Особливості конструкції трансформаторів малої потужності

 

Як відомо [1], трансформатор – це статичний електромагнітний перетворювач змінного струму. Малопотужний трансформатор складається з тих самих вузлів, що й звичайний потужний трансформатор, але має й деякі конструктивні особливості.

Осердя трансформаторів малих потужностей складаються з пластин феромагнітного матеріалу Ш-подібної, П-подібної, Г-подібної, тороїдної форми [11,12]. Крім того, вони можуть намотуватись із стрічки, виконуватись штампуванням з фериту. Якщо осердя виконується у вигляді пакета, то останній може бути складений внапуск або в стик, впритул. У першому випадку в магнітному ланцюзі створюються менші зазори.

В наш час застосовують осердя, виготовлені з вузької стрічки електротехнічної сталі. Найчастіше стрічкові осердя розрізаються на дві половини, після чого на них надівають котушки. Потім осердя стягуються й закріпляються у цьому стані.

В трансформаторах малої потужності застосовується багатошарова обмотка, яка намотується безперервно вздовж всієї довжини стрижня магнітного ланцюга до одержання заданого числа витків. В деяких випадках обмотка виконується з окремих частин, намотаних на різні каркаси. Кожна частина обмотки є закінченою конструктивною деталлю, яку називають галетою. Галети надівають на стрижень за всією висотою магнітного ланцюга й електрично з’єднують між собою.

Малопотужні трансформатори, які застосовуються в схемах автоматики, можуть мати невеликий ККД, оскільки енергія, яка в них втрачається, мала. Ці трансформатори призначаються для значно меншого терміну служби, ніж потужні силові трансформатори, оскільки електронна апаратура, в схемах якої вони працюють, порівняно швидко, зношується. Трансформатори для радіоелектроніки повинні мати малі габарити й вартість.

Триобмоткові та багатообмоткові трансформатори широко розповсюджені, особливо в схемах автоматики радіоелектроніки й телебачення. Первинну обмотку трансформатора приєднують до живлячої мережі. Інші, вторинні, живлять мережі з різними напругами. Триобмотковий трансформатор, наприклад, замінює два двообмоткових з різними коефіцієнтами трансформації.

В схемах автоматики, радіоелектроніки й дротового зв’язку, де напруга коливається в межах ± 10÷50 %, застосовуються автотрансформатори.

 

1.2. Особливості трансформаторів, які застосовуються в автоматиці радіо, телевізійних та імпульсних пристроях

 

Особливістю радіоелектронних схем є те, що в них потрібно перетворювати струм та напругу у великому діапазоні частот: від часток герца до сотень мегагерц. Для того, щоб спотворення форми перетворюваного струму були мінімальними, характеристики трансформатора повинні бути лінійними, а сталі часу обмоток – найменшими.

Щоб характеристики трансформатора були лінійними, зменшують індукцію магнітного ланцюга й шихтують його з листів спеціальних феромагнітних сплавів (пермалой та ін.) або спеціальної трансформаторної електротехнічної сталі з малими втратами, низькою залишковою індукцією, великим значенням індукції насичення В_s та магнітної проникності μ. Вихрові струми в сталі повинні бути зменшені, оскільки при високій частоті вони спотворюють форму вихідних імпульсів і викликають значне зростання струму холостого ходу. У зв’язку з явищем ефекту витіснення вихрові струми викликають нерівномірний розподіл основного магнітного потоку в осерді магнітного ланцюга, що може призвести до насичення поверхневих шарів листів сталі. Для зменшення сталої часу обмотки розташовують таким чином, щоб потоки розсіювання були мінімальними.

