Файл: 1. Автотрансформаторы, их назначение 1 Автотрансформатор, его история.doc
Добавлен: 23.11.2023
Просмотров: 1948
Скачиваний: 56
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Рассмотрим принцип работы удвоителя частоты. Два замкнутых магнитопровода имеют пять обмоток. Первичную обмотку ω1 выполняют так, чтобы она охватывала сразу два магнитопровода. При включении обмотки в сеть переменного тока с синусоидальным напряжением и частотой f1 она создает в каждом магнитопроводе переменную МДС F1. Две секции вторичной обмотки ω1' и ω2", каждая из которых расположена на своем магнитопроводе, включены друг с другом последовательно согласно, так что результирующий магнитный поток, сцепленный с этими обмотками, равен сумме потоков магнитопроводов Фa + Фb. Кроме того, на каждом магнитопроводе имеется по одной обмотке подмагничивания ω0, включенных между собой последовательно. При включении этих обмоток на постоянное напряжение U0 в каждом из магнитопроводов возникает подмагничивающая МДС F0 = I0 ω0.
При включении в сеть с синусоидальным напряжением u1 и частотой f1 обмотка ω1 в течение первого полупериода напряжения u1 создает МДС F1 = I1 ω1 в магнитопроводе a, направленную согласно с МДС постоянного тока F0. При этом магнитные потоки в магнитопроводе a складываются и создают результирующий поток Фa = Ф0 + Ф1. За счет магнитного насыщения магнитопровода a график этого потока Фa = ѓ(t) имеет уплощенный вид.
В магнитопроводе b в этом же полупериоде МДС потоки Ф0 и Ф1 действуют встречно, создавая результирующий поток Фb = Ф0 – Ф1, имеющий значительный провал в середине первого полупериода.
Во втором полупериоде напряжения u1 в магнитопроводе a создается поток, равный разности Фa = Ф0 – Ф1, а в магнитопроводе b – поток, равный сумме Фb = Ф0 + Ф1. Вторичную обмотку, состоящую из двух секций (ω2 = ω2' + ω2"), охватывает суммарный магнитный поток Фa + Фb, график которого (Фa + Фb) = ѓ(t) построен путем суммирования ординат потоков Фa и Фb. Этот поток содержит постоянную составляющую Фпост, не принимающую участия в наведении вторичной ЭДС и явно выраженную переменную составляющую второй гармоники, которая наводит в секциях вторичной обмотки ЭДС E2 частотой f2 = 2 f1. Электродвижущая сила первичной обмотки E1, так же как и первичное напряжение U1, имеет частоту f1.
Для компенсации индуктивных падений напряжений во вторичную цепь удвоителя частоты включают конденсатор емкостью C, что повышает коэффициент мощности cos φ удвоителя и уменьшает наклон его внешней характеристики U2 = ѓ(I2).
Стабилизаторы напряжения
Стабилизаторы напряжения предназначены для поддержания практически неизменным напряжения на входе каких-либо устройств автоматики, чувствительных к колебаниям напряжения сети U1.
Основной показатель работы стабилизатора напряжения – коэффициент стабилизации по напряжению, показывающий, во сколько раз относительное изменение напряжения на выходе стабилизатора (ΔUст / Uст) меньше относительного изменения напряжения на его входе (ΔU / U1):
kст = (ΔU / U1) : (ΔUст / Uст) (1)
где ΔU = U1 max – U1 min;
ΔUст = Uст max – Uст min.Основные виды стабилизаторов автотрансформаторного принципа действия: ферромагнитные стабилизаторы насыщенного типа и феррорезонансные стабилизаторы (содержащие емкость C).
