Известно, что любая автоматическая система регулирования (САР) включает в себя целый набор элементов, в том числе - измерительный, задающий, сравнивающий, эталонный, преобразовательный, усилительный, исполнительный и т.д.

В сложных САР помимо названных элементов и объекта регулирования, применяется элемент внутренней и элемент внешней обратной связи. То есть в классических САР структурная схема, представляющая собой графическое изображение элементов и связей между ними, достаточно сложна и громоздка. Большое число элементов в системе предопределяет ее высокую стоимость, большие массу и габариты, сложность настройки и наладки и т. п.

Задача минимизации числа элементов САР давно занимала умы исследователей. Для ее решения были задействованы всевозможные приемы, способы и средства. Ниже пойдет речь об одном из таких способов, позволяющем свести к одному элементу целую систему автоматического регулирования.

Рассмотрим систему, снабженную внешним сердечником тороидальной формы с пазами, в которых уложена первичная трехфазная обмотка, и соответствующим ему внутренним сердечником с пазами, в которых размещена вторичная трехфазная обмотка. Для простоты описания обозначим указанную конструкцию как состоящую из двух статоров электрических машин переменного тока, причем внешний сердечник совпадает по форме со статором полностью, а внутренний сердечник - это тот же статор, но обращенной формы. Обращенная форма статора отличается от обычной тем, что штамп листов сердечника начинается с пазов, а не с ярма. Другими словами - обращенный статор подобен по конструкции ротору электрического двигателя переменного тока.

Совокупность двух указанных статоров при их соединении тугой посадкой можно для простоты назвать тороидальным пазовым трансформатором (ТПТ).

Выбор способа соединения сердечников ТПТ зависит от ряда факторов. При большом воздушном зазоре между сердечниками следует ожидать большого значения тока холостого хода, а это означает, что ТПТ будет иметь низкий КПД. При малом воздушном зазоре между внешним и внутренним сердечниками ток холостого хода будет небольшим, однако во вторичной обмотке данного трансформатора следует ожидать высших гармоник из-за насыщения стали внутреннего сердечника. Поэтому выбор зазора между сердечниками зависит от технологических соображений.

Принцип действия ТПТ в трехфазных первичной и вторичной обмотках основан на использовании эффекта вращающегося магнитного поля при условии, что конструкция трансформатора позволяет реализовать три принципа образования поля.

Сущность первого принципа заключается в том, что фазы первичной обмотки размещаются в пространстве под углом 120 градусов по отношению друг к другу (при изготовлении трансформатора).

Второй принцип предопределяет необходимость подключения первичной обмотки к источнику трехфазного переменного напряжения, что обеспечивает протекание токов по фазам первичной обмотки, сдвинутым относительно друг друга на те же 120 градусов, но во времени. Реализация этого принципа полностью определяется схемой электроснабжения.

Третий принцип диктует непременную симметричность трехфазной системы напряжений на вторичной обмотке ТПТ, т. к. она зависит от равенства намагничивающихся сил фаз первичной обмотки.

Выполнение перечисленных принципов позволяет обеспечить в ТПТ нужный вид преобразования электрической энергии с требуемым значением качества электрической энергии.

Если вторичную обмотку выполнить из n-трехфазных обмоток, то ТНТ будет выполнять функции преобразовательного трансформатора, используемого в выпрямительных устройствах, и его можно назвать преобразователем числа фаз (ПЧФ). Использование ПЧФ позволит получить коэффициент пульсации выпрямленного напряжения сколь угодно малым без применения громоздких фильтров.

Если вторичную трехфазную обмотку выполнить фильтрующей, у которой обмоточный коэффициент отличается принципом распределения витков по пазам, особенностями укорочения шага и скоса пазов, то выходное напряжение ТПТ будет иметь квазисинусоидальную форму, а рассматриваемый трансформатор можно назвать преобразователем формы кривой (ПФК). Применение ПФК в трехфазных инверторах позволит решить вопрос фильтрации высших гармоник в выходном напряжении при любой форме входного напряжения.

Теперь представим, что внутренний сердечник ТПТ имеет сечение электромеханической стали меньше расчетного. Это обстоятельство приведет к тому, что при неизменных или варьируемых в первичной обмотке параметрах электроэнергии параметры электроэнергии во вторичной обмотке ТПТ будут неизменными, т. к. внутренний сердечник трансформатора окажется в зоне полного насыщения.

Учитывая, что магнитная индукция связана с магнитным потоком, который определяет величину ЭДС, то можно считать, что в рассмотренном тороидальном пазовом трансформаторе осуществляется автоматическое регулирование напряжения. И выполняется оно только одним элементом, который реализует функции всех элементов САР и является, по сути, объектом регулирования.

Испытания действующих макетов ТПТ, изготовленных в экспериментальном цехе ОАО «ЧЭАЗ», подтвердили приведенные теоретические положения.

В ТПТ вредное явление «насыщения» направлено на получение максимальной выгоды (позволяет сократить число элементов САР при регулировании напряжения). Если магнитную систему - статор и ротор трехфазного асинхронного двигателя - выполнить по типу ТПТ, то можно получить электромеханический преобразователь энергии со стабильной частотой вращения вала, что позволит освободиться от громоздких и дорогих регуляторов скорости в любых промышленных механизмах. Учитывая тот факт, что более 70% всей вырабатываемой в стране электроэнергии перерабатывается в механическую энергию, эффект от применения описанных устройств может быть весьма значительным.

Способ минимизации числа элементов САР защищен рядом документов: патентами РФ №803028 «Трансформатор для преобразования постоянного тока в трехфазный переменный ток», №828311 «Преобразователь числа фаз» и №2192065 «Трансформатор инвертора» (авторы - Н. П. Кириллов и др.); патентом РФ №1163319 «Феррорезонансный стабилизатор» (Н. П. Кириллов, Л. Г. Хилько); патентом на полезную модель №29623 «Электромеханический преобразователь энергии со стабильной частотой вращения вала» (Н. П. Кириллов, С. Л. Рудницкий); а также свидетельствами на полезную модель №22833 «Феррорезонансный стабилизатор» (В. В. Березов), №25660 «Преобразователь напряжения» (И. К. Пухов) и №26707 «Выпрямительное устройство» (Н. П. Кириллов и др.).