Дроселі з неоднорідними магнітопроводами

 

Більш складні процеси відбуваються у дроселі при одночасному протіканні через обмотку постійного і змінного струмів. Постійне підмагнічування зміщує робочу точку на пологу ділянку кривої намагнічування, де значення магнітної проникності (6.16) менше від початкового [3].

Сказане ілюструється рисунком 6.4, а, де: – постійний струм підмагнічування і індукція, яку він викликає;  – відповідно струми і індукції без підмагнічування і з підмагнічуванням.

 

Рисунок 6.4 – Струм і індукція дроселя без підмагнічування

і з підмагнічуванням (а); залежності індуктивності

від струму підмагнічування (б): 1 – без зазору; 2 та 3 – з зазором

 

Без підмагнічування в обмотці протікає струм , який призводить до появи магнітної індукції  з амплітудою Вm.

Підмагнічування постійним струмом Iо викликає появу постійної магнітної індукції . Але ЕРС, що виникає в котушці, і в цьому випадку врівноважує прикладену змінну вхідну напругу . Тому і при підмагнічуванні закон зміни індукції  і амплітуда Вm не змінюються. Проте кривій  відповідає струм котушки , що відрізняється від синусоїдального . Тобто у струмі дроселя при підмагнічуванні виникають додаткові гармонічні складові [3].

Еквівалентна індуктивність дроселя при підмагнічуванні зменшується. Така залежність наведена на рисунку 6.4,б (крива 1).

Щоб уникнути різкого зниження індуктивності котушок, що працюють з підмагнічуванням, їх магнітопроводи виконують з немагнітним зазором.

Зазор створює опір магнітному потокові, тим самим зменшується індукція, викликана підмагнічуванням. Робоча точка зміщується на більш круту ділянку кривої намагнічування, де диференційна магнітна проникність вища. Внаслідок цього магнітний опір зменшується і загальний опір магнітопроводу і зазору також зменшується, а індуктивність котушки зростає (рисунок 6.4,б, криві 2, 3).

 

Трансформатори

Будова трансформаторів

 

Трансформатором називають статичний електромагнітний пристрій, який перетворює змінний струм однієї напруги в змінний струм іншої напруги. У радіотехнічних системах різного призначення трансформатори використовують у блоках живлення, перетворювачах, пристроях узгодження [3, 4].

Робота трансформатора базується на електромагнітній взаємодії у за­гальному випадку декількох електрично не зв'язаних між собою контурів (обмоток). Для концентрації магнітного поля і поліпшення магнітного зв'язку між обмотками їх розташовують на осерді з високою магнітною проникністю.

Якщо одну з обмоток увімкнути в мережу змінного струму, то під дією магнітного поля, створюваного цією обмоткою, в іншій обмотці, магнітно пов'язаній з першою, буде наводитися ЕРС. При підключені навантаження до другої обмотки в її ланцюзі протікатиме змінний струм – до неї енергія передається без електричного (гальванічного) зв'язку.

Обмотку, яку підключають до джерела електричної енергії, називають первинною; обмотку, до якої підключають навантаження, – вторинною. Розрізняють трансформатори пониження і підвищення напруги.

За конструктивним виконанням однофазні трансформатори бувають стержневими, броньовими і тороїдальними.

Стержневий магнітопровід (рисунок 6.5 а, б) має два стержні, на яких знаходяться обмотки. Частину осердя, яка з'єднує стержні, називають ярмом. Як правило, первинна і вторинна обмотки знаходяться на різних стержнях.

У трансформаторі броньового типу осердя складається з трьох стержнів (рисунок 6.5, в, г). Первинна і вторинна обмотки знаходяться на середньому з них. Обмотки частково охоплюються (бронюються) крайніми стержнями. Магнітний потік центрального стержня розгалужується на дві частини, тому він повинен мати перетин удвічі більший крайніх стержнів [4]. Осердя трансформаторів, зображених на рисунках 6.5, а, 6.5, в, зібрані з окремих пластин, трансформаторів рисунків 6.5, б, 6.5, г – виконані з металевої стрічки.

Тороїдальні суцільні стрічкові або феритові осердя мають менші магнітний опір і потік розсіювання. Трансформатори, виконані на них, стійкі до зовнішніх магнітних полів, за умови рівномірного розподілу обмоток по колу тороїда.

