Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Электропитание устройств и систем телекоммуникаций
ВВЕДЕНИЕ
Современная телекомуникационная аппаратура, вычислительные и радиотехнические комплексы требуют для своего функционирования больших затрат электрической энергии. Причём большая часть потребляемой энергии расходуется на технологические нужды (усиление и передачу сигналов, генерирование колебаний, преобразование сигналов, установление соединения между абонентами и др.). При этом качество работы телекоммуникационных устройств однозначно зависит от качества энергии электропитания. Эти два фактора (энергозатраты и качество энергии) определяют структуру и отдельные компоненты источников и систем электропитания, как крупных узлов электросвязи (радиоцентров, телефонных станций и др.), так и отдельных электронных устройств.
1. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Источником электрической энергии для предприятия связи обычно является энергосистема или электростанция.
Энергетической системой (энергосистемой) называется совокупность электростанций, подстанций и приемников электроэнергии, связанных между собой линиями электрической сети. Часть энергосистем, состоящая из генераторов, распределительных устройств, повышающих и понижающих подстанций, линий электрической сети и приемников электрической энергии, называется электрической системой. Часть электрической системы, состоящая из подстанций и линий различных напряжений, называется электрической сетью.
На рис. 1.1. изображена примерная схема энергосистемы. Районная сеть 110 кВ получает электроэнергию от гидроэлектростанции через повышающую подстанцию, линию электропередачи 220 кВ и понижающую подстанцию. Эта сеть получает питание также через линию электропередачи 110 кВ и повышающую подстанцию от тепловой электростанции конденсационного типа, расположенной в районе добычи местного топлива (торфа, угля и т.д.).
Рис. 1.1. Схема энергетической системы
Внутри кольцевой районной сети имеются понижающие подстанции, обслуживающие большой промышленный район. В центре этого района имеется теплоцентраль (ТЭЦ), работающая на привозном топливе и снабжающая потребителей электрической и тепловой энергией. Для связи с сетью ТЭЦ имеет повышающую подстанцию.
От районной сети 110 кВ через понижающую подстанцию питается районная сеть 35 кВ, от которой, в свою очередь, через понизительную подстанцию питаются местные сети 10 кВ или 6 кВ с понижающими трансформаторами для распределительных сетей 380/220 В.
Предприятия связи могут получать электроэнергию как от местной сети 10 или 6 кВ, так и от районной сети 35 кВ.
Для резервирования электропитания на предприятиях связи применяются автоматизированные дизель-генераторные установки на различные мощности с двигателями внутреннего сгорания. Установки могут работать постоянно и запускаться в ход непосредственно у двигателя и ли дистанционно из другого помещения. Если установки применяются как резервные, то они включаются в ход автоматически в случае пропадания напряжения в местной электросети и останавливаются при появлении напряжения сети.
Подстанцией называется электроустановка, предназначенная для преобразования или распределения электрической энергии. В зависимости от назначения подстанции могут быть преобразовательными и распределительными.
Трансформаторные подстанции разделяются на главные понижающие подстанции (ГПП), центральные распределительные подстанции (ЦРП), распределительные пункты (РП), цеховые трансформаторные подстанции или трансформаторные пункты (ТП) и специальные подстанции, например преобразовательные (ПП). Подстанции ГПП потребляют электроэнергию от электростанции или энергосистемы и, понижая напряжение, распределяют электроэнергию между потребителями, но при неизменном напряжении (без трансформации). Распределительные пункты распределяют электроэнергию между потребителями без изменения напряжения. Трансформаторные пункты принимают электроэнергию высокого напряжения (6, 10, 35 кВ) от РТ (или ЦРП) распределяют её по напряжениям 500, 380, 220 В между отдельными предприятиями или нагрузками.
На предприятиях связи устанавливаются тепловые и комплексные трансформаторные подстанции как открытого, так и закрытого типа с одним и двумя силовыми трансформаторами.
Подстанция, полностью собранная в заводских условиях и состоящая из трансформаторов, комплексного распределительного устройства и вспомогательного оборудования, считается комплектной трансформаторной подстанцией (КТП). При наружной установке КТП помещается на бетонном основании высотой 1,5 м от уровня земли и состоит из двух частей – силового трансформатора и распределительного устройства. Подстанции для внутренней установки снабжаются воздушными автоматическими включателями и разъединителями.
Разъединительное устройство (РУ) представляет собой электрическую установку, предназначенную для приёма и распределения электрической энергии; содержит коммутационные, измерительные и защитные аппараты, соединительные шины и вспомогательное оборудование. Распределительные устройства делятся на открытые и закрытые по тому же принципу, что и подстанции.
Комплектным РУ считается, если оно собрано на заводе и состоит из закрытых шкафов со встроенным в них аппаратами, шинами, и вспомогательным оборудованием. Комплектные РУ изготовляются на стандартные напряжения, 3, 6, 10, 35 кВ для установки, как в закрытых помещениях, так и на открытом воздухе.
Распределительное устройство напряжением до 1000 В, оборудование которого смонтировано на панелях, установленных на общем каркасе, называется распределительным щитом.
Если по условиям эксплуатации какое-нибудь оборудование РУ должно быть отдельно от остального, то оно устанавливается в специальном помещении – камере. Камера, ограниченная со всех сторон стенами и перекрытиями и имеющая сплошные (не сетчатые) двери, называется закрытой. Открытой называется камера, имеющая проёмы, защищённые полностью или частично не сплошными (сетчатыми) ограждениями.
Приём электрической энергии и дальнейшее её распределение на подстанциях и в распределительных устройствах осуществляется главными шинами, которые укрепляются на фарфоровых изоляторах. Шины для закрытых распределительных устройств (ЗРУ) 6…10 кВ – это обычно алюминиевые полосы прямоугольного поперечного сечения, окрашенные в различные цвета; фаза 1 – в жёлтый, фаза 2 – в зелёный, фаза 3 – в красный цвет.
Электрические линии присоединяются к главным шинам с помощью выключателей, разъединителей и т.д. все электрические соединения подстанций и распределительных устройств обычно изображаются в виде однолинейных схем, на которых условными обозначениями показываются основные элементы установки (выключатели, предохранители и т.д.)
В электрооборудование подстанции входят также измерительные трансформаторы и устройства автоматического контроля, управления и защиты. Измерительные трансформаторы применяют для включения измерительных приборов и обмоток реле защиты и управления.
К устройствам защиты и коммутации, устанавливаемые на подстанциях, относятся выключатели мощности, выключатели нагрузки, предохранители, реакторы и разрядники.
На рис. 1.2 показана однолинейная схема трансформаторной подстанции небольшой мощности.
Выключатели нагрузки предназначены для выключения и отключения электрических цепей только в условиях нормального режима работы. Дугогасительным устройством выключателя нагрузки является пластмассовая разъёмная камера с вкладышем из органического стекла, внутри которого перемещается подвижной нож дугогасительной системы выключателя.
Рис. 1.2. схема трансформаторной подстанции небольшой мощности:
1 - высоковольтный кабель; 2 - разъединитель; 3 - плавкие предохранители высокого напряжения; 4 - силовой трансформатор; 5 - трансформатор тока; 6-рубильники или выключатели; 7 - сборные шины низкого напряжения; 8 - рубильники; 9 - плавкие предохранители низкого напряжения; 10 - кабели к нагрузке.
В нижней части камеры находится неподвижный нож дугогасительной системы. При отклонении расходятся сначала рабочие контакты, а затем контакты дугогасительной системы, между которыми возникает дуга. Под действием высокой температуры из стенок вкладыша выделяются газы (в основном водород), потоки которых гасят дугу. Выключатели нагрузки снабжаются плавкими предохранителями, защищающими цепь от перегрузок и коротких замыканий.
Для защиты силовых цепей до 35 кВ применяют плавкие предохранители с кварцевым заполнением (КП), состоящие из фарфоровой трубки, внутри которой помещены плавкие вставки. Трубку засыпают кварцевым песком, способствующим гашению дуги, возникшей при перегорании предохранителя.
В установках высокого напряжения разъединители отключают и переключают цепи, находящиеся под напряжением, например при ремонте. Выключать разъединитель под нагрузкой нельзя, так как на ножах разъединителя появляется устойчивая дуга, которая может послужить причиной аварий. Устройства разъединителя подобно устройству рубильника.
Реактор – это индуктивная катушка без стального сердечника, состоящая из нескольких витков изолированной медной проволоки большого поперечного сечения. Реакторы ограничивают токи коротких замыканий; имеют большое индуктивное и малое активное сопротивление.
На тех станциях и подстанциях, где применяют реакторы, можно устанавливать более дешёвую и простую аппаратуру, рассчитанную на меньшие токи короткого замыкания, также прокладывать кабели и шины меньшего сечения. Это значительно снижает стоимость распределительного устройства и повышает надёжность его работы.
Разрядник защищает электротехнические устройства от перенапряжений, т.е. от напряжений, превышающих номинальное. Напряжение увеличивается за счёт электромагнитных процессов, связанных с грозовыми разрядами или процессами, сопутствующими включениям, выключениям, замыканиям на землю, коротким замыканиям между фазами и т.п. Разрядник включают между проводом и землёй. Он служит для соединения с землёй провода, в котором возникло перенапряжение. В искровом промежутке разрядника при перенапряжении возникает электрическая дуга. По окончании перенапряжения дуга гаснет, и разрядник вновь не пропускает тока. Последовательно с разрядниками включают сопротивления, уменьшающие току через разрядник и гасящие дуги при снижении напряжения до номинального.
Аккумулятором называют химический источник тока многократного действия. При разряде аккумулятора химическая энергия активных веществ, входящих в состав катода, анода и электролита, преобразуется в электрическую энергию, при этом активные вещества превращаются в продукты разряда. При заряде аккумулятора подводимая электрическая энергия расходуется на регенерацию продуктов разряда.
В зависимости от состава электролита аккумуляторы бывают кислотными и щелочными.
В кислотных аккумуляторах электролитом служит водный раствор серной кислоты (Н2SO4), в котором некоторая часть молекул последней распадается на положительные ионы водорода (Н2+) и отрицательные ионы кислотного остатка (SO4--). При этом раствор в целом остаётся электрически нейтральным.
При погружении в электролит пластины из чистого свинца положительные ионы (Pb++) переходят в раствор электролита. Часть этих ионов, вступая в реакцию с ионами кислотного остатка, образуют нейтральные молекулы сульфата свинца (PbSO4), оседающего на пластине, что повышает концентрацию положительных ионов водорода в электролите. Сама пластина ввиду избытка электронов заражает отрицательно (отрицательный электрод).
