Содержание  Главная (библиотека)
Предыдущий § Следущий

§ 3.7. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

Трехобмоточный трансформатор. В схемах радио и телевидения имеют большое распространение трехобмоточные трансформаторы. Первичную обмотку трансформатора присоединяют к питающей сети. Две другие обмотки являются вторичными. От них питаются сети, имеющие различное напряжение. Трехобмоточный трансформатор заменяет два двухобмоточных трансформатора, имеющих разные коэффициенты трансформации. Номинальная мощность, на которую рассчитана первичная обмотка, соответствует сумме мощностей вторичных обмоток.

Обмотки не имеют между собой электрических соединений, и связь между ними осуществляется электромагнитным путем. Поток взаимоиндукции Ф трансформатора создается намагничивающим током i₀. М. д. с, создаваемая при прохождении тока i₀ по первичной обмотке, равна сумме м. д. с. всех трех обмоток. В каждой из обмоток поток взаимоиндукции Ф наводит э. д. с, пропорциональ-

ную числу ее витков. Потокосцепление первичной обмотки определяется в основном подведенным напряжением сети. Поэтому ток первичной обмотки увеличивается при нагрузке по сравнению с холостым ходом на суммарную величину приведенных токов двух вторичных обмоток, т. е.

Для облегчения анализа каждую из вторичных обмоток приводим к первичной. В приведенном трансформаторе все три обмотки имеют такое же число витков, что и первичная ω₁, причем для

Рис. 3.28. Схема замещения трехобмоточного трансформатора

удобства приходится принимать, что потоки рассеяния связаны только с одной обмоткой.

Аналогично выражениям (3.8, а) составляем систему приведенных уравнений трехобмоточного трансформатора, которая содержит уравнения напряжения первичной и двух вторичных обмоток. Все величины, относящиеся ко второй вторичной обмотке обозначаем индексом 3.

Система уравнений трехобмоточного трансформатора состоит из трех уравнений напряжений обмоток, каждое из которых содержит члены, учитывающие падение напряжения в активном и индуктивном сопротивлении данной обмотки, ее индуктивность и взаимоиндуктивность двух других обмоток. Системе уравнений (3.32) соответствует схема замещения трехобмоточного трансформатора (рис. 3.28).

Приведенные к первичной обмотке э. д. с. вторичных обмоток равны Е₁ т. е.

С учетом (3.31) и (3.33) из системы уравнений (3.32) получаем

Системе уравнений (3.34) соответствует векторная диаграмма трехобмоточного трансформатора (рис. 3.29).

Автотрансформатор. Однофазный автотрансформатор имеет одну обмотку, часть витков которой принадлежит первичной и вторичной обмоткам, а другая часть витков — только одной обмотке высшего напряжения (рис. 3.30). Таким образом, обмотка низшего напряжения является частью обмотки высшего напряжения. В автотрансформаторе первичная и вторичная обмотки связаны между собой не только электромагнитно, но и электрически. Конструктивно автотрансформатор выполняется как трансформатор, но его первичная и вторичная обмотки имеют электрические соединения.

В зависимости от того, является ли обмотка высшего напряжения первичной или вторичной, автотрансформатор может быть понижающим (рис. 3.30, а) или повышающим (рис. 3.30, б).

В понижающем автотрансформаторе намагничивающий ток приходит по всей обмотке АХ. Подведенное от сети напряжение U₁ равномерно распределяется между витками. Напряжение вторичной обмотки U₂=U₁/k.

В повышающем трансформаторе намагничивающий ток проходит только по общей части аХ обмотки. Вызываемый им поток Ф пропорционален подведенному напряжению и обратно пропорционален числу витков ω₁. Поток взаимоиндукции Ф связан со всеми витками обмотки АХ, поэтому потокосцепление вторичной обмотки пропорционально числу ее витков ω₂. В результате напряжение

Рис. 3.29. Векторная диаграмма трехобмоточного трансформатора

Режим холостого хода автотрансформатора такой же, как и у трансформатора.