Розвиток телебачення, радіолокації, імпульсної техніки призвів до створення спеціальних імпульсних трансформаторів, призначених для перетворення сигналів малої тривалості з крутим фронтом зростання. Імпульсні трансформатори зменшують або збільшують амплітуду імпульсу напруги, можуть змінювати полярність імпульсів. Імпульсні трансформатори часто виконують багатообмотковими. При цьому потужність імпульсу знаходиться в межах від кількох десятків ват до 10 мВт, а тривалість імпульсу – від часток мікросекунди до кількох мілісекунд. Тривалість фронту імпульсу t₁ дуже мала (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Форма імпульсу на виході імпульсного трансформатора

 

Крива збільшення напруги за час t₁ може вважатись чвертю періоду деякого періодичного процесу, тобто високочастотного режиму роботи, в якому між обмотками та між витками тієї ж обмотки виникають значні ємнісні зв’язки. Наближено їх можливо врахувати схемою заміщення рис. 1.2.

Рис.1.2. Схема заміщення імпульсного трансформатора

 

В імпульсному трансформаторі ємнісними зв’язками можуть проходити значні струми. Тому спотворюється форма фронту імпульсу, можуть виникати коливання, які накладаються на імпульс, який передається.

Особливості процесів у імпульсному трансформаторі – сильний вплив ємнісних зв’язків, перемагнічування й вихрових струмів.

До інших різновидів спеціальних трансформаторів належить низка цих пристроїв різних конструкцій, призначень, виконань, описаних у різних книгах, наприклад [13, 14].

Серед цих трансформаторів – тороїдні трансформатори, перевагою яких є відсутність у магнітній системі повітряних зазорів, що значно зменшує магнітний опір магнітопроводу, тобто зменшує й струм холостого ходу. Крім того, трансформатори з тороїдними осердями мають малі потоки розсіювання, що особливо важливо у високочастотних та імпульсних трансформаторах.

При збільшенні частоти доводиться зменшувати максимальну індукцію, щоб запобігати надмірному нагріву магнітопроводу. Навіть при частоті 1000 Гц індукція не повинна перевищувати 0,3-0,5 Тл, тому в цих випадках доцільно застосовувати магнітопроводи з феритів, які працюють при індукціях 0,3-0,4 Тл і практично не мають втрат на вихрові струми. Недоліки феритів – їх крихкість та мала температура точки Кюрі, при якій втрачаються феромагнітні властивості, - (150÷250) ⁰С.

У вимірювальних та деяких спеціальних трансформаторах для виготовлення магнітопроводів застосовують залізонікелеві сплави типу пермалой, які мають великі початкову та максимальну магнітну проникність.

В силових трансформаторах сплави типу пермалой не застосовують, оскільки максимальна індукція в них менша, ніж в електротехнічних сталях. Крім того, вони дуже чутливі до механічних впливів (для відновлення магнітних властивостей після удару потрібне повторне відпалення).

Крім пермалою, розроблені спеціальні сталі, з яких виготовляються стрічки з товщиною 0,03÷0,02 мм для трансформаторів з частотою до 20 кГц. Це, наприклад, аморфна сталь, у якої завдяки дуже швидкому охолодженню розплаву не формується кристалічна структура. Вона має надзвичайно малі магнітні втрати (майже як у феритів) та дозволяє максимальну індукцію до 1,2 Тл. Для виготовлення трансформаторів з малим шумом (менше 40 дб) широко застосовують сталь зі спеціальним склоподібним покриттям.

У високочастотних трансформаторах для зменшення додаткових втрат від витиснення струму застосовують розщеплені багатожильні дроти з кількох емальованих провідників із загальною ізоляцією з одного або двох шарів натурального шовку або лавсанової пряжі.

Іноді для високочастотних трансформаторів виконують обмотки з алюмінієвої фольги з товщиною 20÷30 мкм або з тонких алюмінієвих шин. Ізоляцією тут є плівка окису алюмінію, яка має достатню теплоємність, теплопровідність та витримує робочу напругу 100 В. Для трансформаторів, які працюють в умовах високої температури та радіоактивного опромінення використовують дроти з анодованого алюмінію з ізоляцією з кварцевих ниток.

