При выборе трансфор§ 5.2. Трансформаторы для выпрямительных установок

Во вторичные обмотки этих трансформаторов включены вентили — устройства, обладающие односторонней проводимостью.

Рассмотрим работу однофазного трансформатора в схеме однополупериодного выпрямления (рис. 5.3, а). Ток во вторичной обмотке этого трансформатора i₂ является пульсирующим, так как он создается только положительными полуволнами вторичного напряжения U₂ (рис. 5.3, б). Этот пульсирующий ток имеет две составляющие: постоянную

(5.2)

и переменную

(5.3)

Пренебрегая током х.х. и учитывая (5.3), уравнение МДС рассматриваемого трансформатора можно записать в виде

(5.4)

Рис. 5.3. Трансформатор в схеме выпрямления

В первичную обмотку трансформируется лишь переменная составляющая вторичного тока (5.3), поэтому МДС I_dw₂ остается неуравновешенной и создает в магнитопроводе трансформатора постоянный магнитный поток Ф_d, называемый потоком вынужденного намагничивания. Этот поток вызывает дополнительное магнитное насыщение элементов магнитопровода; для того чтобы это насыщение не превышало допустимого значения, необходимо увеличить сечение сердечников и ярм. Эта мера приводит к увеличению расхода стали и меди, т. е. ведет к повышению габаритов, веса и стоимости трансформатора. Этот недостаток однофазной однополупериодной схемы распространяется и на трехфазную однополупериодную схему при соединении вторичной обмотки трансформатора по схеме «звезда—звезда с нулевым выводом» (рис. 5.3, в). В этом случае магнитный поток вынужденного намагничивания Ф_d значительно меньше, так как, действуя одновременно во всех трех стержнях магнитопровода, он замыкается вне магнитопровода — через медь, воздух, стенки бака — аналогично третьим гармоникам основного магнитного потока (см. рис. 1.26). Однофазную однополупериодную схему применяют лишь для маломощных выпрямителей, что объясняется не только недостатком, вызванным наличием потока Ф_d, но и значительными пульсациями выпрямленного тока. Трехфазная однополупериодная схема со­единения вторичной обмотки в звезду с нулевым выводом также ограничивается выпрямителями небольшой мощности. Если же вторичную обмотку соединить в равноплечий зигзаг с нулевым выводом (см. рис. 1.22), то недостатки однополупериодной схемы выпрямления, обусловленные возникновением потока Ф_d, устраняются. Объясняется это тем, что при соединении в равноплечий зигзаг (см. § 1.8) на каждом стержне оказываются две вторичные катушки со встречным соединением. При трехфазной однополупериодной схеме ток I_d проходя по всем фазам вторичной обмотки, создает в каждом стержне два потока Ф_d/2, но так как эти потоки направлены в разные стороны, то они взаимно уравновешиваются. Это достоинство схемы соединения обмоток в зигзаг позволяет применять трехфазную однополупериодную схему при значитель­ных мощностях.

В двухполупериодных схемах, когда ток во вторичной цепи трансформатора создается в течение обоих полупериодов, условия работы трансформатора оказываются намного лучше и неуравновешенной МДС не возникает.

Другим обстоятельством, нежелательно влияющим на работу трансформаторов в схемах выпрямления, является несинусоидальная форма токов в обмотках. В результате в первичной и вторичной обмотках появляются токи высших гармоник, ухудшающие эксплуатационные показатели трансформатора, в частности снижающие его КПД.

Количественно влияние различных причин на работу трансформаторов в схемах выпрямления зависит от ряда факторов: схем выпрямления, наличия сглаживающего фильтра, характера нагрузки.

В связи с тем что первичный и вторичный токи трансформаторов имеют разные действующие значения (из-за их несинусоидальности), расчетные мощности первичной и вторичной обмоток одного и того же трансформатора неодинаковы (S_1ном ≠ S_2ном). Поэтому для оценки мощности трансформатора, работающего в вы­прямительной схеме, вводятся понятия типовой мощности

(5.5)

и коэффициента типовой мощности

(5.6)

где выходная мощность, т. е. мощность, поступающая в потреби­тель постоянного тока,

(5.7)'

в номинальном режиме (при номинальных напряжениях U_dном и токе I_{d ном}).

Типовая мощность трансформатора всегда больше его выходной мощности, т.е. kт>1. Объясняется это тем, что при любой схеме выпрямления U₂ > U_d и I₂>I_d

Из этого следует, что габариты и вес трансформаторов для выпрямителей всегда больше, чем у трансформаторов такой же выходной мощности, но при синусоидальных токах в обмотках. Это объясняется тем, что в трансформаторах, работающих в выпрямительных схемах, полезная мощность определяется постоянной составляющей вторичного тока I_d а нагрев обмоток — полным вторичным I₂ и первичным I₁ токами, содержащими высшие гармонические.