Если пренебречь током намагничивания, то для понижающего и для повышающего автотрансформаторов (рис. 3.30, а и б) можно написать уравнение м. д. с. первичной и вторичной обмоток

откуда

Рис. 3.30. Схема автотрансформатора: а — понижающего; б — повышающего

Для повышающего автотрансформатора

ную обмотку непосредственно по проводам. Электромагнитная мощность S_эм передается электромагнитным путем так же, как и в обычном трансформаторе.

Расчетная мощность автотрансформатора соответствует его электромагнитной мощности S_эм. Анализируя (3.40), приходим к выводу, что чем ближе к единице значение коэффициента трансформации k, тем меньше электромагнитная мощность автотрансформатора и, следовательно, тем меньше его габариты и вес. Поэтому при близком значении чисел витков первичной и вторичной обмоток автотрансформатор значительно экономичнее трансформатора. При коэффициенте трансформации k>2 применение автотрансформатора становится нецелесообразным.

Сопротивление участка А а (см. рис. 3.30, а) обмотки понижающего автотрансформатора, по которому проходит ток I₁, равно

Вследствие этого ток короткого замыкания автотрансформатора значительно больше, чем трансформатора. При коротком замыкании намагничивающий ток автотрансформатора во много раз увеличивается и может быть соизмеримым с током короткого замыкания. Это объясняется тем, что при нормальной работе м. д. с, создаваемые обмотками трансформатора на участках Аа и аХ (см. рис. 3.30), взаимно уравновешиваются. Например, для повышающего авто-ник очень сильно насыщается. Большой ток при коротком замыкании является недостатком автотрансформатора.

Существенным недостатком автотрансформатора является опасность попадания высокого напряжения в сеть низкого, так как обмотки соединены электрически. Поэтому изоляция сети низкого напряжения автотрансформатора должна быть такой же, что и у высокого.

Автотрансформаторы широко применяются в схемах автоматики, радиоэлектроники и проводной связи, в которых напряжение изменяется в пределах ±10—50%. Они также применяются в схемах пуска крупных синхронных и короткозамкнутых асинхронных двигателей и для осветительных установок. Автотрансформаторы со скользящим контактом обмотки нашли широкое применение в лабораторной практике, так как дают возможность плавно регулировать напряжение вторичной сети U₂ от 0 до 1,2U₁.

Трансформаторы для преобразования числа фаз. В системах автоматики для питания исполнительных асинхронных микродвигателей часто используется система двухфазного тока. Двухфазный ток удобно получать из трехфазного путем применения особых трансформаторных схем. В Советском Союзе наибольшее распространение получила схема (рис. 3.31, а), состоящая из двух неодинаковых однофазных трансформаторов I и II (рис. 3.31, а). В этой схеме точка О делит витки первичной обмотки трансформатора II на две равные части. Напряжения обмоток трансформаторов I и II сдвинуты на четверть периода. Первичные напряжения трансфор-

Для получения одинаковых напряжений на вторичных обмотках трансформаторов необходимо, чтобы коэффициент трансформации

Рис. 3.31. Преобразование трехфазного тока в двухфазный: а — трансформаторная схема; б — векторная диаграмма напряжений первичных обмоток

Обычно оба трансформатора выполняются с одинаковым числом вторичных витков, но первичные витки трансформатора I имеют ответвление на расстоков от начала обмотки. При симметричных двухфазных токах вторичной цепи токи трехфазной первичной цепи также являются симметричными.

В ряде случаев требуется преобразовывать трехфазный ток в шести- и двенадцатифазный. Для преобразования в шестифазный ток используется трехстержневой трансформатор, на каждом стержне которого размещены одна фаза первичной обмотки и две одинаковые фазы вторичной. Вторичные обмотки могут быть соединены в две звезды (рис. 3.32) или в замкнутый многоугольник, или в зигзаг. Для преобразования в двенадцатифазный ток используется соединение вторичных обмоток в двойной зигзаг (рис. 3.33). При этом число витков в ветви шестифазной части должно быть 2,75 раза больше, чем двенадцатифазной. В случае симметричной нагрузки ток в шестифазной зоне в 1,93 раза больше, чем в двенадцатифазной.

