Как найти эдс в трансформаторе - AvtoShod.ru - решение различных проблем

Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказывал об устройстве трансформатора и его работе. Также я указывал, что для анализа трансформатора используют эквивалентные схемы, содержащие основные параметры трансформатора и позволяющие оценить его характеристики в различных режимах. В процессе своей работы трансформатор может находиться в трёх основных режимах: режим холостого хода, режим короткого замыкания и номинальный режим.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Для рассмотрения работы трансформатора в различных режимах мы будем использовать схему замещения трансформатора.

Рабочий процесс трансформатора

Процесс работы трансформатора рассмотрим на основе эквивалентной схемы замещения из предыдущей статьи

Эквивалентная схема замещения трансформатора.

При наличии нагрузки Z_H на выводах вторичной обмотки 3-4 и напряжении U₁ на выводах первичной обмотки 1-2 в магнитопроводе трансформатора создается магнитный поток, который индуцирует в обмотках ЭДС: в первичной – Е₁, а во вторичной – Е₂. В результате приложенное напряжение в первичной обмотке U₁ уравновешивается ЭДС Е₁ и падением напряжения на активном сопротивлении обмотки R₁ и реактивном сопротивлении L_s₁ индуктивности рассеяния. Аналогичным образом происходит уравновешивание напряжения и во вторичной обмотке трансформатора.

Определение основных параметров трансформатора: напряжения U₁ и U₁, ЭДС Е₁ и Е₂, потери в обмотках и в магнитопроводе происходит при рассмотрении режимов работы трансформатора, а определение их реальных значений – из опытов холостого хода и короткого замыкания.

От чего зависит ЭДС в обмотках трансформатора?

В прошлой статье я указал, что мгновенное значение ЭДС в обмотке трансформатора определяется числом витков ω провода в ней и скоростью изменения магнитного потока dΦ/dt

где ω – число витков обмотки трансформатора,

dФ_В/dt – скорость изменения магнитного потока.

Однако в большинстве случаев нам интересно не мгновенное значение ЭДС, а действующее. Поэтому выведем выражение, определяющее действующее значение ЭДС в обмотках трансформатора. Это можно сделать аналитически проинтегрировав функцию изменения магнитного потока dΦ/dt, либо же путем нахождения среднего значения ЭДС E_cp и коэффициента формы ЭДС k_ф. Я буду выводить выражение вторым способом.

Магнитный поток протекая в сердечнике трансформатора изменяется в соответствии с некоторой периодичной функцией имеет два амплитудных значения максимальное +Ф_m и минимальное –Ф_m, тогда полное изменение магнитного потока за полупериод Т/2 будет иметь значение

Тогда среднее значение ЭДС Е_ср в обмотке трансформатора будет иметь вид

где ω – число витков обмотки трансформатора,

Т/2 – полупериод изменения функции магнитного потока,

f – частота изменения магнитного потока,

Ф_m – амплитуда магнитного потока.

Действующее значение ЭДС и её среднее значение связывает коэффициент формы кривой ЭДС k_ф, тогда действующее значение ЭДС в обмотке трансформатора будет определяться следующим выражением

где k_ф – коэффициент формы ЭДС,

f – частота изменения ЭДС,

ω – число витков обмотки трансформатора,

B – магнитная индукция в сердечнике,

S_c – площадь сечения сердечника трансформатора.

Приведём примеры действующего значение ЭДС для синусоидального, прямоугольного (меандр) и треугольного изменения

Из вышесказанного следует, что при условии постоянства электромагнитной индукции B, ЭДС пропорциональна конструктивным параметрам трансформатора сечению магнитопровода S_c и количеству витков ω. Правильный выбор величины электромагнитной индукции В является одной из ключевых задач при проектировании трансформатора. Кроме того, с ростом частоты f увеличивается ЭДС, поэтому для реализации одинаковой ЭДС с ростом частоты требуются меньшие размеры и вес трансформатора. Данный фактор является основным преимуществом трансформаторов высокой частоты, которые чаще всего применяются в настоящее время.

Режим холостого хода

Данный режим характеризуется отсутствием нагрузки во вторичной обмотке или же бесконечно большой величиной сопротивления Z_H = ∞, то есть разомкнутая цепь вторичной обмотки.

Тогда ток во вторичной обмотке будет равен нулю I₂= 0. Тогда в соответствии с первым законом Кирхгофа (закон баланса токов) получим

где I₁ – ток в первичной обмотке трансформатора,

I₀ – ток намагничивания магнитопровода,

I’₂ – приведённый ток вторичной обмотки трансформатора.

Возникновение тока намагничивания I₀ связанно с потерями энергии: на создание основного магнитного потока, замыкающегося через магнитопровод (мощность намагничивания P_L) и потери мощности в сердечнике Р_А, а так же вследствие потерь в первичной обмотке магнитопровода от протекания тока намагничивания. Так как трансформатор в режиме холостого хода не создает тока во вторичной обмотке I₂ = 0, то такой ток называют током холостого хода.

Очевидно, что ток холостого хода имеет активную I_a и реактивную I_L составляющие, которые определяются следующими выражениями

где Е₁ – ЭДС самоиндукции, возникающая в первичной обмотке,

R_C – сопротивление активных потерь в сердечнике,

L_C – сопротивление реактивных потерь в сердечнике.

Так как сопротивления R_C и L_C имеют нелинейных характер, то в инженерных расчётах пользуются графическими зависимостями параметров сердечников, в первую очередь кривой намагничивания материала магнитопровода (зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н Dynamic magnetization curves). Кроме того необходимо знать геометрические параметры используемого сердечника: эквивалентную площадь сечение S_e(A_e), эквивалентную длину магнитной силовой линии l_e и эквивалентный объем сердечника V_e. Кроме того для нахождения потерь мощности в сердечнике Р_А необходимо воспользоваться графической зависимостью магнитных потерь в сердечнике (Relative core losses) от различных факторов: индукции B, температуры T и частоты f.

Как определить ток холостого хода трансформатора?

Вычисление тока холостого хода трансформатора может происходить следующим образом:

Определяем величину магнитной индукции в сердечнике трансформатора, допуская тот факт, что значение ЭДС Е₁ в первичной обмотке очень близко по значению с приложенным к ней напряжением U₁

где k_ф – коэффициент формы ЭДС,

f – частота изменения ЭДС,

ω – число витков обмотки трансформатора,

S_c – площадь сечения сердечника трансформатора.
По кривой намагничивания материала сердечника определяем напряженность Н магнитного поля в магнитопроводе.
Определяем реактивную I_L составляющую тока холостого хода
Находим мощность активных потерь Р_А в сердечнике трансформатора по графическим зависимостям мощности удельных объёмных потерь P_V от индукции в сердечнике B и значению эффективного объема сердечника V_e.
Определяем активную составляющую I_a тока холостого хода
Определяем ток холостого хода

Полученное токам образом значение тока холостого хода практически не отличается от реальной величины тока, протекающего в первичной обмотке при работе трансформатора в режиме холостого хода.

Опыт холостого хода

После изготовления трансформатора необходимо провести ряд испытаний, одним из которых является опытом холостого хода. Данное испытание трансформатора проводится при разомкнутой вторичной обмотке и подачей номинального напряжения на первичную обмотку. По результатам проведения опыта холостого хода определяют коэффициент трансформации и мощность потерь в магнитопроводе.

Для проведения опыта холостого хода собирают схему изображенную ниже

Схема опыта холостого хода.

Как видно на схеме к первичной обмотке трансформатора необходимо подключить вольтметр PV1, амперметр РА1 и ваттметр PW1, а к вторичной обмотке – вольтметр PV2.

Для снятия характеристик холостого хода трансформатора на его первичную обмотку подают номинальное напряжение = U_H, которое можно изменять при необходимости снятия динамических характеристик примерно от 30% до 110% U_H. После подачи напряжения в первичную обмотку снимают показания по приборам: ток холостого хода I_ХХ, мощность холостого хода Р_ХХ, напряжение на вторичной обмотке U₂ трансформатора.

По результатам проведения опыта холостого хода можно определить следующие параметры:

— процентное отношение тока холостого тока I_XX_%

где I_H – номинальное значение тока в первичной обмотке трансформатора.

— коэффициент трансформации трансформатора k

где U₁ и U₂ – напряжения, снимаемые с вольтметров PV1 и PV2, соответственно.

— активное сопротивление намагничивающего контура R_C

где Р_ХХ – мощность, снимаемая с ваттметра PW1.

— полное сопротивление намагничивающего контура Z_C

— реактивное сопротивление намагничивающего контура Х_С

— коэффициент мощности холостого хода cos φ_XX

При проведении опыта холостого хода следует отметить, что в начальный момент подачи напряжения возникает недопустимо большой ток в разы превышающий номинальный, а так как ток холостого хода составляет 3 – 10 % от номинального тока, то пусковой ток превышает ток холостого тока в десятки раз. Поэтому в начальный момент необходимо замкнуть выводы амперметра РА1.

Кроме опыта холостого хода для испытания трансформатора проводят опыт короткого замыкания, о котором я расскажу в следующей статье.

Источник

Основная формула трансформаторной ЭДС

Возьмем катушку с ферромагнитным сердечником и вынесем отдельным элементом омическое сопротивление обмотки как это показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Катушка индуктивности с ферромагнитным сердечником

При подаче переменного напряжения e_c в катушке, cогласно закону электромагнитной индукции, возникает ЭДС самоиндукции е_L.

(1)

Потоком рассеяния пренебрегаем. Приложенное к катушке напряжение и наведённая ЭДС уравновешиваются. По второму закону Кирхгофа для входной цепи можно записать:

где R_обм — активное сопротивление обмотки.

Поскольку , то падением напряжения на омическом сопротивлении пренебрегаем, тогда . Если напряжение сети гармоническое, , то:

(3)

Найдем из этой формулы магнитный поток. Для этого перенесем количество витков в обмотке в левую часть, а магнитный поток Ф в правую:

(4)

Теперь возьмем неопределённый интеграл от правой и левой частей:

(5)

Так как магнитопровод считаем линейным, то в цепи протекает только гармонический ток и нет постоянного магнита или постоянной составляющей магнитного потока, то постоянная интегрирования . Тогда дробь перед синусом является амплитудой магнитного потока

(6)

откуда выразим амплитуду входной ЭДС

Его действующее значение равно

(8)

(9)

Выражение (9) называют основной формулой трансформаторной ЭДС, которая справедлива только для гармонического напряжения. При негармоническом напряжении её видоизменяют и вводят так называемый коэффициент формы, равный отношению действующего значения к среднему:

(10)

Найдем коэффициент формы для гармонического сигнала, при этом среднее значение находим на интервале от 0 до π/2

(11)

Тогда коэффициент формы равен и основная формула трансформаторной ЭДС принимает окончательный вид:

(12)

Если сигнал является последовательностью прямоугольных импульсов одинаковой длительности (меандр), то амплитудное, действующее и среднее значения за половину периода равны между собой и его . Можно найти коэффициент формы и для других сигналов. Основная формула трансформаторной ЭДС будет справедлива.

Построим векторную диаграмму катушки с ферромагнитным сердечником. При синусоидальном напряжении на зажимах катушки её магнитный поток тоже синусоидальный и отстаёт по фазе от напряжения на угол π/2 как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Векторная диаграмма катушки с магнитным сердечником без потерь

В катушке без потерь намагничивающий ток — реактивный ток (I_p) совпадает по фазе с магнитным потоком Ф_m. Если в сердечнике есть потери (), то угол — это угол потерь на перемагничивание сердечника. Активная составляющая тока I_а характеризует потери в магнитопроводе.

Рисунок 3. Векторная диаграмма катушки с магнитным сердечником с потерями

Понравился материал? Поделись с друзьями!

Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
Катушка с ферромагнитным сердечником
Гун Валентина Сергеевна Модуль 4. Магнитные и нелинейные цепи

Вместе со статьей «Основная формула трансформаторной ЭДС» читают:

Уравнение трансформаторной эдс в трансформаторе

Воропаев Е.Г.
Электротехника

гл.4 Трансформаторы

4.1.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Oпределение: Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования системы переменного тока одних параметров в систему переменного тока с другими параметрами.

Известно, что передача электроэнергии на дальние расстояния осуществляется на высоком напряжении (220, 400, 500 кВ и более), благодаря чему значительно уменьшаются потери энергии в линии (рис. 4.1.1).
Получить такое высокое напряжение непосредственно в генераторе невозможно, поэтому в начале линии электропередачи устанавливают повышающие трансформаторы, а в конце линии устанавливают понижающие трансформаторы.
Таким образом, переменный ток по пути от электростанции до потребителя подвергается трех-, а иногда и четырехкратному трансформированию.
В зависимости от назначения трансформаторы разделяются на силовые и специальные.
Силовые трансформаторы используются в линиях электропередачи и распределения электроэнергии.
К специальным трансформаторам относятся: печные, выпрямительные, сварочные, автотрансформаторы, измерительные, трансформаторы для преобразования частоты и т.д.
Трансформаторы разделяются на однофазные и многофазные , из которых наибольшее применение имеют трехфазные.
Кроме того, трансформаторы могут быть двухобмоточными (если они имеют по две обмотки) или многообмоточными (если они имеют более двух обмоток). В зависимости от способа охлаждения трансформаторы разделяются на масляные и сухие .

4.2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И КОНСТРУКЦИИ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Простейший трансформатор состоит из магнитопровода и двух расположенных на нем обмоток. Обмотки электрически не связаны друг с другом. Одна из обмоток — первичная , подключена к источнику переменного тока. К другой обмотке — вторичной подключают потребитель.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток I₁, который создает в магнитопроводе переменный магнито-поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток пронизывает обе обмотки, индуктируя в них ЭДС:

Из этих формул следует, что вычисленные ЭДС е₁ и е₂ могут отличаться друг от друга числами витков в обмотках. Применяя обмотки с различным соотношением витков, можно изготовить трансформатор на любое отношение напряжений.
При подключении ко вторичной обмотке нагрузки z_н в цепи потечет ток I₂ и на выводах вторичной обмотки установится напряжение U₂.
Обмотка трансформатора, подключенная к сети c более высоким напряжением, называется обмоткой высшего напряжения (ВН); обмотка, присоединенная к сети меньшего напряжения, называется обмоткой низшего напряжения (НН).
Трансформаторы — обратимые аппараты, т.е. могут работать как повышающими, так и понижающими.
Основными частями трансформатора являются его магнитопровод и обмотки. Магнитопровод выполняется из тонких листов электротехнической стали. Перед cборкой листы изолируются друг от друга лаком или окалиной. Это дает возможность в значительной мере ослабить в нем вихревые токи и уменьшить потери на перемагничивание.
Трансформаторы бывают стержневыми и броневыми . Наиболее широкое распространение получили стержневые трансформаторы.
Трансформаторы броневого типа имеют разветвленный магнитопровод с одним стержнем и ярмами, частично прикрывающими (бронирующими) обмотки.
В трехфазном трансформаторе применяют трехстержневой магнитопровод, который похож на броневой, но обмотки на нем расположены на всех трех стержнях.

По способу сочленения стержней с ярмами различают шихтованные магнитопроводы и стыковые. В работе удобнее шихтованные магнитопроводы, т.к. воздушный зазор в местах сочленения у них меньше и они прочнее.
Форма поперечного сечения стержней зависит от мощности трансформатора: в небольших — это прямоугольник, а в средних и крупных — ступенчатое сечение.

Обмотки трансформаторов выполняют из медных проводов круглого и прямоугольного сечения, изолированных хлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой.
По взаимному расположению обмоток ВН и НН и по способу их размещения на стержнях различают обмотки концентрические и дисковые.

В масляных трансформаторах магнитопровод с обмотками помещается в бак, заполненный маслом, которое отбирает от них тепло, передавая его стенкам бака. Кроме того, электрическая прочность масла выше, чем у воздуха, что обеспечивает более надежную работу высоковольтных трансформаторов.
Для увеличения охлаждающей поверхности применяются трубчатые баки.
При нагревании масло расширяется. Излишек его попадает из общего бака в бак-расширитель, установленный на крышке трансформатора.
Для предотвращения аварии у трансформаторов напряжением 1000 кВ и выше на расширителе устраивают выхлопную трубу, закрытую мембраной — стеклянной пластиной. При образовании в баке большого количества газов мембрана выдавливается, и газы выходят наружу.

4.3. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТРАНСФОРМАТОРЕ.
УРАВНЕНИЕ ЭДС

Как видно из рис. 4.2.1, основной магнитный поток Ф, действующий в магнито-проводе трансформатора, сцепляется с витками обмоток и наводит в них ЭДС:

Предположим, что магнитный поток Ф является синусоидальной функцией, т.е.

Подставим это значение в выражения для ЭДС и, произведя дифференцирование, получим:

где

Из последних формул видно, что ЭДС е₁ и е₂ отстают по фазе от потока Ф на угол p /2.

Максимальное значение ЭДС:

Переходя к действующим значениям, имеем

Если Ф_mах выражено в максвеллах, а Е в вольтах, то

Отношение ЭДС обмотки высшего напряжения к ЭДС обмотки низшего напряжения называется коэффициентом трансформации.

Подставив вместо ЭДС Е₁ и Е₂ их значения, получим:

Токи I₁ и I₂, протекающие по обмоткам трансформатора, помимо основного потока Ф создают магнитные потоки рассеяния Ф_Р1 и Ф_Р2 (рис. 4.2.1). Каждый из этих потоков сцепляется только с витками собственной обмотки и индуктирует в них реактивные ЭДС рассеяния Е_Р1 и Е_Р2. Величины этих ЭДС прямо пропорциональны возбуждающим их токам:

где x₁ и x₂ — индуктивные сопротивления рассеяния обмоток.
Кроме этого, в каждой обмотке трансформатора имеет место активное падение напряжения, которое компенсируется своей ЭДС:

Рассмотрим действие изученных выше ЭДС в обмотках трансформатора.
В первичной обмотке Е₁ представляет собой ЭДС самоиндукции, а поэтому она направлена против первичного напряжения u₁. В связи с этим уравнение ЭДС для первичной обмотки имеет вид:

Величины j I₁ x₁ и I₁ r₁ представляют собой падение напряжений в первичной обмотке трансформатора. Обычно j I₁ x₁ и I₁ r₁ невелики, а поэтому, с некоторым приближением, можно считать, что подведенное к трансформатору напряжение u₁ уравновешивается ЭДС Е₁:

Во вторичной обмотке Е₂ выполняет роль источника тока, поэтому уравнение ЭДС для вторичной обмотки имеет вид:

где j I₂ x₂ и I₂ r₂ — падение напряжения во вторичной обмотке.
При холостом ходе трансформатора первичная обмотка включена на напряжение u₁, а вторичная разомкнута (I₂ = 0).
При этих условиях в трансформаторе действует только одна намагничивающая сила первичной обмотки I₁₀ w₁, созданная током I₁₀, которая наводит в магнитопроводе трансформатора основной магнитный поток:

где Rм — магнитное сопротивление магнитопровода потоку.
При подключении к вторичной обмотке нагрузки ZН в ней возникает ток I₂. При этом ток в первичной обмотке увеличивается до значения I₁.
Теперь поток Ф создается действием двух намагничивающих сил I₁ w₁ и I₂ w₂.

видно, что основной поток Ф0 не зависит от нагрузки трансформатора, при неизменом напряжении u₁. Этот вывод дает право приравнять:

Разделим обе части уравнения на w₁, получим:

где — вторичный ток, приведенный к числу витков первичной обмотки.
Перепишем уравнение

из которого следует, что ток I₁ имеет две составляющие: одна из них (I₁₀) затрачивается на создание основного потока в магнитопроводе, а другая (- I₂‘) компенсирует размагничивающее действие вторичного тока.
Любое изменение тока во вторичной цепи трансформатора всегда сопровождается соответствующим изменением первичного тока. В итоге величина потока Ф (а, следовательно, и ЭДС Е₁) остаются практически неизменными.
Вследствие перемагничивания стали в магнитопроводе трансформатора возникают потери энергии от гистерезиса и вихревых токов. Мощность этих потерь эквивалентна активной составляющей тока I₁₀. Следовательно, ток I₁₀ наряду с реактивной составляющей Iоp, идущей на создание основного потока Ф, имеет еще и активную составляющую Iоа. В итоге:

На рис. 4.4.1 приведена векторная диаграмма трансформатора в режиме холостого хода.
Обычно ток Iоа не превышает 10% от тока Io, поэтому незначительно влияет на величину I₁₀. Обычно он равен (0,02 0,1) I₁, поэтому при нагрузке I₁₀ принимаем равным нулю, и тогда:

т. е. отношение токов обратно пропорционально числам витков обмоток.

Заключая разделы 4.3 и 4.4, перепишем вместе уравнения ЭДС и токов трансформатора:

Эти уравнения получили название основных уравнений, на которых базируется теория трансформатора и общая теория электрических машин переменного тока.

4.5.ПРИВЕДЕННЫЙ ТРАНСФОРМАТОР

В общем случае параметры первичной обмотки трансформатора отличаются от параметров вторичной обмотки. Разница наиболее ощутима при больших коэффициентах трансформации, что затрудняет расчеты и (особенно) построение векторных диаграмм. Векторы электрических величин, относящиеся к первичной обмотке, значительно отличаются по своей длине от одноименных векторов вторичной обмотки. Затруднения можно устранить, если привести все параметры трансформатора к одинаковому числу витков, например, к w₁. С этой целью параметры вторичной обмотки пересчитываются на число витков w₁.
Таким образом, вместо реального трансформатора с коэффициентом трансформации получают эквивалентный трансформатор с
Такой трансформатор называется приведенным. Приведение параметров трансформатора не должно отразиться на его энергетическою процессе, т.е. все мощности и фазы вторичной обмотки должны остаться такими же, что и в реальном трансформаторе.
Так, например, если полная мощность вторичной обмотки реального трансформатора то она должна быть равна полной мощности вторичной обмотки приведенного трансформатора:

Используя ранее полученное выражение I ₂ ‘ = I₂ w₂/w₁, напишем выражение для E₂ ‘ :

Приравняем теперь активные мощности вторичной обмотки:

Определим приведенное активное сопротивление:

Уравнения ЭДС и токов для приведенного трансформатора теперь будут иметь вид:

4.6.ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ТРАНСФОРМАТОРА

Одним из методических приемов, облегчающих исследование электромагнитных процессов и расчет трансформаторов, является замена реального трансформатора с магнитными связями между обмотками эквивалентной электрической схемой (рис. 4.6.1).

На этом рисунке представлена эквивалентная схема приведенного трансформатора, на которой сопротивления г и х условно вынесены из соответствующих обмоток и включены с ними последовательно. Т.к. k = 1, то E₁ = E₂. Поэтому точки А и а, а также Х и х на приведенном трансформаторе имеют одинаковые потенциалы, что позволит электрически соединить эти точки, получив Т-образную эквивалентную схему замещения (рис. 4.6.2).

Произведя математическое описание этой схемы методами Кирхгофа, можно сделать вывод о том, что она полностью соответствует уравнениям ЭДС и токов реального трансформатора (см. раздел 4.5). Отсюда появляется возможность электрического моделирования трансформатора на ЭВМ. Проводя исследования относительно нагрузки z₂ ‘ (единственного переменного параметра схемы), можно прогнозировать реальные ха-рактеристики трансформатора, начиная от холостого хода (z₂ ‘ = ) и кончая коротким замыканием (z₂ ‘ = 0).

4.7. ВЕКТОРНАЯ ДИАГРАММА ТРАНСФОРМАТОРОВ

Построение векторной диаграммы удобнее начинать с вектора основного потока Ф. Отложим его по оси абсцисс. Вектор I₁₀ опережает его на угол a . Далее строим векторы ЭДС Е₁ и Е₂ ‘ , которые отстают от потока Ф на 90°. Для определения угла сдвига фаз между E₂ ‘ и I₂‘ следует знать характер нагрузки. Предположим, она — активно-индуктивная. Тогда I₂‘ отстает от E2’ на угол f ₂.
Получилась так называемая заготовка векторной диаграммы (рис. 4.7.1.). Для того чтобы достроить ее, необходимо воспользоваться тремя основными уравнениями приведенного трансформатора.