Если в электролит погрузить вторую пластину из диоксида свинца (PbO2), то ввиду повышенной концентрации ионов водорода диоксид свинца частично переходит в раствор, образуя положительные четырёхвалентные ионы свинца (Pb++++) и отрицательные ионы гидроксида (НО-). Сама пластина из-за избытка положительных ионов свинца заряжается положительно (положительный электрод). Повышение концентрации серной кислоты увеличивает потенциалы положительного и отрицательного электродов относительно электролита.
Электродвижущая сила Е такого простейшего аккумулятора определяется разностью равновесных потенциалов положительного и отрицательного электродов относительно электролита и не зависит от размеров и конструкции самих электродов.
При подключении к аккумулятору нагрузки под действием ЭДС во внешней цепи будет протекать ток, обусловленный перемещением электронов от отрицательного электрода, присоединяя на свой внешний энергетический уровень по два электрона, становятся двухвалентными ионами, которые, вступая в реакцию с отрицательными ионами кислотного остатка, образуют молекулы сульфата свинца. При уменьшении числа электронов на отрицательном электроде нарушается равновесное состояние, в результате чего новые положительные ионы свинца (Рb++) переходят в раствор электролита и вступают в реакцию с ионами кислотного остатка. Ток внутри аккумулятора обусловлен перемещением положительных ионов водорода к положительному электроду. При этом в результате взаимодействия ионов водорода с отрицательными ионами гидроксида образуются молекулы воды. Следовательно, при разряде аккумулятора на обоих электродах выделяется сульфат свинца и уменьшается плотность электролита. При заряде аккумулятора сульфат на одном электроде превращается в свинец, а на другом – в диоксид свинца РbО2, причём концентрация Н2SO4 в электролите повышается.
Протекающие в кислотных аккумуляторах обратимые процессы можно изобразить следующим образом: Pb+РbО2+2H2SO42PbSO4+2H2O. При разряде равновесие сдвигается слева направо, а при заряде справа налево. Кроме того, при заряде на отрицательном электроде возможно восстановление ионов водорода и образование газообразного водорода.
Электродвижущая сила полностью заряженного кислотного аккумулятора, зависящая от плотности электролита, лежит в пределах 2,06…2,15 В. плотность электролита заряженного аккумулятора составляет 1,21…1,3 г/см3. Верхний уровень плотности относится к стартерным аккумуляторам, эксплуатируемым в зимнее время. Изменение температуры незначительно влияет на ЭДС. Повышение температуры на 10C увеличивает ЭДС на 0,002…0,003 В.
При разряде аккумулятора напряжение между его выводами всегда меньше ЭДС за счёт падения напряжения на омическом сопротивлении и поляризации электродов. Омическое сопротивление аккумулятора, представляющее собой сумму омических сопротивлений электролита, электродов и других токоведущих частей, не зависит от силы разрядного тока. Под поляризации электрода понимают разность между потенциалом электрода относительно электролита при разряде (или заряде) и его значением при равновесии. Отношение суммы поляризации положительного и отрицательного электродов к силе разрядного тока называется поляризационным сопротивлением. Это сопротивление зависит от силы тока. Внутреннее сопротивление аккумулятора при разряде rр представляет собой сумму поляризационного и омического сопротивлений.
Поляризация аккумулятора связана, прежде всего, с изменением плотности электролита непосредственно у электродов, так как образование сульфата свинца, имеющего существенно больший объём по сравнению со свинцом или диоксидом свинца, затрудняет диффузию серной кислоты к активной массе электродов. Уменьшение плотности электролита непосредственно у пластин тем больше, чем больше разрядный ток. Кривые изменения напряжения во времени при разряде и заряде неизменным током показаны на рис. 1.3.
Рис. 1.3. Напряжение и ЭДС кислотного аккумулятора при разряде и заряде.
Как видно из рис. 1.3, разрядное напряжение быстро спадает до 2,0 В, затем медленно понижается до 1,8 В, после чего наблюдается резкое снижение напряжения. Предельное значение разрядного напряжения, до которого можно разряжать аккумулятор стационарного типа, составляет 1,8 В для режимов разряда не короче одночасового (аккумуляторов типа СН для режимов разряда не короче трёхчасового) и 1,75 В для более коротких режимов разряда. Дальнейший разряд приводит к образованию крупнокристаллического сульфата свинца на пластинах, что исключает возможность последующего эксплуатационного заряда аккумулятора. Номинальным напряжением принято считать напряжение 2,0 В.
Количество электричества (Ач), которое может отдать полностью заряжённый аккумулятор при нормальных условиях разряда, указанных для него, называется номинальной ёмкостью.
Под номинальной ёмкостью стационарных аккумуляторов, применяемых на предприятиях связи, понимают то количество электричества, которое он может отдать при 10 – часового режима разряда (СЦ) неизменном токе и температуре электролита +25С (для аккумуляторов типа СН принята температура +20С). Величина тока 10 - часового режима разряда численно равна частному от деления номинальной ёмкости на 10.
Ёмкость аккумулятора зависит от его конструкции, количества активных материалов и режима разряда (тока разряда и температуры окружающей среды). При увеличении разрядного тока ёмкость, которую может отдать аккумулятор до достижения его предельного разрядного напряжения, уменьшается, так как при этом возрастают его поляризации и омические потери (например, для аккумулятора типа СН номинальной ёмкостью С10=72 Ач при часовом режиме разряда током 18 А завод – изготовитель гарантирует ёмкость С3=54 Ач). Поляризация и омическое сопротивление аккумулятора возрастают также с понижением температуры электролита.
Под удельной ёмкостью аккумулятора понимают отношение его номинальной ёмкости к объёму или массе. Под энергией аккумулятора А понимают произведение его ёмкости С на среднее напряжение при разряде Ucp(A=Cucp). Отношение энергии аккумулятора, которую он отдаёт при разряде, к энергии, необходимой для его заряда А3 при определённых условиях, называется отдачей по энергии (КПД аккумулятора).
При заряде кислотного аккумулятора неизменным по величине током напряжение его сравнительно быстро возрастает до 2,10…2,15 В (рис. 1.3). Затем напряжение медленно растёт до 2,3…2,35 В по мере восстановления активной массы пластин и повышении плотности электролита. При напряжениях выше 2,4…2,5 В начинается бурное выделение водорода и кислорода, связанное с электролизом воды. К концу заряда, когда ворсстановление активных масс пластин закончено, энергия заряда расходуется только на электролиз воды. При этом напряжение на аккумуляторе остаётся неизменным.
Температура электролита существенно влияет на напряжение во время его заряда. Понижение температуры, вызывающее увеличение его внутреннего зарядного сопротивления, приводит к повышению напряжения на нём. Следует отметить, что при низких температурах (близких к нулевой) не удаётся осуществить заряд кислотного аккумулятора, так как напряжение на нём сразу возрастает до значения, при котором начинается электролиз воды.
В отключённом состоянии (без нагрузки) заряженный аккумулятор теряет часть запасной им ёмкости. Это явление носит название саморазряда. Саморазряд аккумулятора увеличивается с повышением плотности электролита и его температуры.
На предприятиях связи в настоящее время находят широкое применение, как стационарные кислотные аккумуляторы, так и стартёрные.
Каждый кислотный аккумулятор состоит из сосуда, изготовленного из кислотоустойчивого материала (стекло, пластмасса, деревянные сосуды, выложенные внутри свинцом), положительного и отрицательного электродов (пластин), разделителей между ними – сепаратов, электролита и токоведуших частей.
В стационарных аккумуляторах открытого типа С и СК, не имеющих крышек, электролит непосредственно соприкосается с окружающим воздухом. Такие аккумуляторы требуют частой доливки воды и хорошо вентилируемого помещения. Положительными электродами в них служат поверхтностные пластины, т.е. работающие за счёт своего поверхностного слоя. Такой электрод состоит из свинцовой пластины, на погверхности которой электрически формируется слой активной массы (PbO2). Для увеличения активной поверхности положительные пластины имеют ребристую форму. Отрицательными электродами в этих аккумуляторах служат коробчатые пластины. Пластины этого типа представляют собой решётку, в ячейках которой помещается активная масса. Для предотвращения выпадания активной массы из ячеек пластины закрываются перфорированными свинцовыми листами.
В стационарных аккумуляторах закрытого типа положительные и отрицательные электроды представляют собой пастированные пластины (аккумуляторы типа СН). В пастированных электродах активная масса удерживается в решётке из свинцово-сурьямного сплава толщиной 1…4 мм. Аккумулятор типа СН имеет в крышке специальную пробку, задерживающую аэрозоли серной кислоты.
В аккумуляторах несколько отрицательных пластин соединяют параллельно. Между ними помещают положительные пластины, также соединённые параллельно. Параллельное соединение одноимённых пластин позволяет увеличить ёмкость аккумулятора. Каждая группа положительных и отрицательных пластин работает как одна пластина, площадь которой равна сумме площадей, проницаемых для раствора электролита (из вулканизированного каучука – мипор, поливинилхлорида – мипласт и стекловолокна).
В условных обозначениях стационарных аккумуляторов открытого типа буква С обозначает «стационарный», две буквы СК указывают, что аккумуляторы пригодны для коротких режимов разряда большими токами. Число, стоящее после букв, указывает номер аккумулятора (С10=5328 Ач). минимальное время разряда аккумуляторов типа СК составляет 0,5 ч. при этом разрядный ток не должен превышать 25 А. на номер аккумулятора. Следовательно, допустимый разрядный ток аккумулятора СК-148 при длительности разряда 0,5 ч составит 148х25=3700 А, а ёмкость, которую он при этом может отдать, С0,5=0,5х3700=1850 Ач. удельная энергия аккумуляторов типа С и СК составляет 10…23 Втч/кг. Промышленность выпускает аккумуляторы типа С и СК ёмкостью от 36 до 5328 Ач (45 типов).
В условном обозначении аккумуляторов закрытого типа СН, выпускаемых в Югославии цифры указывают не номер аккумулятора, а непосредственно его номинальную ёмкость С10 (аккумуляторы типа СН72…СН-1152). Эти аккумуляторы имеют несколько лучшие удельные показатели по сравнению с аккумуляторами типа СК и также пригодны для коротких режимов разряда.
В настоящее время на предприятиях связи применяется в основном один способ эксплуатации батарей, составленных из аккумуляторов типа С, СК и СН – непрерывный подзаряд. При этом способе эксплуатации в условиях нормального электроснабжения (при наличии сети переменного тока) аппаратура питается от этих выпрямительных устройств. Полностью заряженная аккумуляторная батарея получает непрерывный подзаряд от этих выпрямительных устройств или от отдельного стабилизированного выпрямительного устройства (для компенсации саморазряда). Напряжение содержания (непрерывного подзаряда) аккумуляторной батареи определяется в зависимости от числа последовательно соединённых аккумуляторов из условия обеспечения напряжения 2,2 В2% на аккумулятор. При этом ток подзаряда 0,03 А, где - индексовый номер аккумулятора.
