Научной школой профессора В. И. Гнатюка получен патент на изобретение Трансформатор, RU 2 306 627 C1, 2007. Данное техническое устройство представляет собой силовой трансформатор с полым магнитопроводом, заполненным магнитной жидкостью. Уровень магнитной жидкости регулируется гидронасосом, что позволяет за счет изменения магнитного сопротивления стержней плавно регулировать напряжение на выводах трансформатора. Обратная связь позволяет, воздействуя на гидронасос, осуществлять автоматическое регулирование напряжения. Изобретение может найти применение в системах электроснабжения и автоматического регулирования.
Одним из основных элементов системы электроснабжения уже в течение долгого времени остается силовой трехфазный трансформатор, состоящий из Ш-образного магнитопровода, первичной и вторичной обмоток. Для дискретного регулирования напряжения в небольших пределах он может иметь коммутационное переключающее устройство, изменяющее число витков вторичной обмотки. Недостатком данного трансформатора является невозможность автоматического плавного регулирования и поддержания напряжения на вторичных обмотках, что приводит к ограничению функциональных возможностей трансформатора. При этом, как правило, регулирование осуществляется в силовых цепях, что создает существенные трудности, связанные с большими токами и напряжениями. Имеются трансформаторные устройства с разъемными и подвижными магнитопроводами, в которых регулирование напряжения осуществляется за счет изменения магнитного сопротивления стержней. Недостатком подобных устройств является низкая надежность подвижных соединений.
В тоже время достаточно широко известны и применяются магнитные жидкости, представляющие собой особые коллоидные растворы мелких ферромагнитных частиц в связующих жидкостях, которые могут быть использованы для эффективного регулирования и коммутации магнитного потока (Розенцвейг Р. Феррогидродинамика. — М.: Мир, 1986).
Для исключения недостатков классического трансформатора предлагается снабдить его емкостью с магнитной жидкостью, стержни магнитопровода трансформатора выполнить полыми и соединенными с помощью трубопровода через гидронасос с емкостью. Гидронасос управляется реверсивным выключателем, который регулируется устройством сравнения. В стенке магнитопровода на уровне верхней кромки полости выполнены отверстия для сообщения с атмосферой. Это позволяет перекачивать магнитную жидкость из емкости в полости и обратно и тем самым изменять уровень магнитной жидкости во внутренних полостях магнитопровода. Одновременно с уровнем жидкости меняется индуктивность и, соответственно, магнитное сопротивление магнитопровода. Как следствие — изменение потокосцепления обмоток, приводящее к изменению коэффициента трансформации и напряжения на выводах устройства. Конструкция и основные элементы трансформатора представлены на рисунке.
Трансформатор работает следующим образом. Напряжение U с выводов вторичной обмотки 3 подается на устройство сравнения 10. При изменении напряжения U на выводах вторичной обмотки 3 от заданного номинального напряжения UН, устройство сравнения 10 сравнивает это отклонение ± ΔU = U — UН и, в зависимости от знака разности напряжения, вырабатывает управляющий сигнал, который подается на реверсивный выключатель 11, управляющий гидронасосом, который, в свою очередь, изменяет уровень магнитной жидкости во внутренних полостях магнитопровода. Тем самым происходит плавное автоматическое регулирование и поддержание напряжения на выводах вторичных обмоток.
Если напряжение на выводах вторичной обмотки трансформатора возрастает (U > UН), то их разность положительна (+ ΔU). Эту разность фиксирует устройство сравнения 10 и подает соответствующий сигнал на реверсивный выключатель 11, который управляет гидронасосом 7. Гидронасос 7 откачивает магнитную жидкость 5 из полых стержней 4 через трубопровод 6 в емкость 8. По мере откачки магнитной жидкости 5 с помощью гидронасоса 7 по трубопроводу 6 в емкость 8 магнитное сопротивление магнитопровода 1 возрастает за счет снижения уровня магнитной жидкости 5 в полостях стержней 4 и заполнения воздухом через отверстие 9. Потокосцепление первичных 2 и вторичных 3 обмоток снижается, что в свою очередь приводит к снижению напряжения на выводах вторичных обмоток 3 до заданного номинального напряжения UН.
Если напряжение на выводах вторичной обмотки трансформатора уменьшается (U < UН), то их разность отрицательна (- ΔU). Эту разность фиксирует, аналогично первому случаю, устройство сравнения 10 и подает соответствующий сигнал на реверсивный выключатель 11, который управляет гидронасосом 7. Гидронасос 7 закачивает магнитную жидкость 5 из емкости 8 через трубопровод 6 в полые стержни 4. По мере закачки магнитной жидкости 5 магнитное сопротивление магнитопровода 1 уменьшается. Потокосцепление первичных 2 и вторичных 3 обмоток увеличивается, что в свою очередь приводит к увеличению напряжения U на выводах вторичных обмоток 3 до заданного номинального напряжения UН.
Свободная перекачка магнитной жидкости гидронасосом 7 из полых стержней магнитопровода 4 в емкость 8 и обратно обеспечивается доступом атмосферного воздуха через отверстия 9 в пространство между верхней кромкой полости и поверхностью магнитной жидкости 5 в стержнях.
Предлагаемое решение может быть использовано в системах электроснабжения, где позволит избавиться от сложного, дорогостоящего и опасного в пожарном отношении переключающего устройства и обеспечить не дискретное, а плавное автоматическое регулирование и поддержание напряжения на выводах вторичных обмоток трансформатора.
В. И. ГНАТЮК, С. В. ХАНЕВИЧ,
Калининградский государственный технический университет.