 

 

 

 

Рисунок 6.5 – Будова трансформаторів:

а та б – стержневі; в та г – броньові 

 

Трифазні трансформатори (рисунок 6.6) виконують стержневими. На кожному стержні розміщують первинну і вторинну обмотки однієї з фаз (А, В, С). Стержні з'єднують між собою ярмами. Первинні і вторинні обмотки можуть бути з'єднані зіркою, або трикутником.

 

 

Рисунок 6.6 – Схематичне зображення конструкції трифазного трансформатора

 

Робота трансформатора

 

Трансформатор може працювати в режимах холостого ходу, активного та реактивного (ємнісного чи індуктивного) навантаження.

Режим холостого ходу трансформатора – це такий режим, при якому первинна обмотка підімкнена до джерела змінного струму, а вторинна – відключена від навантаження.

У первинній обмотці протікає змінний струм , названий струмом холостого ходу. Його величина складає 5…8 % від струму навантаження. Тому ак­тив­ні втрати в проводі обмотки (міді) малі і потужність, споживана в режимі холостого ходу, затрачується в основному на покриття втрат у осерді (сталі).

Через обмежену магнітну проникність феромагнітного матеріалу осердя не увесь магнітний потік, створений струмом, зосереджується в магнітопроводі. Частина його, який називають потоком розсіювання, проходить через осердя і товщу котушки і замикається у повітрі [3, 4].

Діючі значення ЕРС  первинної і вторинної обмоток трансформатора визначаються законом електромагнітної індукції (6.24) і рівні:

 

                                    ,                                   (6.28)

                                   .                                   (6.29)

 

де  – кількість витків обмоток.

Розділивши (6.28) на (6.29), отримаємо:

 

                                                                      (6.30)

 

де  – коефіцієнт, що отримав назву коефіцієнта трансформації.

Активний опір обмоток є малим і падіння напруги на них при холостому ході мале, тому модулі векторів напруг  і протидіючих ЕРС , зміщених на кут, близький до 180°, практично рівні і коефіцієнт трансформації визначать ще як відношення вхідної напруги до вихідної:

 

                                          .                                        (6.31)

 

Для мережі трансформатор, який працює на холостому ході, є індуктивним навантаженням [3, 4].

Розглянемо коротко роботу навантаженого трансформатора.

Якщо до первинної обмотки трансформатора прикласти напругу , а вторинну з'єднати з навантаженням, то в обмотках потечуть струми  і . Вони викликають у магнітопроводі магнітні потоки  та . У зв'язку з тим, що при­чи­ною появи потоку  є потік , то обидва потоки на основі закону Ленца спрямовані назустріч один одному.

При збільшенні струму навантаження  потік  збільшується, а сумарний магнітний потік у магнітопроводі -  зменшується. Внаслідок цього індуковані сумарним потоком ЕРС  і  зменшуються. Зменшення  викликає збільшення струму первинної обмотки, тому що величина останнього пропорційна різниці - . Зі збільшенням струму , збільшується потік, створений первинною обмоткою , і сумарний магнітний потік -  повертається до свого початкового значення [3, 4].

Таким чином, зміна сумарного магнітного потоку, викликана збільшенням струму , компенсується і сумарний потік залишається рівним потокові при холостому ході трансформатора . Можна сказати інакше – зі збільшенням струму  потужність, споживана навантаженням, збільшується, але напруга мережі постійна, тому зростання потужності можливе тільки за рахунок збільшення струму .

Величину струму  можна знайти, якщо знехтувати втратами потужності в обмотках і магнітопроводі, тобто прийняти   = . Звідкіля:

 

                         .                       (6.32)

 

Таким чином, струм первинної обмотки (6.32) в коефіцієнт трансформації разів відрізняється від струму вторинної обмотки.

Напруга на виході вторинної обмотки пов'язана зі струмом навантаження зовнішньою характеристикою або характеристикою навантаження трансформатора, аналогічною (1.15):

 

                                 ,                               (6.33)
де  - активний та реактивний опори вторинної обмотки.

Зростання струму навантаження  призводить до збільшення внутрішнього падіння напруги на вторинній обмотці, а напруга на навантаженні зменшується. Якщо трансформатор має декілька вторинних обмоток, то зміна навантаження однієї з них викликає зміну напруги як на виході цієї обмотки, так і на виходах інших обмоток.