Воспользуемся вторым основным уравнением:

и произведем сложение векторов.
Для этого к концу вектора E₂ ‘ пристроим вектор — j I₂‘ x₂ ‘ , а к его концу — вектор — I₂ ‘ r₂ ‘ . Результирующим вектором U₂ ‘ будет вектор, соединяющий начало координат с концом последнего вектора.
Теперь используем третье основное уравнение

из которого видно, что вектор тока I₁ состоит из геометрической суммы векторов I₁₀ и — I₂‘. Произведем это суммирование и достроим векторную диаграмму.
Теперь вернемся к первому основному уравнению:

Чтобы построить вектор — Е₁ , нужно взять вектор +Е₁ и направить его в противоположную сторону.
Теперь можно складывать с ним и другие векторы: + j I₁ x₁ и I₁ r₁ . Первый будет идти перпендикулярно току, а второй — параллельно ему. В результате получим суммарный вектор u₁.
Построенная векторная диаграмма имеет общий характер. По этой же методике можно осуществить ее построение как для различных режимов, так и для разных характеров нагрузки.

4.8.ПОТЕРИ И КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ

В работающем трансформаторе всегда имеются как магнитные, так и электрические потери. Магнитные потери слагаются из потерь на вихревые токи и гистерезис.

Величина этих потерь зависит от напряжения u₁ и магнитной индукции В. Можно считать, что при U₁ = const, р_он= В 2 . Они не зависят от нагрузки, т.е. являются постоянными. Электрические потери в обмотках, наоборот, переменные, т.е.:

где р_кн — соответствует потерям при коротком замыкании трансформатора.
Если известны потери короткого замыкания при номинальной нагрузке, то электрические потери можно определить по формуле:

где — коэффициент загрузки трансформатора.
Общие потери в трансформаторе:

КПД представляет собой отношение активной мощности Р2, отбираемой от трансформатора, к активной модности Р1, подводимой к трансформатору:

Мощность Р₂ подсчитывается по формуле:

где — номинальная мощность, кВт.

Мощность

тогда КПД трансформатора

Как видно из последней формулы, величина К.П.Д. зависит от загрузки трансформатора. Кроме того, К.П.Д. тем больше, чем выше cos f ₂. Максимальный КПД соответствует такой загрузке, при которой магнитные потери равны электрическим потерям:

Отсюда значение коэффициента загрузки, соответствующее максимальному К.П.Д., равно:

Обычно К.П.Д. имеет максимальное значение при b = 0,5 — 0,6. Тогда
h = 0,98 — 0,99.

4.9.ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

4.9.1. Общие положения

Для трансформирования энергии в трехфазных системах используют либо группу из трех однофазных трансформаторов, у которых первичные и вторичные обмотки соединяются звездой или треугольником, либо один трехфазный трансформатор с общим магнитопроводом.
Трехфазные трансформаторы могут иметь различные схемы соединения первичных и вторичных обмоток. Все начала первичных обмоток трансформатора обозначают большими буквами: А, В, С; начала вторичных обмоток — малыми буквами: а, Ь, с.
Концы обмоток обозначаются соответственно: X, У, Z и х, у, z.
Зажим выведенной нулевой точки при соединении звездой обозначают буквой О.
Наибольшее распространение имеют соединения обмоток по схеме «звезда» (Y) и «треугольник» ( D ), причем первичные и вторичные обмотки могут иметь как одинаковые, так и различные схемы. Если при соединении обмоток «звездой» нулевая точка выводится, то такое соединение называют «звезда c нулем» (Yо).
На рис. 4.9.1 приведен трехфазный трансформатор при включении обмоток Y/Y.

4.10.ГРУППЫ СОЕДИНЕНИЯ ОБМОТОК

До сих пор мы считали, что при построении векторной диаграммы ЭДС Е₁ и Е₂ совпадают по фазе. Но это соответствует действительности лишь при условии намотки первичной и вторичной обмоток в одном направлении, или одноименной маркировки их выводов (рис. 4.10.1, а).

Если же в трансформаторе изменить направление намотки обмоток иди же переставить обозначение их выводов, то вектор ЭДС Е₂ окажется сдвинутым относительно вектора Е₁ на 180° (рис. 4.10.1, б).
Сдвиг фаз между ЭДС Е₁ и Е₂ принято выражать группой соединений. Так как этот сдвиг фаз может изменяться от 0 до 360°, а кратность сдвига обычно составляет 30°, то для обозначения групп соединения выбирается ряд чисел от 1 до 12, в котором каждая единица соответствует углу сдвига 30°.
В основу этого положено сравнение относительного положения векторов Е₁ и Е₂ с положением минутной и часовой стрелок часов. Вектор обмотки В.Н. считается минутной стрелкой, установленной на цифре 12, а вектор Н.Н. — часовой стрелкой. По положению часовой стрелки относительно минутной определяют положение вектора ЭДС обмотки Н.Н. относительно обмотки В.Н. Так, на рис. 4.10.1, а соединение имеет группу 12, а на рис. 4.10.1, б — группу 6.
Таким образом, в однофазном трансформаторе имеется только две группы -12 и 6. В 3-х фазном трансформаторе группу соединения определяют по углу сдвига фаз между линейными векторами ЭДС Е₁ и Е₂ .
ГОСТ ограничивает применение только двух групп: Y / Y — 12 и Y / — 11. В качестве примера рассмотрим схему Y / Y — 12 (рис. 4.10.2).

Векторная диаграмма показывает, что сдвиг между E₁ и Е₂ равен нулю или 360°, т.е. (360° / 30° — 12 группа).
Если же поменять начала и концы обмоток Н.Н., то будем иметь группу 6 (рис. 4.10.3).

4.11. ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА ТРАНСФОРМАТОРОВ

При выборе трансформаторов для электроснабжения производственного предприятия часто возникает дилемма: либо установить один мощный трансформатор, либо применить их несколько, в сумме обеспечивающих требуемую мощность.
Второй вариант будет всегда предпочтительней, т.к. режим работы предприятия в течение суток неравномерный и потребляемая мощность будет различной. Например, в ночное время нагрузка будет минимальной, т.к. потребляемая мощность складывается лишь из охранного освещения и нескольких дежурных объектов. Днем, когда работают основные потребители электроэнергии, потребляемая мощность будет максимальной. Какой-то промежуточный режим будет в вечернее время суток. Короче говоря, в работе могут находиться один, два или сразу три трансформатора.
Параллельная работа нескольких трансформаторов связана с тем, что их вторичные обмотки питают общую нагрузку.
Однако не все трансформаторы способны работать параллельно.
Определим условия, при которых возможно включение трансформаторов на параллельную работу. Во-первых, это одинаковые первичные и вторичные напряжения на обмотках. Во-вторых, должны быть одинаковые схемы и группы соединения. Помимо этого, регламентируются напряжения короткого замыкания, указанные в паспорте трансформатора. И, конечно, порядок чередования фаз у параллельно работающих трансформаторов должен быть одинаковым. В качестве примера приведем схему параллельно включенных пяти сварочных трансформаторов, обеспечивающих работу 14 сварочных постов (рис. 4.11.1).

4.12. ТРАНСФОРМАТОРЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

4.12.1. ТРЕХОБМОТОЧНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР

В трех обмоточном трансформаторе имеются три электрически несвязанные друг с другом обмотки, из которых одна является первичной, а две другие — вторичными (рис. 4.12.1).

Первичная обмотка трансформатора является намагничивающей и создает в магнитопроводе магнитный поток, который пронизывает две вторичные обмотки и наводит в них ЭДС Е₂ и Е₃.
Пренебрегая током холостого хода, можно записать уравнение токов трех обмоточного трансформатора

т.е. первичный ток равен геометрической сумме приведенных вторичных токов. Целесообразность применения трехобмоточных трансформаторов объясняется еще и тем, что один трехобмоточный трансформатор фактически заменяет два двухобмоточных.
За номинальную мощность принимается мощность первичной обмотки. По такому же принципу устроены многообмоточные трансформаторы малой мощности, применяемые в радиоустройствах, связи и в автоматике.

4.12.2. АВТОТРАНСФОРМАТОР

В автотрансформаторе (рис. 4.12.2) часть витков в обмотке В.Н. используется в качестве обмотки Н.Н., т.е. в автотрансформаторе имеется всего лишь одна обмотка, часть которой (а Х) принадлежит одновременно сторонам В.Н. и Н.Н.

На участке аХ протекает ток i₁₂ = i₂ — i₁, или переходя к действующим значениям, учитывая, что I₁ и I₂ находятся в противофазе, можно записат

Таким образом, величина тока в общей части обмоток равна разности токов I₁ и I₂.
Если коэффициент трансформации близок к единице, то I₁ и I₂ мало отличаются друг от друга, разность между ними будет также небольшой. Это позволит выполнять часть обмотки аХ проводом меньшего поперечного сечения.
Мощность, передаваемая первичной обмоткой во вторичную цепь автотрансформатора, будет равна:

Учитывая, что , ее можно записать в виде:

Здесь U₂ I₁ = S_Э , есть мощность, поступающая во вторичную цепь электрическим путем, U₂ I₁₂ = S_м — мощность, поступающая во вторичную цепь посредством магнитного потока.
Следовательно, в автотрансформаторе посредством магнитного потока передается только часть мощности, что дает возможность уменьшить поперечное сечение магнитопровода. Магнитные потери при этом также уменьшаются.
При меньшем поперечном сечении магнитопровода уменьшается средняя длина витка обмотки, следовательно, вновь уменьшается расход обмоточной меди и снижаются электрические потери.
Таким образом, автотрансформатор имеет преимущества перед трансформаторами, заключающиеся в меньшем весе, меньших размерах более высоком К.П.Д., меньшей стоимости и. т.д.
Однако эти достоинства имеют значение лишь при коэффициенте трансформации k d , можно плавно менять сварочный ток. Максимальное значение тока будет при d _мах. Для безопасного обслуживания вторичная обмотка сварочного трансформатора заземляется.

4.12.4. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

Эти трансформаторы применяются совместно с измерительными приборами для расширения их пределов измерения (рис. 4.12.4.1).
Измерительный трансформатор напряжения представляет собой понижающий трансформатор с таким отношением витков w₁/w₂, чтобы при U₁ = U_сети; U₂ = 100 В.
Во вторичную цепь включаются вольтметры, частотомеры, обмотки напряжения ваттметров, счетчиков и фазометров. Так как электрическое сопротивление этих приборов велико (порядка 1000 0м), то трансформаторы напряжения работают в режиме, близком к холостому ходу. Такой режим связан с большими магнитными потерями, а это, в свою очередь, приводит к увеличению размеров магнитопровода и устройству специального масляного охлаждения.

Измерительные трансформаторы тока (рис. 4.12.4.1) применяются для включения в сеть амперметров, обмоток тока ваттметров, счетчиков и фазометров.
Первичная обмотка трансформатора тока выполняется из провода большого поперечного сечения и включается в цепь последовательно.
Вторичная обмотка выполняется всегда на ток I₂ = 5А. Рабочий режим трансформатора тока близок к короткому замыканию, поэтому размеры магнитопровода у него значительно меньше, чем у трансформатора напряжения.
Для определения напряжения или тока в цепи необходимо показания приборов умножить на коэффициент трансформации измерительных трансформаторов.
В целях безопасности нельзя оставлять вторичную обмотку трансформатора тока разомкнутой, если первичная включена в сеть. В этом режиме напряжение U₂ возрастает до нескольких тысяч вольт.
Разновидностью измерительного трансформатора тока являются токоизмерительные клещи с разъемным магнитопроводом, где роль первичной обмотки выполняет сам провод, по которому течет измеряемый ток.

4.12.5. ТРАНСФОРМАТОР ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧИСЛА ФАЗ

Для питания различных выпрямителей или для электропечей возникает необходимость в увеличении числа фазных обмоток трансформатора. Так, трехфазная система сети с помощью специального трансформатора может быть преобразована в шестифазную или двенадцатифазную. На рис. 4.12.5.1, а приведена схема шестифазного преобразователя.

Первичная обмотка такого преобразователя соединена «звездой», а вторичная — «двойной звездой». Векторная диаграмма вторичной обмотки преобразователя представляет собой шестизвездную звезду (рис. 4.12.5.1, б).

4.12.6. СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Для стабилизации напряжения в устройствах небольшой мощности (до 5 кВт) применяются электромагнитные стабилизаторы:
1) ферромагнитные насыщенного типа (без емкости), в которых используются явления, основанные на насыщении ферромагнитного сердечника;
2) феррорезонансные (с емкостью), работа которых основана на резонансе токов и напряжений.
Рассмотрим работу феррорезонансного стабилизатора. Он состоит из реактивной катушки 1, сердечник которой при заданном диапазоне напряжений U₁ работает в состоянии магнитного насыщения, конденсатора С и автотрансформатора 2 магнитопровод которого не насыщен (рис. 4. 12.6.1).
Обмотка автотрансформатора включена таким образом, чтобы напряжение на выходе стабилизатора U₂ было равно разности

где U₂ » — напряжение на выходе автотрансформатора;
U₂ ‘ — напряжение на выходах реактивной катушки.

Напряжение U₂ ‘ благодаря явлению феррорезонанса имеет резко нелинейную зависимость от тока I₁ (кривая 1). Напряжение на выходе автотрансформатора U₂ » в виду насыщенного состояния его магнитопровода пропорционально току I₁ (кривая 2).
Если параметры автотрансформатора и реактивной катушки подобраны таким образом, что наклон кривой 1 к оси абсцисс в области магнитного насыщения равен наклону кривой 2, то разность U₂ ‘ — U₂ » = const.
В этом случае напряжение на выходе не зависит от тока I₁ (кривая 3) и, следовательно, от напряжения U₁.

4.12.7. МАГНИТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Магнитный усилитель — это статический аппарат, применяемый в схемах автоматического регулирования.
Работа магнитного усилителя основана на нелинейности характеристики намагничивания магнитопровода (рис. 4.12.7.1).

На крайних стержнях магнитного усилителя находится рабочая обмотка, которая состоит из двух катушек соединенных последовательно. На среднем стержне размещается обмотка управления из большого количества витков. Если ток в нее не подается, а к рабочей обмотке подведено напряжение U₁, то из за малого количества витков W

магнитопровод не насыщается и почти все напряжение сети падает на сопротивление рабочих обмоток Z_Н. На потребителе в этом случае выделяется малая мощность.
Если теперь пропустим по обмотке управления ток I_У, то даже при небольшом его значении (из-за большого W₌), возникает насыщение магнитопровода. В результате сопротивление рабочей обмотки резко уменьшается, а величина тока в цепи — увеличивается.
Таким образом, посредством малых сигналов в обмотке управления можно управлять значительной величиной мощности в рабочей цепи магнитного усилителя.

4.12.8. ТРАНСФОРМАТОР ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ

В школьной практике часто возникает необходимость создания источника переменного тока повышенной частоты.
С помощью трансформаторов легко построить удвоитель или утроитель частоты.
Утроитель частоты состоит из трех однофазных трансформаторов, работающих при сильно насыщенном сердечнике (рис. 4.12.8.1).
Первичные обмотки соединены «звездой», а вторичные — последовательно. Как известно, намагничивающий ток имеет сложную форму кривой и помимо основной гармонической составляющей имеет третью, изменяющуюся с частотой f₃ = 3f₁.
При соединении первичной обмотки «звездой» токи основной гармоники уравно-вешиваются, и под действием третьей гармоники магнитный поток наводит во вторичной обмотке напряжение, изменяющееся с тройной частотой.

ТРАНСФОРМАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ

ТРАНСФОРМАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ, не имеющее подвижных частей электромагнитное устройство, служащее для передачи посредством магнитного поля электрической энергии из одной цепи переменного тока в другую без изменения частоты. Трансформатор может повышать его напряжение (повышающий трансформатор), понижать (например, измерительный трансформатор) или передавать энергию при том же напряжении, при каком он ее получил (разделительный трансформатор). Трансформаторы обладают высоким КПД: от 97% при небольших мощностях до свыше 99% при больших. Они имеют достаточно прочную конструкцию и относительно низкую стоимость на единицу передаваемой мощности.

Трансформатор состоит из магнитопровода, представляющего собой набор пластин, которые обычно изготавливаются из кремнистой стали (рис. 1). На магнитопроводе располагаются две обмотки – первичная P и вторичная S. Для простоты обмотки показаны на разных стержнях магнитопровода. На самом деле при таком расположении обмоток переменный магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой в магнитопроводе, недостаточно эффективно используется для наведения ЭДС во вторичной обмотке. Кроме того, такой трансформатор плохо поддавался бы регулированию. На практике первичные и вторичные обмотки располагают близко друг к другу (рис. 2).

На рис. 1 генератор переменного тока A подает ток I₀ напряжения E₁ на первичную обмотку P. В рассматриваемый момент ток в верхнем проводнике имеет положительное направление и возрастает, так что первичная обмотка создает в магнитопроводе магнитный поток F по часовой стрелке. Этот поток, пронизывающий обе обмотки, называется потоком взаимоиндукции; его изменение индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) как в первичной, так и во вторичной обмотке. ЭДС, индуцированная в первичной обмотке, направлена против тока питания в ней и соответствует противо-ЭДС электродвигателя. ЭДС, индуцированная во вторичной обмотке, соответствует ЭДС электрогенератора и может быть подана на нагрузку.

Величина индуцированной в обмотке трансформатора ЭДС дается формулой E = 4,44 F m fN 10 — 8 В, где F m – максимальное мгновенное значение магнитного потока F в максвеллах, f – частота в герцах и N – число витков. Поскольку поток F m является общим для обеих обмоток, индуцированная в каждой из них ЭДС пропорциональна числу витков в соответствующей обмотке:

В обычном трансформаторе напряжения на зажимах отличаются от индуцированных ЭДС лишь на несколько процентов, так что для большинства практических целей указанные напряжения фактически пропорциональны соответствующим числам витков, V₂ /V₁ = N₂ /N₁.

Ток I₀ в отсутствие нагрузки (ток холостого хода) создает магнитный поток F и вместе с приложенным напряжением является источником потерь в магнитопроводе на гистерезис и вихревые токи. В режиме холостого хода потери I₀ 2 R в меди первичной обмотки ничтожны. Ток холостого хода I₀ составляет обычно от 1 до 2% номинального тока трансформатора, хотя в низкочастотных (25 Гц) трансформаторах он может достигать величины 5 или 6%.

Если на рис. 1 переключатель X вторичной цепи замкнут, в ней течет ток. Согласно правилу Ленца, направление тока во вторичной обмотке таково, что он противодействует потоку F . Когда этот поток уменьшается, противо-ЭДС E₁ первичной обмотки тоже уменьшается и ток в ней становится больше, обеспечивая передачу мощности, которая снимается затем со вторичной обмотки. Противо-ЭДС E₁ отличается от приложенного напряжения V₁ всего на 1–2%. Напряжение V₁ постоянно. Если E₁ постоянна, то поток взаимоиндукции F также постоянен, и, следовательно, постоянна магнитодвижущая сила (число ампер-витков), действующая на магнитопровод. Таким образом, увеличение МДС вторичной обмотки при приложении нагрузки должно уравновешиваться противоположной величиной МДС первичной обмотки. Ток холостого хода мал по сравнению с токами нагрузки и обычно значительно отличается от них по фазе. Пренебрегая им, имеем

Таким образом, в трансформаторе токи практически обратно пропорциональны количеству витков в соответствующих обмотках.

Зависимость напряжения от нагрузки.

На рис. 2 показан поперечный разрез одного плеча трансформатора со связанными первичной и вторичной обмотками P и S, причем первичная охватывает вторичную. Практически всегда имеется некоторая часть потока F , создаваемого первичным током, которая замыкается на одной лишь первичной обмотке P; это первичный поток рассеяния. Аналогично существует вторичный поток рассеяния. Оба эти потока создают реактивное сопротивление рассеяния в соответствующих цепях, что в сочетании с активным сопротивлением уменьшает напряжение на зажимах вторичной обмотки с включенной нагрузкой. На рис. 3 величина V₁ представляет напряжение на зажимах первичной обмотки, а I₁ – ток в ней, запаздывающий по отношению к V₁ на q градусов. Напряжение I₁R₀₁ (находящееся в фазе с I₁) и напряжение I₁X₀₁ (сдвинутое по отношению к I₁ на 90 ° и опережающее его) суммируются векторно с V₁, давая E₁. В результате имеем

Опережающий ток берется со знаком минус. Если коэффициент мощности равен 1, то cos q = 1 и sin q = 0. При этом относительное изменение напряжения на первичной обмотке трансформатора при изменении нагрузки от оптимальной до режима холостого хода определяется отношением

Для вторичной обмотки имеем R₀₂ = R₀₁(N₂ /N₁) 2 и X₀₂ = X₀₁(N₂ /N₁) 2 . Записывая аналогично предыдущему уравнение для Е₂, получим такое же соотношение. Потери на активном и реактивном сопротивлениях трансформатора составляют от одного до трех процентов от напряжения на зажимах (на рис. 3 они показаны в увеличенном масштабе).

КПД преобразования трансформаторов настолько близок к единице, что при прямых измерениях на входе и выходе точность оказывается недостаточной. Более точный метод определения КПД состоит в измерении потерь P_c в магнитопроводе путем измерения мощности одной из обмоток без нагрузки, когда эта обмотка работает при номинальном напряжении. Тогда КПД ( h ) можно получить из формулы

Автотрансформаторы.

Автотрансформатором называют трансформатор, в котором часть обмотки является общей как для первичной, так и для вторичной цепи. При низком коэффициенте трансформации автотрансформатор обеспечивает значительную экономию в стоимости и увеличение КПД по сравнению с обычным двухобмоточным трансформатором.

На рис. 4,а показан автотрансформатор с коэффициентом трансформации 2. Предполагается, что коэффициент мощности равен 1, а потери и ток холостого хода незначительны. Непрерывная обмотка ac на магнитопроводе трансформатора может быть распределена между несколькими катушками на противоположных плечах магнитопровода. Чтобы получить коэффициент трансформации 2, делается отвод b от средней точки обмотки ac, а нагрузка вторичной обмотки подсоединяется между точками b и c. Для преобразования мощности обмотка ab является первичной, а bc – вторичной. Допустим, что ток нагрузки I составляет 20 А при 50 В. Ток 10 А течет от a к b и отсюда к нагрузке dd ў . Мощность, создаваемая током 10 А при падении напряжения 50 В на участке ав, составляет 500 Вт; эта мощность наводит магнитное поле в магнитопроводе, которое проявляется в индуцированном токе I₂ = 10 А при напряжении 50 В между c и b. Таким образом, из суммарной мощности 1000 Вт на нагрузке 500 Вт передаются от a к b по проводам без трансформации, а 500 Вт – в результате трансформации. В обычном двухобмоточном трансформаторе потребовалась бы не только обмотка ac, рассчитанная на 100 В и 10 А, но также вторичная обмотка, рассчитанная на 50 В и 20 А и содержащая то же количество меди. Более того, при одной обмотке нужно меньше железа для магнитопровода (сердечника). Следовательно, в автотрансформаторе с коэффициентом трансформации 2 или 1/2 требуется вдвое меньше, чем в двухобмоточном трансформаторе, материала, да и потери сокращаются примерно наполовину.

На рис. 4,б показан автотрансформатор с первичной обмоткой на 100 В и коэффициентом трансформации 4/3. Нагрузка вторичной обмотки составляет 20 А при 75 В, что соответствует мощности на выходе 1500 Вт. Следовательно, первичный ток должен иметь величину 15 А. Отвод b сделан в точке, соответствующей трем четвертям числа витков от c к a. Ток 15 А течет от a к b и отсюда к нагрузке dd ў . Этот ток при падении напряжения 25 В на ab дает 15 ґ 25 = 375 Вт магнитному полю, которое индуцирует ток между c и b 5 А при 75 В, так что подвергаются трансформации только 375 Вт, а остальные 1125 Вт мощности передаются от 100 В- к 75 В-цепи по проводам. Таким образом, чтобы осуществлять трансформацию всей заданной мощности, для указанного трансформатора достаточно всего одной четвертой от того значения мощности, которое должен иметь соответствующий двухобмоточный трансформатор.