В настоящее время в основном применяются послеаврийный (после её разряда на нагрузку) заряд батарей в две степени. На первой ступени заряд осуществляется стабильным зарядым током зар<0,25xC10 до тех пор, пока напряжение на аккумуляторе не повысится до 2,30…2,35 В. На этой ступени заряда аккумулятор получает основной заряд энергии. Вторая ступень заряда происходит при стабильном напряжении 2,2 В на аккумулятор. Заряд считается законченным, когда зарядный ток спадает до 0,02…0,03 А на индексовый номер аккумулятора.
В переносной аппаратуре связи, а также на сельских АТС небольшой ёмкости, применяются щелочные аккумуляторы, которые в отличие от кислотных, могут эксплуатироваться при низких отрицательных температурах окружающей среды.
Наибольшее применение находят щелочные никель-кадмивые (НК) и никель-железные (НЖ) аккумуляторы. Активная масса положительных электродов состоит из гидроксида никеля (NiOOH), активная масса отрицательных электродов – соответственно из кадмия или железа. Электролитом служит раствор гидроксида калия КОН плотностью 1190…1210 кг/м3 с добавкой 20 г/л гидроксида лития (LiOH). Ёмкость НК-аккумуляторов при температуре – 20С составляет не менее 0,6 номинальной ёмкости.
НК и НЖ-аккумуляторы чаще всего выполняются сламельными электродами. Ламели – плоские коробочки из стальной никелированной перфорированной ленты, в которые набивают активную массу. Ламели закрепляют в рамки. Они образуют пластины электродов. Аккумуляторы, помещённые либо в стальные никелированные, либо в полиэтиленовые сосуды, представляют собой аккумуляторы закрытого типа (подобно кислотным аккумуляторам типа СН). В аппаратуре связи находят применение также герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы безламельными электродами. Герметичные аккумуляторы разделяют на дисковые (обозначаются Д), цилиндрические (ЦНК) и удельными значениями ёмкости и энергии, меньшим значением внутреннего сопротивления. Однако по сроку службы они уступают ламельным аккумуляторам.
Электродвижущая сила щелочных аккумуляторов ниже, чем у кислотных, у полностью заряженного НК-аккумулятора ЭДС составляет 1,30...1,35 В; у НЖ-аккумулятора – 1,35…1,40 В. Кривые изменения напряжения на зажимах НК-аккумулятора при его разряде и заряде показаны на рис 1.4.
Рис. 1.4. Напряжение щелочного
аккумулятора при разряде и заряде.
Номинальное напряжение НК-аккумулятора составляет 1,2 В, напряжение в конце разряда – 1 В, конечное напяжение заряда – 1,75…1,8 В.
НЖ-аккумуляторы, по сравнению с никель-кадмиевыми, характеризуются большим внутренним сопротивлением, меньшими удельными ёмкостью и энергией и большим саморазрядом. Кроме того, заряд НЖ-аккумуляторов должен производиться относительно большими зарядными токами, что делает их непригодными для эксплуатации в режиме непрерывного подзаряда.
В современной технике находят применение щелочные серебрянно-цинковые аккумуляторы, активныпи веществами в которых являются оксид серебра (AgO) и цинк, электролитом – раствор КОН. СЦ-аккумуляторы характеризуются высокой удельной энергией (до 130 Втч/кг), малым внутренним сопротивлением (тысячные доли ома) и малым саморазрядом. Номинальное их напряжение равно 1,5 В. недостатками СЦ-аккумуляторов являются высокая стоимость и малый срок службы (10…100 циклов заряда – разряда).
Контрольные вопросы к разделу 1 «Источники электроснабжения».
2. ТРАНСФОРМАТОРЫ
2.1. Принцип действия и устройство трансформатора
Трансформатором называется статистический электромагнитный аппарат, преобразующий электрическую энергию переменного тока одной системы в электрическую энергию переменного тока другой системы с иными параметрами (с иным напряжением, током, числом фаз, частотной или формой кривой напряжения).
Трансформаторы применяют в системах передачи и распределения электрической энергии и в ряде специальных случаев – для регулирования напряжений, пуска в ход двигателей переменного тока и т.д. Очень широко используют трансформаторы в электропитающих устройствах предприятий связи, в выпрямительных и преобразовательных устройствах и т.д.
Принцип действия трансформатора основан на электромагнитном взаимодействии двух или, в общем случае, нескольких электрически несвязанных и неподвижных друг относительно друга обмоток. Если одну из обмоток присоединить к сети переменного тока, то под действием переменного магнитного поля в другой обмотке, магнитно связанной с первой, индукцируется ЭДС. При включении второй обмотки на какой либо приёмник энергии в цепи будет передаваться во вторую.
Обмотка трансформатора, связанная с сетью более высокого напряжения, называется обмоткой высшего напряжения (ВН); обмотка, связанная с сетью более низкого напряжения (НН).
Обмотка, включённая в сеть источника электрической энергии, из которой трансформатор потребляет преобразуемую им электрическую энергию, называется первичной; обмотка, включённая в сеть приёмника энергии, называется вторичной. Если первичной обмоткой трансформатора является обмотка высшего напряжения, вторичной – обмотка низшего напряжения, то такой трансформатор называется понижающим; если же первичная обмотка – обмотка низшего напряжения, а вторичная – высшего, то трансформатор называется повышающим.
Для улучшения магнитной связи между обмотками, служит стальной магнитопровод, собранный из пластин специальной электротехнической стали марок 1511, 1512, 3411, 3412, 3413 и др. в этом обозначении первая цифра показывает класс стали по структурному состоянию и виду прокатки:
1 – горячекатанная, изотропная,
2 – холоднокатанная изотропная,
3 – холоднокатанная изотропная с ребровой текстурой.
Вторая цифра показывает содержание кремния присадка которого делает сталь более хрупкой и увеличивает электрическое сопротивление. Третья цифра указывает группу по ОСНОВНОЙ нормируемой характеристике. 0 – удельные потери при магнитной индукции В=1,7 Тл и частоте тока f=50 Гц, 1- удельные потери при В=1,5 Тл и f=50 Гц, 6 и 7 – магнитная индукция в слабых и средних полях при напряжённости магнитного поля 0,4 А/М и 10 А/М соответственно. Четвёртая цифра – порядковый номер.
В магнитопроводе трансформатора выделяются потери, преобразуемой им энергии, которые складываются из потерь на гистерезис потерь на вихревые токи. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы трансформаторов собирают из отдельных пластин, изолированных одна от другой лаком или окалиной. Пластины магнитопровода вырезаются из листов горячекатанной или из ленты холоднокатанной стали толщиной 0,5 или 0,35 мм при частоте тока в сети 50 Гц, а при более высокой частоте применяют пластины меньшей толщины. Потери на гистерезис и на вихревые токи определяются совместно, как потери в стали: Рст=Ргист+Рвх по формуле Рст=рстGст, где рст – коэффициент удельных потерь, зависящих от марки стали, толщины стальных пластин, частоты тока и максимальной магнитной индукции, Вт/кг: Gст – масса магнитопровода, кг.
В зависимости от формы магнитопровода и расположения обмоток на нём однофазные трансформаторы разделяют на стержневые и броневые.
Стержневой магнитопровод (рис. 2.1,а) имеет два стержня, охватываемых обмотками. Часть магнитопровода, замыкающая магнитную цепь, называется ярмом. На каждом стержне помещается половина витков первичной и половина витков вторичной обмоток. Такое расположение обмоток на магнитопроводе обеспечивает лучшую магнитную связь между обмотками, чем при размещении первичной и вторичной обмоток на различных стержнях, как это условно изображается на схемах. Хорошая магнитная связь уменьшает потоки рассеяния, которые не участвуют в процессе передачи энергии из первичной сети во вторичную. Половины обмоток, помещённые на правом и левом стержнях магнитопровода, соединяются между собой параллельно или последовательно так, чтобы намагничивающие силы этих половин обмоток совпадали по направлению.
В трансформаторе броневого типа (рис 2.1,б) первичная и вторичная обмотки помещаются на среднем стержне магнитопровода. Таким образом, в этом трансформаторе обмотки частично охватываются (бронируются) ярмом. Магнитный поток, пронизывающий стержень сердечника, разветвляется на две части. Поэтому ярмо имеет поперечное сечение, вдвое меньшее сечения стержня.
Ленточные разрезные сердечники из холоднокатанной стали подобны стержневым (рис. 2.1,в) или броневым (рис. 2.1,г).
В настоящее время ленточные разрезные магнитопроводы трансформаторов изготовляются следующим образом: половины магнитопроводов изготовляются из полос холоднокатанной стали различной длинны так, что полосы укладываются в пакет ступенями. В специальных формах пакеты на прессе выгибаются в половины (верхние и нижние) магнитопровода и отжигаются для снятия остаточных механических напряжений. После пропитки в клеящем составе (для склейки отдельных листов) половины магнитопроводов подвергаются механической обработке (для фрезеровки стыков) и направляются на сборку.
Рис. 2.1. Схемы устройства трансформаторов:
а – пластинчатый стержневой
б – пластинчатый броневой;
в – ленточный стержневой;
г – ленточный броневой.
При сборке трансформатора обмотки устанавливаются на магнитопроводе и половины магнитопроводов (верхняя и нижняя) составляются и стягиваются, причём предварительно места стыков покрываются специальным клеящим составом.
Трансформаторы больших и средних мощностей выполняют стержневыми, так как в броневых трансформаторах трудно изолировать обмотки высшего напряжения от магнитопровода.
Рис. 2.2. Схема размещения обмоток на стержне магнитопровода
Трансформаторы малой мощности часто изготавливают броневыми. Броневой магнитопровод обладает рядом конструктивных достоинств: одна катушка вместо двух при стержневом магнитопроводе: более высокий коэффициент заполнения окна сердечника обмоточным проводом; частичная защита обмотки ярмом механических повреждений.
Для измерительных и лабораторных трансформаторов, а также при повышенной частоте применяются тороидальные магнитопроводы, достоинством которых является относительно малое магнитное сопротивление, почти полное отсутствие внешнего потока рассеяния и нечувствительность к внешним магнитным полям, независимо от их направления, при условии равномерного распределения обмоток трансформатора по окружности тороида. Обмотки таких трансформаторов наматываются на специальных станках челночного типа.
Обмоткам трансформатора придают преимущественно цилиндрическую форму, выполняя их при малых токах из круглого изолированного провода, а при больших токах из шин прямоугольного поперечного сечения. Ближе к стержню располагается обмотка низшего напряжения, так как её легче изолировать от него, чем обмотку высшего напряжения (рис. 2.2). Обмотка низшего напряжения изолируется от магнитопровода прослойкой из какого-либо изолированного материала. Такая же изолированная прокладка имеется между обмотками росшего и низшего напряжений. При цилиндрических обмотках мощных трансформаторов поперечному сечению стержня желательно придавать круглую форму, чтобы в площади, охватываемой обмотками, не оставалось воздушных промежутков. Чем меньше воздушные промежутки, тем меньше длина витков обмоток, а следовательно, и масса провода при заданной площади поперечного сечения стержня.