Двенадцатифазный ток может быть также получен с помощью двух трансформаторов трехфазного тока в шестифазный, у одного из которых первичная обмотка соединена звездой, а у другого треугольником.

Рис. 3.32. Преобразование трехфазной системы тока в шестифазную: а — схема соединения обмоток трансформатора; б — векторная диаграмма э. д. с. первичной обмотки; в — векторная диаграмма э. д. с. вторичной обмотки

Так как при большом числе фаз уменьшаются пульсации выпрямленного тока и напряжения, то в случае выпрямления трехфазного тока при помощи ртутных выпрямителей обычно применяют трансформаторы, вторичная обмотка которых имеет шесть или две-

Рис. 3.33. Преобразование трехфазной системы тока в двенадцатифазную: а — схема соединения обмоток трансформатора; б — векторная диаграмма э. д. с. первичной обмотки; в — векторная диаграмма э. д. с. вторичной обмотки

надцать фаз. При работе на ртутный выпрямитель фазы трансформатора работают поочередно.

В схеме с полупериодным выпрямлением (рис. 3.34) в тот полупериод, когда вентиль запирает ток вторичной цепи, из сети в первичную обмотку поступает энергия, которая в это время не отдается вторичной обмотке, а накапливается в магнитном поле трансформатора. В следующий полупериод энергия, отдаваемая вторичной обмоткой, оказывается большей, чем поглощаемая в это время из сети, что приводит к тому, что равновесие м. д. с. обмоток трансформатора все время нарушено. Необходимо выбирать схему соединения обмоток, которая обеспечивала бы нормальные условия на-

магничивания сердечника трансформатора и равновесия м. д. с. первичной и вторичных обмоток на каждом стержне сердечника.

Большое распространение получили трансформаторы, у которых первичная обмотка соединена в звезду, а вторичная — в двойную звезду с уравнительным реактором УР (рис. 3.35). Уравнительный реактор увеличивает продолжительность горения отдельных анодов, в результате чего ток проходит одновременно по двум вторичным обмоткам, расположенным на разных стержнях. Таким образом, одновременно работают два анода выпрямителя, и каждый из них горит 1/3 периода. Выпрямитель работает как двойной трехфазный, но пульсации его напряжения соответствуют шестифазному выпрямлению. Вследствие различного характера изменения во времени токов, проходящих по первичной и вторичной обмоткам, их вольтамперная мощность неодинакова. В связи с этим вводится понятие о типовой мощности трансформатора, которая равна средней арифметической от первичной и вторичной мощности обмоток трансформатора, работающего на ртутные выпрямители.

Особенности трансформаторов, применяемых в радио и телевизионных устройствах. Трансформаторы нашли широкое применение в схемах радиоэлектроники. Особенность этих схем состоит в том, что в них нужно преобразовывать ток и напряжение в большом диапазоне частот, обычно от долей герца до сотен килогерц. Для возможности минимального искажения формы преобразуемого тока необходимо, чтобы характеристики трансформатора были линейными, а постоянная времени обмоток наименьшей.

Чтобы характеристики трансформатора имели линейную зависимость, уменьшают индукцию магнитопровода и шихтуют его из листов специальных ферромагнитных сплавов (например, пермалоя) или специальной трансформаторной электротехнической стали, имеющей малые потери, низкую остаточную индукцию, высокое значение индукции насыщения и большую магнитную проницаемость. Вихревые токи в стали должны быть уменьшены, так как при высокой частоте они искажают форму выходных импульсов

Рис. 3.34. Работа трансформатора на вентильную выпрямительную нагрузку: а — схема выпрямления; б — изменение во времени э. д. с. в,, тока i₁ и мощности p₁ первичной обмотки; в — изменение во времени э. д. с. е₂, тока i₂ и мощности р₂ вторичной обмотки