Автотрансформаторы обычно используются для регулирования вторичного напряжения и трансформации с небольшими коэффициентами, такими, как 2 или 1/2. Они используются также для пускателей двигателей, уравнительных катушек и для многих других целей, требующих небольших коэффициентов трансформации.

Измерительные трансформаторы.

При высоких напряжениях трудно проводить измерения, поскольку высоковольтные приборы дороги и обычно громоздки; их точность подвержена воздействию статического электричества, к тому же они небезопасны. Когда ток превышает 60 А, нелегко обеспечить высокую точность амперметров из-за больших проводов и значительных ошибок, обусловленных паразитным полем концевых выводов. Кроме того, амперметры и катушки тока в высоковольтных цепях опасны для оператора. В измерительных трансформаторах тока и напряжения используются катушки напряжения на 100 В и катушки тока на 5 А. Вторичные обмотки должны быть заземлены. Если шкалы приборов не откалиброваны в коэффициентах трансформации, то показания надо умножать на соответствующий коэффициент трансформации.

Васютинский С.Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов. Л., 1970
Фишлер Я.Л., Урманов Р.Н. Преобразовательные трансформаторы. М., 1974
Баршевский Г.Г., Денисов В.В. Магнитные усилители и трансформаторы. Л., 1981

источники:

http://tsput.ru/res/fizika/1/VOROPAEV_2/vorop4.htm

http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/tehnologiya_i_promyshlennost/TRANSFORMATOR_ELEKTRICHESKI.html

Источник

Принцип действия трансформатора
основан на явлении электромагнитной
индукции (взаимоиндукции). Взаимная
индукция состоит в наведении ЭДС в
индуктивной катушке при изменении тока
другой катушке.

Под воздействием переменного
тока в первичной обмотке в магнитопроводе
создается переменный магнитный поток

который пронизывает первичную
и вторичную обмотки и индуктирует в них
ЭДС

где
– амплитудные значения ЭДС.

Действующее значение ЭДС
в обмотках равны

;

Отношение ЭДС обмоток
называется коэффициентом трансформации

Если
,
то вторичная ЭДС меньше первичной и
трансформатор называется понижающим,
при– трансформатор повышающий.

Вопрос 8 . Векторная диаграмма холостого хода идеального трансформатора.

Так как мы рассматриваем
идеальный трансформатор, т.е. без
рассеяния и потерь мощности, то ток х.х.
является чисто намагничивающим –
,
т.е. он создаёт намагничивающую силу,
которая создаёт поток,
где– магнитное сопротивление сердечника,
состоящее из сопротивления стали и
сопротивления в стыках сердечника. Как
амплитуда, так и форма кривой тока
зависят от степени насыщения магнитной
системы. Если поток изменяется
синусоидально, то при ненасыщенной
стали кривая тока холостого хода
практически тоже синусоидальна. Но при
насыщении стали кривая тока всё более
отличается от синусоиды (рис. 2.7.) Кривую
тока х.х. можно разложить на гармоники.
Так как кривая симметрична относительно
оси абсцисс, то ряд содержит гармонические
только нечётного порядка. Первая
гармоника токаi₍₀₁₎
совпадает по фазе с основным потоком.
Из высших гармоник сильнее всего выражена
третья гармоника тока i₍₀₃₎.

Рис 2.7 Кривая тока Х.Х

Действующее значение тока
холостого хода:

.
(2.22)

Здесь I₁_m,
I₃_m,
I₅_m
– амплитуды первой, третьей и пятой
гармоник тока холостого хода.

Так как ток холостого хода
отстаёт от напряжения на 90^,
то активная мощность, потребляемая
идеальным трансформатором из сети, тоже
равна нулю, т.е. идеальный трансформатор
потребляет из сети чисто реактивную
мощность и намагничивающий ток.

Векторная диаграмма
идеального трансформатора представлена
на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Векторная диаграмма идеального
трансформатора

Вопрос 9 Векторная диаграмма холостого хода реального трансформатора.

В реальном трансформаторе
существуют рассеяние, и потери в стали
и в меди. Эти потери покрываются за счёт
мощности Р₀,
поступающей в трансформатор из сети.

где I_0а
– действующее значение активной
составляющей тока холостого хода.

Следовательно, ток холостого
хода реального трансформатора имеет
две оставляющие: намагничивающую –
,
создающую основной потокФ
и совпадающую с ним по фазе, и активную:

Векторная диаграмма реального
трансформатора представлена на рис.
2.9.

Обычно
,
поэтому на величину тока холостого хода
эта составляющая влияет мало, а больше
влияет на форму кривой тока и его фазу.
Кривая тока холостого хода явно
несинусоидальна, и сдвинута во времени
относительно кривой потока на угол,
называемый углом магнитного запаздывания

При замене действительной
кривой тока холостого хода эквивалентной
синусоидой, можно написать уравнение
напряжений в комплексной форме, где все
величины изменяются синусоидально:

,
Учитывая, что ЭДС рассеяния,

Рис. 2.9. Векторная диаграмма
реального трансформатора

Рис. 2.11. Векторная
диаграмма напряжений трансформатора,
режим холостого хода

Соседние файлы в предмете Электрические машины

Источник

Величина индуцированной в обмотке трансформатора ЭДС дается формулой E = 4,44 Fm fN 10^—8 В, где Fm – максимальное мгновенное значение магнитного потока F в максвеллах, f – частота в герцах и N – число витков. Поскольку поток Fm является общим для обеих обмоток, индуцированная в каждой из них ЭДС пропорциональна числу витков в соответствующей обмотке:

E₂/E₁ = N₂/N₁.

Ток I₀ в отсутствие нагрузки (ток холостого хода) создает магнитный поток F и вместе с приложенным напряжением является источником потерь в магнитопроводе на гистерезис и вихревые токи. В режиме холостого хода потери I₀²R в меди первичной обмотки ничтожны. Ток холостого хода I₀ составляет обычно от 1 до 2% номинального тока трансформатора, хотя в низкочастотных (25 Гц) трансформаторах он может достигать величины 5 или 6%.

Если на рис. 1 переключатель X вторичной цепи замкнут, в ней течет ток. Согласно правилу Ленца, направление тока во вторичной обмотке таково, что он противодействует потоку F. Когда этот поток уменьшается, противо-ЭДС E₁ первичной обмотки тоже уменьшается и ток в ней становится больше, обеспечивая передачу мощности, которая снимается затем со вторичной обмотки. Противо-ЭДС E₁ отличается от приложенного напряжения V₁ всего на 1–2%. Напряжение V₁ постоянно. Если E₁ постоянна, то поток взаимоиндукции F также постоянен, и, следовательно, постоянна магнитодвижущая сила (число ампер-витков), действующая на магнитопровод. Таким образом, увеличение МДС вторичной обмотки при приложении нагрузки должно уравновешиваться противоположной величиной МДС первичной обмотки. Ток холостого хода мал по сравнению с токами нагрузки и обычно значительно отличается от них по фазе. Пренебрегая им, имеем

N₂I₂ = N₁I₁ и I₂/I₁ = N₁/N₂.

Зависимость напряжения от нагрузки.

На рис. 2 показан поперечный разрез одного плеча трансформатора со связанными первичной и вторичной обмотками P и S, причем первичная охватывает вторичную. Практически всегда имеется некоторая часть потока F, создаваемого первичным током, которая замыкается на одной лишь первичной обмотке P; это первичный поток рассеяния. Аналогично существует вторичный поток рассеяния. Оба эти потока создают реактивное сопротивление рассеяния в соответствующих цепях, что в сочетании с активным сопротивлением уменьшает напряжение на зажимах вторичной обмотки с включенной нагрузкой. На рис. 3 величина V₁ представляет напряжение на зажимах первичной обмотки, а I₁ – ток в ней, запаздывающий по отношению к V₁ на q градусов. Напряжение I₁R₀₁ (находящееся в фазе с I₁) и напряжение I₁X₀₁ (сдвинутое по отношению к I₁ на 90° и опережающее его) суммируются векторно с V₁, давая E₁. В результате имеем

Опережающий ток берется со знаком минус. Если коэффициент мощности равен 1, то cosq = 1 и sinq = 0. При этом относительное изменение напряжения на первичной обмотке трансформатора при изменении нагрузки от оптимальной до режима холостого хода определяется отношением

Для вторичной обмотки имеем R₀₂ = R₀₁(N₂/N₁)² и X₀₂ = X₀₁(N₂/N₁)². Записывая аналогично предыдущему уравнение для Е₂, получим такое же соотношение. Потери на активном и реактивном сопротивлениях трансформатора составляют от одного до трех процентов от напряжения на зажимах (на рис. 3 они показаны в увеличенном масштабе).

Автотрансформаторы.

На рис. 4,а показан автотрансформатор с коэффициентом трансформации 2. Предполагается, что коэффициент мощности равен 1, а потери и ток холостого хода незначительны. Непрерывная обмотка ac на магнитопроводе трансформатора может быть распределена между несколькими катушками на противоположных плечах магнитопровода. Чтобы получить коэффициент трансформации 2, делается отвод b от средней точки обмотки ac, а нагрузка вторичной обмотки подсоединяется между точками b и c. Для преобразования мощности обмотка ab является первичной, а bc – вторичной. Допустим, что ток нагрузки I составляет 20 А при 50 В. Ток 10 А течет от a к b и отсюда к нагрузке dd ў. Мощность, создаваемая током 10 А при падении напряжения 50 В на участке ав, составляет 500 Вт; эта мощность наводит магнитное поле в магнитопроводе, которое проявляется в индуцированном токе I₂= 10 А при напряжении 50 В между c и b. Таким образом, из суммарной мощности 1000 Вт на нагрузке 500 Вт передаются от a к b по проводам без трансформации, а 500 Вт – в результате трансформации. В обычном двухобмоточном трансформаторе потребовалась бы не только обмотка ac, рассчитанная на 100 В и 10 А, но также вторичная обмотка, рассчитанная на 50 В и 20 А и содержащая то же количество меди. Более того, при одной обмотке нужно меньше железа для магнитопровода (сердечника). Следовательно, в автотрансформаторе с коэффициентом трансформации 2 или 1/2 требуется вдвое меньше, чем в двухобмоточном трансформаторе, материала, да и потери сокращаются примерно наполовину.

На рис. 4,б показан автотрансформатор с первичной обмоткой на 100 В и коэффициентом трансформации 4/3. Нагрузка вторичной обмотки составляет 20 А при 75 В, что соответствует мощности на выходе 1500 Вт. Следовательно, первичный ток должен иметь величину 15 А. Отвод b сделан в точке, соответствующей трем четвертям числа витков от c к a. Ток 15 А течет от a к b и отсюда к нагрузке dd ў. Этот ток при падении напряжения 25 В на ab дает 15ґ25 = 375 Вт магнитному полю, которое индуцирует ток между c и b 5 А при 75 В, так что подвергаются трансформации только 375 Вт, а остальные 1125 Вт мощности передаются от 100 В- к 75 В-цепи по проводам. Таким образом, чтобы осуществлять трансформацию всей заданной мощности, для указанного трансформатора достаточно всего одной четвертой от того значения мощности, которое должен иметь соответствующий двухобмоточный трансформатор.

Измерительные трансформаторы.

Источник

1. Трансформаторы

3. Неуправляемые выпрямители

4. Управляемые выпрямители

6. Стабилизаторы в цепи постоянного тока

8. Инверторы напряжения

9. Корректор коэффициента мощности

10. Аккумуляторы (кислотные)

11. Промышленные выпрямительные устройства

12. Принципиальная схема двухтактного преобразователя постоянного напряжения на базе микросхемы 1169ЕУ1

13. Система электропитания

Примеры решения задач

1. Трансформаторы

Однофазные трансформаторы

Конструкция и принцип действия трансформатора

Трансформатор — это статический электромагнитный аппарат, преобразующий электрическую энергию напряжения переменного тока с одними параметрами в электрическую энергию с другими параметрами (частота, напряжение, фазность, форма напряжения и.т.д.).
Принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной индукции. Рассмотрим работу трансформатора по логической цепочке на «холостом» ходу. На рисунке изображена конструкция однофазного трансформатора,

Здесь Ф₀ основной магнитный поток (магнитопровод предназначен для направления и концентрации основного магнитного потока);
Ф_S1Ф_S2 потоки рассеяния основного магнитного потока в обмотках первичной и вторичной цепей. Они зависят от сцепления обмоток (удаленности друг от друга), от расположения их на стержнях, а также от контура прохождения основного потока. Представим принцип действия трансформатора в виде логической цепочки:

1 — При подключении трансформатора к первичной цепи переменного тока возникает ток (по закону Ома), обратно пропорциональный входному сопротивлению трансформатора:

2 — При протекании тока по обмотке трансформатора, намотанной на замкнутый магнитопровод, возникает напряженность магнитного поля (H):

где F — магнитодвижущая сила, l_ср — средняя линия магнитопровода, W₁ — число витков в первичной цепи. Магнитопровод трансформатора необходимо выполнять из ферромагнитного материала.

3 — Под действием напряженности магнитного поля Н в магнитопроводе (сердечнике) трансформатора возникает основной магнитный поток Ф₀, прямо пропорциональный сечению магнитопровода (Sмаг). Магнитная индукция Вх является рабочей точкой на основной кривой намагничивания и выбирается на линейном участке, чтобы при намагничивании сердечника постоянным током магнитопровода не было захода ее в область насыщения.

4 — При прохождении основного магнитного потока по сердечнику в первичной цепи возникает ЭДС самоиндукции, а во вторичной цепи ЭДС взаимоиндукции, которые определяются по закону магнитодвижущих сил — закону Максвелла — Фарадея:

где ЭДС — это изменение потока сцепления во времени.

Логическая цепочка работы трансформатора под нагрузкой

При подключении нагрузки во вторичной цепи начинает протекать ток I₂ , при этом в сердечнике возникает размагничивающий магнитный поток, противоположный по направлению к основному. Это приводит к уменьшению ЭДС в первичной цепи. В электромагнитной системе нарушается равновесие (), что приводит к возрастанию потребляемого тока из сети I₁, т.е. к самобалансированию системы и поток Ф₀ восстанавливается:

Отсюда следует уравнение магнитодвижущих сил (МДС):

, где — ток цепи намагничивания (ток «холостого» хода).

Уравнение ЭДС трансформатора

Рассмотрим его для низкочастотного трансформатора, в котором напряжение питания изменяется по синусоидальному закону:

При анализе работы однофазного трансформатора используют связь действующего значения ЭДС с конструктивными параметрами трансформатора:

где K_Ф — коэффициент формы, для низкочастотного трансформатора имеем синусоидальную форму напряжения K_Ф=1,11, для высокочастотного трансформатора форма напряжения — прямоугольная и K_Ф=1.

S_маг.ак=S_маг.·K_маг — активная площадь сердечника. Под активной площадью понимается не геометрическая площадь сечения, чистая площадь магнитного материала. Для борьбы с вихревыми токами сердечник изготавливается в виде пластин или лент с лаковым покрытием. Поэтому коэффициент K_маг =0,9…0,98 , он учитывает процентное содержание магнитного материала в сечении сердечника.

При работе трансформатора на высокой частоте прямоугольная форма напряжения объясняется использованием магнитомягких материалов, таких как феррит, альсифер, пермаллой, обладающие узкой прямоугольной петлей гистерезиса.

При неправильном проектировании трансформатора (выборе рабочей точки Вх на участке близком к области насыщения) происходит перегрев сердечника магнитопровода, например при понижении частоты напряжения питания или повышении уровня напряжения питания.

Конструктивные особенности трансформатора

Однофазные трансформаторы классифицируются по типу магнитопровода на броневые, стрежневые и тороидальные.

Броневые сердечники используются при мощности менее 150ВЧА и частота до 8 кГц, стрежневые при мощности от 150 до 800 [ВЧА] и частоте до 8 кГц, тороидальные — при мощности 250 [ВЧА], частоте свыше 8 кГц. В броневом сердечнике трансформатора основной магнитный поток раздваивается, что приводит к увеличению потока рассеяния. Расположение обмоток на одном (среднем) стержне трансформатора улучшает их сцепление и защищает обмотки от механических воздействий и электромагнитных помех. Такая конструкция обладает наибольшим рассеиванием основного потока (Ф₀), поэтому используется при малых мощностях.

В стержневом сердечнике трансформатора для улучшения сцепления обмоток первичную и вторичную обмотки разводят по двум стержням и при намотке чередуют послойно. В такой конструкции поток рассеяния меньше, чем в броневом.

Тороидальная конструкция сердечника трансформатора обладает наименьшим потоком рассеяния, благодаря круговому движения силовой линии основного магнитного потока Ф0 и хорошему сцеплению обмоток (из- за намотки по всему тороиду). Ограничение по мощности связано с плохим охлаждением обмоток и технологическими трудностями изготовления тороида. Поперечное сечение тороида и стержней приближается к округлой форме, что позволяет экономить материал сердечника.

Сердечники магнитопроводов изготавливаются в виде лент, пластин или прессуют из ферромагнитного порошка с добавлением кремния (небольшой процент, так как он придает хрупкость конструкции) для ограничения вихревых токов, перпендикулярных основному потоку. Низкочастотные трансформаторы выполняются из холоднокатанной (анизотропной, изотропной) стали, а также горячекатанной стали.

Холоднокатанная сталь обладает высокой магнитной проницаемостью и малыми удельными потерями на единицу веса, но является дорогостоящим металлом. В анизотропной холоднокатанной стали направление проката диктует направление силовой линии магнитного потока (Ф₀) потому, что в перпендикулярном направлении ухудшаются магнитные свойства материала. Горячекатанная сталь более экономичная, но имеет более высокие удельные потери и более низкую магнитную проницаемость (µ_д). В высокочастотных трансформаторах в качестве материала сердечника используют следующее: феррит, пермаллой, альсифер. Альсифер используется для дросселей сглаживающих фильтров, т.к. имеется запас по намагниченности, пермаллой подвержен механическим воздействиям. Феррит обладает широким диапазоном рабочих частот, поэтому широко используется в импульсных трансформаторах.

Обмотки трансформатора изолируются друг от друга. В конструкции трансформатора они размещаются на каркасе и используется межвитковая, межслойная изоляция (лак, волокно, х/б нитки и.т.д.). Тип изоляции зависит от рабочей температуры. Провода для обмоток имеют прямоугольное или круглое сечение, прямоугольные используются при повышенных токах нагрузки. При проектировании трансформаторов вводиться понятие плотности тока.

Выбор плотности тока зависят от расположения обмотки на магнитопроводе и типа магнитопровода.

Схема замещения трансформатора

Для упрощения анализа электромагнитных процессов в трансформаторе вводится схема замещения, в которой магнитная связь заменяется электрической и коэффициент трансформации n

Коэффициент трансформации является и коэффициентом приведения вторичной цепи к первичной. На рисунке показана схема замещения трансформатора:

где введены такие обозначения:

R₀ — учитывает потери в магнитопроводе (на вихревые токи и на гистерезис);

X₀ — учитывает намагниченность материала сердечника и зависит от марки материала (в идеальном трансформаторе Z₀);

R₁, R₂ — учитывают потери на нагрев обмоток первичной и вторичной цепей;

X_S1, X_S2 — индуктивности рассеяния основного потока в обмотках первичной и вторичной цепей;

Для получения соотношения между реальными и приведенными параметрами, воспользуемся равенством полных мощностей, активных мощностей и углов потерь: , , .

Запишем систему уравнений для схемы замещения:

Опыт холостого хода

Условия проведения опыта: на вход подается номинальное напряжение U_1ном, вторичная цепь размыкается.

Измеряемыми параметрами являются номинальное напряжение вторичной цепи (U₀₂) и первичной цепи (U₀₁) (их называют напряжением холостого хода), ток первичной цепи (I₀₁ — ток холостого хода), активная мощность или потери в магнитопроводе (P₀₁). Если устанавливаем измеритель коэффициента мощности, то активная мощность рассчитывается из соотношения:

В этом опыте рассчитываются — коэффициент трансформации (n) и значение процентного соотношения тока холостого хода к номинальному току первичной цепи

Это значение нормируется в процентах в зависимости от области использования трансформатора, его мощности, частоты преобразования.

Параметры схемы замещения поперечного плеча рассчитываются по соотношениям:

, ,

Если из опыта значение тока холостого хода получилось больше 30%, то значит завышено входное напряжение, или при проектировании завышена величина магнитной индукции. Для устранения этого потребуется измененить сечение магнитопровода или перемотать обмотки.

В опыте холостого хода схема замещения трансформатора принимает вид:

Так как параметры продольного плеча значительно меньше, чем параметры поперечного плеча схемы замещения и ток «холостого» хода значительно меньше номинального тока первичной цепи, то в схеме замещения трансформатора на «холостом» ходу пренебрегаем параметрами X_S1 и R₁.

Опыт короткого замыкания

Опыт «короткого» замыкания проводится при пониженном напряжения питания, так как ток в обмотках трансформатора может превысить номинальные значения при повышении напряжения. Необходимо плавно увеличивать напряжение на выходе ЛАТРА до достижения номинальных токов в цепях. Измеряемыми параметрами являются: номинальные токи в цепях I_К1, I_K2 , напряжение короткого замыкания первичной цепи (U_К1) и потери в обмотках. При измерении коэффициента мощности потери определяются из выражения:

Расчетными параметрами является процентное соотношение напряжения короткого замыкания по отношению к номинальному входному напряжению:

Внутреннее сопротивление трансформатора (сопротивление продольного плеча схема замещения) определяется из опыта «короткого» замыкания:

;;

При переходе к реальным параметрам трансформатора принимается равенство:и.

Схема замещения трансформатора в опыте «короткого» замыкания приводится в виде:

Внешняя характеристика трансформатора

Под внешней характеристикой понимается зависимость выходного напряжения от тока нагрузки с учетом его характера (активная — R, активно- емкостная — RC, активно — индуктивная — RL). Схема замещения трансформатора принимает вид:

По второму закону Кирхгофа запишем уравнение для схемы замещения трансформатора: U₂ = U₁ — IZ_k = U₁ — I (jX_k + R_k).

Для объяснения закона внешних характеристик для различных видов нагрузок построим векторную диаграмму для фиксированного значения тока нагрузки I=const.

При построении векторной диаграммы принимается такая условность: по часовой стрелке отставание вектора тока от вектора напряжения. При индуктивной нагрузке ток отстает от напряжения на угол j₁, поэтому вектор напряжения U₁ повернут против часовой стрелки по отношению к вектору тока I; при емкостной нагрузке напряжение U₁ отстает от тока I₁ на угол j₃ , поэтому вектор напряжения U₁ повернут по часовой стрелки по отношению к вектору тока I.

При активной нагрузке вектор напряжения U₁ повернут против часовой стрелки по отношению к вектору тока I на небольшой угол j₂ из- за малой величины индуктивности нагрузки.
Вектор ( — R_kI) противоположен по направлению к вектору тока I. Так как X_k — индуктивность рассеяния трансформатора, то вектор (-jX_kI) перпендикулярен по отношению к вектору (-R_kI) и имеет поворот против часовой стрелки.

Каждый из векторов U₂₍₁₎ , U₂₍₂₎ , U₂₍₃₎ получается в результате суммирования двух векторов U₁ и ( — I Z_k). Из векторной диаграммы видно, что при активной и индуктивной нагрузках происходит уменьшение напряжения во вторичной цепи трансформатора с увеличением тока I. Если нагрузка имеет емкостный характер, то напряжение увеличивается. При проектировании трансформатора необходимо учитывать характер нагрузки. Например, индуктивная нагрузка требует увеличивать количество витков во вторичной цепи с учетом понижения напряжения при работе под нагрузкой. Конденсаторы используются для компенсации реактивной составляющей в трансформаторах, они включаются в трехфазных трансформаторах параллельно в каждой фазе или между фазами, как показано на рисунке.

Энергетические показатели трансформатора

К энергетическим показателям трансформатора относятся: КПД трансформатора и коэффициент мощности.