Так как магнитопровод набирается из тонких стальных листов, то для получения стержня круглого сечения понадобилось бы большое число стальных листов различной ширины, а это потребовало бы изготовления множество штампов. Поэтому в трансформаторах большой мощности стержень имеет ступенчатое сечение с числом ступеней не более 9 – 10. Число ступеней сечения сердечника определяется числом углов в одной четверти круга. Для лучшего охлаждения в сердечнике и обмотках мощных трансформаторов устраиваются вентиляционные каналы. Широко используется масляное охлаждение.
Обмотки трансформаторов малой мощности изготовляют из медных проводов с эмалевой, волокнистой и комбинированной изоляцией. Провода с комбинированной изоляцией имеют более толстую изоляцию, чем провода с эмалевой изоляцией, и их применение целесообразно при сечении провода 0,5 мм2 и более. При таких сечениях применение провода с эмалевой изоляцией нежелательно, так как при намотке на прямоугольные каркасы небольших размеров может произойти растрескивание и отслоение эмали на сгибах.
Обмотки трансформаторов малой мощности укладывают на каркасе, изготовленном из изоляционного материала: электрокартона, пропитанного в изолирующем лаке; гетинакса; пластмассы и других изоляционных материалов, обладающих нагревостойкостью и негигроскопичностью. Каркас состоит из гильзы, представляющей собой трубку прямоугольного, квадратного или круглого сечения. На концах гильзы укрепляются боковые щёки. При изготовлении каркаса из пластмассы его прессуют целиком.
При малых диаметрах провода может происходить «западание» витков из последующих рядов в нижележащие, в результате чего напряжение между отдельными витками может оказаться настолько большим, что вызовет пробой изоляции и выход трансформатора из строя. Для предотвращения «западания» после намотки каждого ряда. Укладывается прокладка из конденсаторной, телефонной и кабельной бумаги.
Поперечному сечению магнитопровода трансформатора малой мощности придают прямоугольную или квадратную форму.
Трансформаторы малых мощностей имеют естественное воздушное охлаждение, интенсивность которого для них вполне достаточна. Так как обмотки таких трансформаторов непосредственно соприкасаются с внешней средой (воздухом), то они подвергаются изменению температуры и могут также подвергаться механическим сотрясениям и ударом.
Для защиты трансформаторов от внешних воздействий применяется пропитка лаком, обволакивание, герметизации и окраска. В процессе пропитки лаком заполняются поры изоляционных материалов и промежутки между витками обмоток, слоями изоляции и механическую прочность, улучшает теплопроводность и защищает трансформатор от влаги, газов и паров. При обволакивании наносите: слой изоляционного материала на поверхность трансформатора, что дополнительно защищает трансформатор от внешних воздействий.
При герметизации трансформатор изолируется от окружающей среды оболочками, выполненными из обволакивающего материала, или герметичными металлическими кожухами.
2.2. Холостой ход трансформатора
При холостом ходе (х.х.) вторичная обмотка трансформатора разомкнута и ток в ней равен нулю (2=0), а первичную обмотку включают в сеть переменного тока с номинальным напряжением U1. Под действием приложенного напряжения по первичной обмотки при номинальной нагрузке трансформатора. На схемах трансформатор изображается так, как показано на рис. 2.3,а, точка обозначает начало обмотки.
Рис. 2.3. Трансформатор:
а - условное обозначение;
б - схема при х.х.
Магнитодвижущая сила (МДС) первичной обмотки трансформатора F0=10, где (1 – число последовательно соединённых витков первичной обмотки) возбуждает магнитное поле, большая часть линий которого замкнётся по магнитопроводу, образуя основной поток трансформатора Ф0 (рис. 2.3,б), специальный со всеми витками первичной и вторичной обмоток; меньшая часть магнитных линий замкнётся по немагнитной среде, образуя поток рассеяния ФS, специальный только с витками первичной обмотки. Поток рассеяния индуктируе в первичной обмотке ЭДС рассеяния еS=-dФS/dt.
Основной поток индуктирует в первичной и вторичной обмотках ЭДС, равные: е1=-dФ0/dt и е2=-2dФ0/dt, где 2 – число последолвательно соединённых витков вторичной обмотки.
Если основной магнитный поток во времени изменяется синусоидально, т.е. Ф0=Фтsint, то ЭДС первичной обмотки будет равна е1=тcost =тsin(t-
Таким образом, ЭДС пенрвичной обмотки е1 изменяется во времени синусоидально, причём е1 отстаёт по фазе от Ф0 на четверть периода .
Действующее значение ЭДС первичной обмотки
E1=Eт /2=(2/2)f т=4,44fт (2.1)
и вторичной обмотке E2=4,44fт. Отношение E1/E2 =/2=п называется коэффициентом трансформации.
Первичная обмотка обладает активным сопротивление, так что падение напряжения в активном сопротивлении этой обмотки, которое очень мало по сравнению с ЭДС обмотки (I0R1 s1E1).
Уравнение равновесия ЭДС для первичной обмотки можно записать в следующем виде:
U1=-(E1+Es1)+I0R1 (2.2)
Практически поток рассеяния много меньше основного потока трансформатора (s1<<т). Поэтому ЭДС рассеяния также очень мала по сравнению с ЭДС от основного потока (Еs1<<Е1). Если представить ЭДС рассеяния первичной обмотки в виде падения напряжения в индуктивном сопротивлении Х1 этой обмотки, обусловленным потоком рассеяния s1, т.е. - Еs1=+jI0X1, то уравнение равновесия ЭДС для первичной обмотки примет следующий вид:
U1= -E1+I6R1+jI0X1=-E1+I0Z1, (2.3)
где Z1 – полное сопротивление первичной обмотки трансформатора.
На рис. 2.4. изображена векторная диограмма трансформатора при х.х. В положительном направлении отложен вектор амплитуды основного магнитного потока т. Вследствие потерь в стали магнитопровода ток х.х, возбуждающей магнитное поле; 0 опережает по фазе возбуждаемый им магнитный поток в сердечнике на некоторый угол , называемый углом магнитного запаздывания. Таким образом, вектор тока х.х. может быть представлен геометрической суммой двух составляющих:
0=+h,
где – намагничивающий ток, являющийся реактивной составляющей тока х.х., возбуждающей магнитное поле; h - активная составляющая тока х.х., расходуемая на потери в стали магнитопровода.
Векторы ЭДС первичной и вторичной обмоток Е1 и Е2 изобразятся повёрнутыми в сторону отставания на относительно вектора магнитного потока Фm.
Для определения вектора приложенного напряжения U1 нужно построить геометрическую сумму векторов правой части уравнения равновесия ЭДС (2.3.), строим вектор – Е1, равный и противоположно направленный вектору Е1, из конца вектора – Е1 проводим вектор 0R1, параллельный вектору тока 0 и затем вектор +j0X1, опережающий вектор тока 0 на . Геометрическая сумма этих трёх векторов представляет собой вектор приложенного напряжения U1.
Рис. 2.4. Векторная диаграмма трансформатора при х.х..
Трансформатор при х.х. может быть представлен эквивалентной схемой, изображённой на рис. 2.5. На этой схеме Z0 – полное сопротивление вносимое стальным сердечником и равное Z0=(R0X02+jR02X0)/(R02+X02), где R0-ктивное сопротивление, эквивалентное потерям в стали; Х0 – индуктивное сопротивления первичной обмотки, обусловленное магнитным потоком Ф0.
Выше мы установили, что при синусоидальном напряжении первичной обмотки трансформатора основной магнитный поток будет также синусоидален. Если же первичное напряжение несинусоидально, то основной магнитный поток будет также несинусоидальным. Предположим, что к первичной обмотке трансформатора приложено напряжение, кривая изменения во времени которого имеет прямоугольную форму (рис. 2.6,а.). С такой формой кривой напряжения работают, например, трансформаторы в статистических преобразователях.
Рис. 2.5. Эквивилентная схема трансформатора при х.х.
Пренебрегая падением напряжения в полном сопротивлении первичной обмотки трансформатора, можно считать, что в любой момент первичное напряжение u1 уравновешивается ЭДС e1, индуктируемой основным магнитным потоком Ф0 в сердечнике трансформатора, т.е. u1=-e1. Таким образом кривая ЭДС e1 имеет прямоугольную форму, являясь зеркальным отображением кривой u1 относительно оси времени.
Во вторичной обмотке трансформатора будет индуктироваться ЭДС e2, изменение во времени которой имееттакже прямоугольную форму. При этом величина (высота прямоугольника)
Рис. 2.6. Изменение во авремени напряжения сети (а) и магнитного потока в магнитопроводе (б).
ЭДС e2 может быть больше или меньше величины напряжения первичной обмотки u1 в зависимости от соотношения чисел витков первичной и вторичной обмоток. Можно записать равенство u1=-e1=dФ0/dt. Так как в течении половины периода от 0 до t1 напряжение u1 постоянно, то dФ0/dt и постоянно, т.е. в этом интервалее магнитный поток линейно изменяется во времени. В момент t1 напряжение u1 изменит знак и в интервале t1–t2 вновь останется постоянным. Следовательно, также изменит знак и магнитый поток, который начнёт уменьшаться с равномерной скоростью. В интервале t1–t2 вновь возраст магнитный поток и т.д. Изменение магнитного потока Ф0 во времени показано на рис/ 2.6,б сплошной линией. Если материал магнитопровода ненасыщен, то магнитный поток прпорционален намагничивающему току, возбуждающему магнитное поле, так что кривая совпадает с зависимостью Ф0. При насыщении материала магнитопровода изменения магнитного потока вызываются большими изменениями намагничивающего тока и кривая будет иметь вид, показанный на рис/ 2.6,б штриховой линией.