и вызывают значительное возрастание тока холостого хода. Вследствие эффекта вытеснения вихревые токи вызывают неравномерное распределение потока по сердечнику магнитопровода, что может привести к насыщению поверхностных слоев листов стали. Для

Рис. 3.35. Преобразование трехфазного тока в шестифазный для питания ртутных выпрямителей по схеме трансформатора с уравнительным реактором: а — схема соедияения обмоток трансформатора; б — изменение во времени э. д. с. вторичных обмоток и выпрямленного напряжения; в — изменение во времени тока первичной обмотки в фазе А; г — изменение во времени токов вторичной обмотки фазы 1 и 4

уменьшения постоянной времени обмотки размещают таким образом, чтобы индуктивность рассеяния была наименьшей.

Развитие телевидения, радиолокации и импульсной радиосвязи привело к созданию специальных импульсных трансформаторов, предназначенных для преобразования сигналов, имеющих малую продолжительность и крутой фронт нарастания. Импульсные трансформаторы понижают или повышают напряжение импульсов и могут изменять их полярность. Часто импульсные трансформаторы выполняются многообмоточными. Мощность импульсов современных трансформаторов находится в диапазоне от нескольких ватт до 10 мвт. Длительность импульсов составляет от долей микросекунды до 1—2 микросекунд. При этом фронт нарастания импульса обычно

Рис. 3.36. Изменение импульса во времени

весьма крутой, и время t₁ (рис. 3.36), в течение которого происходит нарастание импульса, очень мало.

Кривая увеличения напряжения за время t₁ может рассматриваться как четверть периода некоторого периодического процесса, проходящего с очень большой частотой, при которой между обмотками и между витками одной обмотки возникают значительные емкостные связи. Учет емкостных связей в схеме замещения может быть приближенно произведен введением ветви, содержащей емкость С (рис. 3.37). В. импульсном трансформаторе по емкостным связям может проходить значительный ток, в результате чего искажается форма фронта импульса, и могут возникнуть колебания, которые накладываются на передаваемый импульс.

Особенностью процессов в импульсном трансформаторе по сравнению с трансформаторами, работающими при промышленной и даже звуковой частоте, является сильное влияние емкостных связей, перемагничивания и вихревых токов.

Пик-трансформатор. Если трансформаторы, применяемые в радиоэлектронике, должны возможно более точно сохранять форму

кривой передаваемого напряжения, то назначение пик-трансформатора состоит в изменении формы кривой напряжения. На выходе пик-трансформатора напряжение должно иметь острую пикообразную форму.

Для получения пикообразной формы э. д. с. на вторичной обмотке необходимо, чтобы сцепленный с нею поток был бы уплощенным. Поэтому вторичную обмотку наматывают на стержень 2 (рис. 3.38), имеющий весьма малое сечение, который быстро насыщается. Первичную обмотку наматывают на имеющий большое сечение стержень 1, который через воздушный зазор шунтируется стержнем 3, имеющим также большое сечение. Стержни 1 и 3 не насыщаются.

Пик-трансформатор работает следующим образом. Пока стержень 2, на котором намотана вторичная обмотка, не насытился,

Рис. 3.37. Упрощенная схема замещения трансформатора с учетом емкостных связей

поток стержня 1 в основном замыкается по стержню 2, так как этот путь имеет меньшее магнитное сопротивление. После насыщения стержня 2 при дальнейшем увеличении потока стержня 1, он про-

Рис. 3.38. Схема пик-трансформатора: 1, 2 и 3 — стержни

Рис. 3.39. Изменение во времени потоков и э. д. с. пик-трансформатора

ходит только через воздушный зазор по ненасыщенному стержню 3.

Если принять, что напряжение, а следовательно, и поток Ф₁ первичной обмотки изменяются во времени по закону синуса, то

Рис. 3.40. Изменение потоков в стержнях пик-трансформатора в функции тока первичной обмотки

Рис. 3.41. Идеализированная картина изменения потоков и э. д. с. пик-трансформатора

поток Ф₂ в насыщенном стержне 2 имеет уплощенный вид, а создаваемая им э. д. с. Е₂ выходной обмотки имеет резко заостренную форму (рис. 3.39). В любой момент времени поток Ф₁ в стержне 1 равен сумме потоков Ф₂ в насыщенном стержне 2 и Ф₃ в стержне 3 (рис. 3.40).