КПД трансформатора — это отношение активной (полезной) мощности в нагрузке к потребляемой (активной) мощности трансформатора, т.е.

где, P_маг=P_гист+Р_{вих.токи} — потери в магнитопроводе трансформатора. Они являются постоянными потерями, не зависящими от тока нагрузки, и включают в себя два вида потерь: потери на «гистерезис» (перемагничивание сердечника трансформатора) и потери на «вихревые» токи (круговые токи Фуко, перпендикулярные направлению основного магнитного потока).
Потери в магнитопроводе зависят от следующих параметров:

P_маг=s₁ B_x²f²G ,

где s1 — коэффициент, зависящий от типа ферромагнитного материала;

G — вес магнитопровода (в кг);

B_x — величина магнитной индукция (определяемая положением рабочей точки на кривой намагничивания трансформатора).

С увеличением частоты преобразования возрастают магнитные потери, поэтому используют материалы с малыми удельными потерями и понижают рабочее значение магнитной индукции В_х.
Потери на гистерезис определяются площадью петли гистерезиса:

Учитывая , что Р_ОБ=I²R_об — потери в обмотках.Получим соотношение для КПД в зависимости от коэффициента нагрузки b=I₂/I_2ном.
Потери в магнитопроводе определяются из опыта «холостого хода» и равны P_маг=P₁₀. Мощность в нагрузке P₂ можно представить в виде

Потери в обмотках трансформатора равны:

где P_1К — потери определяемые из опыта «короткого замыкания».

Таким образом выражение для КПД принимает вид:

КПД будет иметь максимальное значение при

Отсюда,

При проектировании трансформатора необходимо добиваться равенства потерь в магнитопроводе потерям в обмотках для обеспечения эффективной работы трансформатора. При расчета трансформатора за критерии оптимизации выбираются: КПД, габаритные размеры, стоимость и температурный режим работы трансформатора. При P_маг>P_об (b < b_опт) получим минимальную стоимость, большой вес и габариты трансформатора. Если же P_маг < P_об, то имеем высокую стоимость, меньший вес и габариты.

Электромагнитная мощность трансформатора

Электромагнитная мощность — это полусумма электромагнитных мощностей всех обмоток трансформатора. Так как на первичную цепь приходится половина мощности, то при расчете электромагнитной мощности берут либо сумму мощностей всех вторичных цепей, либо мощность первичной цепи. При проектировании трансформатора вводят понятие габаритной мощности трансформатора — это связь электромагнитной мощности с параметрами трансформатора.

Для получения выражения для габаритной мощности трансформатора, воспользуемся следующими уравнениями:

уравнением ЭДС трансформатора —

понятием плотности тока j —

где S_пр — сечение проводника обмотки трансформатора;

определением количества витков через сечение окна S_ОК —

где, K_ok — коэффициент, учитывающий заполнение окна магнитопровода обмотками, его низкое значение гарантирует попадание обмоток в окно при выборе сердечника K_ok = (0,28 …. 0,34);

Площадь окна равна: S_ок = c*h [см²].

Подставим (1), (2), (3) в выражение для электромагнитной мощности и получим выражение для габаритной мощности:

P_габ = 2 К_ф К_маг К_ок B_m f j S_маг S_ок.

При заданной мощности трансформатора определяют типоразмеры трансформатора, затем по уравнению ЭДС рассчитывается количество витков первичной и вторичной цепей.

Трехфазные трансформаторы

Это система, объединяющая три источника переменного тока, ЭДС которых сдвинуты друг относительно друга на 120°. Трансформирование трехфазного тока можно осуществить тремя однофазными трансформаторами, соединенными в трансформаторную группу. Обмотки первичной и вторичной цепей соединяются одним из способов: «звезда», «треугольник», «зигзаг».
На рисунке изображены временные зависимости для фазных и линейных ЭДС трехфазного трансформатора.

Рассмотрим способ соединения «звезда».

На рисунке изображена векторная диаграмма напряжений и условное обозначение схемы соединения обмоток трансформатора.

Точка на схеме трансформатора обозначает конец вектора ЭДС или начало обмотки. При соединении звездой линейные (I_л) и фазные токи (I_ф) одинаковы, потому что для тока, проходящего через фазную обмотку, нет иного пути, кроме линейного провода. Линейные напряжения (U_л) больше фазных (U_ф) в раза.

Соединение в звезду выполняется с нулевым выводом или без него, что является достоинством схемы соединения

Соединение в «треугольник»:

При соединении треугольником U_л = U_ф, потому что каждые два линейных провода присоединены к началу и концу одной из фазных обмоток, а все фазные обмотки одинаковы. Линейные токи I_л = I_ф.

Мощности при соединениях звездой и треугольником определяются выражениями:

Полная

активная

реактивная

где j — угол сдвига фаз между напряжением и током.

Группа соединения трехфазного трансформатора

При определении группы соединения обмоток трансформатора пользуются циферблатом часов. Линейный вектор обмотки высшего напряжения (ВН) соответствует минутной стрелке циферблата часов и устанавливается на цифру 12, часовая стрелка соответствует линейному вектору ЭДС обмотки низкого напряжения (НН) и ее поворот по отношению к обмотке ВН определяет номер группы и угол поворота a=n*30⁰, где n — группа.

Определим группу соединения обмоток трансформатора для соединения «звезда-звезда». Для построения диаграммы условно объединяем одноименные выводы обмоток первичной (с) и вторичной (С) цепей трансформатора. Из построения видно, что номер группы соединения равен n = 180°/30° = 6 .

Определим группу соединения обмоток трансформатора для соединения «звезда-треугольник». Для построения диаграммы условно объединяем одноименные выводы обмоток первичной (а) и вторичной (А) цепей трансформатора. Из построения видно, что номер группы соединения равен n = j/30° =30°/30° = 1 .

Соединение вторичных обмоток трансформатора в зигзаг

Соединение зигзагом применяют чтобы нагрузку вторичных обмоток распределить более равномерно между фазами первичной сети, а также для расщепления фаз при создании многопульсных выпрямителей и в других случаях.

Для соединения зигзагом вторичная обмотка каждой фазы составляется из двух половин: одна половина расположена на одном стержне, другая — на другом. Конец полуобмотк, например х₁ соединен с концом y₂ и т.д. Начала полуобмоток а₂, в₂ и с₂ соединены и образуют нейтраль. К началам а₁, в₁, с₁ присоединяют линейные провода вторичной сети. При таком соединении э.д.с. обмоток, расположенных на разных стержнях, сдвинуты на угол 120⁰.

Вектор E₃ является суммой двух векторов e»₃ и e»₁ . Вектор e»1 параллелен e’₁ и противоположен по направлению. Вектор e’₃ совпадает с направлением фазы с. Угол поворота j вектора ЭДС вторичной цепи по отношению к первичной зависит от соотношения витков W₂₁/W₂₂.

Конструкция трехфазных трансформаторов

Трехфазные трансформаторы изготавливаются в виде отдельных однофазных трансформаторов, объединенных в группу при повышенной мощности (свыше 60000 кВА). Такой тип получил название — трансформатор с раздельной магнитной системой. Трансформатор, у которого обмотки расположены на трех стержнях, называется трансформатором с объединенной магнитной системой.

В трехстержневом трансформаторе вследствие магнитной несимметрии магнитопровода, намагничивающие токи отдельных фазных обмоток не равны: намагничивающие токи крайних фаз (I_ОА и I_ОС) больше тока средней фазы (I_ОВ).

Для уменьшения магнитной несимметрии трехстержневого манитопровода, т.е. уменьшения магнитного сопротивления потокам крайних фаз, сечение ярма делают больше.

Параллельная работа трансформаторов

Для увеличения мощности трансформаторы включают параллельно. Существуют условия параллельного включения трансформаторов:

1)Трансформаторы должны иметь одинаковые значения напряжения «холостого хода» или коэффициенты трансформации. При несоблюдении этого условия возникает уравнительный ток (IУР), обусловленный разностью вторичных напряжений DU,

где R_вн1, R_вн2 — внутренние сопротивления трансформатора. При этом трансформатор с более высоким вторичным напряжением «холостого хода» оказывается перегруженным.

2)Трансформаторы должны принадлежать к одной группе соединений. Если это условие не выполняется, то появляется уравнительный ток, обусловленный разностной ЭДС трансформатора:

3)Трансформаторы должны иметь одинаковые значения напряжения короткого замыкания.Трансформатор с меньшим напряжением короткого замыкания перегружается.

Специальные трансформаторы

Трансформаторы напряжения

Измерительный трансформатор напряжения (ТН) применяется при измерениях в сетях переменного тока напряжением свыше 220 В. ТН представляет собой понижающий трансформатор с таким соотношением витков в первичной и вторичной обмотках, чтобы при номинальном первичном напряжении вторичное напряжение составляло 100В.

ТН работает в режиме, близком к режиму «холостого хода», т.е. I₂ = 0. Класс точности прибора зависит от выбора рабочей точки на петле гистерезиса (B_m=0,1….0,2 Тл , I₁=I₀). Для этого увеличивают количество витков первичной цепи. Соотношение витков в трансформаторе подбирается таким образом, чтобы получить во вторичной цепи U=100 B. Для обеспечения надежной работы ТН обязательно заземляется вторичная цепь и корпус трансформатора. Система уравнений для трансформатора имеет вид:

Так как U₁ = -E₁ , U₂ = E_2НОМ, то напряжение в первичнолй обмотке определяется выражением:

Трансформатор тока

Измерительный трансформатор тока (ТТ) применяется для включения амперметров и обмоток тока ваттметров, счетчиков энергии и фазометоров в цепях переменного тока, чаще всего в сильно точных (с большим значением тока).

ТТ работает в режиме, близком к «короткому замыканию». Первичная обмотка ТТ выполняется из провода большого сечения и включается в сеть последовательно (количество витков первичной цепи равно1). Вторичная обмотка — многовитковая.

Уравнение МДС имеет вид: I₁W₁ + I₂W₂ = I₀W₁;

Точность тока измерительной цепи определяется выбором точки на петле гистерезиса (Bm=0,1…0,2Тл, I0 =0). Количество витков во вторичной цепи подбирается таким образом, чтобы во вторичной цепи протекал ток 5 А, откуда

Данный трансформатор является опасным при эксплуатации, так как нельзя размыкать вторичную цепь под нагрузкой. При размыкании цепи произойдет рост потерь в магнитопроводе в квадратичной зависимоти (В²), что приведет к пробою изоляции и обслуживающий персонал может попасть под высокое напряжение.

3. Неуправляемые выпрямители

Критериями качества работы выпрямителя являются:

коэффициент пульсации:

— отношение амплитуды к-ой гармоники к средневыпрямленному значению напряжения.

коэффициент выпрямления по напряжению:

— отношение средневыпрямленного значения напряжения к действующему значению напряжения во вторичной цепи трансформатора.

пульсность:

— отношение частоты пульсации к частоте питающего напряжения. m — фазность схемы выпрямителя (1 или 3), — число периодов выпрямления (1 или 2). КПД: . — отношение активной (полезной) мощности в нагрузке к потребляемой (активной) мощности.

Критериями качества сглаживающего фильтра являются: коэффициент сглаживания:

, где — коэффициенты пульсации на входе и выходе соответственно. КПД:

К выпрямительному устройству предъявляются требования по качеству выходного напряжения, которое характеризуется:

нестабильностью выходного напряжения

это отношение отклонения напряжения от номинального значения к номинальному значению.

В выпрямительном устройстве с трансформаторным входом существуют следующие способы регулирования выходного напряжения:

Регулирование в цепи переменного тока (непрерывного и импульсного действия).

В звене выпрямителя за счет использования полупроводниковых управляемых элементов (тиристоров, симисторов, динисторов).

В цепи постоянного тока на выходе выпрямительного устройства за счет использования стабилизаторов напряжения (тока ) непрерывного или импулсьсного действия.

Полупроводниковый диод, как элемент выпрямительного устройства

Рассмотрим вольт- амперную характеристику (ВАХ) полупроводникового диода и его схему замещения.

Основными параметрами полупроводникового диода являются:

– динамическое сопротивление диода ,

– обратное (статическое) сопротивление ,

I_пр — предельно допустимый средний прямой ток при включении п/п диода в однополупериодную схему выпрямителя с активной нагрузкой , частотой питающего напряжения 50 Гц с естественным охлаждением элемента и нормальной температурой окружающей среды,

U_пр— среднее прямое напряжения (падение на диоде) в открытом состоянии диода,

U_пор— пороговое напряжение, т.е противоэдс, которая препятствует нарастанию прямого тока при включении диода,

U_обр — максимально допустимое обратное напряжение, которое может выдержать диод длительно в закрытом состоянии, не подвергаясь опасности пробоя.

Для увеличения среднего прямого тока (I_пр) используют параллельное включение диодов с выравнивающими элементами.

При параллельной работе диодов из-за несовпадения их ВАХ, токи в них распределяются неравномерно (в одном из них будет преобладать средневыпрямленный ток I_пр2>I_пр1 ). Это может привести к выходу из строя одного из диодов.

Для выравнивания токов используются дополнительные элементы: для средней мощности — резисторы, для большой мощности — уравнительный реактор.

Под действием токов (I_пр2,I_пр1), протекающих по обмоткам W₁, W₂, в них наводится ЭДС. За счет разностного тока образуется поток DФ, который вызывает появление ЭДС самоиндукции. Там, где произошло превышение тока, ЭДС самоиндукции уменьшает скорость его нарастания, а где уменьшение — засчет ЭДС взаимоиндукции ток увеличивается. Для увеличения Uобр диоды включают последовательно с выравнивающими элементами.

Для выравнивания напряжений (U_обр), в маломощным выпрямителях, последовательно включенные диоды шунтируются резисторами, величина сопротивлений которых в несколько раз меньше обратного сопротивления диода. Для выпрямителей большой мощности этот способ выравнивания обратных напряжений не пригоден из-за больших потерь в резисторах. Поэтому для мощных выпрямительных устройств применяют реактивные делители напряжения.

Тепловая модель полупроводника

Во время работы полупроводника происходит его перегрев, для охлаждения используют радиатор. Расчет площади радиатора ведется с помощью тепловой модели. Тепло, выделяемое в кремниевой пластине диода (П) передается на корпус (К) и далее в окружающую среду (С) через ряд конструктивных элементов.

Величины тепловых сопротивлений в соответствии с типом элемента и радиатора приводятся в справочной литературе. Тепло, распространяющееся от пластины П в окружающую среду, создает на элементах температурный перепад Dt

Температуру кремниевой пластины можно определить как сумму температуры окружающей среды и перепадов температуры на отдельных элементах:

Для обеспечения нормального функционирования диода необходимо выполнения условия tп< tдоп.

Потери мощности на диоде суммируются из потерь от прямого тока (Pпр), потерь на преодоления противоЭДС (Pпор) и коммутационных потерь (Pком):

В низкочастотных выпрямительных устройствах коммутационные потери составляют небольшую долю по отношению к остальным потерям, поэтому принимаем

Критерий качества выпрямительных устройств

Полупроводниковые диоды предназначены для коммутации нагрузки к источнику с целью формирования однополярного напряжения в нагрузке при разнополярном напряжении источника.

Существуют понятия анодной и катодной группы диодов (при соединении элементов в узел катодами или анодами ).

Принцип коммутации:

К нагрузке должны быть скоммутированы одна или две разноименные группы. Свободные концы элементов, не соединенные в узел должны быть разведены по источникам. При наличии одной группы другой конец нагрузки должен быть подключен к нулевому выводу или земле. Однополупериодные схемы выпрямления имеют одну группу, двухполупериодные — две.

Рассмотрим принцип коммутации на примере однофазной двухполупериодной и трехфазной однополупериодной схем выпрямления.

Однофазная двухполупериодная схема выпрямления

Трехфазная однополупериодная схема выпрямления

Для анализа выпрямительных устройств используют графоаналитический метод, который включает:

1) построение временных диаграмм для I и U при анализе электромагнитных процессов в цепях,

2) разложение в ряд Фурье и получение выражений для коэффициентов выпрямления К0 и пульсаций Кп.

Напряжение на выходе выпрямителя содержит кроме постоянной составляющей U0 целый ряд гармонических составляющих:

В соответствии с разложением периодической функции в ряд Фурье ее среднее значение определяется площадью, ограниченной рассматриваемой функцией за период повтроямости, отнесенной к величине периода. Так как площадь определяется вольт-секундным интегралом, то для напряжения, представленного на рисунке получим выражение для U₀.

Под средневыпрямленным напряжением (U₀) понимается высота прямоугольника, эквивалентного по площади кривой, описывающей выпрямленное напряжение (U_d) за период повторения данной кривой, который равен 2p/р.

Коэффициент выпрямления по напряжению равен

Получим выражение для амплитуды к-ой гармоники U_mk. Очевидно ,что U_d — четная функция, поэтому учитываем только косинусоидальные составляющие.

Коэффициент пульсаций определяется выражением:

где k — номер гармоники.

Для повышения качества выпрямленного напряжения необходимо увеличивать пульсность схемы выпрямления. Существуют следующие способы ее повышения:

увеличение фазности питающих напряжений,

увеличение числа коммутируемых элементов,

расщепление фазных напряжений за счет использования способа соединения трансформатора «зигзагом».

Для вычисления предельного значения K₀ по правилу Лопиталя при .

Неуправляемые выпрямители

При анализе схем выпрямления принимаем потери в диодах и трансформаторе равными нулю, и будем анализировать работу схемы на активную нагрузку.

Однофазный мостовой (двухполупериодный) выпрямитель

Данная схема позволяет получить двухполупериодное выпрямление. Она содержит трансформатор и четыре диода, два из которых, соединяясь анодами, образуют общий минус выпрямителя, а два другие, соединяясь катодами, образуют общий плюс выпрямителя. На рисунке представлены графики зависимостей для токов и напряжений цепей.

На интервале от 0 до p фазное напряжение (U₂) имеет положительное значение. При этом диоды VD1 и VD4 находятся в открытом состоянии, и положительная полуволна напряжения U₂ проходит в нагрузку. В момент смены полярности U₂ происходит перекоммутация вентилей (коммутируются VD3, VD2).

Достоинства однофазного мостового выпрямителя:

высокое значение коэффициента выпрямления К₀ , малый уровень пульсации напряжения (низкое значение К_п ) по сравнению с однополупериодной схемой выпрямителя.
по сравнению со схемой «со средней точкой трансформатора» (двухполупериодной, однофазной) в схеме обеспечивается лучшее использование трансформатора и уровень обратного напряжения имеет меньшее значение.

Недостатки: коммутация двух вентилей в каждый момент времени приводит к увеличению потерь в звене выпрямителя, что нежелательно при больших токах. Наличие двух групп в схеме не позволяет размещать их на одном радиаторе без изоляции.

Получим основные соотношения для данной схемы выпрямления:

— т.к. ток через диод протекает в течение полупериода.

, где

Однофазная схема с нулевым выводом (двухполупериодная)

Схема выпрямителя представляет собой сочетание двух однополупериодных выпрямителей, работающих на общую нагрузку.

На рисунке представлены графики зависимостей для токов и напряжений цепей.

На интервале времени [0;p] потенциал точки а — положительный, а точки б — отрицательный, поэтому диод VD1 — открыт и через него протекает ток. Напряжение, снимаемое с верхней обмотки трансформатора прикладывается к нагрузке. В момент p происходит перекоммутация с VD1 на VD2, т.к. отрицательный потенциал прикладывается к катоду VD2. Таким образом через нагрузку ток протекает в одном и том же направлении в течение одного периода.

Достоинства схемы выпрямления: за счет малого числа коммутируемых элементов уменьшаются потери в выпрямительном звене, что позволяет использовать схему при высоком токе нагрузки. Существует возможность размещения полупроводников на одном радиаторе без изолятора.

Недостатки схемы выпрямления: при отключении диода за счет наведения ЭДС с работающей полуобмотки в неработающую происходит удвоение напряжения, прикладываемого к диоду в закрытом состоянии. Это не позволяет использовать схему при высоких уровнях выпрямленного напряжения. Кроме того на каждом такте участвует в работе только одна из полуобмоток, что ухудшает использование трансформатора. С точки зрения качественных показателей (К₀ ,К_п ) данная схема не отличается от однофазной мостовой схемы выпрямления.

Основные соотношения для схемы выпрямителя:

Под габаритной мощностью трансформатора понимаем полусумму мощностей всех обмоток трансформатора, поэтому с учетом 2-х полуобмоток трансформатора в уравнение для P_mр во втором слагаемом появляется множитель, равный 2. Ток I_а протекает в течение одного полупериода и имеет синусоидальную форму, поэтому дополнительно появляется множитель, равный 1/ (поскольку ). В однофазной мостовой схеме выпрямителя K_тр = 1,23,что используется в уравнение для P_тр. Тогда, для двухполупериодной схемы имеем K_mp=1,47.

Трехфазный выпрямитель с нулевым выводом (трехфазный однополупериодный)

Данная схема содержит трехфазный трансформатор T и три диода. Нагрузка включается между точкой соединения диодов и нулевым выводом.

На рисунке представлены графики зависимостей для токов и напряжений различных цепей схемы выпрямления.

На интервале времени [t₁;t₂] фаза «a» имеет наибольший потенциал по сравнению с другими фазами относительно нулевой точки трансформатора , поэтому диод VD1 находится в открытом состоянии и через него протекает ток. На нагрузке напряжение изменяется по закону огибающей фазы «a». В момент t₂ происходит перекоммутация с VD1 на VD2, т.к. потенциал фазы «b» становится наибольшим по отношению к нулевой точке. К нагрузке прикладывается фазное напряжение.

На интервале времени [t₂; t₃] к первому диоду прикладывается линейное напряжение между фазами «b» и «a» и он находится в закрытом состоянии. В момент t₃ прикладывается линейное напряжения Uca, так как происходит переключение вентилей (с VD2 на VD3).

К недостатком этой схемы можно отнести:

Высокий уровень обратного напряжения (среднее напряжение — фазное, обратное — линейное), что не позволяет использовать данную схему при повышенных уровнях напряжения.

Ток во вторичной цепи трансформатора протекает в течение одной третьей части периода и имеет одностороннее направление, что увеличивает габаритные размеры трансформатора. Для исключения подмагничивания сердечника необходимо делать запас по намагниченности (уменьшать значение Bm), что приводит к дополнительному увеличению габаритов трансформатора. Иногда в сердечник трансформатора вводят воздушный зазор.

Более низкие качественные показатели (K п , K0) по сравнению с двухполупериодной схемой выпрямления.

Индуктивность рассеяния трансформатора влияет на форму выпрямленного напряжения, что является ограничением по мощности. При этом снижается уровень выпрямленного напряжения, и возрастают пульсации.

С точки зрения монтажа схемы — исключена возможность соединения вторичной цепи треугольником из за нулевого вывода.

Достоинствами схемы выпрямления являются:

более высокие токи нагрузки по сравнению с двухтактной схемой (малые потери из-за того, что в работе участвует один вентиль в любой момент времени).

с точки зрения монтажа — существует возможность размещения полупроводников на одном радиаторе.

Основные соотношения:

K_mp=1,35

Трехфазная мостовая схема выпрямителя

Данная схема состоит из двух трехфазных однополупериодных схем выпрямления, питающихся от одних и тех же вторичных обмоток трансформатора и, работающих на общую нагрузку.

На рисунке представлены графики зависимостей для токов и напряжений цепей схемы выпрямления.

На интервале [t₁;t₃] фаза «a» имеет наибольший потенциал по отношению к другим фазам, поэтому диод VD2 работает два такта (т.к. к аноду прикладывается «+»). В момент времени t₃ происходит перекоммутация в катодной группе со второго на четвертый диод, т.к. фаза «b» становится более положительной по отношению к другим фазам.

На интервале [t₂;t₄] фаза «c» имеет более отрицательный потенциал по отношению к другим фазам. Отрицательный потенциал прикладывается к катоду пятого вентиля, и он работает два такта.

К недостаткам схемы можно отнести:

Большое падение напряжения на внутреннем сопротивлении выпрямителя за счет работы двух вентилей, что не позволяет использовать схему при высоких значениях тока нагрузки.

