Phedotikov / 1 / FreeEnergy_27.01.08 / Схемотехнические / Трансформатор Несимметричный / de19927355_ru

Описание и русский перевод патента DE19927355

Данное изобретение касается всех трансформаторов с первичной обмоткой и минимум одной вторичной обмоткой, в частности, трансформаторы, которые

используются в режиме с высокой индуктивностью. В электрической цепи между конденсатором и источником напряжения или соответственно

индукционной катушкой электрическая энергия качается лишь туда и обратно.

По причине присутствия самоиндукции на катушке постоянно индуцируется

напряжение, которое должно быть преодолено напряжением питания. Катушка производит индуктивное сопротивление. В чисто индуктивном сопротивлении

напряжение опережает ток на четверть периода. Или если иначе выразиться, между током и напряжением присутствует сдвиг фаз на 90 градусов. При высокой частоте индуктивное сопротивление соответствующим образом

возрастает. При очень высокой частоте катушка практически не пропускает ток.

Для определенных прикладных целей трансформатора высокое индуктивное сопротивление - это большой убыток, в частности, при передаче через него

электрических импульсов, для которых не должна изменяться их временная характеристика.

Внастоящее время наука и техника способна изменять индуктивность внутри трансформатора в определенном диапазоне значений. Например, индуктивность может изменяться вариометером или относительным движением обмоток или движением магнитопровода или изменением магнитной

проницательности магнитопровода или посредством двигающегося экрана или

другими техническими средствами. Все эти прежние технические средства очень медлительны, неточны и неблагоприятно изменяют кпд трансформатора. К тому же эти технические средства применимы только при миниатюрных трансформаторах, малых трансформаторах и индукторах. Для использования

на больших производственных трансформаторах такие технические средства

не применимы.

Внастоящей науке и технике неизвестено, что индуктивность транформатора можно уменьшать за счет высокой емкости первичной или вторичной обмотки.

Вэлектрической цепи между трансформатором и другими электрическими компонентами включают, как известно, компенсационный конденсатор,

вследствие чего все индуктивное сопротивление компенсируется в схеме. Эта хорошо известная техника требует, например, в энергосетях большие конденсаторы, чтобы компенсировать так называемый реактивный ток. Такой

методикой высоки производственные расходы и тем не менее при этом в цепи переменного тока получают неудовлетворительный кпд. Так называемый

активный ток вследствие этого все-таки полностью не достигатеся.

Цель данного изобретения является создать трансформатор, при котором как

минимум первичная обмотка приобретает высокую емкость. В дальнейшем

целью изобретения является, взаимно скомпенсировать индуктивные и емкостные реактивные сопротивления в обмотках трансформатора и вследствие этого превращать реактивный ток в активный.

Решение этого задачи происходит согласно изобретению характеризующими признаками первой формулы изобретения.

Согласно изобретению создается трансформатор, в котором как минимум первичная обмотка намотана из ленточного конденсатора.

До сих пор первичные и вторичные обмотки всех известных трансформаторов, индукторов, катушек зажигания намотаны и т.п. из изолируемого провода.

Согласно сегодняшней технике, если хотят создать малое емкостное сопротивление обмоток, провода обмотки на катушке необходимо располагать

отдельные строго параллельно друг к другу или как описано в патенте DE-OS 24 45 143, помещать провода в ленточный кабель. Вопреки этим техническим издержкам емкостное сопротивление индуктивности очень незначительно.

Ленточный кабель в обмотках используется не как электрический конденсатор. Похожей техникой являются так называемые крестообразные обмотки, которые

должны смягчать емкостное сопротивление.

С помощью соответствующего изобретению ленточного конденсатора достигают сколько угодно высокой емкости обмоток, которая не досягаема

известными обмотками с проводом. Ленточный конденсатор является в

принципе электрическим конденсатором, который технологически производится как индуктивность трансформатора. Образованные посредством ленточного конденсатора обмотки могут образовываться с большим числом витков как первичная или вторичная катушка. В электрической схеме таким образом

сделанная катушка работает как классический электрический конденсатор. Колеблющийся в конденсаторе электрический ток сдвинутый против напряжения действует в первичнах обмотках трансформатора как намагничивающий ток.