2.3. Рабочий режим трансформатора
При работе трансформатора на какой-либо приёмник электрической энергии по его первичной обмотке протекает ток , и уравнение равновесия ЭДС для первичной обмотки примет следующий вид:
U1= -E1+R1+jZ1=-E1+jZ1. (2.4)
Так как падение напряжения в полном сопротивлении первичной обмотки многоменьше ЭДС (Z1<<E1), то можно считать, что приложенное напряжение практически уравновешивается ЭДС первичной обмотки, т.е. U1-E1. Cледовательно, при неизменном напяжении сети будет практически неизменна ЭДС, а также магнитный поток Фm при любой нагрузке. При х.х. намагничивающая сила 0 возбуждает основной магнитный поток трансформатора Фm, который индуктирует в первичной и вторичной обмотках ЭДС Е1 и Е2. Если вторичную обмотку трансформатора замкнуть на какой либо приёмник энергии, то в этой обмотке возникнет ток 2. Магнитодвижущая сила вторичной обмотки 22 направлена встречна потоку, её создающему, т.е. МДС вторичной обмотки стремится уменьшить магнитный поток Фm. Но при уменьшении потока уменьшится и Е1, что ведёт к увеличению тока первичной обмотки 1 согласно (2.4). Ток 1 будет увеличиваться до значения, при котором МДС первичной обмотки скомпенсирует размагничивающее действие МДС вторичной обмотки. Таким образом, МДС первичной обмотки создаёт неизменный, практически не зависящий от нагрузки магнитный поток Фm, и компенсирует размагничивающее действие МДС вторичной обмотки трансформатора. Следовательно, можно записать уравнение равновесия магнитодвижущих сил в следующем виде:
11+22 =01 или 1=о+(-2), (2.5)
где 2=22/1=2/п – ток вторичной обмотки трансформатора приведённый к первичной.
При построении векторных диаграмм и эквивалентных схем необходимо сравнивать величины, относящиеся к первичной и вторичной обмоткам, которые при коэффициенте трансформации, не равном единице, будут различными. Для удобства построения векторных диаграмм и возможности построения эквивалентных схем вторичную обмотку трансформатора приводит к виткам первичной, т.е. условно полагают, что вместо вторичной обмотки с числом витков 2, имеется обмотка с числом витков 2, равным числу витков первичной обмотки но так, чтобы мощности, потери энергии и фазовые углы между электрическими величинами оставались после приведения трансформатор; неизменными. Во вторичной обмотке трансформатора ЭДС пропорциональна числу витков, следовательно, ЭДС приведённой обмотки Еп напряжение приведенённой обмотки U2=nU2.
Приведённое значение вторичного тока найдём из условия постоянства полной мощности, т.е. полная мощность приведённой вторичной обмотки должна оставаться равной полной мощности действительной вторичной обмотки U22=U22, откуда 2=U22U2=2n.
Активное сопротивление приведённой вторичной обмотки трансформатора найдём из условия постоянства потерь при приведении этой обмотки, т.е. (2)2R222 R2, откуда R2nR2.
Индуктивное сопротивление, так же как и индуктивность, пропорциональна квадрату числа витков, следовательно, индуктивное сопротивление приведённой вторичной обмотки определиться в виде X2=n2X2.
На рис 2.7 показана векторная диаграмма для нагрузки активно-индуктивного (а) и активно-ёмкостного (б) характера. В положительном направлении горизонтальной оси изображён векор амплитуды основного потока трансформатора Фт. В сторону опережения относительно вектора Фт на угол повёрнут вектор тока холостого хода и 0 в сторону отставания относительно вектора Фт на - векоры ЭДС первичной и приведённой обмоток Е1=Е2. В сторону отставания при индуктивном (а) и в сторорону опережения при ёмкостном (б) характере нагрузки на угол повёрнут вектор приведённого вторичного тока 2 относительно векора Е2. Напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора при нагрузке найдётся как ЭДС вторичной обмотки минус падение напряжения в активном и индуктивном сопротивлениях этой обмотки, т.е. уравнегние равновесия ЭДС для вторичной обмотки трансформатора имеет следующий вид:
U2=E2–I2R2–jI2X2=E2–I2Z2 (2.6)
Или, после приведения вторичной обмотки к виткам первичной, запишем это уравнение в следующем виде:
U2=E2–I2R2–jI2X2=E2–I2Z2. (2.7)
Следовательно, для определения векора напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора при нагрузке из конца вектора ЭДС E2 строим вектор - jI2X2, отстающий от вектора I2 на и за тем вектор – I2R2, параллельный и противоположно направленнный вектору тока I2. геометрическая сумма этих трёх порстроенных векторов согласно (2.7) определит приведённое вторичное напряжение трансформатора.
Для определения тока первичной обмотки нужно согласно уравнению МДС (2.5) построить геометрическую сумму векторов тока х.х. I0 и приведённого тока вторичной обмотки с обратным знаком - I2.
Для определения первичного напряжения воспользуемся уравнением (2.4). Строим вектор – Е1, равный и противоподложно направленный векору Е1, из конца которого строим вектор, параллельный вектору тока первичной обмотки, и затем вектор, опережающий вектор I2 на . Геометрическая сумма трёх построенных векторов является вектором приложенного напряжения U1.
Из векторных диаграмм видно, что вторичное напоряжение зависит как от тока нагрузки трансформатора, так и от характера нагрузки, т.е. от угла . при индуктивном характере нагрузки по абсолютному значению вторичное напряжение меньше, чем ЭДС (U2<E2), т.е. при нагрузке происходит понижение напряжения, при ёмкостном характере нагрузки по абсолютному значению вторичное напряжение больше, чем ЭДС (U2<E2), т.е. при нагрузке напряжение повышается.
При нагрузке трансформатор может быть представлен эквивалентной схемой, для определения которой введём следующие обозначения: E1=E2=-I0Z0 и U2=I2ZH, где ZH=n2ZH – сопротивлением нагрузки трансформатора, приведённое к первичной обмотке.
Подставив эти обозначения в (2.7), с учётом (2.5) получим I0=I1(Z2+ZH)/(Z0+Z2+ZH). Подставив значения Е1 и I0 в (2.4), получим U1=I1Z1+(Z2+ZH)Z0 /(Z0+Z2+ZH).
Рис. 2.7. Векторная диаграмма трансформатора при нагрузке.
а – активно-индуктивной, б - активно-ёмкостной.
Таким образом, трансформатор при нагрузке может быть представлен эквивалентным сопротивлением, равным
Zэ=Z1+Z0(Z2+ZH)/(Z0+Z2+ZH) (2.8)
Это выражение показывает, что последовательно с полным сопротивлением первичной обмотки включены две параллельные ветви, одна из которых содержит сопротивление Z0, а другая – два последовательно включённых сопротивления Z2 и ZH. Эквивалентная схема трансформатора при нагрузке изображена на рис 2.8.
Рис. 2.8. Эквивалентная схема трансфоорматора при нагрузке.
2.4. Опыт короткого замыкания трансформатора
Короткое замыкание (к.з.) трансформатора в эксплуатационных условиях является аварийным режимом, сопровождающимся очень большими бросками тока, что ведёт к чрезмерному нагреву обмоток трансформатора и созданию больших механических усилий, действующих на проводники обмоток.
Рис.2.9. Трансформатор при опыте к.з.:
а - эквивалегнтная схема;
б - векторная диаграмма.
При опыте к.з. вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко, а к первичной обмотке подводится такое пониженное напряжение, при котором в обмотках трансформатора протекают номинаьные токи. Это напряжение называется напряжением к.з. и измеряется оно в от номинального, т.е. uk=100Uk/UH и составляет величину порядка uk=5,5-10,5 .
При столь малом напряжении магнитный поток будет незначителен, следовательно, мал и намагничивающий ток, т. е. потому можно считать, что МДС первичной обмотки трансформатора идёт лишь на компенсацию МДС вторичной обмотки. Таким образом, пренебрегая намагничивающим током, уравнение магнитного равновесия можем записать в следующем виде: 122=0, откуда =-2.
При опыте к.з. (ZH=0 и 0=0) эквивалентная схема трансформатора примет вид, изображённый на рис. 2.9,а. Из этой схемы видно, что полное сопротивление к.з. трансформатора
Zk=R1+jX1+R2+jX2=Rk+jXk,
где Rk =R1+R2 – активное сопротивление к.з.; Хк=Х1+Х2 – индуктивное сопротивление к.з. трансформатора.
При опыте к.з. трансформатора может быть записано следующее выражение: Uk=Zk=Rk+jXk=Ua+Ux, где Ua и Ux активная и реактивная составляющие напряжения к.з. соответственно. На рис 2.9,б изображена векторная диаграмма трансформатора при опыте к.з. Опыт к.з. трансформатора позволяет определить напряжение к.з, потери в обмотках и сопротивление к.з. трансформатора.
2.5. Определение рабочих свойств трансформатора по данным опытов холостого хода и короткого замыкания
Свойства трансформатора при работе его под нагрузкой могут быть определены непосредственным его испытанием.
Если включить трансформатор на какую-либо нагрузку и изменить её, то по показаниям приборов можно определить, каким образом будет изменяться напряжение на зажимах вторичной обмотки и КПД трансформатора. Однако при испытании трансформатора под нагрузкой происходит большой расход электроэнергии и для создания активной. Индуктивной и ёмкостной нагрузки необходимо громоздкое оборудование (реостаты, индуктивные катушки и конденсаторы).
Все рабочие свойства трансформатора могут быть определены по данным опытов холостого хода (х.х.) и короткого замыкания, для проведения которых требуется сравнительно малая затрата энергии и отпадает надобность в громоздком нагрузочном оборудовании. Кроме того, такое определение рабочих свойств даёт высокую точность.
При опыте х.х. измеряют напряжение первичной и вторичной обмоток U1 и U2, ток холостого хода и потребляемую при ходе мощности Р0. определяют коэффициент трансформации n, потери в стали Рст и сопротивления (полное, активное и реактивное) трансформатора при холостом ходе R0 и Х0. Эти величины расчитывают по следкующим формулам:
n=U1/U2
Рст=Р0
Z0=U1/I0; R0=U2 2/Pcm ; X0=U1/I02–(Pcm/U1)2
При опыте к.з. приборами, включёнными в цепь первичной обмотки, измеряется напряжение к.з. Uk, ток в первичной обмотке, который устанавливается равный номинальному току Iн, и мощности Рк, потребляемая трансформатором при опыте. По данным опыта к.з. определяют потери в проводах обмоток Рпн при номинальном токе, сопротивление (полное, активное и реактивное) трансформатора при к.з. Zk, Rk и Xk, напряжение к.з. Uk, а также активную Uа и реактивную Uх состовляющие напряжения к.з.:
Рпн=Рк;
Zк=U1/Iн ; Rк=Рк /Iн2 ; Xк =Zk2 – Rk2
Uk=100IHZk/UH(%); Ua=100IHRk/UH(%); Uх=100IHХk/UH(%).
Если опыт к.з. производится при холодном (неработавшем) трансформаторе, то активное и полное сопротивления к.з. следует привести к рабочей температуре, принимаемой 75С.
При испытании трёхфазного трансформатора все величины определяются для одной фазы, и в приведённых выражениях подставляются фазные значения напряжений и токов, а также мощность для одной фазы.
Процентное понижение вторичного напряжения при любой нагрузке равно u=Uacos+Uxsin), где =I2/IH. Напряжение вторичной обмотки при нагрузке U2=U20(I-u/100), где - напряжение при холостом ходе.