Наличие двух радиаторов для анодной и катодной групп.

Достоинствами схемы выпрямления являются:

Высокое значение коэффициента выпрямления К₀ и малый уровень обратного напряжения, что позволяет использовать схему при высоких уровнях напряжения.

Малое значение коэффициента пульсаций по сравнению со схемой с нулевым выводом, что уменьшает габариты сглаживающего фильтра.

Возможность использования различных способов соединения обмоток трансформатора во вторичной цепи.

Отсутствие одностороннего намагничивания сердечника трансформатора (ток во вторичной цепи трансформатора — двухполярный).

Хорошее использование трансформатора (ток во вторичной цепи трансформатора протекает 2/3 периода), что увеличивает КПД устройства.

В связи с вышеперечисленным рядом достоинств данная схема нашла очень широкое распространение.

Основные соотношения:

; ;

; ; K_mp=1,05

Аномальные режимы работы выпрямителей

1. При неправильном подключении диода (обращенный диод) в схеме выпрямителя возникает короткозамкнутый контур, что приводит к выгоранию группы, где установлен обращенный диод.

Где R2, R4 — динамические сопротивления диодов,

II При сгорании предохранителя, установленного в цепи диода, происходит пропадание одной из полуволн фазного напряжения, что приводит к снижению уровня средневыпрямленного напряжения и появлению низкочастотной пульсации.

Рассмотрим на примере предохранителя F3. При сгорании данного предохранителя не обеспечивается прохождение отрицательной полуволны напряжения фазы » b «.

На интервале [t₁;t₃] наиболее высокий потенциал имеет фаза «a» по сравнению с другими фазами, низкий — у фазы «c», т.к. фаза «b» отсутствует. В момент времени t₂ не будет происходить перекоммутация. Поэтому второй и пятый вентили работают два такта.

В момент t₇ происходит перекоммутация двух вентилей т.к. отрицательная полуволна фазы «b» отсутствует, а фазы «a» и «c» в точки пересечения изменяют свой знак.

III При сгорании предохранителя, установленного во вторичной цепи трансформатора в одной из фаз (смотрите выше приведенный рисунок для F_b) происходит обрыв этой фазы, что приводит к уменьшению уровня средневыпрямленного напряжения и появлению низкочастотной пульсации, равной 2?f_сети. Форма выпрямленного напряжения идентична форме на выходе однофазного мостового выпрямителя с той разницей, что вместо фазного напряжения на вход подается линейное напряжения двух фаз.

В моменты времени t₂ и t₃ нет коммутации из-за препятствия прохождения фазы «b». В моменты времени t₁ и t₄ происходит перекоммутация двух вентилей. На интервале [t₁;t₄] наибольший потенциал имеет фаза «a» , поэтому положительный потенциал прикладывается к диоду VD2 и через него протекает ток, а наибольший отрицательный потенциал фазы «c» прикладывается к катоду VD5.

IV При перекосе фазных напряжений происходит снижение уровня выпрямленного напряжения и появление низкочастотной пульсации. Диаграммы аналогичны пропаданию фазы.

Способы повышения пульсности выпрямителей

I Для повышения мощности выпрямительных устройств используют последовательное или параллельное включение выпрямителей. При сочетании двух способов соединения обмоток трансформатора («треугольник» и «звезда») в первичной либо во вторичной цепях схем выпрямителей, включенных параллельно или последовательно пульсность устройства возрастает в два раза.

Если каждый из выпрямителей построен по трехфазной мостовой схеме (p=6), то получаем схему 12- пульсного выпрямителя. При питании каждого из мостов напряжениями, сдвинутыми по фазе на угол 2p/6 (30°), пульсации выходных напряжений мостов В1 и В2 оказываются сдвинутыми также на 30°.

При расчете трансформатора для 12- пульсного выпрямителя следует учесть, что из первичной цепи трансформатора во вторичную передаются фазные напряжения. В трехфазном мостовом выпрямителе в нагрузку передается линейное напряжение трансформатора. Поэтому для согласования выпрямителей во вторичной цепи трансформатора, включенного в «треугольник» необходимо увеличивать число витков фазных обмоток вторичной цепи в раз (т. к. в «звезде»: ; «треугольнике»:U_k=U_ф).

На рисунке приводятся временные зависимости выпрямленного напряжения в 12- пульсном выпрямители.

II За счет использования включения трансформаторов во вторичной цепи в «зигзаг» можно осуществлять многократное расщепление фазных напряжений. При каждом расщеплении будет в два раза увеличиваться пульсность выпрямителя.

Соотношение витков полу обмоток вторичной цепи трансформаторов, включенных в «зигзаг» подбирается таким образом, чтобы получить фазовый сдвиг напряжений на входах выпрямителей 15° по отношению к друг другу. При этом пульсность на выходе выпрямительного устройства (для U_d ) увеличивается в 2 раза.

Внешняя характеристика выпрямителя

Внешняя характеристика выпрямителя — зависимость средневыпрямленного напряжения от изменения тока нагрузки. Схема замещения выпрямителя в цепи постоянного тока имеет вид:

U_0хх — максимальный уровень напряжения на «холостом ходу» неуправляемого выпрямителя без учета противоЭДС (U_пор ), т.е. , где ;

N_д — число одновременно коммутируемых элементов (в однополупериодной схеме N_д =1, в двухполупериодной N_д =2);

R_кз — потери в обмотке трансформатора, определяемые из опыта «короткого замыкания»;

R_д — динамическое сопротивление диода;

R_фp — активные потери в дросселе сглаживающего фильтра.

Уравнение для определения среднего напряжения на выходе нагруженного выпрямителя имеет вид: , где .

На рисунке представлена внешняя характеристика выпрямителя.

Напряжение в точке «а» характеристики определяется из выражения , где

N_с — нестабильность входного напряжения (относительные единицы),

U_2ном — номинальное значение напряжения во вторичной цепи трансформатора.

Напряжение в точке «б» характеристики равно

Под семейством внешних характеристик понимается построение U₀=f(I₀ ) с учетом отклонения напряжения сети и в диапазоне тока (I_0max…I_0min ). При построении регулировочной характеристики в управляемом выпрямителе учитываются значения напряжения в точках «а» и «б» и диапазон отклонения напряжения от номинального (N_c ).

Влияние индуктивности рассеяния трансформатора на форму выпрямленного напряжения в 3-х фазной схеме выпрямителя с нулевым выводом

На интервале [t₁ ;t₂ ] по первому закону коммутации ток VD1 не может скачком измениться до нуля, происходит снижение тока по экспоненциальному закону. Ток в цепи диода VD2 также нарастает по экспоненте. К нагрузке прикладывается напряжение 2-х фаз («a» и «c»), что оказывает влияние на форму выпрямленного напряжения. Это уменьшает уровень выпрямленного напряжения и увеличивает уровень пульсаций напряжения на нагрузке.

При работе на индуктивную нагрузку происходит аналогичное влияние на форму выпрямленного напряжения коммутационных задержек, связанных с индуктивными элементами нагрузки. Интервал «коммутационной задержки» зависит от величины I_нагр , поэтому данная схема имеет ограничение по величине тока из-за влияния индуктивности рассеяния. Схема замещения на интервале задержки имеет вид:

На рисунке изображены временные зависимости токов и напряжений в цепях, поясняющие процессы в схеме выпрямителя на интервале «коммутационной задержки» g.

Используя метод узловых потенциалов, получим выражение для среднего значения выходного напряжения выпрямителя с учетом влияния индуктивности нагрузки:

При получении выражения для U₀ с учетом влияния индуктивных элементов цепей пренебрегают не заштрихованной площадью S₁, а заштрихованную площадь описывают синусоидальным законом изменения напряжения при 0.5U_2m.

, где

Для анализа внешней характеристики выпрямителя вводят параметр , учитывающий влияние L_s . С увеличением тока спад внешней характеристики будет больше.

Влияние различных видов нагрузок на работу неуправляемых выпрямителей

Активно-индуктивная нагрузка

Рассмотрим на примере однополупериодной схемы выпрямления:

На рисунке изображены графические зависимости для токов, напряжений и мгновенной мощности с целью пояснения процессов, протекающих в схеме выпрямления.

На интервале [t₁ ;t₂ ] положительный потенциал фазы U₁ коммутирует диод VD1, при этом в дросселе L_н накапливается реактивная энергия . На интервале [t₂ ;t₃ ] VD1 остается открытым из-за положительного тока дросселя и энергия дросселя отдается в источник U₁ (такой режим называется инверторным). Коммутационная задержка на выключение VD1 уменьшает уровень выпрямляемого напряжения, увеличивая его пульсации.

Для исключения влияния индуктивности нагрузки на форму выпрямленного напряжения параллельно к нагрузке включается обратный диод, который обеспечивает сброс реактивной энергии дросселя в нагрузку и тем самым исключает отрицательный выброс выпрямленного напряжения.

В двухполупериодной однофазной схеме роль обратного диода играет один из диодов выпрямителя, который включается первым.

При положительной полуволне напряжения U₁ ток протекает по контуру: «+» U₁ ®VD1®L_н ®R_н ®VD4®»-» U₁.

Предположим, что при прохождении напряжения U1 через ноль в момент смены полярности, первым включился диод VD2. Тогда сброс реактивной энергии будет осуществляться через VD4 и включенный VD2. В выпрямленном напряжении не будет присутствовать отрицательного выброс напряжения.

Активно-емкостная нагрузка

Рассмотрим влияние активно-емкостной нагрузки на примере работы однофазного мостового выпрямителя.

На рисунке представлены графические зависимости токов и напряжений, поясняющие переходные процессы в схеме в момент подключения выпрямителя к источнику U1.

На интервале t_зар U₁ >U_c и при этом происходит заряд емкости C сглаживающего фильтра через внутреннее сопротивление выпрямительного звена. При этом появляется большой импульсный ток, значения которого в 20…40 раз выше установившегося значения средневыпрямленного тока вентиля. Особенно это выражено в источниках питания с бестрансформаторным входом. Для ограничения этого тока вводят резисторы, терморезисторы или резисторы шунтированные управляемыми ключами, выполненные на симисторах, тиристорах или динисторах. Ключи позволяют с учетом времени установления переходного процесса производить ограничение тока только в момент пуска источника питания, следовательно, повышаются КПД и надежность выпрямителя.

На интервале t_раз , когда напряжение на емкости уравнивается с напряжением источника, конденсатор разряжается на нагрузку. С увеличением тока нагрузки увеличивается уровень пульсации выпрямленного напряжения из-за уменьшения постоянной цепи разряда t_раз =R_Н С. При этом ухудшаются сглаживающие действия фильтра.

При расчете выпрямителя с емкостной нагрузкой используют метод Терентьева — метод номограмм. Он основан на расчете вспомогательных коэффициентов зависящих от угла протекания тока через вентиль.Вводят коэффициент А=f(Q), где Q — угол протекания тока через вентиль. Для различных схем выпрямителей приводятся номограммы, которые получены экспериментальным путем для различных мощностей и схем выпрямителей. Для расчета параметров U_обр , I_аср , I_ад , U₂ , I₂ вводят вспомогательные коэффициенты: В, С, D=f(A). Для получения связи среднего тока через вентиль с параметром А проведем интегрирование на интервале Q. При выводе соотношения примем емкость конденсатора, близкую к бесконечности (СЮҐ ), а пороговое напряжение равным нулю на ВАХ диода. Для получения среднего значения тока через вентиль переместим оси координат в середину импульса тока и воспользуемся уравнением для среднего значения тока:

(1)

(2).

Нижеприведенные диаграммы поясняют вывод соотношений для U_d .

На интервале 2Q ток вентиля совпадает с током нагрузки. Приравняем (1) и (2) и поделим внутреннюю скобку в выражении (1) на cosQ, получим:

4. Управляемые выпрямители

Элемент управляемых выпрямителей — тиристор

В источниках питания тиристор используется для регулирования (стабилизации) напряжения в управляемых выпрямителях и стабилизаторах напряжения в цепи переменного тока. Изменение фазы подачи управляющего импульса на тиристор по отношению к точке «естественной» коммутации (коммутация в неуправляемых выпрямителях) изменяется уровень напряжения в нагрузке. Кроме того, тиристор нашел широкое распространение в защитных устройствах.

Тиристор имеет четырехслойную структуру с тремя p-n переходами. Его быстрое включение при подаче импульса управления (по отношению к катоду или аноду) обеспечивается внутренней, положительной обратной связью по току. При поступлении U_УПР на базу VT2 увеличивается коллекторный ток IК2 , что приводит к возрастанию тока базы транзистора VT1 и увеличению его коллекторного тока I_К1, происходит лавинное открывание тиристора.

На вольт- амперной характеристике тиристора (ВАХ) участок ОА соответствует открытым переходам П1 и П3 и закрытому переходу П2, к тиристору прикладывается прямое положительное напряжение U_ПР и отсутствует импульс управления на управляющем электроде (УЭ), что соответствует закрытому состоянию полупроводника. Участок БВ соответствует ВАХ полупроводникового диода, когда все p — n переходы открыты. Напряжение U_{пр max} соответствует динисторному режиму, когда открывание тиристора происходит при достижение граничного значения прямого напряжения (U_{пр max}) при токе управления равным нулю. Это позволяет управлять включением тиристора без использования системы управления. Участок ОГ ВАХ соответствует открытому переходу П2 и закрытым переходам П1 и П3. Для обеспечения гарантированного включения тиристора необходимо подобрать по мощности и длительности сигнал управления тиристором. Если значение прямого напряжения UПР мало, то необходимо увеличить управляющий ток I_У (смотри ВАХ тиристора).

Условием включения тиристора является подача положительного импульса управления на УЭ с определенной длительностью (с учетом времени включения тиристора) при положительном прямом напряжении между анодом (А) и катодом (К). Условием выключения тиристора является снижение прямого тока ниже уровня тока удержания (I_УД), который близок к нулю. При выключении тиристора необходимо выдержать время, необходимое для гарантированного его выключения (время выключения тиристора достаточно большое и составляет несколько десятков мкс). Для выключения тиристора достаточно приложить обратное напряжение или снизить ток в цепи до нуля.

На рисунке изображена ВАХ управляющего перехода тиристора:

Заштрихованная область ВАХ соответствует пределам допустимой мощности сигнала управления для обеспечения гарантированного отпирания тиристора. Нижние границы учитывают температуру полупроводникового элемента. В зависимости от длительности управляющего сигнала изменяется верхняя граница допустимой мощности сигнала (P_ДОП). Вторая ВАХ определяет границы максимальной температуры и минимального сопротивления управляющего p-n перехода, первая ВАХ определяет границы минимальной температуры и максимального сопротивления управляющего p- n перехода.

Существуют требования к динамическим параметрам тиристора: скорости изменения прямого тока тиристора di_пр/dt и скорости изменения прямого напряжения тиристора dU_пр/dt. Для регулирования скорости изменения тока последовательно с тиристором включают уравнительный реактор. Достаточно одного витка в дросселе, чтобы ограничить скорость нарастания тока, поэтому на проводник надевается ферритовое кольцо.

При увеличении скорости изменения прямого напряжения U_пр, может возникнуть самопроизвольное включение элемента.

Для ограничения скорости нарастания прямого напряжения параллельно тиристору включается RVDC-цепь. Конденсатор ограничивает уровень всплесков напряжения, что исключает возникновение аварийного режима (перенапряжения), а диод обеспечивает рекуперацию энергии.

На рисунке показана схема, формирующая управляющий сигнал на тиристор.

Трансформатор T обеспечивает гальваническую развязку силовой цепи и системы управления и повышает уровень напряжения управляющего сигнала, транзистор увеличивает мощность сигнала. При подаче управляющего импульса с системы управления на транзисторный ключ VT1 протекает ток по контуру: «+» U₁; первичная цепь трансформатора Т; коллектор- эмиттер VT1; «-» U₁. В цепи намагничивания трансформатора T накапливается реактивная энергия, которая вызывает появления отрицательного выброса напряжения в форме импульса управления. Индуктивность рассеяния и емкостью коллекторного перехода VT1 приводят к появлению всплесков напряжения на «переднем фронте» импульса управления (переходный процесс). Во избежание «ложного» включения тиристора во вторичной цепи трансформатора установлены: выпрямительный диод VD1 и диод рекуперации VD2.

Симметричный управляемый выпрямитель (однофазный, двухтактный)

На рисунке показана принципиальная схема симметричного управляемого выпрямителя и временные диаграммы токов и напряжений.

На интервале времени [0; p] к тиристорам VS1 и VS4 приложено прямое положительное напряжение. В момент времени a1 на управляющий электрод этих тиристоров подается импульс управления. Тиристоры открываются, во вторичной обмотке трансформатора наводится ЭДС и напряжение U2 передается в нагрузку. При работе на активную нагрузку в момент p (из-за снижения анодного тока ниже тока удержания) происходит запирание тиристоров VS1 и VS4 . На интервале [p; p+a2] в нагрузке напряжение равно нулю, т.к. происходит задержка подачи управлющего импульса на угол a2.

При работе на индуктивную нагрузку (ключ S разомкнут) на интервале [p; p+a2] отрицательное напряжение U2 передается в нагрузку. Ток в цепи выпрямителя (I_L) имеет положительное значение и тиристоры VS1, VS4 остаются в открытом состоянии; тиристоры VS2, VS3 не открылись, т.к. на них не поступили управляющие импульсы. На этом интервале происходит рекуперация реактивной энергии дросселя в источник U₁. Этот режим называется инверторным режимом работы выпрямителя. Появление отрицательного «выброса» напряжения в составе выпрямленного напряжения снижает его уровень. Для исключения этого явления используют обратный диод, включенный параллельно нагрузке или переходят к несимметричной схеме выпрямителя.

Регулировочная характеристика управляемого выпрямителя

Регулировочная харктеристика управляемого выпрямителя — это зависимость средневыпрямленного значения напряжения U_0a от угла регулирования a. Для стабилизации выходного напряжения в управляемом выпрямителе используют фазовый способ регулирования. При возрастании входного напряжения U₁ или уменьшении тока нагрузки увеличивают угол регулирования a для поддержания постоянства напряжения в нагрузке U_0a в заданных пределах.

Диапазон регулирования в управляемых выпрямителях определяется следующими параметрами:

нестабильностью входного напряжения U₁;
диапазоном тока нагрузки (I_0min; I_0max);
характером нагрузки (активная, активно- индуктивная нагрузка);
допустимым минимальным значением угла регулирования, который зависит от дрейфа фазного напряжения, инерционности системы управления, динамических параметров тиристоров;
температурной зависимостью параметров полупроводников.

Для построения регулировочной характеристики получим выражение для средневыпрямленного напряжения при активной нагрузке:

При активно- индуктивной нагрузке:

При индуктивной нагрузке в симметричной схеме выпрямителя диапазон регулирования выходного напряжения уменьшается в два раза. Графическая зависимость 2 (см. рисунок ниже) соответствует «прерывистому» режиму тока дросселя (из-за малой величины тока нагрузки или малой индуктивности фильтра). Величина энергии, накапливаемой в дросселе равна W_ЭЛ = (L*I_L²)/2. Ток в цепи выпрямителя спадает до нуля раньше, чем приходит управляющий импульс на тиристоры, что уменьшает интервал воздействия отрицательного напряжения на нагрузку. Следовательно, увеличится уровень средневыпрямленного значения напряжения.

Графическая зависимость 1 соответствует непрерывному режиму тока дросселя. Величина индуктивности дросселя должна быть достаточно большой, чтобы во всем диапазоне изменения тока нагрузки обеспечивался непрерывный режим его протекания.

При проектировании управляемого выпрямителя рассчитывается диапазон изменения угла регулирования [amax; amin].

Максимальный угол регулирования (a_max) определяется для регулировочной характеристики при максимальном отклонении входного напряжения при заданном уровне выходного напряжения. Необходимо учитывать потери на токораспределительной сети и на внутреннем сопротивлении выпрямителя. Минимальный угол регулирования (a_min) должен учитывать «дрейф» фазы в силовой цепи, системы управления. Он определяется при минимальном уровне входного напряжения.

Симметричный выпрямитель с обратным вентилем

На рисунке изображена принципиальная схема симметричного выпрямителя с обратным диодом. При положительном уровне входного напряжения U1 и подачи управляющего импульса на тиристоры VS1 и VS4 с фазовой задержкой на угол a, происходит открывание тиристорных ключей, во вторичной цепи наводится ЭДС и напряжение U₂ передается в нагрузку. В дросселе сглаживающего фильтра накапливается реактивная энергия. На интервале [p; p+a] происходит рекуперация реактивной энергии через обратный диод VD в нагрузку. Тиристорные ключи VS1 и VS4 закрываются и отрицательный полуволна напряжения U₂ не передается в нагрузку.

К достоинствам данной схемы относятся: широкий диапазон регулирования выходного напряжения (a_max =180°); высокий уровень выходного напряжения. Недостатки схемы: большее количество элементов силовой цепи по сравнению с симметричной схемой без обратного диода и несимметричной схемой. Последнее увеличивает габариты устройства и снижает его надежность.

Несимметричный выпрямитель

В промышленности нашла широкое распространение несимметричная схема выпрямления из-за ряда достоинств: простота управления; широкого диапазона регулирования выходного напряжения; высокого уровня выходного напряжения; высокой надежности; малых габаритов.

На интервале [a; p] ток дросселя протекает по контуру: «+» U₂; диод VD1; сопротивление нагрузки (LН; RН); тиристор VS2; «-» U₂. Происходит накопление реактивной энергии в дросселе фильтра. На интервале [p; p+a] происходит рекуперация реактивной энергии дросселя в нагрузку по контуру, изображенному красным цветом (через включенные VS2 иVD2). Этот контур возникает потому, что произошла смена полярности напряжения U₂ и к диоду VD2 прикладывается прямое падение напряжение, он открывается. Тиристор VS2 еще не закрылся, т.к. анодный ток не снизился ниже тока удержания (из-за влияния дросселя), а тиристор VS2 не включился, так как не пришел управляющий импульс.

Структурная схема системы управления

Существует две структуры построения системы управления (СУ) в управляемых выпрямителях:

одноканальная, где формирование сигналов управления происходит в общем канале, а на выходе канала выполняется распределение импульсов управления по каналам. Такая структура используется при большой асимметрии в трехфазных системах. Достоинством одноканальной структуры является: простота системы управления, недостатком — низкое быстродействие и плохое качество стабилизации выходного напряжения выпрямителя.
многоканальная, в которой все каналы построены по одной структуре . Достоинством многоканальной схемы является: высокое быстродействие и качество стабилизации напряжения в нагрузке, широкий диапазон регулирования. Не допускается использование данной структуры при асимметрии фазных напряжений в трехфазной системе. Эта схема более дорогостоящая по сравнению с предыдущей.

Требования к системе управления:

Необходима синхронизация управляющих сигналов с напряжением питающей сети, что легко реализуется введением дополнительной обмотки силового трансформатора во вторичной цепи для питания СУ (смотрите ниже схему СУ).
Обеспечение диапазона регулирования выходного напряжения с учетом всех дестабилизирующих факторов, что обеспечивается подбором параметров пилообразного напряжения («размаха») в системе управления при использовании метода широтно-импульсной модуляции для стабилизации выходного напряжения.
Мощность импульсов управления должна соответствовать паспортным данным тиристоров для обеспечения гарантированного включения элементов.
Должна обеспечивать гальваническую развязку силовой цепи и СУ. С этой целью используется синхронизирующий входной трансформатор и выходной импульсный трансформатор.
Должна исключать вероятность возникновения режима сквозных токов, обусловленного инерционностью элементов силовой цепи и системы управления. Для этого подбирается определенная длительность синхроимпульсов.
Должна блокировать подачу управляющих сигналов на тиристор во избежание возникновения аномальных режимов работы силовой цепи.
Должна исключать помехи со стороны входных цепей во избежания ложных включений тиристоров. Это обеспечивается введением помехоподавляющих фильтров на входе каналов.

На рисунке изображены графические зависимости для напряжений СУ.

