2.2. Принцип действия и основные параметры трансформатора

Принцип действия трансформатора основан на использовании явления взаимоиндукции.

Трансформатор (рисунок 2.1) содержит две обмотки 1 и 2, и сердечник 3 из магнитного материала. Если к обмотке 1 с числом витков подвести переменное напряжение то по ней потечет переменный ток. Обмотка, к которой подводится напряжение , называется первичной. При протекании переменного тока по первичной обмотке в сердечнике трансформатора возникает переменный магнитный поток. Этот поток, замыкаясь по сердечнику, будет воздействовать на вторичную обмотку 2 с числом витков , к которой подключается потребитель — нагрузка Rн. Переменный магнитный поток, пронизывающий первичную и вторичную обмотки, наведет в них ЭДС.

Рисунок 2.1 – Простейшая схема трансформатора (а) при работе его в режиме холостого хода (б) и под нагрузкой (в)

Поскольку определенная величина ЭДС индуктируется в каждом витке вторичной обмотки, а витки в ней соединены последовательно, то можно сделать вывод: ЭДС на зажимах вторичной обмотки трансформатора прямо пропорциональна числу витков в ней. Это положение справедливо и для первичной обмотки.

Если пренебречь падениями напряжения в обмотках, то можно считать, что ЭДС обмотки равна напряжению на ее зажимах:

, .

Учитывая это допущение, можно сформулировать основное свойство трансформатора следующим образом: напряжения на зажимах обмоток трансформатора прямо пропорциональны числам витков в них:

.

Отношение напряжения первичной обмотки к напряжению вторичной обмотки обозначается буквой n и называется коэффициентом трансформации:

.

Если n > 1, то трансформатор называется понижающим. Если n < 1, такой трансформатор называется повышающим.

Важнейшей характеристикой трансформатора является его номинальная мощность. Под номинальной мощностью трансформатора понимается полная мощность, отдаваемая его вторичной обмоткой при номинальном токе и номинальном напряжении. Потеря мощности в трансформаторах весьма мала, т.е. мощность, отдаваемая трансформатором нагрузке, почти равна мощности, потребляемой им от источников.

Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора представляет собой отношение активной мощности нагрузки, подключенной к трансформатору, к активной мощности, потребляемой трансформатором из сети:

.

3. Выпрямители

3.1. Выпрямление переменного тока. Однофазные схемы выпрямления

Выпрямители предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный.

Наиболее распространенные схемы выпрямителей, питающихся от однофазной сети переменного тока, приведены на рисунке 3.2. С правой стороны от собственно схем выпрямителей на рисунке 3.2 показаны виды нагрузок, на которые эти выпрямители обычно работают на практике.

Однополупериодный выпрямитель (рисунок 3.2, а) применяется в основном при работе на нагрузку емкостного характера, в редких случаях — на чисто активную нагрузку. Его достоинствами являются простота, минимальное число элементов, невысокая стоимость, возможность работы без трансформатора. К существенным недостаткам однополупериодного выпрямителя относятся: высокий коэффициент пульсации  = 1,57; низкая частота пульсации (первая ее гармоника имеет частоту, совпадающую с частотой, питающего выпрямитель напряжения); высокое обратное напряжение на вентиле; плохое использование трансформатора, так как его габаритная мощность более чем в три раза превышает мощность, отдаваемую в нагрузку на постоянном токе; подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током. Перечисленные недостатки являются причиной ограниченного применения однополупериодных выпрямителей на практике.

Двухполупериодная схема со средней точкой (рисунок 3.2, б) по существу представляет собой два параллельно включенных однополупериодных выпрямителя, работающих поочередно через полпериода выпрямляемого напряжения. Используется в основном при нагрузке емкостного или индуктивного характера, при активной нагрузке применяется редко. Основными преимуществами данной схемы по сравнению с однополупериодной являются: меньший коэффициент пульсации  = 0,67; повышенная частота пульсации (первая ее гармоника имеет частоту, вдвое большую частоты питающего напряжения); возможность использования диодов с общим катодом или анодом одного источника. Основными недостатками схемы являются усложненная из-за наличия среднего отвода во вторичной обмотке конструкция трансформатора и высокое обратное напряжение на вентилях равное, как и в однополупериодной схеме.

Рисунок 3.2  Схемы выпрямителей, питающихся от однофазной сети переменного тока: а) однополупериодная; б) двухполупериодная со средней точкой; в) мостовая

Мостовая схема (рисунок 3.2, в) из всех двухполупериодных схем выпрямителей, работающих от однофазной сети переменного тока, обладает наилучшими технико-экономическими показателями. В сравнении с предыдущей схемой выпрямитель не требует усложнения трансформатора, характеризуется лучшим его использованием, допускает работу без трансформатора, обеспечивает вдвое меньшее обратное напряжении на вентилях. Недостатки мостовой схемы: большое число вентилей, повышенное прямое падение напряжения на вентильном звене и недопустимость установки полупроводниковых вентилей на одном радиаторе без изолирующих прокладок.

На рисунке  3.3 изображены временные диаграммы напряжений и токов, действующих в одно- и двухполупериодных схемах при активной нагрузке.

а) б)

в)

Рисунок 3.3  Временные диаграммы токов и напряжений , действующих в активной нагрузке при однополупериодном (б) и двухполупериодном (в) выпрямлениях переменного напряжения (a).