В дальнейшем данное изобретение обьясняется с помощью примера и

рисунков.

Указано:

Рис. 1 соответствующий изобретению ленточный конденсатор подсоединенный

к источнику напряжения,

Рис. 2 разрез трансформатора с первичными обмотками из ленточного

конденсатора и вторичной обмоткой из проволоки,

Рис. 3 поперечный разрез ленточного конденсатора согласно рис. 1

Рис. 4 поперечный разрез ленточного конденсатора с несколькими

металлическими проводами и электрическими контактами для подсоединения

Рис. 1 показывает ленточный конденсатор A, который состоит из диэлектрика

1, металлической фольги 2 и 3 и электрического изолятора 4. Посредством

электрических контактов 5 и 6 металлическая фольга 2 и 3 присоединяется к источнику переменного напряжения 7. Как известно, при такой схеме

смещенный электрический ток (90° к напряжениею - зам.пер.), называющийся

также плотностью смещения, коллеблется по отношению к диэлектрику 1.

Смещеный ток измеряется при помощи амперметра 8. Такой ленточный

конденсатор обматывается, как на рис. 2 проиллюстрираванно, на магнитопровод трансформатора 9 как первичная обмотка 10. На

магнитопроводе трансформатора 9 намотанна вторичная катушка 11 из известных витков провода, что также представлено в рис. 2. Посредством электрических контактов 12 и 13 вторичная обмотка 11 подсоединяется к

желаемой электрической схеме.

Рис. 3 показывает поперечный разрез ленточного конденсатора A с теми же обозначениями как на рис. 1. Длину ленточного конденсатора A выбирают так, чтобы она являлось достаточной для числа витков обмотки трансформатора

Рис. 4 показывает другую структуру ленточного конденсатора B, которую нужно

использовать преимущественно для образования обмоток миниатюрного или малого трансформатора. На рис. 4 можно увидеть металические проводники с

электрическими контактами 14, 15, 16, 17, 18, которые залиты в хорошем диэлектрике 19, причем вся конструкция укутана электрическим изолятором 20.

Металические проводники от 14 до 18 проходят параллельно плотно рядом и

образуют электрические конденсаторы, который соединены в электрической схеме параллельно друг с другом. Электрические контакты расположены попеременно в обоих концах металлических линий, например таким образом, что контакт 14 расположен вначале ленты а контакт 15 в другом конце ленты.

Другие контакты 16, 17, 18 расположены так же попеременно. Другими словами,

каждый металлический проводник имеет только один электрический контакт. Ток смещения вибрирует тогда как в конденсаторе между металлической проводом 15 и 14 и 16. Другим конденсатором является элементы 17 и 16 и 18.

Ширина ленточного конденсатора А на рис. 3 рассчитывается по необходимой

емкости, мощности и количества витков. При малом количестве витков лента конденсатора шире и наоборот. Принципиально, количество витков обмотки трансформатора из ленточного конденсатора определяется по тем же правилам, как в случае при обмотке проводом. Самый важный физический

параметр - это ток смещения I, который при полной мощности колеблется в

первичке. Уравнение [1] показывает максимальную величину тока смещения:

где:

U = максимальное напряжение между металической фольгой 2 и 3 PI = число пи

f = частота напряжения

C = емкость ленточного конденсатора

Пример

При емкости C = 20 мкФ и при частоте F = 50 Гц и при максимальной величине напряжения 311 вольт максимальная величина тока I = является 1,954 А.