За счет выполнения трансформатора со средней точкой, напряжения U₂₁ и U₂₂ сдвинуты по отношению друг другу на 180 градусов. Прямоугольные импульсы напряжения на выходе тактового генератора формируются посредством сравнения фазного напряжения с эталонным напряжением (U_пор), которое значительно ниже по уровню относительно фазного напряжения. Синхроимпульсы формируются в момент прохождения входного напряжения через ноль. Длительность синхроимпульса выбирается с учетом времени выключения тиристора и минимального угла регулирования выходного напряжения. За интервал прохождения синхроимпульса конденсатор, установленный в цепи генератора пилообразного напряжения должен успеть разрядиться до минимального уровня (U_по). На конечном фронте синхроимпульса наступает процесс заряда кондесатора в цепи генератора пилообразного напряжения. Постоянная цепи заряда кондесатора должно быть больше периода коммутации тиристорных ключей для обеспечения высокого качества стабилизации напряжения на выходе выпрямителя.

При увеличении входного напряжения U₁ в первоначальный момент времени из-за инерционности системы управления происходит увеличение напряжения на выходе выпрямителя и напряжения обратной связи (снимаемого с нижнего плеча делителя напряжения R_Д2). При сравнении напряжения обратной связи с пилообразным напряжением в компараторе напряжения уменьшается площадь, отсекаемая напряжением U_ос, что приводит к уменьшению длительности широтно- модулированного сигнала. На выходе дифференцирующего звена фиксируется начало и конец ШИМ — сигнала и происходит смещение положительного импульса напряжения на угол a (больший, чем в предыдущем периоде). Усилитель мощности формирует положительный импульс напряжения определенной мощности, необходимой для гарантированного включения тиристора. Трансформаторы Т, Т1 и Т2 обеспечивают гальваническую развязку по входу и выходу. Сигналы управления на выходе системы управления UVS1 и UVS2 приходят с большим фазовым сдвигом по отношению к точке естественной коммутации (a=0), что приводит к уменьшению уровня выпрямленного напряжения, то есть оно восстанавливается.

6. Стабилизаторы в цепи постоянного тока

Параметрический стабилизатор напряжения

Основные понятия и определения

В параметрических стабилизаторах напряжения режим стабилизации осуществляется за счет нелинейности вольтамперной характеристики (ВАХ) регулирующего элемента. От ВАХ зависит качество стабилизации. В параметрических стабилизаторах напряжения находят применение элементы, ВАХ которых представлена на рисунке.

Степень нелинейности ВАХ на рабочем участке ВС оценивается отношением динамического и статического сопротивлений.

Статическое сопротивление R_С — это сопротивление, которое оказывает нелинейный элемент постоянному по величине току в выбранной рабочей точке А характеристики: R_С=U₀/I₀=tga.

Динамическое сопротивление элемента R_Д равно отношению изменения падения напряжения на элементе DU к изменению величины тока, протекающего через элемент DI. Динамическое сопротивление является тем сопротивлением, которое оказывает элемент изменениям протекающего через него тока: R_Д=DU/DI=tgb.

Статическое и динамическое сопротивления не равны между собой и изменяются в зависимости от величины напряжения и тока : Ða < Ðb; R_С>R_Д.

В качестве нелинейных элементов в параметрических стабилизаторах напряжения используются газоразрядные и кремниевые стабилитроны. Схемы параметрических стабилизаторов с использованием стабилитронов применяются для стабилизации напряжения при мощности в нагрузке до нескольких ватт. Достоинство таких схем — простота исполнения и малое количество элементов, недостаток — отсутствие плавной регулировки и точной установки номинального значения выходного напряжения, кроме этого, у таких схем мал к.п.д..

Схема стабилизатора состоит из гасящего сопротивления R_Г, включенного последовательно с нагрузкой, и стабилитрона VD, включенного параллельно нагрузке.

Рассмотрим принцип действия данного стабилизатора.

На рисунке изображены ВАХ стабилитрона и нагрузки. Так как сопротивление нагрузки и стабилитрон включены параллельно, то для построения суммарной характеристики необходимо сложить характеристики сопротивления R_Н (прямая ОА ) и стабилитрона VD по оси токов. Полученная кривая представляет собой зависимость U₂=f(I_Н+I_СТ). Рабочий участок этой кривой получается смещением характеристики стабилитрона на величину тока нагрузки I_Н. Отложив на оси ординат величину входного напряжения U₀, строим из этой точки характеристику сопротивления R_Г. Точка пересечения этой характеристики с суммарной характеристикой сопротивления нагрузки и стабилитрона определяет установившийся режим для данной величины входного напряжения. При изменении входного напряжения характеристика сопротивления R_Г перемещается и соответственно перемещается рабочая точка на суммарной характеристике U₂=f(I_Н+I_СТ).

Как видно из рисунка, при изменении входного напряжения от U_1MIN до U_1MAX напряжение на сопротивлении нагрузки изменятся от U₂₍₁₎ до U₂₍₂₎, причем изменение выходного напряжения DU₂ значительно меньше изменения напряжения на входе DU₁.

Для определения основных показателей качества параметрического стабилизатора постоянного напряжения представим его функциональной схемой для изменений напряжения на входе.

Считая, что стабилизатор нагружен на активное сопротивление R_Н, изменение DU₁ является медленным и дифференциальное сопротивление стабилитрона неизменно в пределах рабочего участка характеристики стабилитрона. Тогда, передаточная функция, связывающая возмущение на входе DU₁ с реакцией на выходе DU₂, представляется коэффициентом деления

(1)

Преобразуя (1), имеем

(2)

Из (1) определяем

(3)

Отношение DU₁/DU₂ является дифференциальным коэффициентом стабилизации K_СТ.Д., который связан с коэффициентом стабилизации K_СТ.U выражением

(4)

где K₀=U₂/U₁— коэффициент передачи постоянной составляющей напряжения стабилизатора.

Компенсационные стабилизаторы напряжения

Компенсационные стабилизаторы напряжения в зависимости от места расположения регулирующего элемента (РЭ) разделяются на стабилизаторы с последовательным и параллельным включением РЭ. На рисунке представлена функциональная схема стабилизатора напряжения с последовательным РЭ.

Силовая цепь стабилизатора представляет из себя регулирующий элемент (РЭ) и нагрузку (R_Н). За счет изменения падения напряжения на РЭ поддерживается постоянство напряжения на нагрузке U₂. Цепь отрицательной обратной связи по напряжению (ООС) включает в себя: делитель напряжения (ДН), усилитель постоянного тока (УПТ), источник эталонного напряжения (U_ЭТ). Напряжение обратной связи (U_ОС) снимается с нижнего плеча ДН (R_Д2) и подается на вход УПТ, где происходит сравнение U_ОС и U_ЭТ. В УПТ усиливается разностное напряжение ( сигнал ошибки Ue=U_ОС-U_ЭТ), что приводит к изменению тока управления (I_У) и изменению падения напряжения на РЭ (DU_РЭ). Напряжение на выходе (U₂) при этом восстанавливается до своего первоначального значения. Например, при возрастании напряжения на входе (U₁) или уменьшении тока нагрузки происходит увеличение сигнала ошибки (Ue), уменьшение тока управления (I_У) и увеличение напряжения на РЭ и восстановление напряжения на нагрузке.

Схема имеет более высокий КПД по сравнению со стабилизатором напряжения с параллельным РЭ. Недостатком схемы является невысокая надежность из-за возможных перегрузок РЭ по току.

Рассмотрим функциональную схему стабилизатора напряжения с параллельным РЭ:

При возрастании входного напряжения U₁ в первоначальный момент времени увеличивается напряжение на нагрузке U₂ и, следовательно U_ОС. Последнее приводит к возрастанию напряжения ошибки Ue, тока управления I_У и потребляемого тока I1. При этом увеличивается падение напряжения на балластном резисторе DU_Rб и напряжение в нагрузке восстанавливается, т.е. уменьшается.

Схема имеет невысокий КПД изза потерь на балластном резисторе R_б, но более высокую надежность, т.к. так как силовой транзистор включен параллельно по отношению к нагрузке и не подвергается воздействию при коротких замыканиях.

Принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения

На рисунке представлена принципиальная схема компенсационного стабилизатора непрервного действия с последовательным РЭ. Регулирующий элемент выполнен на транзисторе VT1, УПТ на транзисторе — VT2, источником эталлоного напряжения служит стабилитрон VD, резистор R₂ ограничивает ток стабилитрона. Делитель напряжения выполнен на резисторах R₃, R₄.

При возрастании напряжения U₁ в первоначальный момент времени возрастает напряжение на нагрузке U₂ и напряжение обратной связи U_ОС, снимаемое с нижнего плеча делителя напряжения R₄. Напряжение ошибки Ue увеличивается, потенциал эмиттера транзистора VT2 остается постоянным, а потенциал базы становится наиболее положительным. Транзистор VT2 открывается, что приводит к увеличению тока I_K2. По закону Кирхгофа для узла:

I_б1=I₁-I_K2, поэтому ток базы транзистора VT1 уменьшается и транзистор призакрывается. Падение напряжения DU_КЭ1 увеличивается, а напряжение в нагрузке восстанавливается.

Рассмотрим перемещение рабочей точки на выходных характеристиках транзистора (РЭ) при возрастании входного напряжения. При этом нагрузочная прямая перемещается параллельно вправо по отношению к нагрузочной прямой для номинального уровня U_1ном.

При возрастании напряжения U₁ катет прямоугольного треугольника U₂ остается постоянным, изменяется падение напряжения DU_КЭ1=U₁-U₂. Рабочая точка переходит из положения «1» в «2».

Рассмотрим принцип действия компенсационного стабилизатора при изменении тока нагрузки.

При возрастании тока нагрузки возрастает потребляемый ток от источника I_К1, что приводит к увеличению падения напряжения на РЭ — DU_КЭ1 и уменьшению напряжения на нагрузке. Рабочая точка переходит из положения «1» в «2» и происходит приоткрывание транзистора VT1 за счет увеличения тока базы. Напряжение на нагрузке восстанавливается.

Способы повышения качества стабилизации в компенсационных стабилизаторах непрерывного действия

Существуют следующие способы повышения качества стабилизации в компенсационных стабилизаторах непрерывного действия:

1. Увеличение коэффициента усиления по постоянному току за счет использования в качестве УПТ вместо транзистора операционного усилителя. При этом повышается коэффициент стабилизации за счет увеличения коэффициента усиления, но снижается устойчивость системы с замкнутой ООС. Включение цепей коррекции (интегродифференцирующих звеньев) исключает частотные изменения коэффициента усиления и повышает устойчивость. На рисунке приведена схема компенсационного стабилизатора с параллельным РЭ и операционным усилителем. При возрастании напряжения U₁ в первоначальный момент времени увеличивается напряжение на нагрузке U_Н. Это приводит к увеличению напряжения обратной связи и повышению положительного потенциала на базе транзистора VT1. Транзистор VT1 приоткрывается, возрастает ток, потребляемый от источника U₁, увеличивается падение напряжения на балластном резисторе R₁ и напряжение на нагрузке восстанавливается.

Для увеличения коэффициента усиления УПТ можно увеличить сопротивление нагрузки R₁ и, соответственно, напряжение питания и подавать его на УПТ от отдельного внешнего источника с большим уровнем напряжения.

2. Введение токостабилизирующего звена в выходной цепи УПТ, при этом исключается влияние изменений входного напряжения на выходной ток усилителя.

При возрастании входного напряжения U₁ напряжение на стабилитроне VD1 остается постоянным, что позволяет поддерживать постоянство напряжения между базой и эмиттером транзистора VT1. При этом выходной ток стабилизатора тока (I_K1) остается постоянным. Поэтому выходной ток УПТ становится зависимым только от уровня напряжения обратной связи.

3. Введение дополнительных источников эталонного напряжения, которые устанавливаются в цепи эмиттера и базы транзисторного усилителя, при этом повышается чувствительность стабилизатора.

Функциональная схема импульсного стабилизатора постоянного напряжения

Импульсный стабилизатор напряжения включает в себя РЭ (VT1), сглаживающий фильтр (LC), схему управления.

Силовой контур импульсного стабилизатора имеет три состояния. При подаче управляющего импульса (U_ШИМ) на силовой транзисторный ключ VT1 происходит передача напряжения источника питания U₁ через открытый транзистор в нагрузку. Накапливается реактивная энергия в дросселе сглаживающего фильтра L. При размыкании ключа (на интервале паузы широтно модулированного (ШИМ) сигнала) энергия дросселя передается через обратный диод VD в нагрузку. Если на интервале паузы ток дросселя спадает до нуля, то возникает режим прерывистого тока дросселя, при котором конденсатор разряжается в нагрузку. Схема управления включает в себя: делитель напряжения (R₅, R₆) с коэффициентом деления K₁=R₆/(R₅+R₆); усилитель сигнала рассогласования с коэффициентом передачи K₂ (Ue=U_ОС-U_ЭТ); компаратор напряжения K₃, который формирует ШИМ — сигнал. Он равен «1», если уровень пилообразного напряжения больше уровня напряжения U_ОС. При возрастании входного напряжения U₁ уменьшается площадь между уровнем напряжения «пилы» и U_ОС, что приводит к уменьшению по длительности ШИМ- сигнала. Среднее значение напряжения на выходе при этом уменьшается, т.е. U₂ восстанавливается.

Коэффициент стабилизации компенсационного стабилизатора напряжения

Компенсационный стабилизатор — это система автоматического регулирования с ООС.

Дестабилизирующими факторами для выходного напряжения являются изменение тока нагрузки, температурный режим нелинейных элементов и изменение напряжения на входе. На выходе схемы сравнения получаем сигнал ошибки, как разность управляющего сигнала и эталонного напряжения. По сигналу ошибки Ue изменяется состояние РЭ, засчет чего поддерживается постоянство напряжения на выходе U₂. Качество стабилизации компенсационного стабилизатора определяется значением петлевого коэффициента усиления К_пет:

где К₁— коэффициент передачи делителя цепи обратной связи;

К₂=b₁*b₂*** b_n— коэффициент усиления по току составного транзистора УПТ, если в качестве УПТ используется операционный усилитель, то

Для компенсационных стабилизаторов напряжения непрерывного действия — К₃=b₁*b₂*** b_n— коэффициент усиления по току составного транзистора РЭ.

Для компенсационного стабилизатора напряжения импульсного действия:

, где Uпм — размах пилообразного напряжения генератора пилы.

8. Инверторы напряжения

Принцип инвертирования напряжения

Для построения схемы инвертора напряжения воспользуемся принципом дуальности. Инвертор является устройством, противоположным выпрямителю, т.к. он преобразует напряжение постоянного тока в разнополярное напряжение прямоугольной или синусоидальной формы. Поменяем местами источник с нагрузкой в схеме выпрямителя и получим схему инвертора напряжения:

Для формирования двухполярного напряжения необходимо определенным образом управлять ключевыми элементами. Обеспечить стабилизацию (регулирование) напряжения на выходе инвертора можно изменением длительности импульсов управления ключами в зависимости от дестабилизирующих факторов.

Транзисторный двухтактный инвертор напряжения с самовозбуждением

Транзисторный инвертор с насыщающимся трансформатором

На рисунке представлена принципиальная схема транзисторного инвертора напряжения с насыщающимся трансформатором, где R₁, R₂ — создают смещение на базе транзисторов VT1 и VT2, работающих в ключевом режиме, конденсатор C — обеспечивает прохождение переменной составляющей напряжения обратной связи, обмотки W_OC1, W_OC2 — образуют цепь положительной обратной связи (ПОС) по напряжению для этого они включены согласно по отношению к обмоткам силового контура W₁₁, W₁₂.

Запуск схемы обеспечивается за счет асимметрии плеч инвертора (транзисторы VT1, VT2 имеют различные ВАХ). Иногда приходится делать принудительный запуск схемы в момент включения, если асимметрия недостаточна для первоначального пуска.

При преобладании коллекторного тока в полуобмотке W₁₁ за счет разностного тока формируется ЭДС с полярностью, указанной красным цветом на рисунке. На выходе инвертора напряжения имеет место положительный сигнал прямоугольной формы. За счет обмотки ПОС происходит приоткрывание VT₁ и призакрывание VT₂. Нарастание коллекторного тока I_К1 имеет лавинообразный характер, которое прекращается при заходе в область насыщения транзистора или трансформатора. Скорость изменения потока (Ф₀) снижается и происходит смена полярности ЭДС во всех обмотках трансформатора T, приоткрывается транзистор VT2 и процессы повторяются. Частота преобразования инвертора определяется выражением:

С увеличением тока нагрузки происходит уменьшение частоты преобразования за счет увеличения потерь на транзисторных ключах. Если рассматривать реальные процессы, то к концу полупериода работы инвертора напряжения происходит «спад» вершины импульса U₂ за счет влияния цепи намагничивания на величину коллекторного тока, что приводит к значительным потерям на силовых ключах. В моменты коммутации ключей возникает переходной процесс, обусловленный индуктивностью рассеяния и емкостью коллекторного перехода транзистора. В начале импульса U₂ имеет место «дребезг» сигнала.

При работе инвертора напряжения на выпрямитель в момент прохождения U₂ через ноль появляется коммутационная задержка, обусловленная влиянием выпрямителя. Для ее ослабления источник напряжения U₁ шунтируется полупроводниковыми диодами по отношению к нагрузке, т.к. в момент переключения диодов (t_выкл>t_вкл) все диоды моста включены.

Транзисторный инвертор с самовозбуждением с коммутирующим трансформатором

Силовой трансформатор T₂ работает в линейном режиме, за счет этого повышается КПД устройства, трансформатор T₁ является коммутирующим и работает с насыщением. Транзисторы VT₁, VT₂ работают в ключевом режиме.

Преобладание тока I_K1, за счет ПОС приводит к лавинному нарастанию этого тока и увеличивается падение напряжения на R_ОС, что влечет уменьшение ЭДС в первичной цепи трансформатора T₁. При заходе трансформатора в область насыщения происходит переключение транзисторов. Достоинством данной схемы является высокий КПД, к недостаткам относится сильная зависимость частоты преобразования от тока нагрузки (увеличение I_н приводит к росту частоты из-за возрастания скорости переключения транзисторных ключей).

Транзисторные инверторы напряжения с внешним управлением

Двухтактные транзисторные инверторы напряжения

Мостовая схема инвертора напряжения

Мостовая схема инвертора напряжения применяется на больших мощностях при повышенном уровне напряжения источника питания. Сигналы управления X1…X4 поступают таким образом, что в каждом полупериоде два транзистора включены, а два других выключены.

Существует два алгоритма управления ключевыми элементами инвертора напряжения: симметричный и несимметричный. На рисунке приведены временные зависимости токов и напряжений для этих двух алгоритмов. Рассмотрим принцип действия инвертора при симметричном алгоритме управления.

При подачи управляющих импульсов X1, X4 на транзисторы VT1, VT4 на интервале времени [t₃ ;t₄] ток протекает по контуру:

«+» U₁ ; коллектор- эмиттер VT1; обмотка трансформатора (T) в первичной цепи; коллектор- эмиттер VT4; «-» U₁. На этом же интервале накапливается реактивная энергия в цепи намагничивания трансформатора T, происходит плавное нарастание тока в первичной цепи по экспоненциальному закону.

На интервале [t₄; t₅] осуществляется рекуперация энергии в источник U₁ через обратные диоды по контуру:

«+» ЭДС (E₁); VD3; противоположное направление по отношению к U₁; VD2; «-» E₁. Тока источника спадает до нуля.

В плече моста инвертора напряжения достаточно управлять одним ключом для осуществления стабилизации напряжения на выходе инвертора (U₂), другой ключ можно удерживать в открытом состоянии, что исключает воздействие инвертора на входной источник. Рассмотрим принцип действия инвертора при несимметричном алгоритме управления.

На интервале времени [t₀; t₂ ] за период работы второго и третьего ключей в цепи намагничивания трансформатора T накопилась реактивная энергия. На интервале [t₂; t₃] происходит рекуперация энергии в нагрузку по контуру:

«+» ЭДС (E₁); VD1; коллектор- эммитер VT3; «-» E₁.
Если на данном интервале ток I₁ не снизился до нуля (т.е. ток не поменял свой знак), то на интервале [t₃; t₄] энергия передается в источник по контуру: «+» ЭДС (E₁); VD1; противоположное направление по отношению к U₁; VD4; «-» E₁, при этом образуется «полочка» в форме напряжения U₂.

Транзисторный инвертор с емкостным делителем напряжения (полумостовой инвертор)

Принцип работы схемы заключается в поочередном подключении транзисторами VT1, VT2 первичной обмотки трансформатора к конденсаторам С₁, С₂. На интервале времени [t₂; t₃] происходит заряд кондесатора С₁ по цепи:

«+»; U₁; С₁; обмотка трансформатора первичной цепи W₁; коллектор- эмиттер VT2; «-» U₁. На этом же интервале происходит разряд конденсатора С₂ по цепи: «+» С₂; обмотка трансформатора первичной цепи W₁; коллектор- эмиттер VT2; «-» U₁.

К достоинствам схемы инвертора можно отнести: малые потери в силовой цепи за счет коммутации одного ключа на каждом такте работы схемы. За счет кондесаторов поддерживается баланс токов в схеме за период работы, что исключает возникновение асимметричного режима намагничивания трансформатора. Кроме того, в этой схеме малый уровень обратного напряжения на ключах, поэтому схема может использоваться при высоких входных напряжениях.

Однотактный транзисторный инвертор напряжения с передачей энергии на прямом ходе

При подаче управляющего сигнала (U_УПР) на базу транзистора VT1 в первичной цепи трансформатора появляется ток. Контур его протекания:

«+» Uвх ; обмотка трансформатора в первичной цепи; коллектор- эмиттер VT1; «-» U₁. На интервале импульса происходит передача энергии в нагрузку через выпрямительный диод VD₁ и накопление реактивной энергии в дросселе сглаживающего фильтра L .

На интервале паузы (1-K_З)T осуществляется рекуперация энергии дросселя L через обратный диод VD₂ в нагрузку, конденсатор С дополнительно сглаживает пульсации.

К достоинствам схемы относятся: простота силовой цепи и системы управления, дешевизна конструкции. отсутствие режима сквозных токов.

Недостатки: ограничения на максимальное значение коэффициента заполнения импульсов K_З, большие габариты сглаживающего фильтра, одностороннее намагничивание сердечника трансформатора.

Транзисторный инвертор с передачей энергии на обратном ходе

При подаче управляющего сигнала на базу транзистора VT1 происходит накопление реактивной энергии E в цепи намагничивания трансформатора T₁. Ток в цепи намагничивания трасформатора протекает по контуру:

«+» U_вх ; обмотка трансформатора первичной цепи; коллектор- эмиттер VT1; «-» U₁. При этом выпрямительный диод VD1 закрыт, конденсатор фильтра разряжается в нагрузку. На интервале паузы происходит передача энергии намагничивания в нагрузку через выпрямительный диод VD1.

К достоинствам схемы относятся: простота силовой цепи и системы управления, дешевизна конструкции, отсутствие режима сквозных токов.

9. Корректор коэффициента мощности

Корректор коэффициента мощности (ККМ) или буст – конвертор предназначен для активной фильтрации тока сети. ККМ приближает фазовый сдвиг между током и напряжением источника к нулю и формирует синусоидальную форму тока потребляемого от сети. ККМ является промежуточным звеном в схеме импульсного источника питания, включенным между выходом входного выпрямителя и входом конвертора напряжения. Он относится к повышающим импульсным стабилизаторам напряжения, т.к. напряжение на выходе выше, чем напряжение на входе ККМ за счет энергии, накопленной в дросселе L_ккм за период открытого состояния ключа VT.

При подачи управляющего импульса на VT ток протекает по контуру: “+” U₁ через открытый диод выпрямителя; L_ккм; сток- исток полевого транзистора VT; резисторный шунт R_s; открытый диод выпрямителя; “- “ U₁. На интервале открытого состояния ключа происходит нарастание тока в дросселе по линейному закону до достижения некоторой величины, определяемой средневыпрямленным напряжением с учетом коэффициента пропорциональности (U1 = K1· U_зад). Максимальный ток ключа также контролируется на R_s. В блоке K1 происходит сравнение напряжения обратной связи, снимаемого с R_д2 и сигнала с датчика тока (R_s). На интервале паузы происходит спадание тока до нуля по экспоненциальному закону. В момент равенства тока нулю подается импульс управления на VT. В ККМ используется два способа модуляции: широтно- импульсный (ШИМ) и частотно-импульсный (ЧИМ).