 

Проектування трансформатора

 

При проектуванні вихідною є формула потужності, що зв'язує габарити трансформатора з активною та реактивною потужністю, яка передається у навантаження. Повна потужність у вольтамперах, що споживається первинною обмоткою трансформатора, подається на основі (6.28) виразом [3]:

 

                                                       (6.34)

 

де  – коефіцієнт, що визначає заповнення магнітопроводу феромагнітним матеріалом,

 – площа феромагнітного матеріалу магнітопроводу,

 – площа перетину магнітопроводу, більша площі феромагнітного матеріалу  через наявність у ньому ізоляційних матеріалів між пластинами, які уводять для зменшення втрат на вихрові струми.

Повна потужність, що віддається трансформатором у навантаження, без врахування втрат у ньому, є сума потужностей усіх вторинних обмоток:

 

                       ,                     (6.35)

де  – ЕРС і струми і -ої вторинної обмотки;

 – кількість витків і -ої обмотки;

к – число вторинних обмоток трансформатора.

Габаритна потужність трансформатора визначається як напівсума габаритних потужностей (6.34), (6.35) первинної і вторинної обмоток:

 

                                (6.36)

 

Щільність струму J в обмотках трансформатора вибирають однаковою:

                                         ,

де  – площа перетину проводу i –ої обмотки. Звідки:

                                        .

 

Знайдемо суму, що входить до (6.36) після підстановки до неї значення , врахувавши і первинну обмотку.

                          ,                       (6.37)

де  – площа перетину провідників усіх обмоток.

Підставивши (6.37) у (6.36), отримаємо формулу потужності.

 

                            .                                        

 

У вікно, що має площу , можна закласти кількість проводу загальною площею < . Коефіцієнт заповнення вікна міддю  залежить від товщин ізоляції проводу і міжшарових прокладок; він коливається в межах 0,15…0,4.

З урахуванням цього формула повної потужності набуває вигляду:

 

                             .                           (6.38)

 

Проведемо аналіз отриманого результату (6.38) [3].

1. Потужність, яку трансформатор віддає до навантаження, пропорційна магнітній індукції у магнітопроводі і щільності струму в обмотках трансформатора.

2. Габарити і маса трансформатора знижуються при підвищені частоти. Цей фактор завжди враховують при виборі частоти автономного джерела змінної напруги. Проте з ростом частоти зростають втрати у магнітопроводі і тому доводиться знижувати амплітуду магнітної індукції Вm, що зменшує ефект, пов’язаний з підвищенням частоти.

3. Габаритна потужність трансформатора пропорційна добутку площі його вікна на площу перетину магнітопроводу. Це свідчить про те, що при збільшені лінійних розмірів трансформатора у  разів його габаритна потужність зростає у  разів, а маса і об'єм – у  разів. Тому питомі масові й об'ємні показники трансформаторів поліпшуються зі збільшенням його габаритної потужності. Саме з цієї причини віддають перевагу одному трансформаторові з багатьма обмотками перед декількома з меншим числом обмоток у кожного.

4. Можна спроектувати трансформатори однієї габаритної потужності з різними перетинами вікна і магнітопроводу. У трансформатор з великим вікном потрібно закласти більше міді, а з малим вікном – більше сталі. Найбільш високий ККД отримують, коли площі магнітопроводу і вікна приблизно рівні.

5. Показано, що ККД трансформатора досягає максимального значення, коли втрати у магнітопроводі і в обмотках рівні. Але цей максимум виражений не різко, тому не завжди доцільно будь-що виконувати цю умову.

Подальша методика проектування трансформатора така.

Після розрахунку габаритної потужності (6.38) вибирають стандартний магнітопровід. Наприклад: Ш-по­діб­ний, витий зі сталевої стрічки товщиною 0,35 мм. Допустиму величину індукції в магнітопроводі приймають такою, щоб втрати не були занадто великими (1,2…1,6 Тл), і визначають по графіках або таблицях питомі втрати в сталі (Вт/кг) і питому потужність намагнічування (Вт/кг). Потім задають щільність струму в проводах (≈ 3 А/мм²), коефіцієнти заповнення вікна міддю (σ ≈ 0,3) і магнітопроводу сталлю ( ≈ 0,9). Знаходять добуток площі вікна на площу перетину магнітопроводу і вибирають конкретні його розміри. Вибирають тип проводу обмоток, визначають число витків у кожній з них. Визначають можливість розміщення обмоток у вікні магнітопроводу і перевіряють тепловий режим трансформатора.