Пользуясь идеализированной картиной изменения потока Ф₂ (рис. 3.41), проанализируем изменение э. д. с. Е₂ в обмотке, расположенной на насыщенном стержне 2 (см. рис. 3.38). Если бы стержень 2 не насыщался, то потоки Ф₁ и Ф₂ изменялись бы по одному и тому же закону (кривая 1). В этом случае в обмотке 2 индуктировалась бы э. д. с. (пунктирная кривая 2), фаза которой отстает на четверть периода от кривой 1 изменения потока. Вследствие насыщения стержня 2 поток Ф₂ в течение времени, определяемом на рис. 3.41 углом π — 2α, остается неизменным (кривая 3). Поэтому в течение этого времени э. д. с. Е₂ равна нулю (кривая 4). Таким образом, э. д. с. Е₂ индуктируется только в промежутке времени, определяемом на рисунке углом 2α (кривая 4).

Из рис. 3.41 следует, что

Выражение (3.41) показывает, что ширина пика вторичного напряжения уменьшается при уменьшении сечения S₂ стержня 2 и при увеличении индукции В_т1 стержня 1.

На рис. 3.41 видно, что величина пика вторичного напряжения равна амплитудному значению э. д. с.

откуда следует, что величина пика пропорциональна индукции В_т1 стержня 1, на котором намотана первичная обмотка.

Пик-трансформаторы широко применяются при регулировании сеточного напряжения тиратронов, при выпрямлении и инвертировании переменного тока и в многоканальной телефонной связи.

Электромагнитный стабилизатор напряжения. Во многих схемах автоматики и радиоэлектроники необходимо поддерживать неизменное напряжение. Обычно напряжение сети имеет колебания в некоторых пределах. Для их устранения применяются стабилизаторы. В установках мощностью до 5 кв·а часто используются электромагнитные стабилизаторы. К их достоинству можно отнести низкую стоимость, простоту изготовления и надежность в работе. Их недостатком является плохая форма кривой стабилизированного напряжения и зависимость его величины от частоты сети и cosφ нагрузки. В основном применяются два типа электромагнитных стабилизаторов напряжения: без емкости, работающие на принципе насыщения сердечника, и с емкостью, работающие на принципе резонанса токов или резонанса напряжений.

На рис. 3.42 представлена одна из возможных схем электромагнитного стабилизатора напряжения насыщенного типа. Магнитопровод стабилизатора трехстержневой. Один из крайних

стержней имеет меньшее сечение, которое выбирают таким образом, чтобы его сталь была насыщена. На этом стержне намотана вторичная обмотка трансформатора. Первичная обмотка, присоединяемая к напряжению питающей сети U₁, намотана на среднем стержне. На другом крайнем стержне большого сечения намотана компенсационная обмотка К, имеющая небольшое число витков. Она соединена со вторичной обмоткой 2 последовательно таким образом, чтобы их э. д. с. были направлены встречно. Напряжение U₂ на выходе стабилизатора равно разности э. д. с, индуктируемых в обмотках 2 и K. Часто в стабилизаторах используется не трансформаторная, а автотрансформаторная схема.

Стабилизатор работает следующим образом. При увеличении напряжения U₁ питающей сети на обмотке 1, поток в насыщенном стержне, на котором намотана обмотка 2, увеличивается незначительно, так как увеличение потока

происходит в основном по пути ненасыщенного стержня, на котором намотана обмотка К. Однако некоторое увеличение э. д. с. об-

Рис. 3.42. Схема электромагнитного стабилизатора напряжения с компенсационной обмоткой, работающего на принципе насыщения сердечника: 1 — первичная обмотка; 2 — вторичная обмотка; 3 — компенсационная обмотка

Рис. 3.43. Характеристика электромагнитного стабилизатора напряжения с компенсационной обмоткой, работающего на принципе насыщения сердечника

мотки 2 имеет место, но оно компенсируется увеличением э. д. с. на обмотке К. В результате напряжение u₂ на выходе стабилизатора остается неизменным.