Без наличия самоиндукции в чисто емкостном сопротивлении этот ток

опережает напряжение на четверть периода, т.е., коэффициент мощности косинус фи при 90 градусах равен 0. Обмотки трансформатора из

ленточного конденсатора владеют также индуктивным сопротивлением согласно закону индукции. При расчете числа витков с обмоткой ленточного конденсатора коэффициент самоиндукции L определяют по известным

уравнениям таким образом чтобы угол фаз фи между напряжением и током вычитался, т.е. кос фи при 0 градусах был равен 1. Физически это обозначает включение индуктивного и емкостного сопротивления последовательно. Само

собой разумеется в схеме также присутствует малое активное сопротивление металлической фольги 2 и 3 как на Рис. 1. В точном определении это означает

омическое, индуктивное и емкостное сопротивление соединенные последовательно. Уравнение [2] показывает все напряжение U на зажимах 2 и 3 металлической фольги ленточного конденсатора:

где

R = омическое сопротивление L = коэффициент самоиндукции

Другие обозначения в уравнении [2] являются такими же как в уравнении [1].

Согласно изобретению число витков и емкость ленточного конденсатора рассчитывают таким образом, чтобы угол фаз фи между напряжением и током был кос фи равен косинусу 0 градусов = 1, т.е., так называемый реактивный ток был бы преобразован в активный. Согласно изобретению этот активный ток вибрирует как смещенный ток в обмотках трансформатора. Соответствующий изобретению трансформатор найдет широкое экономическое применение. Например, к изготовлению миниатюрных трансформаторов в

электронной индустрии. Для этой величины трансформатора принципиально

используют ленточный конденсатор B как указано на рис. 4. Ширину ленточного конденсатора определяют таким образом, чтобы вся поверхность обмотки покрывалось лентой. Для малых трансформаторов и трансформаторов средней величины, например для радио, телевидения, для катушек зажигания, для

двигателей внутреннего сгорания или для трансформаторов люминесцентных

ламп используют ленточный конденсатор A согласно рис. 1 и рис. 3.

Для мощных трансформаторов в электрической индустрии, в энергетике, в

транспорте а также в других экономических отраслях используют обмотки трансформатора из ленточного конденсатора A.

Согласно изобретению первичная обмотка трансформатора образуется в основном при помощи ленточного конденсатора. Вторичные обмотки

образуются из известных обмоток провода. Тем не менее, имеются много

экономических приложений трансформатора, при которых также вторичные обмотки из ленточного конденсатора находят приложение. Имеется также потребность, где перемешанно применяются обмотки ленточного конденсатора

и обмотки провода.

Beschreibung Patent DE19927355

Die vorliegende Erfindung betrifft alle Transformatoren mit einer Primärwicklung und mindestens einer Sekundärwicklung, insbesondere Transformatoren, die mit hoher Induktivität betrieben werden. In einem Stromkreis zwischen Kondensator und

Spannungsquelle bzw. einer Induktionsspule, pendelt die elektrische Energie lediglich hin und her.

Wegen der Selbstinduktion wird nämlich ständig eine Urspannung induziert, die von der Klemmenspannung überwunden werden muss. Die Spule leistet induktiven

Widerstand. Im rein induktiven Widerstand eilt die Spannung dem Strom um eine Viertelperiode voraus. Oder anders ausgedrückt, zwischen Strom und. Spannung besteht eine Phasenverschiebung von 90 DEG . Bei hoher Frequenz nimmt der induktive Widerstand entsprechend zu. Bei einer sehr hohen Frequenz kann die Spule den Strom praktisch vollkommen abriegeln.

Für bestimmte Anwendungszwecke eines Transformators bzw. Übertragers ist ein hoher induktiver Widerstand ein grosser Nachteil, insbesondere bei der Übertragung elektrischer Impulse, deren zeitlicher Verlauf nicht geändert werden soll.

Es gehört zum Stand der Technik, dass die Induktivität innerhalb eines Transformators in einem bestimmten Wertebereich veränderbar ist. Zum Beispiel ist die Induktivität durch Variometer oder relative Bewegung von Windungen oder durch Bewegung des Kerns oder durch das Ändern der Kernpermeabilität oder mittels eines beweglichens Schirms und anderen technischen Mitteln veränderbar. Alle diese bisherigen technischen Mittel sind sehr schwerfällig, unpräzise und ändern den Wirkungsgrad des Transformators ungünstig. Ferner sind es technische Mittel, die nur bei Miniaturtransformatoren oder kleinen Transformatoren und Induktoren anwendbar sind. Für den Einsatz bei grossen Leistungstransformatoren sind jene technischen Mittel nicht anwendbar.