Для выполнения дополнительной функции – стабилизации выходного напряжения ККМ вводится дополнительный делитель R_ос1, R_ос2и перемножитель напряжения выпрямленного и выходного ККМ.

При проектировании ККМ необходимо учитывать отклонение входного напряжения сети от номинального уровня. Напряжения на выходе корректора выбирается при максимальном значении коэффициента заполнения таким образом, чтобы при минимальном уровне напряжения сети коэффициент заполнения был не менее 0,2…0,3. При питании от сети 220В, максимальный уровень на выходе корректора равен 400В для обеспечения запаса по регулированию при фильтрации тока сети. При высокой частоте коммутации ключа (50 кГц…1мГц) огибающая по ступенчатому уровню тока первой гармоники приближается к синусоидальной форме, следовательно необходимо выполнять ключевой элемент в схеме ККМ на полевом транзисторе. При использовании корректора в трехфазной сети схема корректора одинаковая в каждой фазе трансформатора.

10. Аккумуляторы (кислотные)

Аккумулятор – это химический источник тока многократного действия. Он способен накапливать, длительно сохранять и отдавать по мере надобности электрическую энергию, полученную от внешнего источника постоянного тока.

Во время заряда, когда внешний источник постоянного тока подключен к аккумулятору, электрическая энергия этого источника превращается в химическую энергию активных веществ, входящих в состав аккумулятора. При разряде, когда внешний источник отключен, а аккумулятор замкнут на сопротивление нагрузки, химическая энергия, накопленная в аккумуляторе, вновь преобразуется в электрическую энергию, которая расходуется нагрузкой. Аккумулятор состоит из положительной и отрицательной пластин, активная часть которых погружена в раствор электролита (водного растовора серной кислоты). Первоначальным материалом положительных и отрицательных электродов аккумулятора является свинец. После заряда аккумулятора на положительном электроде образуется активная масса – двуокись свинца (PbO₂), а на отрицательном – губчатый свинец (Pb). Когда аккумулятор заряжен, концентрация серной кислоты в растворе высокая, т.е. электролит имеет повышенную плотность. Разряд аккумулятора представляет собой электрохимический процесс, при котором двуокись свинца и губчатый свинец превращаются в сульфат свинца (PbSO₄).

Химическая реакция, происходящая в акумуляторе, описывается уравнением:

В процессе заряда сульфат свинца на отрицательных пластинах восстанавливается до губчатого свинца, а на положительных пластинах превращается в двуоксиь свинца. При этом образуется серная кислота и расходуется вода. Концентрация кислоты, т.е. плотность электролита, повышается. Если заряд продолжать дальше, то весь зарядный ток будет расходоваться на разложение воды с бурным выделением образующихся газов — водорода и кислорода.

Электрические харктеристики аккумуляторов

1. Емкость аккумулятора – это количество электричества, которое можно получить от аккумулятора в определенных условиях разряда.

Номинальная емкость аккумуляторов приведенная к условному 10-часовому режиму разряда и температуре среды 20^оС зависит от ряда факторов: тока разряда I_р, времени разряда t_р и соответствующего ему коэффициента отдачи по емкости h_Q, температуры окружающей среды t_ср:

Значения коэффициента отдачи по емкости h _Q приведены в таблице. В таблице указаны также коэффициенты кратности тока h_i, определяющие превышение разрядного тока приведенной величины в 10-часовом режиме разряда (h_i=I_р/ I_р10).

t_р, ч	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1
h_Q	1	0,97	0,94	0,91	0,89	0,83	0,8	0,75	0,61	0,51
h_i	1	1,1	1,15	1,3	1,48	1,66	2,0	2,5	3,05	5,1

2. Номинальное напряжение аккумулятора – это напряжения на выводах полность заряженнного исправного аккумулятора в течение первого часа разряда током 10 – часового режима разряда при температуре электролита 20°С (U_ЭЛ.НОМ =2 В).

Количество элементов в батарее определяется отношением:

В процессе заряда и разряда аккумуляторов напряжение элемента изменяется на ±0,2…0,22 В.

3. Напряжение в конце разряда равно U_ЭЛ.КЗ=(1,75…1,8)В. При разряде аккумулятора токами, превышающими ток 10 – часового режима разряда, напряжение в процессе разряда будет понижаться быстрее, чем в 10 — часовом режиме и дойдет до уровня 1,8В, когда с аккумулятора еще не снята номинальная емкость. В таких случаях показателем окончания разряда является величина напряжения элемента.

4. Величина напряжения при заряде должна быть больше ЭДС, так как зарядному току приходится преодолевать внутреннее сопротивление аккумулятора: U_ЗАР=E+I_З×R_ВН =(2,3…2,35)В.

5. Внутреннее сопротивление аккумулятора R_ВН складывается из сопротивления аккмуляторных пластин, сепараторов и электролита. Внутреннее сопротивление увеличивается по мере разряда в силу уменьшения плотности элетролита, а также в связи с образованием сульфата свинца. Омическое сопротивление полностью заряженного аккумулятора составляет примерно 0,0036 Ом, а в состоянии полного разряда – 0,007 Ом.

6. Плотность электролита заряженного аккумулятора составляет (1,25…1,3) г/ см³ , в состоянии разряда – 1,05 г/ см³.

Современные типы аккумуляторов

Закрытые негерметичные аккумуляторы (ЗНА) выпускают в настоящее время ряд зарубежных фирм. Основными представителями рынка негерметичных аккумуляторов для электросвязи являются CHLORIDE inc., VARTA GmbH, HAGEN GmbH, YUASA Corp., OLDHAM France.

Конструкция (ЗНА) предполагает технологию изготовления, сходную с открытыми аккумуляторами, но обеспечивающую пониженное испарение воды. Газы, выделяющиеся при заряде-разряде собираются в резервуаре над слоем электролита.

Широкое распространение на практике получила “прозрачная” конструкция кислотных аккумуляторов. Она практически едина для разных фирм-изготовителей. Корпус аккумулятора изготавливается из прозрачного ударопрочного материала, в верхней части корпуса имеется транспортная (заливная) пробка. В закрытом состоянии эта пробка обеспечивает газообмен внутренней полости аккумуляторного элемента с окружающей средой. После извлечения пробки обеспечивается доступ к поверхностному слою электролита и к верхним частям пластин.

Благодаря описанной конструкции возможно:

визуально контролировать уровень электролита в каждом элементе батареи и его чистоту;

определять сульфатацию торцов пластин;

наблюдать “кипение” электролита при заряде;

ареометром проверять плотность электролита;

делать отбор электролита на лабораторный анализ

Тем не менее не представляется возможным наблюдать сульфатацию и коробление внутренних пластин, сравнивать и измерять, делать анализ глубинных слоёв электролита, хотя в технических описаниях указывается, что состав электролита, сульфатация и деформация пластин внутри объёма аккумуляторного элемента различны.

Все ЗНА можно условно разделить на два типа:

А) Конструкция с избыточным объёмом электролита –обеспечивает запас на “выкипание”, так что долив электролита необходим примерно 1 раз в год.

Б) Конструкция с доливом воды –аналогична закрытой конструкции, но предполагает в дополнение наличие резервуара с дистиллированной водой, снабжённого мерным клапаном. При понижении уровня электролита клапан открывается и происходит пополнение аккумуляторного бака. Плотность электролита при этом не регулируется, и, вследствие частичной летучести серной кислоты, происходит разбавление электролита.

Все современные негерметичные конструкции не рассчитаны на разборку и ремонт. Вскрытие возможно лишь путём нарушения целостности корпуса с опасностью последующего протекания электролита.

Герметичные аккумуляторы с рекомбинацией газа

Наличие отмеченных выше недостатков “классических” аккумуляторов привело к созданию герметичных аккумуляторов (ГА) с рекомбинацией газа и регулированием газовыделения. В зарубежной литературе они получили название VRLA (Valve Regulated Lead Acid). В настоящее время, благодаря новым техническим решениям, ГА обладают в 8…9 раз большей энергией на единицу массы по сравнению с открытыми.

Конструкция герметичных аккумуляторов

В отличие от негерметичных ГА изготавливаются из непрозрачной пластмассы. На верхней крышке расположены выходные клеммы и регулирующий клапан (Valve). Часто регулирующий клапан скрыт декоративно-защитной панелью и обнаружить его трудно. Регулирующий клапан имеет принципиальное отличие от пробки негерметичного аккумулятора, хотя в некоторых моделях выглядит как заливная пробка.

Следует отметить, что замена и пополнение электролита в ГА невозможны, равно как и контроль плотности электролита и сульфатации пластин. В этом смысле герметичные аккумуляторы относятся к “безуходным”, неремонтопригодным элементам.

Регулирующий клапан осуществляет одностороннее пропускание газов из бака аккумулятора наружу, но препятствует проникновению газообразных и иных примесей внутрь бака. Избыточное давление, создаваемое внутри бака регулируется клапаном и способствует протеканию процессов рекомбинации газа. Кроме того, клапан выполняет защитную функцию – предохраняет бак от разрушения повышенным внутренним давлением при кипении электролита.

ГА различаются способом абсорбции (связывания) электролита и газов. Из анализа технических описаний герметичных аккумуляторов таких фирм как YUASA, CHLORIDE, VARTA, HAGEN, OLDHAM France, выделено два типа связывания электролита:

А) Пропитка микропористого (стекловолоконного) сепаратора (МС) сернокислотным электролитом. Капиллярная структура сепаратора предотвращает вытекание электролита. По такому принципу строятся аккумуляторы фирм OLDHAM France, YUASA и CHLORIDE.

Б) Электролит с желеобразным силиконом, нетекучей, вязкой консистенции. Сепаратор в этом случае изготавливается аналогично “классическим” аккумуляторам. По такому принципу строятся аккумуляторы VARTA и HAGEN.

Стекловолоконный МС плотно прилегает к пластинам и препятствует их осыпанию, выполняя роль “опалубки” для активной массы.

Желеобразный электролит используется совместно с сепараторами сетчатой или гофрированной конструкции, поэтому процессы осыпания пластин в желейных (гельных) аккумуляторах более интенсивны. Технологически желе-технология более дешева, однако, технические характеристики аккумуляторов уступают элементам с микропористым сепаратором.

11. Промышленные выпрямительные устройства

Функциональная схема выпрямителя серии ВУК.

Схема выпрямителя включает в себя трехфазный силовой трансформатор, трехфазный мостовой выпрямитель и двухзвенный LC сглаживающий фильтр. Выпрямитель работает в двух режимах.

режиме стабилизации напряжения, который необходим для питания основного оборудования и заряда аккумуляторных батарей,

режиме стабилизации тока для заряда АБ после аварии.

Стабилизация тока и напряжения осуществляется в цепи переменного тока. Выпрямительное устройство можно отнести к типу стабилизаторов с последовательным регулирующим элементом (дроссель управления — ДУ) непрерывного действия. В ДУ происходит изменение индуктивного сопротивления обмоток трансформатора (A,B,C) за счет подмагничивания сердечника обмоткой подмагничивания (ОП). Рассмотрим режим стабилизации напряжения при изменении напряжения на входе: при увеличении U_вх в первый момент времени увеличивается U_вых, что приводит к увеличению U_ос, снимаемого с нижнего плеча делителя напряжения R₁, R₂. При этом увеличивается U_ошибки в результате сравнения с эталонным напряжением ОС. Это приводит к уменьшению тока управления на выходе УПТ (усилитель постоянного тока) и увеличению индуктивного сопротивления в каждой фазе ДУ, увеличивается падение напряжения на регулирующем элементе(ДУ) и напряжение на выходе восстанавливается, то есть уменьшается. В режиме стабилизации тока информация об изменении тока в нагрузке снимается в первичной цепи с трансформатора тока, далее через выпрямительное устройство напряжение обратной связи, пропорциональное величине тока, поступает на вход УПТ, при возрастании тока в нагрузке может произойти разрушение элементов АБ, если он превысит допустимую норму на элементе, поэтому происходит ограничение величины тока за счет увеличения сопротивления в дросселе управления.

12. Принципиальная схема двухтактного преобразователя постоянного напряжения на базе микросхемы 1169ЕУ1

Микросхема 1169ЕУ1 (рисунок 1) включает набор функциональных блоков, предназначенный для построения двухтактного импульсного источника питания. Микросхема включает усилитель ошибки, масштабный усилитель, регулируемый генератор, компаратор регулировки “мертвого” времени, ШИМ-компаратор, счетный и RS-триггеры, источник опорного напряжения (ИОН) и выходные каскады для управления мощными транзисторами. Микросхема представляет возможность для реализации различного вида защитных функций, необходимых в двухтактном импульсном источнике питания, а также возможность реализации плавного запуска и блокировку при понижении напряжения питания. Допускается синхронизация встроенного генератора внешним сигналом.

Рисунок 1. Структурная схема микросхемы 1169ЕУ1

(IN) — неинвертирующий вход УС ошибки;

(IN) — инвертирующий вход ОС;

(M)- изменение масштабирования;

(R_p)- резистор формирования паузы;

(RAMP)-конденсатор формирования пилообразного сигнала;

(R_T) — установка частоты генератора;

(OUT1) — выход 1;

(V_DD)- минус источника питания;

(C_т)- частотозадающий конденсатор;

(OUT2) – выход 2;

(СL) — подключение датчика тока;

(GND)- общий;

(BLK)- отключение ШИМ (блокировка);

(V_cc)- плюс источника питания V_CC1;

(FC)- коррекция усилителя;

(V_REF)-опорное напряжение.

Микросхема1169ЕУ1 может работать как от однопорлярного, так и от двухполярного источника питания. При работе от двухполярного источника питания должна обеспечиваться возможность объединения точки источников питания и микросхемы. На рисунке 2 представлена схема полумостового двухтактного преобразователя.

Рисунок 2. Типовая схема двухтактного ШИМ-преобразователя.

13. Система электропитания

Структурная схема системы электропитания предприятия связи

Предприятия многоканальной электросвязи питаются напряжением как постоянного, так и переменного тока. Существуют следующие градации напряжения:

Электропитание аппаратуры линейно-аппаратного цеха (ЛАЦ) узла связи, а также пунктов регенерации (промежуточных, оконечных и узловых) кабельных и воздушных магистралей связи должно осуществляться напряжением -24В±3%,±10% постоянного тока.
Питание накальных цепей ламповой аппаратуры осуществляется напряжением-21,2В±3%.
Питание анодных цепей аппаратуры дальней связи должны питаться напряжением +206В±3%.
Питание радиорелейных линий связи обеспечивается напряжением –24В±3%,±10%.

При внедрении волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) переходят к уровням напряжения питания : ±48 В, ±400 В и структура системы питания приближается к системе электропитания автоматической электросвязи. Дистанционное питание при этом ликвидируется. В ГОСТе 5237-83 оговариваются требования по качеству питающих напряжений, основные из них: действующее напряжение пульсации в полосе до 300 Гц лежит в диапазоне от 100 до 250 мВ, в полосе частот от 300 Гц до 20 кГц пульсации лежат в диапазоне от 5 до 25 мВ. Существуют также требования к динамическим показателям: напряжение питания может отклоняться от установившегося значения в пределах до +20% за время 0,4 с., при отклонении +40% от установившегося значения за время не более 5 мс.

Требования к системе электропитания

Система электропитания должна

быть эффективной с точки зрения преобразования энергии (высокий к.п.д и коэффициент мощности). Для этого источники электропитания строятся с бестрансформаторным входом по импульсной технологии (высокая частота преобразования);

обеспечивать гарантированную и бесперебойную подачу электроэнергии. Для этого используются резервные источники энергии (аккумуляторные батареи, дизель- генераторные установки, солнечные установки и т.д., а также обеспечивать два ввода);

быть надежной. Это достигается применением различных способов защиты системы питания (предохранительная, контакторная, быстродействующая — электронная). Кроме того, используется резервное оборудование (преобразователи) при параллельной их работе. Внедряется микропроцессорное управление режимами работы системы питания. Для обеспечения области безопасной работы ключевых элементов преобразователей используется режим «мягкой коммутации» и т.д..

предусматриваться возможность модернизации отдельных блоков в течение 5…10 лет без замены основного оборудования;

быть по мере возможности не обслуживаемой. Для этого вводятся компьютерные технологии: в блоке управления имеет место интерфейс и микроконтроллер с выходом на дисплей пользователя.

Структурная схема электроустановки

Электрическая установка – это комплекс сооружений на территории предприятия связи и в производственных помещениях, обеспечивающий функционирование предприятия связи, как в нормальных так и в аварийных режимах его работы.

Электроустановка включает в себя следующее оборудование:

дизель-генераторные установки (ДГУ);

трансформаторные подстанции (ТП);

электропитающие установки (ЭПУ);

система вентиляции и кондиционирования воздуха;

электросети освещения.

ЭПУ – это комплекс оборудования, предназначенного для распределения и резервирования электрической энергии, а также ее регулирование и преобразование для удовлетворения требований по качеству питающих напряжений. ЭПУ включает в себя конверторы напряжения, аккумуляторные батареи, инверторы и токораспределительную сеть (ТРС).

Система питания должна предусматривать два ввода (фидера) от двух независимых трансформаторных подстанций. Трансформаторная подстанция бывает открытого и закрытого типа. Она обеспечивает понижение напряжения от (5…10) кВ до 220/380В.

На трансформаторной подстанции находятся масленые выключатели, которые позволяют размыкать высоковольтные линии электропередачи без снятия нагрузки. Размыкание происходит при прохождении тока через ноль, что позволяет уменьшить уровень перенапряжения. Кожух масляного выключателя заполняется маслом, что позволяет гасить искру. Кроме того, на ТП устанавливаются разъединители, которые представляют собой рубильники с изоляторами. Трансформаторы ТП устанавливаются на изолированных опорах. Вторичные цепи трансформаторов ТП должны быть включены по схеме звезда с нулевым проводом.

АВР — автоматический ввод резерва, осуществляет переключение на резервный фидер в случае проподания напряжения на основном фидере. При выходе из строя обоих фидеров осуществляется подключение дизель- генераторной установки автоматически или ручным способом при помощи размыкателя. Существуют два способа запуска ДГУ: сжатым воздухом или с помощью электрического стартера. Запуск дизеля должен произойти за (1…3) минуты. Разрешается запускать его с помощью стартера до 3-х раз (по 5…6 с). Это обусловлено возможностью выхода из строя стартерных аккумуляторов. Мощность ДГУ лежит в пределах от 8кВт до 1500кВт. В системах электропитания чаще всего используется два ДГУ, один – основной, другой резервный.

ЩПТА – щит переменного тока автоматизированный, обеспечивает ввод и распределение по потребителям токоведущих шин. На передней панели ЩПТА расположены измерительные приборы (вольтметр, амперметр, ваттметр, измеритель cosj) для контроля коэффициента мощности cosj и полной мощности S.

где, S – полная мощность, P – активная мощность; Q – реактивная мощность, Z — составляющая мощности, учитывающая не синусоидальное потребление тока из сети. Полный коэффициент мощности нагрузки c определяется из выражения:

где n — коэффициент, учитывающий не синусоидальность потребляемого тока и равен

j — учитывает фазовый сдвиг первой гармоники тока по отношению к напряжению сети.

Для обеспечения минимальной оплаты за энергопотребление необходимо, чтобы c=1 , при этом также исключается влияние на источник электроэнергии.

Расчет за электрическую энергию осуществляется по показателям, снимаемым с ЩПТА по одна -, двух — или трех — ставочным тарифам в зависимости от мощности потребления и категории предприятия. Одноставочный тариф учитывает только показания ваттметра (P), т.е.расчет производится за 1 кВт электроэнергии по показаниям счетчика. Двухставочный тариф учитывает помимо P расходы за полную мощность S. Трехставочный тариф учитывает три составляющие мощности P,S и Q.

Блок выпрямительного устройства —

преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока и допускает параллельную работу для увеличения тока нагрузки. Существует два режима работы выпрямительного устройства:

режим стабилизации напряжения для питания аппаратуры связи и подзарядки аккумуляторных батарей;

режим стабилизации тока для заряда аккумуляторных батарей после аварии.

Инвертор напряжения —

преобразует напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока прямоугольной или синусоидальной формы и обеспечивает его стабилизацию.

Конвертор напряжения (или преобразователь постоянного напряжения)

– это преобразователь постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня. Конвертор напряжения включает в себя инвертор напряжения и выпрямитель. Промежуточным звеном является — высокочастотный трансформатор. Конвертор напряжения может выполнять одну из двух функций в системе электропитания:

формировать дополнительные градации напряжения;

обеспечивать вольтодобавку к напряжению аккумуляторной батареи при ее саморазряде в аварийном режиме работы системы электропитания.

Аккумуляторная батарея (АБ) – химический источник постоянного тока. Используется в качестве резервного источника энергии в аварийном режиме работы системы электропитания до момента запуска ДГУ.

Контроллер следит за скоростью вращения генератора ДГУ, уровнем напряжения, наличием воздуха, топлива и воды, масла, за давлением масла, которое используется для смазки ДГУ, за повышением температуры воды и т.д. Контроллер также обеспечивает выравнивание токов на выходе выпрямителей для повышения надежности системы, и переход из режима стабилизации тока в режим стабилизации напряжения по информации поступающей от устройств контроля состояния АБ.

Система вентиляции и кондиционирования воздуха (СВ и К) обеспечивает нормальное функционирование (что также повышает надежность системы) преобразователей напряжения, ДГУ, аккумуляторных батарей. СВ и К регулирует процессом охлаждения или подогрева отдельных устройств. При зарядке аккумуляторной батареи происходит выделение газов в окружающую среду, поэтому необходимо производить очистку воздуха для обеспечения нормальной жизнедеятельности персонала. СВ и К обеспечивает циркуляцию воздуха и очистку от вредных примесей.

Модем предназначен для передачи на обработку, информации о состоянии системы электропитания в сервисный центр обслуживания по телефонным каналам.

Режимы работы системы электропитания

Нормальный режим: электропитание аппаратура связи получает по цепи: основной фидер, замкнутый контакт (К1), АВР, ЩПТА, выпрямители и ответвления на конвертор напряжения, инвертор напряжения и аккумуляторную батарею. Если нестабильность сети выходит за нормы допустимые для питающего оборудования или аппаратура связи предъявляет высокие требования к питающим напряжениям переменного тока, то инвертор напряжения включается и в нормальном режиме работы. В этом режиме происходит подзаряд АБ от выпрямителя.

Аварийный режим: до момента запуска ДГУ питание основного оборудования осуществляется от АБ постоянным током. Аппаратура, питающаяся переменным током подключается к инвертору напряжения. При пропадании питания от одного из фидеров сразу же происходит запуск ДГУ. После окончания его запуска питание аппаратуры связи протекает по тому же пути, как и в нормальном режиме (только вместо K1 или K2 замыкается КЗ). После запуска ДГУ происходит отключение АБ.

После аварийный режим: происходит восстановление элементов АБ в режиме стабилизации тока при подключении одного из фидеров.

Модификации системы электропитания в цепи постоянного тока

На предприятиях связи используются три модификации системы электропитания на стороне постоянного тока:

Буферная система электропитания.
С отделенной от нагрузки АБ.
Безаккумуляторная система электропитания.

Буферная система электропитания

Преимуществом буферных систем электропитания является: использование сглаживающих свойств АБ, что значительно уменьшает габаритные размеры сглаживающих фильтров, установленных на выходе БВ.

Недостатком данной системы является воздействие импульсной нагрузки на АБ, что снижает срок службы и, особенно, герметичных аккумуляторов.

Диод (VD), установленный во внешюю цепь необходим для обеспечения непрерывного протекания тока в момент срабатывания контактора К1. Недостатком использования является увеличение потерь в схеме конвертора напряжения. Существуют схемы подключения конвертора напряжения без использования диода, но с двумя контакторами. В такой схеме имеет место более высокий КПД, но при этом снижается надежность системы.