Таким образом, напряжение вторичной обмотки зависит не только от величины, но и от характера нагрузки. На рис. 2.10 показана внешняя характеристика трансформатора при активно-индуктивной и активно-ёмкостной нагрузках. Из этих характеристик видно, что при индуктивном характере нагрузки напряжение понижается, а при ёмкостном характере нагрузки (при достаточно больших фазных сдвигах) происходит повышение напряжения с ростом нагрузки.
Рис. 2.10. Внешние характеристики трансформатора.
Коэффициент полезного действия трансформатора
.
где =I/IH – отношение токпа при выбранноё нагрузке к номинальному; PH - номинальная мощность трансформатора.
Рис. 2.11. Зависимости КПД и потерь от нагрузки трансформатора.
Задаваясь значениями и cos, можно определить КПД трансформатора при любой нагрузке.
На рис. 2.11 построены зависимости P0, Рп и от коэффициента нагрузки, откуда видно, что зависимость =() имеет максимум. Взяв производную этой зависимости от и приравняв её к нулю, определим коэффициент загрузки, соответствующий наибольшему значению КПД т (вторая производная отрицательна). Таким образом,
тPHcos+P0+тPk-PHcos+2тPkт=0.
Откуда P0 -тPk=0 и т=Р0/Рк.
Следоватепльно, наибольший КПД будет при равенстве постоянных и переменных потерь, трансформатора (В и j) можно варьировать соотношение и постоянных переменных потерь и тем самым изменять коэффициент загрузки, соответствующий наибольшему значению КПД. Если трансформатор постоянно работает на номинальную нагрузку, то стремятся получить наибольший КПД при номинальном токе, т.е. т=1,что является обычным в трансформаторах малой мощности. Если же трансформатор работает в режиме частых и значительных недогрузок (силовые, осветительные и другие трансформаторы), то желательно получить наибольший КПД при нагрузках меньше номинальных, т.е. т<1.
2.6. Трёхфазные трансформаторы
Трёхфазные трансформаторы изготовляют главным образом стержневыми. Схема построения магнитопровода такого трансформатора изображена на рис. 2.12.
Рис. 2.12. Схема построения трёхфазного трансформатора:
а – три однофазных трансформатора, в) стержневого трансформатора.
У тех одинаковых однофазных трансформаторов первичные и вторичные обмотки размещены на одном стержне, а второй стержень магнитопровода каждого трансформатора не имеет обмотки (рис. 2.12,а). если эти три трансформатора расположить так, чтобы стержни, не имеющие обмоток, находились рядом, то эти три стержня можно объединить в один О (рис. 2.12,б). Через объединённый стержень О замкнутся магнитные потоки трёх однофазных трансформаторов, которые равны по величине и сдвинуты по фазе на одну треть периода. Так как сумма трёх равных по амплитуде и сдвинутых по фазе на одну треть периода магнитных потоков равна нулю в любой момент времени, то объединенном стержне магнитного потока не будет и надобность в этом стержне отпадает. Таким образом, для магнитопровода достаточно иметь три стержня, которые по конструктивным соображениям располагаются в одной плоскости (рис. 2.12,в).
На каждом стержне размещают обмотки высшего и низшего напряжения одной фазы. Конструктивно обмотки трехфазных трансформаторов выполняют так же, как и однофазных. Начала фаз обмотки высшего напряжения обозначаются заглавными буквами А,В,С, а их концы – Х,Y,Z. Если обмотки высшего напряжения имеют выведенную нулевую точку, то этот зажим обозначается заглавной буквой О. Зажимы обмотки низшего напряжения обозначаются строчными буквами; a,b,c – начала фаз и x,y,z – концы фаз; о – вывод нулевой точки.
Схемы соединения обмоток трёхфазных трансформаторов и их условные обозначения показаны на рис. 2.13. При соединении обмоток в звезду (рис. 2.13,а) концы (или начала) всех фаз соединяются между собой, образуя нейтральную или нулевую точку, а свободные зажимы трёх фаз подключаются к проводам трёхфазной сети источника или потребителя энергии. При соединении в звезду может быть вывод нулевой точки.
При соединении обмоток трансформатора в треугольник (рис. 2.13,б) начало первой фазы соединяют с концом второй, начало второй фазы – с концом первой. Точки соединения начала одной фазы с концом другой подключают к проводам трёхфазной сети переменного тока.
Помимо двух основных схем (звезда итреугольники), иногда применяют схему соединения в зигзаг (рис. 2.13,б). В этой схеме фаза состоит из двух катушек, находящихся на различных стержнях и соединённых встречно, так что ЭДС фазы обмотки равна геометрической разности ЭДС этих катушек.
Рис. 2.13. Схемы соединения обмоток трёхфазного трансформатора (звездой (а), треугольником (б), зигзагом (в)) и их условное обозначение.
Так же как магнтные потоки двух различных стержней, ЭДС катушек, составляющих одну фазу, сдвинуты на 1/3 периода по фазе. Поэтому при одинаковых затратах активных материалов и одинаковых потерях энергии ЭДС фазы при схеме зигзаг будет составлять 3/2 ЭДС фазы при схеме звезда или треугольник. Несмотря на неэкономичность схема соединения в зигзагах находит применение в выпрямительных и преобразовательных устройствах. При схеме зигзаг может быть выведена нулевая точка.
Группы треугольных трансформаторов являющихся в РФ стандартными, обозначают значками, приведенными на рис. 2.13, где числитель показывает схему соединения обмотки высшего напряжения, а знаменатель – схему соединения обмотки низшего напряжения, цифра – угол между векорами линейных ЭДС обмоток высшего и низшего напряжений, выраженный числом угловых едениц по 30.
Так, первое обозначение группы показывает, что обмотки высшего и низшего напряжения сведены в звезду, причём обмотка низшего напряжения имеет выведенную нулевую точку и угол между векторами линейных ЭДС обмоток высшего и низшего напряжения равен 0-30=0. Группы трёхфазных трансформаторов зависят от схем соединения обмоток, обозначения зажимов фаз обмоток высшего и низшего напряжения и направления намотки обмоток высшего и низшего напряжения одинаково, то их фазные ЭДС совпадают по фазе; если же обмотки имеют встречное направление наиотки, то ЭДС фаз высшего и низшего напряжения находятся в противофазе.
Разделение трёхфазных трансформаторов на группы необходимо для возможности их использования на совместной (параллельной) работе. При включении на параллельную работу трансформаторов различных групп будут возникать токи, много большие номинальных из-за несовпадения по фазе вторичных напряжений этих трансформаторов. В параллельной работе могут быть использованы только трансформаторы одной группы, имеющие одинаковые коэффициенты трансформации и напряжения к.з., а также трансформаторы, номинальные мощности которых не различаются черзмерно.
В стандартных группах обмотки высшего напряжения соединяют в звезду для уменьшения фазной ЭДС, которая окажется в 3 раз меньше, чем при соединении в треугольник, так как линейные напряжения для обеих схем одинаковы. Поэтому при соединении в звезду изоляция обмотки высшего напряжения проще и каждая фаза этой обмотки имеет меньшее число витков, чем при соединении в треугольник. Обмотки низшего напряжения преимущественно соединяют в треугольник, так как эта схема значительно менее чувствительна к несимметрии нагрузок, чем схема соединения в звезду. Достоинством схемы “звезда с нулём” является возможность получения двух (фазных и линейных) трёхфазных систем с различными напряжениями при четырёхпроводной сети.
Контрольные вопросы к разделу 2 “Трансформаторы”.
3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ И МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
3.1. Электрические реакторы
Электрическим реактором (дросселем) называется статическое электромагнитное устройство, предназначенное для использования его индуктивности в электрической цепи. Основной характеристикой реактора является его вебер-амперная характеристика, представляющая собой зависимость максимальных значений результирующего потокосцепления от соответствующих им значений тока реактора. В зависимости от вида этой характеристики реакторы подразделяются на реакторы с линейной, ограниченно-линейной и нелинейной характеристиками. В линейных реакторах вебер-амперная характеристика линейна при токах, во много раз превышающих его номинальное значение. В ограниченно-линейных реакторах вебер-амперная характеристика практически линейна в заданном ограниченном диапазоне значений токов. Вебер-амперная характеристика нелинейных реакторов в заданном диапазоне изменения тока имеет два характерных участка с различными наклонами к оси токов.
Рис. 3.1. Вебер-амперная характеристика нелинейного реактора
Рис. 3.2. Идеальная кривая намагничивания (ИКН)
Реакторы или дроссели классифицируются также по другим признакам: назначению, виду магнитной системы, числу фаз, способу охлаждения и т. д. Простейший однофазный нелинейный реактор, обладающий вебер-амперной характеристикой (рис. 3.1), представляет собой замкнутую магнитную систему броневого, стержневого или тороидального типов, на стержне (стержнях) которой располагается обмотка. Если обмотку такого реактора, соединенную последовательно с активной нагрузкой, подключить к источнику переменного напряжения, то при соответствующем выборе числа витков обмотки и поперечного сечения сердечника магнитопровода можно обеспечить режим, при котором одну часть полупериода, пока материал магнитопровода не насыщен (участок I на рис. 3.1), через нагрузку и обмотку реактора протекает малый ток, а другую часть полупериода через нагрузку протекает ток, ограниченный в основном сопротивлением нагрузки. Индуктивность обмотки реактора на участке II характеристики рис. 3.1 тем меньше, чем меньше наклон этого участка, т. е. чем меньше динамическая магнитная проницаемость материала в режиме насыщения. Чем ближе основная кривая намагничивания материала магнитопровода к идеальной кривой намагничивания (рис. 3.2), тем лучше свойства нелинейного реактора как ключа. Рассмотренные нелинейные реакторы, обладающие ярко выраженными ключевыми свойствами, широко применяются в устройствах электропитания как задерживающие реакторы (на время до нескольких десятков микросекунд) для снижения коммутационных потерь в транзисторах и тиристорах при их включении (см. гл. 6). При идеальной кривой намагничивания магнитная индукция может изменяться только в пределах от -Bs до +Bs, поэтому такой реактор можно использовать для стабилизации среднего значения напряжения. Среднее за полупериод значение ЭДС, развиваемой на зажимах обмотки реактора, не может быть больше напряжения насыщения
где f - частота тока питающей сети; Sст - поперечное сечение стержня магнитопровода; - число витков обмотки реактора; Bs - индукция насыщения.
Рис. 3.3. Схема подключения нагрузки для стабилизации среднего значения напряжения переменного тока (а) и нагрузочная характеристика (б).