Im Stand der Technik ist unbekannt, dass die Induktivität eines Tranformators durch die hohe Kapazität der Primärwicklung und/oder Sekundärwicklung zurücksubstrahiert wird.

In einem Stromkreis zwischen Transformator und anderen elektrischen

Komponenten schaltet man bekanntlich einen Kondensator ein, wodurch der gesamte induktive Widerstand im Schaltkreis kompensiert wird. Diese wohlbekannte

Technik verlangt z. B. in den öffentlichen Leitungsnetzen grosse Kondensatoren, um den sogenannten Blindstrom zu kompensieren. Daher sind die Herstellungskosten hoch und man erhält dennoch eine unbefriedigende Leistung im Wechselstromkreis.

Der sogenannte Wirkstrom wird dadurch nicht völlig erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transformator zu erschaffen, bei dem mindestens die Primärwicklung eine hohe Kapazität aufweist. Ferner ist es

Aufgabe der Erfindung, die induktiven und kapazitiven Blindwiderstände in den

Transformatorwicklungen gegenseitig zu kompensieren und dadurch den Blindstrom in Wirkstrom umzuwandeln.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäss der Erfindung durch die kennzeichnenden

Merkmale des ersten Anspruchs.

Erfindungsgemäss wird ein Transformator geschaffen, bei dem mindestens die

Primärwicklungen aus Bandkondensator gewickelt sind.

Bisher sind die Primärwicklungen und die Sekundärwicklungen von allen bekannten Transformatoren, Induktoren, Zündspulen u. a. aus isoliertem Draht gewickelt. Wenn man nach dem Stand der Technik einen kleinen kapazitiven Widerstand der

Wicklungen schaffen will, muss man die einzelnen Drahtwicklungen genau in parallelen Abständen zueinander auf die Spule aufbringen oder wie in der DE-OS 24

45 143 beschrieben ist, die Drähte in ein Bandkabel parallel einbinden. Trotz dieses technischen Aufwands ist der kapazitive Widerstand der Spule sehr gering. Das Bandkabel ist in den Wicklungen nicht als elektrischer Kondensator bestimmt. Eine

ähnliche Technik sind die sogenannten Kreuzwicklungen, die den kapazitiven Widerstand mildern sollen.

Durch den erfindungsgemässen Bandkondensator erreicht man eine beliebig hohe

Kapazität der Wicklungen, die durch die bekannten Drahtwicklungen nicht erreichbar ist. Der Bandkondensator ist im Prinzip ein elektrischer Kondensator, der in einem

Fertigungsverfahren als Transformatorspule hergestellt wird. Die mittels des

Bandkondensators gebildeten Wicklungen können mit hoher Windungszahl als Primärund/oder als Sekundärspule gebildet werden. In dem elektrischen Schaltkreis wirkt eine so gefertigte Spule wie ein klassischer elektrischer Kondensator. Der in dem Kondensator schwingende Verschiebungsstrom wirkt in den Primärwicklungen des Transformators wie ein Magnetisierungsstrom.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen erfindungsgemässen Bandkondensator mit Anschluss an eine Wechselspannungsquelle,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Transformator mit Primärwicklungen aus

Bandkondensator und Sekundärwicklungen aus Drahtwicklungen,

Fig. 3 den Querschnitt durch einen Bandkondensator gemäss Fig. 1,

Fig. 4 einen Querschnitt durch den Bandkondensator mit mehreren Metallleitungen und elektrischen Anschlüssen.