 

Автотрансформатори

 

У конструктивному відношенні автотрансформатор подібний трансформатору. На феромагнітному магнітопроводі у нього знаходяться дві послідовно сполучені обмотки. На відміну від трансформатора між обмотками є не тільки магнітний, але й електричний зв'язок. Обмотка нижчої напруги є загальною і виконується з проводу меншого поперечного перетину [4].

Схема понижуючого автотрансформатора, показана на рисунку 6.7. Напруга підводиться до затискачів 0 – 2 первинної обмотки з числом витків . Вторинна обмотка 0 – 1 складається з  витків, і .

При холостому ході, нехтуючи падінням напруги в первинній обмотці, можна записати аналогічно (6.25), (6.28), (6.29) рівняння електричного стану для первинної і вторинної обмоток при синусоїдальній формі напруги:

 

                                                                    (6.39)                                                                          (6.40)  

Відношення напруг первинної і вторинної обмоток (6.39), (6.40) при холостому ході називають коефіцієнтом трансформації:

                                                                      (6.41)

 

Аналогічно (6.32), нехтуючи втратами потужності в обмотках і магнітопроводі автотрансформатора, що працює під навантаженням, запишемо

 

                                          .

Звідкіля отримуємо:

                                                          (6.42)

 

 

 

Рисунок 6.7 – Схема понижуючого автотрансформатора

 

Таким чином, основні співвідношення трансформатора залишаються без змін і для автотрансформатора.

Переваги автотрансформаторів перед трансформаторами однакової корисної потужності полягають у менших витратах проводу та сталі, менших втратах енергії. Переваги значніші при менших коефіцієнтах трансформації. За цим критерієм доцільно використовувати автотрансформатори при коефіцієнтах транс­формації до 2. Недоліком автотранс­форматорів є електричний зв'язок між мережею і навантаженням [4].

 

Магнітні підсилювачі

 

Магнітний підсилювач це електротехнічний пристрій, призначений для керування змінними потужними струмами навантаження підмагнічуванням феромагнітного осердя малопотужним постійним струмом. Принцип дії підсилювача базується на зміні індуктивного опору котушки у результаті підмагнічування осердя (підрозділ 6.5).

Простіший підсилювач (рисунок 6.8, а) складається з трансформаторів Тр1 і Tp2, первинні обмотки яких увімкнені послідовно з навантаженням у ланцюг мережі змінної напруги  [3, 4]. Вторинні обмотки увімкнені зустрічно, і через них протікає струм керування Iк джерела сигналу . Зустрічне увімкнення вторинних обмоток забезпечує компенсацію напруги мережі  у ланцюзі керування.

При нульовому струмі керування ( = 0) первинні обмотки трансформаторів мають великий індуктивний опір, і через опір Zн протікає малий струм  (рисунок 6.8, б, точка 1). При збільшенні струму Iк осердя підмагнічується, індуктивний опір первинних обмоток падає і струм навантаження зростає. Від напряму струму керування магнітна проникність осердь не залежить і тому залежність  є симетричною відносно вертикальної осі (рисунок 6.8, б). Робоча ділянка знаходиться в межах 1...2, або 1...3 кривої. Потужність у навантажені значно перевищує потужність у ланцюзі керування, яка витрачається на подолання омічних опорів вторинних обмоток.

 

 

Рисунок 6.8 – Схема магнітного підсилювача (а) та

залежність струму навантаження від струму керування (б)

 

Якщо через навантаження повинен протікати постійний струм, то до складу магнітного підсилювача уводять випрямляч. На рисунку 6.9 наведена схема магнітного підсилювача з зовнішнім зворотним зв'язком. Постійний струм зворотного зв'язку, отриманий випрямлячем (діоди VD1...VD4), протікає через обмотку зворотного зв'язку . Такий підсилювач потребує меншої потужності від джерела керування.

Рисунок 6.9 – Магнітний підсилювач з зовнішнім зворотним зв'язком

 

Позитивні якості магнітних підсилювачів: високий ККД; значне підсилення; можуть бути виконані практично на будь-яку потужність; не містить рухомих деталей. Недоліки у порівнянні з електронними підсилювачами: малий діапазон частот, значні габарити і вага.

У техніці використовують складніші двотактні магнітні підсилювачі. В цих пристроях при зміні полярності сигналу керування змінюється полярність (фаза) вихідної напруги. Їх будують з'єднанням двох однотактних підсилювачів за мостовою або диференціальною схемами. За схемою вмикання навантаження двотактні підсилювачі виконують з магнітним або електричним підсумовуванням вихідних сигналів [4].