При саморазряде АБ ВДК добавляет недостающую долю напряжения для обеспечения стабилизации напряжения в нагрузке.

В нормальном режиме работы контактор К1 разомкнут, элементы АБ поддерживают нормальное состояние от БВ, одновременно обеспечивается питание основного оборудования от выпрямителя. В аварийном режиме замыкается контактор К1 и выход ВДК соединяется последовательно с АБ, вход ВДК при этом подключается к выходу АБ.

С отделенной от нагрузки АБ

Достоинством данной системы электропитания является отсутствие влияния импульсной нагрузки на работу АБ. К недостаткам можно отнести: низкий КПД основного выпрямителя (ОВ) за счет больших габаритных размеров сглаживающих фильтров и дополнительного выпрямителя- выпрямителя содержания (ВС) элементов АБ.

В нормальном режиме работы системы электропитание аппаратуры обеспечивается за счет ОВ, элементы АБ подзаряжаются от ВС. Устройство управления ключом (УУК) контролирует напряжение в нагрузке. При снижении его ниже допустимой нормы срабатывает электронный ключ (тиристорный или транзисторный) и подготавливается замыкание контактора К1. Преимуществом данной системы является содержание элементов АБ от отдельного выпрямителя, что предоставляет возможность перехода в режим стабилизации по току не только в после аварийном режиме, но и при работе системы на нагрузку.

Безаккумуляторная система электропитания

Данная система электропитания требует наличие не менее трех независимых источников энергии, один из которых дизель- генератор. В этой системе всегда работает парное число выпрямителей (при этом улучшается форма потребляемого тока) и они должны быть загружены не более чем на 50%.

Преимуществом данной системы является простота схемы построения, дешевизна системы.

При выходе из строя одного из фидеров замыкается К2 и выпрямители подключаются к другому фидеру.

Модификации систем питания в цепи переменного тока

(АБП – агрегаты бесперебойного питания)

Существуют следующие модификации систем электропитания в цепи переменного тока:

С переключателем (off line).
Линейно – интерактивная (line interactive).
С гальванической развязкой цепей (on line).
С дельта – преобразованием (on line).

С переключателем (off line)

Преимуществом данной структуры является: низкая стоимость, простота конструкции. К недостаткам можно отнести: низкое качество питающих напряжений из-за отсутствия стабилизаторов напряжения в цепи переменного тока.

В нормальном режиме работы питание осуществляется через фильтры помех ФП1 и ФП2. ФП1 защищает от высоких «бросков» напряжения, возникающих при воздействии молний и переходных процессов при «коротких замыканиях». ФП2 улучшает гармонический состав напряжения (обеспечивает фильтрацию высокочастотных помех). В нормальном режиме АБ подзаряжается от выпрямителя. При прекращении подачи электроэнергии от основного источника напряжения переменного тока U1 аппаратура получает питание от резервного источника энергии — АБ через инвертор напряжения. Переключатель S1 в этом режиме переходит в нижнее положение.

Эта система не предусматривает отключение АБ при достижении минимально допустимого уровня напряжения на элементе АБ, т.е. не предусматривает защиту АБ от глубокого разряда.

Линейно – интерактивная (line interactive)

В нормальном режиме работы аппаратуры получает питание через помехоподавляющий фильтр (ФП), устройство коррекции (УК), ключ S1 находится в разомкнутом положении. УК представляет собой автотрансформатор с отводами, которые переключаются механическими контактами, либо электронными ключами, регулируя тем самым выходное напряжение. УК выполняется иногда в виде феррорезонансного стабилизатора. Аварийный режим совпадает со структурой off line.

С гальванической развязкой цепей (on line)

В нормальном режиме аппаратура получает питание через фильтр помех, выпрямитель, инвертор напряжения и статический переключатель. В данной структуре повышено качество питающего напряжения за счет стабилизации методом широтно- импульсного преобразования в звене инвертора напряжения. Аварийная цепь обеспечивает резервирование основной цепи. Дополнительная цепь, коммутируемая ключом S1 в случае выхода из строя преобразователей или при глубоком разряде АБ, называется обходным путем, т.е. байпасом. Статический переключатель включает в себя электронные ключи (выполненные на транзисторах или паре встречно-параллельных тиристоров, а также контакторов).

С дельта – преобразованием (on line)

При понижении питающего напряжения U1 дельта-инвертор работает как выпрямитель, основной инвертор напряжения выполняет функции инвертора. При повышении напряжения U1 наоборот, блок основного инвертора напряжения работает как выпрямитель, а блок дельта- инвертора как инвертор. Т.е. преобразователи в структуре являются обратимыми устройствами и они оказывают воздействие на входной трансформатор. Достоинством данной системы является высокое качество питающих напряжения, высокий к.п.д. системы.

Примеры решения задач

«Расчет электропитающей установки»

Задача №1

Определить полную мощность трансформатора электропитающей установки и ток, потребляемый электропитающей установкой от сети для следующих исходных данных:
1. Напряжение питания основного оборудования U₀ = 60В, ток потребления от выпрямительного устройства I₀ = 1500А, к.п.д. выпрямителя h_В = 0,87 , коэффициент мощности выпрямительного устройства cosj_В = 0,75;
2. Полная мощность хозяйственных нагрузок S_ХОЗ =35 Ква, cosj_ХОЗ = 0,75.
Определить:
1. Мощность компенсирующих устройств для удовлетворения нормативного значения коэффициента мощности, равного 0,95;
2. Коэффициент снижения потерь в линии за счёт применения компенсирующих устройств.

Решение:

Полную мощность находим через активные мощности

где S2 — полная мощность трансформатора.

При использовании трехфазного трансформатора на каждую фазу приходится мощность, равная:

При соединении трансформатора «звездой» —

При соединении трансформатора «треугольником»:
Рассчитаем мощность компенсирующих устройств для обеспечения cosj_К = 0,95.

По треугольнику мощностей проведем расчет для cosj_К =0,95

Второй способ вычисления компенсирующей мощности:

Таким образом, с учетом погрешностей вычисления мощность компенсатора составляет примерно 24 кВАр.
Линия передачи имеет омическое сопротивление R. Потери в линии определяются квадратом действующего тока:

Задача №2

1. Напряжение питания основного оборудования U₀ = 48В, ток потребления от выпрямительного устройства I₀ =2000А, к.п.д. выпрямителя h_В=0,89;
2. Полная мощность хозяйственных нагрузок S_ХОЗ = 700кВА, cosj_ХОЗ = 0,78;
3. К.п.д. трансформатора h_ТР=0,9.
Произвести расчёт экономии денежных средств с учётом компенсации реактивной мощности.

Решение:

Расчет денежных расходов за энергопотребление проводится по двухставочному тарифу:

где цена С₁=39,2 коп за 1кВт/час, С₂=134,53 руб/кВт в год.

Если реактивную мощность полностью скомпенсировать (cosj =1), то расчет энергопотребления проводится по одноставочному тарифу:

Экономия составляет 114125,835 (руб).

Задача №3

Рассчитать число элементов аккумуляторной батареи (АБ), ее емкость и выбрать конкретный тип по номинальной емкости десятичасового разряда, если:

номинальное напряжение ЭПУ U_0ЭПУ =48В;
суммарный ток разряда I_р =10А;
время автономной работы ЭПУ t_Р = 4 часа;

температура окружающей среды t_СР =15°С.Решение: Число элементов в батарее определяется отношением

(1)

Необходимая номинальная емкость аккумуляторов, приведенная к условному 10 часовому режиму разряда и температуре среды 20^оС зависит от ряда факторов: тока разряда I_р, времени разряда t_р и соответствующего ему коэффициента отдачи по емкости h_Q, температуры окружающей среды t_ср:

(Aч) (2)

Значения коэффициента отдачи по емкости hQ приведены в таблице 1.

Таблица 1

t_р, ч	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1
h_Q	1	0,97	0,94	0,91	0,89	0,83	0,8	0,75	0,61	0,51

Необходимое число элементов в батарее:

N_эл = U_ЭПУ/U_эл = 48/2 = 24.

По таблице 1 находим для t_р =4ч значение коэффициента отдачи по емкости — h_Q = 0,8.

По формуле (2) определяем приведенную величину емкости Q_прив:

Q_прив == 52,083 (АЧч).

По таблице 2 находим, что 10-часовому режиму соответствует аккумулятор 12RG52 (аккумуляторы с рекомбинацией газа, Q_ном = 53 АЧч, 2В/Эл).

Таблица 2. Электрические параметры аккумуляторов серии ЕSPACE RG

Наименование	Конечное напряжение 1,8 В/элемент
10 ч	5 ч	3 ч
Емкость А·ч	Ток разряда А	Емкость А·ч	Ток разряда А	Емкость А·ч	Ток разряда А
12 RG 24	22	2,2	20	4,1	18	6
12 RG 36	32	3,2	29	5,8	27	9
12 RG 40	42	4,2	37	7,5	33	11
12 RG 52	53	5,3	47	9,4	42	14
6 RG 70	64	6,4	57	11,5	51	17
12 RG 85	75	7,5	67	13,5	60	20
6 RG 110	102	10,2	91	18,3	84	28
2 RG 135	121	12,1	108	21,7	99	33
6 RG 140	132	13,2	119	23,8	108	36
2 RG 170	152	15,2	137	27,4	123	41
6 RG 180	165	16,5	148	29,7	132	44
2 RG 200	175	17,5	150	30,0	132	44
2 RG 225	200	20,0	169	33,8	150	50
2 RG 250	225	22,5	187	37,5	165	55
2 RG 280	250	25,0	210	42,0	186	62
2 RG 310	275	27,5	232	46,5	204	68
2 RG 340	300	30,0	255	51,0	225	75

«Расчет неуправляемого выпрямителя»

Задача №1

Определить температуру кремниевой пластины полупроводникового прибора (t п) при следующих условиях:

DP_а=12 Вт, R_п-к=0,1⁰С/Вт, R_к-р=2⁰С/Вт, R_р-с=3,5⁰С/Вт, t_ок.ср.=20⁰С.

Решение:

Температура перегрева полупроводника

Задача №2

Определить температуру кремниевой пластины полупроводникового прибора (t п) при следующих условиях:

R_п-к=0,15⁰С/Вт, R_к-р=1,8⁰С/Вт, R_р-с=2,5⁰С/Вт, t_ок.ср.=20⁰С, ток имеет синусоидальную форму в однополупериодной схеме выпрямителя, амплитуда тока I_аm=45А, U_пор.=0,8В, Rдин.=1,5·10^-3 Ом.

Решение:

Потери мощности в диоде DP_а равны:

Температура перегрева полупроводника

Задача №3

Определить среднее значение U₀ для различных форм U_d(wt):

Решение:

Cредневыпрямленное значение напряжения для формы напряжения, изображенной на рисунке а) равно:

для формы рисунка б) —

для формы рисунка в) —

для формы рисунка г) —

Задача №4

Параметры схемы замещения выпрямителя (схема 3-х фазная мостовая):

U_0xx=74В; R_внут.=0,62Ом; U_пор.=1,3В. Нестабильность сети N₁= ±0,1.

Построить семейство внешних характеристик в диапазоне изменения тока I_0min=5А; I_0max=20А.

Решение:

Из уравнения для внешней характеристики рассчитаем значения напряжений в точках а…е.

Задача №5

Выпрямитель трехфазного напряжения построен по мостовой схеме. Выходные параметры выпрямителя: U₀=24В, I₀=16А.

Требуется:

вычислить величины U₂, U_m(1), I₂, I_а, U_обр, P_Т для идеализированного выпрямителя;
вычислить U_0ХХ и U_2ХХ , если учесть внутреннее сопротивление R_ВН=1,2 Ом и пороговое напряжение диода U_П=0,9 В.Решение:Используя соотношения из таблицы 1, проведем расчет параметров выпрямительного устройства.
Таблица 1 — Основные соотношения в схеме выпрямления Название схемы p U2/U0 UОБР/U0 I2/I0 Iа/I0 Um(1)/U0 PТ/P0 Трехфазная двухтактная, звезда — звезда 6 0,745 1,05 0,82 0,58 0,057 1,05
1. Находим
2. Из уравнения для внешней характеристики выпрямителя следует, что
Используя коэффициент выпрямления по напряжению из таблицы 1, получим

Задача №6

Собрать однофазный мостовой выпрямитель, используя диодную сборку, схема которой приведена на рисунке.

Решение:

К источнику переменного тока необходимо присоединить разноименные концы диодов (А и К), к нагрузке же подключаются две различные группы (анодная и катодная). Можно использовать только часть диодов из сборки.

Задача №7

Собрать трехфазный мостовой выпрямитель, используя диодную сборку, схема которой приведена на рисунке.

Решение:

К трем источникам переменного тока необходимо присоединить разноименные концы диодов (А и К), к нагрузке подключаются две различные группы (анодная и катодная) по три элемента в каждой.

«Расчет управляемого выпрямителя»

Задача №1

Имеем симметричный управляемый мостовой выпрямитель с активной нагрузкой. При каких значениях угла a напряжение U₀ будет равно 40 В и 90 В.

Решение:

Средневыпрямленное значение напряжения определяется выражением:

Выразим из этих уравнений a, полуим

Для получения 40В на выходе управляемого выпрямителя, угол регулирования должен быть равен

Для получения 90В на выходе управляемого выпрямителя, угол регулирования должен быть равен

Задача №2

Параметры схемы замещения выпрямителя (схема однофазная мостовая, нагрузка активно-индуктивная ):

U_0xx=80 В; R_внутр.=0,5 Ом; U_пор.=0,9 В. Нестабильность сети N₁= ±0,15.

Построить семейство внешних характеристик в диапазоне изменения тока I_0min=5А; I_0max=10А.

Определить a_max для получения U₀=60В.

Решение:

Из уравнения для внешней характеристики рассчитаем значения напряжений в точках а…е.

Из уравнения для регулировочной характеристики получаем выражение для определения a_max

Задача №3

Произвести расчет основных параметров тиристорного регулятора напряжения, построенного по однофазной схеме выпрямления со средней точкой трансформатора и обратным диодом. А именно, найти: действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора I₂, среднее значение тока через тиристор I_{ОТКР. СР. ТИР.}, действующее значение тока через тиристор I_{ОТКР. Д. ТИР.}, среднее значение тока через обратный диод I_{ПР. СР.}, действующее значение тока через обратный диод I_{ПР. Д.}, коэффициент формы тока через тиристор K_ф, максимально допустимое постоянное прямое падение напряжения в закрытом состоянии тиристора U_{ПР. ЗАКР. max.}, максимально допустимое постоянное обратное напряжение на диоде U_{ОБР.ПР. VD}, минимальное действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора при максимальном токе нагрузки U_{2 min}.

Исходными данными для расчета являются: номинальное напряжение на нагрузке U₀=48 В; номинальный ток нагрузки I₀=5А, номинальный угол регулирования a=45°, минимальный угол регулирования a_min=30°, нестабильность входного напряжения N₁=+10%.

Решение:

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора определяется выражением:

Среднее значение тока через тиристор —

Действующее значение тока через тиристор-

Среднее значение тока через обратный диод —

Действующее значение тока через обратный диод —

Коэффициент формы тока через тиристор —

Максимально допустимое постоянное прямое напряжение на тиристоре в закрытом состоянии —

Максимально допустимое постоянное обратное напряжение на обратном диоде —

Минимальное действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора при максимальном токе нагрузки —

«Расчет сглаживающего фильтра»

Задача №1

Сглаживающий фильтр источника электропитания собран по схеме рисунка 1 и имеет коэффициент сглаживания S₁=185.

Определите коэффициент сглаживания S2 для новой схемы (рисунка 2).

Решение:

Сглаживающий фильтр рисунка 1 построен по двухзвенной схеме, коэффициент сглаживания определяется выражением:

Для схемы рисунка 2 коэффициент сглаживания равен:

Задача №2

Определить коэффициент сглаживания фильтра, если U₀=20 В; U_1m = 0,2 В. На входе фильтра однофазная мостовая схема.

Решение:

Коэффициент сглаживания LC- фильтра определяется выражением:

где K_ПВХ=0,67, так как выпрямитель построен по однофазной мостовой схеме выпрямления, а K_ПВЫХ равен:

Тогда коэффициент сглаживания фильтра

Задача №3

Во сколько раз измениться сглаживающее действие LC фильтра, если величина L возрастет в 2 раза и C тоже, а частота пульсаций уменьшится в 2 раза?

Решение:

Коэффициент сглаживания LC- фильтра определяется выражением:

,

поэтому исходя из выражения сглаживающее действия фильтра не изменятся:

Задача №4

Рассчитайте уровни установившихся токов и напряжений в приведенных ниже первой и второй схемах.

Изобразите ожидаемые диаграммы переходного процесса при коммутации ключа, если: U₁=60В; R₁=1Ом; R₂=4Ом; R₃=5Ом; L=1мГн.

Решение:

Диаграммы переходного процесса изображены на рисунке, при этом черным цветом показаны процессы для первой схемы.

Установившееся значение тока на интервале времени [t₀;t₁] определяется выражением:

на интервале [t₁;t₂] —

Установившееся значение напряжения на нарузке на интервале времени [t₀;t₁] определяется выражением:

на интервале [t₁;t₂] —

Постоянная времени, определяющая скорость протекания переходного процесса для второй схемы на интервале времени [t0 ; t1] равна:

на интервале [t₁;t₂] —

Задача №5

Определите коэффициенты сглаживания цепей.

Решение:

Коэффициент сглаживания пассивного RC- фильтра определяется из выражения:

Коэффициент сглаживания активного RC- фильтра определяется из выражения:

«Расчет стабилизаторов постоянного напряжения»

Задача №1

Определить: Коэффициент стабилизации схемы.

Решение:

Коэффициент стабилизации компенсационного стабилизатора напряжения импульсного действия определяется из выражения:

Задача №2

Дано: Е₁=12 В; Е₂=24 В; t_и/T=0,5; T=1мC.

Определить среднее значение напряжения на нагрузке U₀.

Решение:

При подачи управляющего импульса на транзисторный ключ VT2, происходит запирание ключа VT1 и напряжение E₂ через диод VD передается в нагрузку. На интервале паузы (T-t_и) при открывании ключа VT1 напряжение двух источников (Е₁+ E₂) прикладывается к нагрузке. Построим диаграмму напряжения в нагрузке.

Среднее значение напряжения на выходе импульсного регулятора напряжения равно

Задача №3

Для получения стабилизированного напряжения U_н=5 В на нагрузке R_н=1кОм параллельно ей подключен стабилитрон, вольтамперная характеристика которого приведена на рисунке. Определить величину балластного сопротивления R_б и его мощность, если напряжение источника питания U=12В.

Решение:

Из характеристики стабилитрона видно, что на прямолинейном участке ток его может изменяться в диапазоне I_СТ=5…40 мА. Выбираем ток стабилитрона I_СТ=22,5 мА, в середине линейного участка, соответствующий выходному напряжению U_Н=5 В.

Ток нагрузки

Падение напряжения на балластном сопротивлении

Тогда

Мощность, выделяемая на баластном резисторе:

Задача №4

Рассмотрите принцип действия компенсационного стабилизатора при уменьшении напряжения на входе и проверьте работоспособность схемы.

Решение:

При уменьшении напряжения на входе компенсационного стабилизатора напряжения в первый момент времени уменьшается напряжение на выходе. Также уменьшается напряжение на нижнем плече делителя напряжения R₅ (напряжение обратной связи). На входе операционного усилителя DA происходит сравнение напряжения обратной связи с эталонным напряжением (на стабилитроне VD), что приводит к увеличению положительного потенциала на базе транзистора VT1 и увеличению его коллекторного тока. При этом возрастает ток протекающий через балластный резистор R₁. Напряжение на выходе еще больше уменьшается из-за увеличения падения напряжения на R₁. Таким образом, данная схема является неработоспособной. Для обеспечения стабилизации выходного напряжения необходимо: эталонное напряжение подать на инвертирующий вход операционного усилителя, а напряжение обратной связи — на неинвертирующий.

Задача №5

Введите дополнительный транзистор в схему интегрального стабилизатора К142ЕН2А для получения I_н=2 А.

Решение:

Для обеспечения тока нагрузки I_Н=2А необходимо подключить транзистор во внешнюю цепь интегрального стабилизатора напряжения с коэффициентом передачи по току b=I_Н/I_ВЫХ.ЕН=2/0,1=20.

«Инверторы напряжения»

Задача №1

Инвертор с самовозбуждением имеет следующие параметры трансформатора:W_К=100вит., В_m=0,25Тл., S_маг=1см².

Определить: частоту преобразования инвертора при U₁=10В.

Решение:

Уравнение Э.Д.С. трансформатора, работающего в схеме инвертора напряжения представляется в виде:

отсюда получаем выражения для расчета частоты преобразования f:

Задача №2

Завершите схему транзисторного инвертора напряжения с самовозбуждением.

Решение:

На основе предлагаемых элементов возможно построить транзисторный инвертор с самовозбуждением. Пложительная обратная связь по напряжению обеспечивается согласованным включением обмоток обратной связи (обмотка в цепи базы). Для обеспечения правильной фазировки в первичной цепи силового трансформатора в соответствии с разностным током, необходимо согласованное включение силовых обмоток трансфоматора. На рисунке представлена схема подключения элементов.

Задача №3
1. Какой будет форма напряжения и тока на нагрузке (U₂, I₂) мостового транзисторного инвертора напряжения с внешним возбуждением, если алгоритм управления ключами указан на рисунках а ), б )?
2. Какие требования предъявляются к транзисторному ключу в инверторе напряжения?
3. Покажите путь передачи тока (энергии) в нагрузку и интервал времени.
4. Покажите путь рекуперации энергии (тока) в источник и интервал времени.
Решение:
1. Для алгоритма рисунков а) и б) , соответственно ниже представлены формы напряжения и тока в нагрузке.
2. Для обеспечения области безопасной работы транзисторного ключа он должен обеспечивать двунаправленное протекание коллекторного тока или иметь защитные цепи. Диод предназначен для рекуперации энергии, накопленной в индуктивных элементах цепи за время открытого состояния ключа в источник, нагрузку или в дополнительные цепи гашения. Дроссель регулирует скорость нарастания прямого тока ключа, конденсатор ограничивает уровень напряжения в моменты коммутации ключа.
3. На интервале времени [t₀; t₂] происходит передача энергии от источника U₁ в нагрузку по контуру «+U₁, коллектор-эмиттер VT3, R_Н, L, коллектор-эмиттер VT2 , -U₁» для алгоритма рисунка а) и б).
4. На интервале времени [t₂; t₃] происходит рекуперация энергии в источник питания U₁ через первый и четвертый диоды для алгоритма рисунка а).
  
  Для алгоритма рисунка б) рекуперация энергии осуществляется в нагрузку на интервале времени [t₂; t₃] через VD1 и VT3.
Задача №4

Транзисторный инвертор напряжения с внешним управлением выполнен по полумостовой схеме:
1. Показать интервал времени и цепь разряда конденсатора C₁.
2. Показать интервал времени и цепь заряда конденсатора С₁.
Решение:
1. Разряд конденсатора происходит на интервале [t₀; t₁].
2. Заряд кондесатора C₁ осуществляется на интервале [t₂; t₃] через транзистор VT2.
Задача №5

Определить ожидаемую величину выходного напряжения источника вторичного электропитания (все элементы идеальные).

Исходными данными для расчета являются:

Решение:

Напряжение на выходе источника питания имеет вид:

Тогда

Задача №6

Найти оптимальное значение коэффициента заполнения импульсов управления инвертором напряжения () с точки зрения минимального содержания 3 и 5 гармоник.

Решение:

Гармоничекие составляющие выходного напряжения для прямоугольной формы имеют следующую зависимость от коэффициента заполнения импульсов управления:

Воспользуемся данным вырвжением и постороим регулировочные кривые для трех значений k=1, k=3 и k=5.

Из графических зависимостей видно, что минимальное содержание 3 и 5 гармоник имеет место при K_З=0,73.