Fig. 1 zeigt einen Bandkondensator A, der aus Dielektrikum 1 und Metallfolien 2 und

3 und elektrischem Isolator 4 besteht. Mittels den elektrischen Anschlüssen 5 und 6 sind die Metallfolien 2 und 3 an Wechselspannungsquelle 7 angeschlossen. Bei einem solchen Schaltkreis schwingt bekanntlich elektrischer Verschiebungsstrom, auch Verschiebungsdichte genannt, über Dielektrikum 1. Der Verschiebungsstrom wird mit Amperemeter 8 gemessen. Ein solcher Bandkondensator wird, wie in Fig. 2 veranschaulicht, auf den Transformatorkern 9 als Primärspule 10 gewickelt. Die auf den Transformatorkern 9 gewickelten Sekundärwicklungen 11 bestehen aus

bekannten Drahtwicklungen, was ebenfalls in Fig. 2 dargestellt ist. Durch die elektrischen Anschlüsse 12 und 13 ist die Sekundärwicklung 11 an dem gewünschten elektrischen Schaltkreis angeschlossen.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch Bandkondensator A mit denselben Symbolen wie in Fig. 1. Die Länge des Bandkondensators A wird so ausgewählt, dass diese für die Windungszahl der Spule eines Transformators ausreicht.

Fig. 4 zeigt eine andere Struktur des Bandkondensators B, die hauptsächlich für die

Bildung der Wicklungen eines Miniaturoder Kleintransformators zu nutzen ist. In Fig. 4 sind Metalleitungen mit Anschlüssen 14, 15, 16, 17, 18 erkennbar, die in einem guten Dielektrikum 19 eingegossen sind, wobei das Ganze mit dem elektrischen Isolator 20 umhüllt ist. Die Metalleitungen 14 bis 18 verlaufen parallel dicht nebeneinander und bilden elektrische Kondensatoren, die man elektrisch parallel miteinander schliessen kann. Die elektrischen Anschlüsse sind wechselweise an beiden Enden der Metallleitungen angeordnet, zum Beispiel so, dass Anschluss 14 vorne an dem Band und Anschluss 15 am anderen Ende des Bandes angeordnet ist. Die anderen Anschlüsse 16, 17, 18 sind ebenso wechselweise angeordnet. Mit anderen Worten, jede Metalleitung hat nur einen elektrischen Anschluss. Der Verschiebungsstrom schwingt dann wie in einem Kondensator zwischen

Metallleitung 15 und 14 und 16. Der andere Kondensator ist zwischen 17 und 16 und

18 angeschlossen.

Die Breite des Bandkondensators A in Fig. 3 wird nach der Kapazität, der Leistung und der Windungszahl berechnet. Bei einer kleineren Windungszahl ist das

Kondensatorband breiter und umgekehrt. Grundsätzlich wird die Windungszahl der

Transformatorwicklungen aus Bandkondensator nach den gleichen Regeln bestimmt, wie es bei Drahtwicklungen der Fall ist. Der wichtigste physikalische Parameter ist der Verschiebungsstrom I, der bei voller Leistung durch die Primärwicklungen schwingt. Den Höchstwert des Verschiebungsstromes zeigt Gleichung [1]:

I = U (2*PI*f*C) [1]

wo:

U = Höchstwert der Spannung zwischen Metallfolie 2 und 3

PI = Ludolfsche Zahl

f = Frequenz der Spannung

C = Kapazität des Bandkondensators

Ein numerisches Beispiel

Bei einer Kapazität C = 20 µF und bei einer Frequenz F = 50 Hz und bei einem

Höchstwert der Spannung von 311 Volt ist der Höchstwert des Stromes I = 1,954 Ampere.

Ohne Selbstinduktion in einem rein kapazitiven Widerstand wird dieser Strom vor der

Spannung um eine Viertelperiode vorauseilen, d. h., der Leistungsfaktor cos phi 50 = cos 90 DEG = 0. Die Transformatorwicklungen aus Bandkondensator besitzen nach dem Induktionsgesetz induktiven Widerstand. Bei der Berechnung der Windungszahl

mit Bandkondensatorwindungen bestimmt man den Selbstinduktionskoeffizient nach bekannten Gleichungen, so dass der Phasenwinkel phi zwischen Spannung und Strom zurücksubstrahiert wird, d. h., cos phi = cos 0 DEG = 1. Physikalisch bedeutet dies eine Reihenschaltung von induktivem und kapazitivem Widerstand. Dazu gehört selbstverständlich ein kleiner ohmscher Widerstand der Metallfolien 2 und 3 in Fig. 1. In präziser Definition bedeutet dies: ohmscher, induktiver und kapazitiver Widerstand in Reihe. Gleichung [2] zeigt die gesamte Klemmenspannung U an den Metallfolien 2 und 3 des Bandkondensators:

wo

R = ohmscher Widerstand

L = Selbstinduktionskoeffizient

Die anderen Symbole in Gleichung [2] sind dieselben wie in Gleichung [1].