Если нагрузку подключить параллельно обмотке реактора, как показано на рис. 3.3,а, то среднее значение напряжения на ней (Uн) в функции среднего (за полупериод) значения напряжения питания
будет изменяться по закону, представленному на рис. 3.3,б (нагрузочная характеристика устройства). При напряжении питания U1cp<Es магнитная индукция в сердечнике не достигает индукции насыщения и, следовательно, ток через гасящий резистор не протекает. При U1cpEs магнитная индукция изменяется в пределах от -Bs до +Bs, напряжение на нагрузке стабильно, а разность напряжений (U1cp-Es) падает на Rг. Нелинейные реакторы, называемые также дросселями насыщения (ДН), широко применяются в устройствах электропитания для стабилизации напряжения переменного тока (см. гл. 7), а также в устройствах автоматики в качестве элементов датчиков напряжения, частоты, мощности, реле напряжения и других устройств. Для обеспечения ограниченно-линейной вебер-амперной характеристики реактора магнитопровод его должен иметь немагнитный зазор. Величина немагнитного зазора должна выбираться таким образом, чтобы материал магнитопровода не насыщался при максимальных значениях тока, протекающего через обмотку. Понятно, что дальнейшее увеличение немагнитного зазора при фиксированном максимальном токе будет приводить к увеличению результирующего магнитного сопротивления цепи и, следовательно, к уменьшению индуктивности обмотки. Поэтому для каждого реактора существует оптимальный немагнитный зазор, обеспечивающий требуемую индуктивность при минимальных габаритах реактора. Реакторы с ограниченно-линейной характеристикой широко применяются в цепях постоянного тока устройств электропитания в качестве дросселей сглаживающих фильтров (например, на выходе выпрямительных устройств, на входе инверторов и импульсных стабилизаторов), для ограничения тока при коротком замыкании, для деления тока между параллельно включенными вентилями и т. д.
Реакторы, устанавливаемые в цепях переменного тока в качестве токоограничивающих и помехоподавляющих, могут выполняться без воздушного зазора. Для обеспечения линейной характеристики реактора его магнитопровод выполняется разомкнутым либо он вообще отсутствует.
3.2. Магнитные усилители
Магнитным усилителем (МУ) называется усилитель мощности, тока или напряжения в электрической цепи переменного тока, действие которого основано на использовании нелинейных свойств ферромагнитных сердечников. Основными достоинствами МУ, объясняющими их широкое применение, являются: высокая надежность их работы; высокая устойчивость к перегрузкам и перенапряжениям; отсутствие электрической связи между цепями управления и нагрузкой; возможность получения высоких коэффициентов усиления. Простейший МУ можно представить как двухобмоточный трансформатор, одна из обмоток которого, соединенная последовательно с нагрузкой (рис. 3.4), подключается к источнику переменного напряжения. Эта обмотка носит название рабочей (p). Вторая обмотка y подключается к источнику постоянного тока и называется обмоткой управления. В таком простейшем МУ изменением тока, протекающим по цепи управления, можно изменять ток и напряжение на нагрузке.
а)
Рис. 3.4. Простейший магнитный усилитель: а - схема; б и в - кривые, поясняющие принцип действия.
Рассмотрим работу МУ в предположении, что магнитопровод обладает идеальной кривой намагничивания (рис. 3.2), а его поперечное сечение и число витков рабочей обмотки p выбраны так, что при токе управления Iy-0 материал магнитопровода не достигает насыщения, т. е.
где U1m - амплитудное значение переменного напряжения, изменяющегося с частотой f, Sст - поперечное сечение стержня магнитопровода; Bs - индукция насыщения материала магнитопровода.
В этом случае при Iy=0 ток в рабочей цепи отсутствует, а напряжение питания уравновешивается противоЭДС, развиваемой на зажимах рабочей обмотки. Если обеспечить ток управления такой, что IymaxU1mp/Rнy, то материал магнитопровода в любой момент времени будет находиться в насыщении. Ток нагрузки будет иметь максимальное значение, а рабочая точка, характеризующая магнитное состояние материала магнитопровода, будет перемещаться по горизонтальному участку 1-0-2 ИКН (рис. 3,4,б)1.
При изменении тока управления в пределах от 0 до Iymax=U1mp/Rнy ток нагрузки будет изменяться от 0 до максимального значения, определяемого заштрихованной площадью кривой на рис. 3.4,б. На рис. 3.4,в показаны кривые, поясняющие работу МУ при Iу<Iymax. В интервале 0-t1 результирующая МДС Fp=Iyy-iнp>0 (в этот полупериод ток нагрузки вытекает из зажима рабочей обмотки, обозначенной началом), материал магнитопровода насыщен и через нагрузку протекает ток iнu1/Rн В момент t1 материал магнитопровода выходит из насыщения и в силу идеальности кривой намагничивания Fp=0. До тех пор пока материал не насыщен, через нагрузку протекает постоянный по величине ток, определяемый из соотношения IуWy=iнWp (интервал t1-t3) В интервале t1-t2 индукция в магнитопроводе уменьшается от +Bs до некоторого значения, соответствующего точке 2, под действием напряжения (u1-iнRн), приложенного к рабочей обмотке В интервале t2-t3 индукция возрастает, достигая в момент t3 значения индукции насыщения. Начиная с момента t3, через нагрузку будет опять протекать ток, определяемый величинами u1 и Rн. Момент, соответствующий точке 1' (момент t3), может быть определен из усло вия, что результирующее напряжение, приложенное к рабочей обмотке в интервале t1-t3, равно нулю (для установившегося режима работы МУ при Iу=const). Любое изменение величины Iу приведет по окончании переходного процесса к изменению длительности интервала t1-t3 и тока нагрузки (среднего значения). Для того чтобы рассмотренный принцип действия МУ был справедлив, необходимо чтобы ЭДС, индуцируемая в цепь управле ния на интервале t1-t3, не вызывала бы изменения тока управления, т. е. чтобы Ry (питание цепи управления от источника тока, как показано на рис. 3.4,а). Питание цепи управления от источника напряжения (Ry0) такого простейшего МУ принципиально невозможно, так как через нагрузку при любом значении u1 будет протекать ток, определяемый только u1 и Rн, (трансформатор окажется в режиме короткого замыкания).
Применение резистора Ry с большим сопротивлением для создания источника тока нецелесообразно, так как мощность, потребляемая им от источника управления, будет больше полезной мощности в нагрузке. Замена же резистора Ry индуктивностью приводит к резкому увеличению габаритов устройства. Поэтому на практике применяют МУ, выполненный на двух идентичных магнитопроводах, на каждом из которых размещается рабочая обмотка и обмотка управления (последняя чаще выполняется общей для обоих магнитопроводов).
Рабочие обмотки и обмотки управления обоих магнитопроводов соединяются между собой так, чтобы исключить трансформацию ЭДС из рабочей цепи в цепь управления на интервале, когда магнитопроводы не насыщены.
_______________________________________________________________
1 По оси абсцисс ИКН откладывается для удобства не напряженность магнитного поля, а МДС F Нlс, где lc - средняя длина магнитной силовой линии.
Это позволяет иметь сколь угодно малое сопротивление цепи управления, т.е. обеспечивать большие коэффициенты усиления МУ по мощности. На рис. 3.5,а приведена схема МУ, выполненного на двух магнитопроводах А и Б. Рассмотрим работу такого МУ при следующих допущениях:
u1=U1msint.
Если поперечное сечение Scт стержней магнитопроводов, значение Uim напряжения Ui и частота его изменения , а также число витков рабочих обмоток Wp выбраны таким образом, что материал магнито проводов не насыщается, т. е.
то вследствие идеальности кривой намагничивания ток нагрузки в любой момент времени отсутствует. Магнитный усилитель при Uy=0 представляет собой два последовательно соединенных трансформатора А и Б в режиме холостого хода. Магнитная индукция в каждом из трансформаторов изменяется по косинусоидальному закону от -Вm до +Вm.
При введении в цепь управления источника напряжения перемагничивание материала магнитопровода каждого из трансформаторов будет осуществляться под действием двух источников Uiи Uy. Действие этих источников на трансформаторы А и Б можно рассматривать независимо друг от друга, так как включены они в разные цепи, а наводимые ими ЭДС в противоположных цепях взаимно уничтожаются. В результате скорости изменения магнитной индукции в магнитопроводах А и Б окажутся различными.
Рис. 3.5. К анализу работу ДМУ:
а) схема;
б) временные диаграммы.
В любой полупериод изменения Ui один из трансформаторов будет перемагничиваться под действием суммы напряжений Ui/2+Uy/2, а второй - под действием разности этих напряжений:
(3.1)
(3.2)
По окончании переходного процесса МУ может оказаться в одном из двух режимов:
В интервале 0<t< намагничивается трансформатор А и размагничивается трансформатор Б (полярность источника питания Ui для этого полупериода показана на рис. 3.5,а). В момент t=0 индукция в магнитопроводе А равна установившемуся значению ВуA, а в магнитопроводе Б - индукции насыщения +Bs. Начиная с момента t=0, оба магнитопровода не насыщены. Изменение индукции в магнитопроводе А определяется суммарным воздействием напряжений Ui/2 и Uy/2 в соответствии с выражением (3.1). Индукция в магнитопроводе Б изменяется с меньшей скоростью (под действием раз ности напряжений Ui/2 и Uy/2) в соответствии с (3.2). В момент
t=/ индукция в магнитопроводе А достигает значения насыщения, а в магнитопроводе Б - некоторого значения ВБа, отличного от ВуА. На интервале 0<t< ток в рабочей цепи и цепи управления МУ отсутствует, а приложенные напряжения Ui и Uy уравновешиваются ЭДС, развивающимися на зажимах обмоток трансформатора А и Б. В интервале <t< индукция в магнитопроводе А остается неизменной и равной Bs, поэтому ЭДС на зажимах обмоток трансформатора А равны нулю. Магнитная индукция в трансформаторе Б изменяется, принимая в момент t=/ значение ВуА, равное ВуА (рассматривается установившийся режим работы МУ). На этом интервале для трансформатора Б справедливы соотношения, составленные на основании закона Кирхгофа и закона полного тока.