Ферромагнитный стабилизатор напряжения представляет собой трехстержневой магнитопровод, на среднем стержне которого расположена первичная обмотка ω1. На правом стержне, работающем в условиях сильного магнитного насыщения, расположена вторичная обмотка ω2. На левом ненасыщенном стержне расположена компенсационная обмотка ωк. При колебаниях напряжения U1 на входе стабилизатора изменяется магнитный поток в среднем стержне, но поток в правом стержне изменяется незначительно, так как стержень насыщен. Поэтому колебания напряжения U2' на выходе вторичной обмотки стабилизатора незначительны и компенсируются напряжением Uк компенсационной обмотки, зависимость которого от напряжения U1 имеет вид прямой линии, так как левый стержень стабилизатора ненасыщен. При правильном подборе параметров обмоток и магнитопровода стабилизатора напряжение на выходе оказывается стабилизированным:
Uст = U2' – Uк (2)
Так, при колебаниях напряжения U1 в пределах ±20% от номинального значения при неизменных нагрузке и частоте выходное напряжение колеблется в пределах ±3%, т. е. коэффициент стабилизации по напряжению kст ≈ 7. Обычно для ферромагнитных стабилизаторов kст не превышает 10. Основные недостатки ферромагнитных стабилизаторов: небольшой коэффициент стабилизации по напряжению, низкий КПД (не более 40–60%), небольшой коэффициент мощности (не более 0,4), несинусоидальное выходное напряжение. Указанные недостатки ограничивают применение ферромагнитных стабилизаторов напряжения.
Феррорезонансный стабилизатор
Феррорезонансный стабилизатор напряжения обладает лучшими свойствами. Он состоит из реактора, магнитопровод которого при заданном диапазоне напряжений U1 насыщен, конденсатора C, автоавтотрансформатора, магнитопровод которого ненасыщен. Обмотка автоавтотрансформатора включена так, что напряжение на выходе стабилизатора
Uст = U2' – U2" (3)
где U2' – напряжение на выводах реактора; U2" – напряжение на выводах автоавтотрансформатора.
Напряжение U2' благодаря резонансу токов в контуре L1C, где L1 – индуктивность реактора, имеет резко нелинейную зависимость от напряжения U1. Напряжение U2" пропорционально напряжению U1 и компенсирует изменение напряжения U2' на прямолинейном участке кривой. При этом условии напряжение на выходе стабилизатора Uст изменяется незначительно при заданном диапазоне колебания напряжения на входе стабилизатора. Коэффициент полезного действия феррорезонансного стабилизатора достаточно высок и составляет 80–85%, а коэффициент стабилизации по напряжению kU = 20ч40.
3. Примеры использования автотрансформаторов
3.1 Применение в электросетях
Наиболее часто автотрансформаторы применяются в электросетях и в источниках питания различных приборов.
Поскольку потери на нагревание провода пропорциональны квадрату тока, проходящего через провод, при передаче электроэнергии на большое расстояние выгодно использовать очень большие напряжения и небольшие токи. Из соображений безопасности и для уменьшения массы изоляции в быту желательно использовать не столь большие напряжения. Поэтому для наиболее выгодной транспортировки электроэнергии в электросети многократно применяют автотрансформаторы: сначала для повышения напряжения генераторов на электростанциях перед транспортировкой электроэнергии, а затем для понижения напряжения линии электропередач до приемлемого для потребителей уровня.
Поскольку в электрической сети три фазы, для преобразования напряжения применяют трёхфазные автотрансформаторы, или группу из трёх однофазных автотрансформаторов, соединённых в схему звезды или треугольника. У трёхфазного автотрансформатора сердечник для всех трёх фаз общий.
Несмотря на высокий КПД автотрансформатора (для автотрансформаторов большой мощности — свыше 99 %), в очень мощных автотрансформаторах электросетей выделяется большая мощность в виде тепла (например, для типичной мощности блока электростанции 1 ГВт на автотрансформаторе может выделяться мощность до нескольких мегаватт). Поэтому автотрансформаторы электросетей используют специальную систему охлаждения: автотрансформатор помещается в баке, заполненном автотрансформаторным маслом или специальной негорючей жидкостью. Масло циркулирует под действием конвекции или принудительно между баком и мощным радиатором. Иногда масло охлаждают водой. «Сухие» автотрансформаторы используют при относительно малой мощности (до 16000 кВт).
3.2 Применение в источниках электропитания
Для питания разных узлов электроприборов требуются самые разнообразные напряжения. Блоки электропитания в устройствах, которым необходимо несколько напряжений различной величины содержат автотрансформаторы с несколькими вторичными обмотками или содержат в схеме дополнительные автотрансформаторы. Например, в телевизоре с помощью автотрансформаторов получают напряжения от 5 вольт (для питания микросхем и транзисторов) до 30 киловольт (для питания анода кинескопа).
В прошлом в основном применялись автотрансформаторы, работающие с частотой электросети, то есть 50-60 Гц.