Тороїдні обмотки виконують коловими або секціонованими. У коловій обмотці провідник укладають рівномірно на внутрішній поверхні тороїда (рис.1.3, а). У секціонованій обмотці коло тороїда розподілене не окремі сектори (секції), які заповнюються повною кількістю витків (рис. 1.3, б).

а) б)

Рис. 1.3. Будова тороїдних трансформаторів: 1–магнітопровід; 2–обмотка

Трансформатори малої потужності виконуються звичайно з природним повітряним охолодженням. В деяких випадках їх розміщують в корпусі, який заливається термореактивними компаундами, які виготовляються на основі епоксидних смол.

Такі компаунди мають високі електроізоляційні та вологозахисні властивості. Після затвердіння вони не розплавляються при підвищених температурах та забезпечують надійний захист трансформатора від механічних та атмосферних впливів. Герметизація трансформаторів термореактивними компаундами значно підвищує їхню стійкість до впливів різних агресивних середовищ.

Для інтенсивнішого охолодження трансформаторів малої потужності застосовують тепловідвідні радіатори та теплові шунти (рис. 1.4).

а) б)

Рис. 1.4. Будова мікротрансформаторів з радіатором (а) та з тепловими шунтами (б): 1-радіатор; 2-обмотки; 3, 4-теплові шунти; 5-магнітопровід

 

Радіатор закріплюють на магнітопроводі за допомогою теплопровідної пасти, яка склеює. Теплові шунти виконують у вигляді мідних стрічок, які є в надійному тепловому контакті з поверхнею магнітопроводу або котушки. Через теплові шунти теплота від магнітопроводу або внутрішньої частини котушки відводиться в оточуюче середовище.

 

Пік-трансфотрматор

Імпульси пікоподібної форми необхідні в електроніці для керування вентилями (тиристори, симистори і ін.). Такі імпульси можливо отримати від пік-трансформаторів. На відміну від імпульсних трансформаторів, які повинні зберігати форму імпульсу, який передається, пік-трансформатори змінюють форму напруги, яка подається на вхід, таким чином, щоб форма вихідної напруги була пікоподібною. Для одержання такої форми ЕРС на вторинній обмотці необхідно, щоб зчеплений з нею потік був сплощений.

а) б)

Рис. 1.5. Конструктивна схема пік-трансформатора (а) та криві зміни у часі магнітних потоків і ЕРС (б)

 

На рис. 1.5,а подано одну з можливих схем пік-трансформатора. Криві, які пояснюють принцип дії, наведені на рис. 1.5,б. У наведеній конструкції стрижні 1, 3 не насичуються (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Залежності магнітних потоків від струму первинної обмотки

 

Стрижень 2 входить в режим глибокого насичення. Тому зчеплений з вторинною обмоткою магнітний потік Ф₂ набуває сплощеної форми (рис. 1.5,б). Магнітний потік, який проходить через стрижень 3, дорівнює:

Ф₃=Ф₁-Ф₂

Рис. 1.7. Ідеалізовані часові діаграми

 

Ідеалізуючи зміну магнітних потоків та ЕРС (рис.1.7), визначимо залежність ЕРС вторинної обмотки е₂ від площі перерізу стрижня S₂ та амплітуди індукції в першому стрижні В_m1:

;

 

.

 

 

Ширина піка е₂ зменшується зі зменшенням S₂ та збільшенням В_m1. Амплітуда ЕРС е₂ дорівнює:

,

тобто збільшується зі зростанням В_m1.

Іншим варіантом пік-трансформатора є звичайний двообмотковий трансформатор із сильно насиченим осердям. Його первинну обмотку вмикають до мережі змінного струму через великий активний опір R_д (рис. 1.8,а) або лінійний індуктивний опір. При великому активному опорі через первинну обмотку проходить синусоїдний струм і₁.