(3.3)
(3.4)
(3.5)
Совместное решение (3.3) - (3.5) дает для скорости изменение индукции в трансформаторе Б соотношение вида
(3.6)
где U'y=UyWp/Wy - напряжение Uy, приведенное к виткам рабочей обмотки; R'y=Ry (Wp/Wy)2 - сопротивление Ry, приведенное к рабочей обмотке. Из (3.6) следует, что приращение индукции в интервале <t< тем меньше, чем меньше R'у и U'y по сравнению соответственно с RH и Uicp (среднее за полупериод значение напряжения u1). При R'y<<Rн и U'y<<Uicp приращение индукции Вб становится настолько малым, что можно пренебречь ЭДС, развиваемыми на зажимах обмоток трансформатора Б, и считать, что все напряжение питания Ui выделяется на нагрузке, а в цепи управления протекает ток iy=iнWp/Wy. Это полностью согласуется с теорией трансформаторов, так как на интервале <t < при R'y<Rн и U'y<U1cp трансформатор Б оказывается в режиме короткого замыкания. В следующий полупериод трансформаторы А и Б поменяются местами (трансформатор А будет размагничиваться, а трансформатор Б намагничиваться), но процессы, происходящие в них, будут аналогичны рассмотренным (рассматривается установившийся режим работы МУ, для которого ВуА=ВБ/t==ВуБ). Следовательно, МУ идентичен ключу между нагрузкой Rн и источником питания U1. Момент замыкания этого ключа соответствует моменту насыщения одного из магнитопроводов. Понятно, что любое изменение Uy приведет к тому, что значение индукции в конце полупериода для одного трансформатора не будет равным значению индукции в начале полупериода для другого трансформатора и в результате изменится по окончании переходного процесса значение угла а и ток нагрузки (среднее его значение). Отличительной особенностью рассмотренного МУ является отсутствие постоянной составляющей в токе рабочих обмоток. Подобные МУ называются дроссельными (ДМУ). Из принципа действия ДМУ следует, что на интервалах полупериода, когда материал одного из трансформаторов насыщен, справедливо соотношение inp=iyy, являющееся основным уравнением ДМУ. Это уравнение остается справедливым во всем диапазоне изменения угла насыщения а от 0 до . Угол а, равный л, соответствует работе ДМУ при Uy=0, когда материал ни одного из магнитопроводов не достигнет насыщения (рассматривается случай, когда ВmBs). Угол , равный 0, соответствует работе ДМУ при больших значениях UyUymax, когда материал обоих магнитопроводов не выходит из насыщения и через нагрузку протекает максимально возможный ток.
Основное уравнение ДМУ справедливо не только для мгновенных значений, но и для средних за полупериод значений токов.
(3.7)
Зависимость от тока управления в статическом (установившемся) режиме работы ДМУ называют характеристикой управления. Часто эту характеристику строят не в функции Iy, а в функции приведенного к рабочей цепи тока управления I'у=Iyy/p (рис. 3.6). Наклон характеристики управления на линейном участке 0-1 определяет коэффициент усиления по току КI, который согласно (3.7) зависит только от отношения чисел витков обмоток,
(3.8)
Коэффициент усиления по мощности ДМУ
(3.9)
оказывается тем больше, чем меньше сопротивление цепи управления, приведенное к рабочей обмотке, по отношению к сопротивлению нагрузки. Физически это объясняется тем обстоятельством, что для обеспечения установившегося режима работы ДМУ необходимо, чтобы напряжение Uy, вводимое в цепь управления, компенсировало падение напряжения на сопротивления Ry за счет тока Iy, трансформируемого из рабочей цепи в цепь управления, т. е. необходимо, чтобы IyRy=Uy. Следовательно, увеличение Ry приводит к необходимости уве личивать Uy, а в результате растут потери мощности в цепи управления. Из равенства IyRy=Uy и соотношения (3.7) следует, что Iн=U'y/R'y. Изменение полярности напряжения Uy приведет только к тому, что по окончании переходного процесса магнитная индукция в насыщающемся трансформаторе будет достигать значения -Bs, а не +Bs. Процессы же в ДМУ останутся без изменения. Следовательно, характеристика управления будет симметрична относительно оси ординат (рис. 3.6).
Рис. 3.6. Характеристика управления идеального ДМУ.
При Вт>=Bs характеристика управления выходит из начала координат. Если Ucp>2Es=8pfSстBs, то при изменении Uy от 0 до некоторого значения Uyo<Uуmах, на каждом полупериоде изменения U1 появятся интервалы, когда материал обоих магнитопроводов насыщен, и следовательно, ток нагрузки не зависит от Uy. Перенасыщение ДМУ (увеличение U1cp свыше 2Es) сужает диапазон регулирования тока нагрузки (пунктирная кривая 2-2'-1'-1 на рис. 3.6). Характеристика управления реального ДМУ (рис. 3.7) отличается от рис. 3.6 тем, что при Iу=0 через рабочую цепь ДМУ протекает небольшой ток (ток холостого хода Iн.х.х).
Рис. 3.7. Характеристика управления реального ДМУ
Это объясняется тем, что магнитная проницаемость материала на ненасыщенных участках реальной кривой намагничивания конечна. Кроме того, обмотки ДМУ обладают активным и индуктивным сопротивлениями. Поэтому Iнmах<<U1cp/Rн. Однако ввиду малости Iн.х.х<Iнmах и возможности обеспечения I'нmахIнmax=U1cp/Rн характеристика рис. 3.7 близка к характеристике рис. 3.6 идеального ДМУ.
Достоинством ДМУ является малая чувствительность КI к изменению напряжения и частоты сети, сопротивления нагрузки и свойств материала магнитопровода. Изменение, например, напряжения сети или ее частоты изменяет Вm и соответственно диапазон регулирования (в случае перенасыщения ДМУ), но не влияет на коэффициент усиления.
Если ДМУ имеет несколько обмоток управления, то в интервале насыщения одного из трансформаторов (-) ДМУ аналогичен трансформатору с несколькими вторичными обмотками. Из теории трансформаторов следует, что все эти вторичные обмотки после их приведения к рабочей цепи оказываются включенными параллельно друг другу. Поэтому под R'y в условии R'y<Rн следует понимать результирующее сопротивление всех обмоток управления. Практически достаточно выполнения неравенства R'y/Rн<1, чтобы ДМУ работал в режиме, рассмотренном выше. Характеристики управления ДМУ, представленные на рис. 3.6 и 3.7, останутся без изменения и в случае нескольких цепей управления. Только по оси абсцисс следует откладывать суммарную МДС всех обмоток управления, деленную на число витков рабочей обмотки.
3.3. Обратная связь в магнитном усилителе
Повышение коэффициента усиления ДМУ может быть обеспечено увеличением числа витков его обмотки управления. Однако при этом будет увеличиваться и ЭДС, индуцируемая в этой обмотке, что может оказаться опасным для ее изоляции. Кроме того, увеличение Wy повышает инерционность ДМУ.
Рис. 3.8. Схема ДМУ с внешней обратной связью
Из теории ДМУ следует, что для увеличения его коэффициента усиления по току (а следовательно, и по мощности при заданном Ry) необходимо ослабить или полностью исключить трансформацию электрической энергии из рабочей цепи в цепь управления. Это можно обеспечить двояко. Либо с помощью дополнительной обмотки, через которую протекает ток нагрузки в направлении, обеспечивающем получение МДС этой обмотки, совпадающей по направлению с МДС обмотки управления. Такой способ повышения коэффициента усиления ДМУ носит название внешней обратной связи (рис. 3.8). Либо с помощью вентилей, которые обеспечивают отключение в каждый полупериод рабочей обмотки ненасыщенного трансформатора от сети переменного тока, т.е. тем самым исключается трансформация электрической энергии из рабочей цепи в цепь управления. Дроссельный МУ, использующий этот способ повышения коэффициента усиления, называется МУ с внутренней обратной связью или МУ с самоподмагничиванием (рис. 3.9). Для ДМУ с внешней обратной связью основное уравнение примет вид
Если через обмотку обратной связи протекает весь ток нагрузки, т.е.
где Кос=Wос/Wр - коэффициент обратной связи. Характеристики ДМУ с внешней обратной связью при различных значениях Кос представлены на рис. 3.10.
Рис. 3.9. Схема МУ с внутренней обратной связью
Принцип действия ДМУ, выполненного по схеме рис. 3.9, заключается в следующем. При полярности Ui, указанной на рис. 3.9, рабочая обмотка трансформатора А подключена к Ui и индукция повышается от некоторого ВуА до Bs.
Рис. 3.10. Характеристики ДМУ с внешней обратной связью при различных значениях Кос
На этом интервале в обмотке управления Wy трансформатора А индуцируется ЭДС. Эта ЭДС через источник Uy и Ry оказывается приложенной к обмотке управления трансформатора Б в направлении, обеспечивающем уменьшение магнитной индукции. Энергию, необходимую для размагничивания трансформатора Б, поставляет трансформатор А, т.е. через его рабочую обмотку протекает удвоенное значение тока холостого хода трансформатора. После насыщения магнитопровода трансформатора А ни в одной из обмоток МУ ЭДС не индуцируется до окончания рассматриваемого полупериода и через нагрузку протекает ток, определяемый практически Ui и Rн. Рабочая же обмотка ненасыщенного трансформатора Б отключена от Ui вентилем VD2. Для рассматриваемого МУ при Iу=0 через нагрузку протекает максимальный ток, так как материал магнитопровода обоих трансформаторов будет насыщен. При больших Uy в тот полупериод, когда намагничивается трансформатор А, индукция в трансформаторе Б быстрее достигнет насыщения (-Bs) вследствие чего трансформатор А окажется в режиме короткого замыкания и из его рабочей цепи в цепь управления будет трансформироваться энергия. Следовательно, МУ с внутренней обратной связью превратится в ранее рассмотренный ДМУ. Характеристика управления МУ рис. 3.9 представлена на рис. 3.11.
Рис. 3.11. Характеристика управления МУ с внутренней обратной связью
Рабочим участком характеристики является участок между -I'уmax и - I'уmin.
3.4. Устройство магнитного усилителя
Однофазные МУ, как правило, выполняются на двух магнитопроводах, что позволяет работать при малом сопротивлении цепи управления. На каждом из магнитопроводов располагается своя рабочая обмотка. Обмотка управления может быть индивидуальной для каждого магнитопровода или общей для двух. С общей обмоткой управления МУ более компактен и при одном и том же числе витков Wу обладает меньшим сопротивлением цепи управления. Для уменьшения потоков рассеяния рабочие обмотки помещаются на расположенных рядом стержнях магнитопроводов, а обмотки (обмотка) управления охватывают эти стержни вместе с рабочими обмотками. Как и трансформатор, МУ могут быть выполнены на магнитопроводах стержневого, броневого или тороидального типа. Для изготовления магнитопроводов МУ применяются те же материалы, что и для Принцип действия ДМУ, выполненного по схеме рис. 3.9, заключается в следующем. При полярности Ui, указанной на рис. 3.9, рабочая обмотка трансформатора А подключена к Ui и индукция повышается от некоторого ВуА до Bs. магнитопроводов трансформаторов. Для обеспечения больших коэффициентов усиления при малых габаритах МУ материал магнитопровода должен обладать по возможности большей индукцией насыщения Bs, большой динамической магнитной проницаемостью Mд, малой коэрцитивной силой и малыми удельными потерями.
Контрольные вопросы к главе 3
«Электрические реакторы и магнитные усилители».
1. Электрические реакторы и их применение.
2. Простейший магнитный усилитель.
3. Устройство и принцип действия дроссельного магнитного усилителя на двух магнитопроводах.
4. Основное уравнение дроссельного магнитного усилителя. Характеристики управления идеального и реального магнитного усилителя.
5. Дроссельный магнитный усилитель с внешней обратной связью.
6. Дроссельный магнитный усилитель с внутренней обратной связью.
Литература