В схемах питания современных радиотехнических и электронных устройств (например в блоках питания персональных компьютеров) широко применяются высокочастотные импульсные автотрансформаторы. В импульсных блоках питания переменное напряжение сети сперва выпрямляют, а затем преобразуют при помощи инвертора в высокочастотные импульсы. Система управления с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) позволяет стабилизировать напряжение. После чего импульсы высокой частоты подаются на импульсный автотрансформатор, на выходе с которого, после выпрямления и фильтрации получают стабильное постоянное напряжение. В прошлом сетевой автотрансформатор (на 50-60 Гц) был одной из самых тяжёлых деталей многих приборов. Дело в том, что линейные размеры автотрансформатора определяются передаваемой им мощностью, причём оказывается, что линейный размер сетевого автотрансформатора примерно пропорционален мощности в степени 1/4. Размер автотрансформатора можно уменьшить, если увеличить частоту переменного тока. Поэтому современные импульсные блоки питания при одинаковой мощности значительно легче. Автотрансформаторы 50-60 Гц, несмотря на их недостатки, продолжают использовать в схемах питания, в случая, когда надо обеспечить минимальный уровень высокочастотных помех, например в высококачественном звуковоспроизведении.
3.3 Другие применения автотрансформатора
Разделительные автотрансформаторы (автотрансформаторная гальваническая развязка). Нейтральный провод электросети может иметь контакт с «землёй», поэтому при одновременном касании человеком фазового провода (а также корпуса прибора с плохой изоляцией) и заземлённого предмета тело человека замыкает электрическую цепь, что создаёт угрозу поражения электрическим током. Если же прибор включён в сеть через автотрансформатор, касание прибора одной рукой вполне безопасно, поскольку вторичная цепь автотрансформатора никакого контакта с землёй не имеет.
Импульсные автотрансформаторы (ИТ). Основное применение заключается в передаче прямоугольного электрического импульса (максимально крутой фронт и срез, относительно постоянная амплитуда). Он служит для трансформации кратковременных видеоимпульсов напряжения, обычно периодически повторяющихся с высокой скважностью. В большинстве случаев основное требование, предъявляемое к ИТ, заключается в неискажённой передаче формы трансформируемых импульсов напряжения; при воздействии на вход ИТ напряжения той или иной формы на выходе желательно получить импульс напряжения той же самой формы, но, быть может, иной амплитуды или другой полярности.
Измерительные автотрансформаторы. Применяют для измерения очень больших или очень маленьких переменных напряжений и токов в цепях РЗиА.
Измерительный автотрансформатор постоянного тока. На самом деле представляет собой магнитный усилитель, при помощи постоянного тока малой мощности управляющий мощным переменным током. При использовании выпрямителя ток выхода будет постоянным и зависеть от величины входного сигнала.
Измерительно-силовые автотрансформаторы. Имеют широкое применение в схемах генераторов переменного тока малой и средней мощности (до мегаватта), например, в дизель-генераторах. Такой автотрансформатор представляет собой измерительный автотрансформатор тока с первичной обмоткой, включённой последовательно с нагрузкой генератора.
Со вторичной обмотки снимается переменное напряжение, которое после выпрямителя подаётся на обмотку подмагничивания ротора. (Если генератор — трёхфазный, обязательно применяется и трёхфазный автотрансформатор). Таким образом, достигается стабилизация выходного напряжения генератора — чем больше нагрузка, тем сильнее ток подмагничивания, и наоборот.
Согласующие автотрансформаторы. Из законов преобразования напряжения и тока для первичной и вторичной обмотки (I1=I2w2/w1,U1=U2w1/w2) видно, что со стороны цепи первичной обмотки всякое сопротивление во вторичной обмотке выглядит в (w1/w2)² раз больше. Поэтому согласующие автотрансформаторы применяются для подключения низкоомной нагрузки к каскадам электронных устройств, имеющим высокое входное или выходное сопротивление. Например, высоким выходным сопротивлением может обладать выходной каскад усилителя звуковой частоты, особенно, если он собран на лампах, в то время как динамики имеют очень низкое сопротивление. Согласующие автотрансформаторы также исключительно полезны в высокочастотных линиях, где различие сопротивления линии и нагрузки привело бы к отражению сигнала от концов линии, и, следовательно, к большим потерям.