2 і 3n-1. Положення комутаційних елементів 7, 8, 9, 10 та 11 (фіг. 1) при декадній побудові каскадів ІМПН відповідає коефіцієнтам масштабного перетворення, а саме: для найстаршого каскаду - 0,8; для 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 найстаршого, наприклад, удвічі, за рахунок збільшення кількості осердь та зміни площі їх поперечного зрізу. При наявності 10 витків у секції молодшого каскаду 2 у секції більш старшого каскаду 3 буде 102:2=50 витків, а у секції найстаршого каскаду 4 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 2 до старшого 4 удвічі. ІМПН, що заявляється, використовують таким чином. На потенційний вхід ІМПН, а саме верхній вивід секції 4n-1, та вивід загальної шини 12 подають вхідну напругу, а вихідну напругу знімають з верхнього виводу секції 21 та виводу загальної шини 12. Для даного ІМПН (фіг. 1, фіг. 2) отримуємо коефіцієнт масштабного перетворення - 0,881. Таким чином, таке удосконалення індуктивного масштабного перетворювача напруги за рахунок запропонованого виконання секційних обмоток каскадів різного старшинства та їх розташування забезпечує зменшення значення паразитних струмів витоку та забезпечує зменшення паразитного впливу зовнішнього електричного і електромагнітного полів на точність масштабного перетворення секційних обмоток молодших каскадів ІМПН при збереженні високої точності масштабного перетворення електричної напруги змінної сили струму. Крім того, таке виконання індуктивного масштабного перетворювача дозволяє зменшити залежність розбігу значень паразитних струмів витоку при різних значеннях коефіцієнта масштабного перетворення. 11 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 89733 Підписне 12 Тираж 26 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