Gemäss der Erfindung berechnet man die Windungszahl und die Kapazität des Bandkondensators so, dass der Phasenwinkel phi zwischen Spannung und Strom cos phi = cos 0 DEG = 1, d. h., der sogenannte Blindstrom ist damit in Wirkstrom umgewandelt worden. Gemäss der Erfindung schwingt dieser Wirkstrom wie ein Verschiebungsstrom in den Wicklungen des Transformators. Der erfindungsgemässe Transformator findet eine breite wirtschaftliche Nutzung. Zum Beispiel zur Herstellung von Miniaturtransformatoren in der elektronischen Industrie. Für diese

Transformatorgrösse benutzt man grundsätzlich den Bandkondensator B in Fig. 4.

Die Breite des Bandkondensators wird dann so bestimmt, dass die gesamte Spulenoberfläche mit dem Band bedeckt wird. Für kleine und mittelgrosse Transformatoren, wie für Radio und Fernsehen oder für Zündspulen für Verbrennungsmotoren oder für Leuchtstofflampen-Transformatoren benutzt man

Bandkondensator A gemäss Fig. 1 und Fig. 3.

Für Leistungstransformatoren in der elektrischen Industrie, in der Energieindustrie, im Transportwesen sowie in anderen wirtschaftlichen Zweigen benutzt man gleichfalls Transformatorwicklungen aus Bandkondensator A.

Gemäss der Erfindung wird hauptsächlich die Primärwicklung des Transformators mit

Bandkondensator gebildet. Die Sekundärwicklungen werden aus bekannten Drahtwicklungen gebildet. Es gibt jedoch viele wirtschaftliche Anwendungen des

Transformators, bei denen auch Sekundärwicklungen aus Bandkondensator Anwendung finden. Es gibt auch Bedarf, wo gemischte Wicklungen von Bandkondensator und Drahtwicklungen eingesetzt werden können.

Claims of DE19927355

1. Transformator mit kapazitivem Widerstand, der aus einem weichmagnetischem Magnetkern um denselben zugeordneten Primärund Sekundärwicklungen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kernkonstruktion (9) des Transformators

mindestens die Primärwicklung (10) nach Art einer Spule al. s Bandkondensator (A,

B) aufgewickelt ist.

2.Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der

Bandkondensator (A) in seiner gesamten Länge aus zwei elektrisch leitenden Folien (2, 3) parallel und beidseitig zum Dielektrikum (1) verlaufend mit einem elektrischen

Isolationsmaterial (4) umhüllt ist.

3.Transformator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrisch leitende Folie (2) an einem Ende des Bandkondensators (A) durch Wicklungsanschluss (6) an einem Pol einer Wechseloder pulsierenden

Spannungsquelle (7) und die zweite elektrisch leitende Folie (3) an anderen Ende des Bandkondensators (A) durch Wicklungsanschluss (5) am zweiten Pol der Wechseloder pulsierenden Spannungsquelle (7) angeschlossen ist.

4.Transformator nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite und die Länge des Bandkondensators (A, B) mit der Windungszahl so abgestimmt werden, dass der durch den Bandkondensator schwingende Blindstrom in Wirkstrom umgewandelt wird.

5.Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der

Bandkondensator (B) in seiner Gesamtlänge aus einer Mehrzahl von in einem Dielektrikum (19) eingegossenen, parallel laufenden elektrischen Leitungen (14-18) besteht und insgesamt mit einem äusseren elektrischen Isolator (20) umhüllt ist.

6.Transformator nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leitungen (14-18) durch elektrische Anschlüsse wechselweise (14, 16, 18) an einem Ende und wechselweise (15, 17) am anderen Ende des Bandkondensators (B) an einer Spannungsquelle angeschlossen sind.