а)

 

б)

Рис.1.8. Схема вмикання пік-трансформатора (а) та графіки зміни його потоку й вихідної напруги (б)

 

При цьому магнітний потік не змінюється за синусоїдою, оскільки він зростає пропорційно до струму тільки при малих його значеннях, коли осердя не насичене. Тому крива потоку має сплощену форму (рис. 1.8,б), а у вторинній обмотці індукується пікоподібна напруга u₂. Пік напруги U_2m виникає тоді, коли магнітний потік та струм і₁ проходять через нуль, а швидкість їх зміни максимальна. При вмиканні трансформатора через активний опір пік напруги U_2m створюється в момент; коли напруга u₁ проходить через нульове значення (струм і₁ та напруга u₁ співпадають за фазою). Якщо потрібно, щоб цей пік виникав при проходженні u₁ через максимум, то в ланцюг первинної обмотки вмикають індуктивний опір. Для підвищення крутості піку U_2m осердя трансформаторів виготовляють з пермалою, який має велику початкову магнітну проникність та криву намагнічування з різко вираженим насиченням.

 

1.4. Електромагнітні стабілізатори напруги. Трансформатори, які диференціюють

В багатьох схемах автоматики необхідно підтримувати постійною за величиною діючу напругу. Звичайно напруга коливається у певних межах. Якщо ці коливання не припустимі, то для усунення їх застосовують стабілізатори. В установках з потужністю до 5 кВ ^. А застосовують електромагнітні стабілізатори. Їх перевагами є такі:

а) порівняно низька вартість;

б) простота виготовлення;

в) надійність в роботі.

Але вони мають і низку недоліків:

а) спотворення форми кривої стабілізованої напруги;

б) залежність стабілізованої напруги від частоти, коефіцієнта потужності;

в) значна маса стабілізатора.

Застосовують два типа стабілізаторів: без конденсаторів (з насиченим осердям) та з конденсаторами. В останньому випадку використовується резонанс струму або напруги.

Рис. 1.9. Стабілізатор насиченого типу

 

 

Рис. 1.10. Залежності ЕРС та напруг у стабілізаторі насиченого типу

 

Стабілізатори насиченого типу є конструкцією, наведеною на рис. 1.9. В цій конструкції стрижні 1, 3 не насичуються, а стрижень 2 насичується (рис. 1.10). Стрижень 3 й обмотку на ньому розраховують так, щоб кути нахилу α до осі абсцис для кривих Е₂(І₁) та Е_к(І₁) були однаковими.

Вмикаючи обмотки w ₂ й w _к так, щоб ЕРС Е₂ і Е_к були у протифазі (віднімались), одержують стабілізовану у певних межах напругу. Мінімальний струм стабілізації І_min визначається з умови стабілізації, а максимальний І_mах – з умов теплового перевантаження. Оскільки ККД таких стабілізаторів низький (η=40÷60%), вони застосовуються рідко.

Приклад схеми, яка працює на принципі резонансу струмів, наведено на рис. 1.11.

Рис. 1.11. Стабілізатор на резонансі струмів

 

 

Рис. 1.12. Залежності ЕРС та напруг у резонансному стабілізаторі

 

У цій схемі осердя автотрансформатора А в насичення не входить. Осердя дроселя L входить в насичення (рис. 1.11). Віднімаючи, як і в попередньому випадку, ці дві напруги, одержують стабілізовану в певних межах навантажень напругу U₂ (рис. 1.12). Ці межі встановлюються так, як і в попередньому випадку.

ККД таких стабілізаторів досягає 70-85%, тому вони застосовуються частіше.

В електроприводі, перетворювальній техніці, системах автоматичного регулювання трансформатори часто використовують як ланки для отримання сигналів, пропорційних першій похідній від регульованої або вхідної величини. Такі трансформатори називають диференціюючими. Використання трансформаторів як диференціюючих елементів можливе тому, що напруга u₂ у вторинній обмотці пропорційна до похідної , яка визначається швидкістю зміни напруги або струму у первинній обмотці.

Для підвищення рівня сигналів, які передаються диференціюючими трансформаторами, їх виконують з не насиченими магнітопроводами й за можливістю більшим сумарним перерізом міді обмоток.