При выборе трансформ

Импульсные трансформаторы. Применяются в устройствах импульсной техники для изменения амплитуды импульсов, исключения постоянной составляющей, размножения импульсов и т. п. Одно из основных требований, предъявляемых к импульсным трансформаторам, — минимальное искажение формы трансформируемых импульсов.

Для выяснения принципиальной возможности трансформирования кратковременных однополярных импульсов рассмотрим идеальный трансформатор (без потерь и паразитных емкостей), Работающий без нагрузки. Допустим, на вход этого трансформатора поступают однополярные импульсы прямоугольной формы продолжительностью t_и с периодом T (рис. 5.4, а). Первичный контур трансформатора обладает некоторой постоянной времени = L₁/r₁ , обусловленной индуктивностью этого контура.

Рис. 5.4. Графики напряжения в импульсном трансформаторе

Рассмотрим случай, когда постоянная времени намного меньше продолжительности импульса: << t_и. При этом график первичного тока i₁ = f(t) имеет вид кривой, отличающейся от прямоугольника. Кривая же вторичного напряжения и₂ = f(t) значительно искажена. При этом в интервале времени 1—2 напряжение U₂ = О, так как при t₁ = const ЭДС е₂ = M(di/dt) = 0, где М — взаимная индуктивность между обмотками. Следовательно, при << t_и трансформирование импульсов невозможно.

Рассмотрим другой случай, когда << t_и. Этот случай более реален, так как продолжительность импульсов обычно не превышает 10^-4с. Теперь, когда импульс и₁ прекращается еще до окончания переходного процесса в первичной цепи, импульсы на выходе трансформатора и₂ не имеют значительных искажений (рис. 5.4, б). При этом отрицательная часть импульса легко устраняется включением диода во вторичную цепь трансформатора.

Рассмотренные явления выявляют лишь принципиальную возможность трансформирования кратковременных однополярных импульсов без особых искажений их формы. При более подробном рассмотрении работы импульсного трансформатора электромагнитные процессы в нем оказываются намного сложнее, так как на них значительное влияние оказывают явление гистерезиса, вихревые токи, паразитные емкостные связи (между витками и обмотками) и индуктивности рассеяния обмоток. Для ослабления нежелательного влияния перечисленных факторов импульсные трансформаторы проектируют таким образом, чтобы они работали с линейной магнитной характери­стикой, т. е. с таким значением магнитной индукции в сердечнике, при котором рабочая точка расположена ниже зоны магнитного на­сыщения на кривой намагничивания трансформатора. Кроме того, магнитный материал сердечника должен обладать небольшой оста­точной индукцией (малой коэрцитивной силой). Для понижения остаточной индуктивности магнитопровод импульсного трансформатора в некоторых случаях снабжают небольшим воздушным зазором. С этой же целью иногда применяют подмагничивание трансформатора постоянным током, полярность которого противоположна полярности трансформируемых импульсов. Это мероприятие позволяет снизить магнитную индукцию в сердечнике в интервале между импульсами.

Магнитопроводы импульсных трансформаторов изготовляют из магнитных материалов с повышенной магнитной проницаемостью (холоднокатаная сталь, железоникелевые сплавы и др.) при толщине ленты 0,02—0,35 мм. Иногда магнигопровод делают из феррита.

которых возможно удвоение или ут­роение частоты переменного тока.

Рассмотрим работу трансформатора, увеличивающего частоту переменного тока в три раза. Такой трансформатор называется утроителем частоты. Он состоит из трех однофазных трансформаторов, работающих при сильно насыщенном магнитопроводе. Первичные обмотки трансформаторов соединены звездой, а вторичные — последовательно (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Утроитель частоты

Как было показано в § 1.9, намагничивающий ток трансформатора помимо основной содержит третью гармонику с частотой f₃ = 3f₁. При соединении обмоток звездой токи третьей гармоники взаимно уравновешиваются и тогда в составе магнитного потока появляется третья гармоника Ф₃. В трехстержневом магнитопроводе потоки этой гармоники ослаблены. Но в утроителе частоты магнитопроводы однофазных трансформаторов работают независимо, поэтому потоки Фз в них достигают больших значений и наводят во вторичных обмотках ЭДС третьей гармоники е₃. Так как ЭДС е₃ во всех фазных обмотках совпадают по фазе то на выходе утроителя частоты устанавливается напряжение U₃, равное алгебраической сумме ЭДС е₃ частотой f₃=3f₁. Что же касается ЭДС гармоники, то хотя она и наводится в фазных обмотках утроителя, но в составе напряжения на выходе утроителя она отсутствует, так как при сдвиге фаз между ЭДС в 120° их алгебраическая сумма равна нулю.

Для снижения падения напряжения во вторичных обмотках при нагрузке последовательно с обмотками включают конденсатор С, емкость которого компенсирует индуктивность обмоток.

Увеличение частоты в большее число раз можно осуществить применением нескольких трансформаторов для преобразования частоты, включенных один за другим (каскадно). Однако этот способ повышения частоты экономически нецелесообразен, так как связан со значительной затратой активных материалов.