Э. д. с. E₁ первичной обмотки имеет резко нелинейную зависимость от тока I₁ (кривая 1, рис. 3.43). Так как стержень, на котором намотана обмотка 2, быстро насыщается, то ее э. д. с. Е₂ после насыщения увеличивается незначительно (кривая 2). Э. д. с. Е_к компенсационной обмотки изменяется пропорционально току I₁ (кривая 4), так как сталь стержня, на который она намотана, ненасыщена. Стабилизатор настраивают таким образом, чтобы угол α наклона кривой 4 к оси абсцисс был равен углу насыщенной части кривой 2 к оси абсцисс. Напряжение на выходе стабилизатора U₂, равное разности э. д. с. обмоток 2

Рис. 3.44. Схема электромагнитного стабилизатора напряжения, работающего на принципе резонанса токов

Рис. 3.45. Характеристика электромагнитного стабилизатора напряжения с компенсационной обмоткой, работающего на принципе резонанса токов

и К, в широком диапазоне увеличения тока I₁ не изменяется (кривая 3). К. п. д. этих стабилизаторов обычно 40—60%.

На рис. 3.44 представлена одна из возможных схем электромагнитного стабилизатора напряжения, работающего на принципе резонанса токов. Стабилизатор состоит из автотрансформатора А, магнитопровод которого не насыщен, и реактивной катушки К, стальной сердечник которой насыщен. К зажимам катушки К присоединена емкость С. Обмотки стабилизатора соединены таким образом, что напряжение на реактивной катушке U_k и э. д. с. Е₂ вторичной обмотки автотрансформатора направлены встречно. В результате этого напряжение на выходе стабилизатора равно их разности.

Вследствие явления феррорезонанса напряжение на реактивной катушке U_k имеет резко нелинейную зависимость от тока I₁ (кривая 1 на рис. 3.45). Магнитопровод автотрансформатора не насыщен, поэтому э. д. с. Е₂ вторичной обмотки трансформатора изменяется пропорционально току I₁ (кривая 3). Стабилизатор настраивают таким образом, чтобы угол α наклона кривой 3 к оси абсцисс был равен углу насыщенной части кривой 1 к оси абсцисс. В этом случае напряжения на выходе стабилизатора U₂ = u_к — Е₂ (кривая 2) в широких пределах не зависит от абсолютных значений и_к

и Е₂, а следовательно, от значения входного напряжения U₁ и тока I₁. Коэффициент полезного действия ферромагнитных стабилизаторов напряжения достигает 70—85%.

Магнитный усилитель. Последнее время в системах автоматического регулирования и в вычислительной технике широко исполь-

Рис. 3.46. Схема простейшего магнитного усилителя

зуются магнитные усилители, которые имеют простую конструкцию и надежны в работе. Магнитный усилитель МУ представляет собой дроссель насыщения, индуктивность которого изменяется в результате подмагничивания постоянным током. Простейший МУ состоит

Рис. 3.47. Зависимость падения напряжения U_му на обмотке переменного тока МУ от тока I_у обмотки управления при неизменном токе нагрузки

Рис. 3.48. Работа МУ при неизменном напряжении на нагрузочном сопротивлении: а — изменение потока МУ во времени; б — зависимость потока МУ от тока I₁; в — изменение тока I₁ МУ во времени

из двух обмоток, намотанных на общий магнитопровод (рис. 3.46). Обмотка 1 соединена последовательно с нагрузочным сопротивлением z_нг, на котором необходимо изменять напряжение. Обмотка 2 питается постоянным током и является обмоткой управления. Напряжение на нагрузочном сопротивлении z_нг уменьшается по сравнению с напряжением сети U₁ на величину падения в МУ напряжения U_му, которое является функцией тока I_у обмотки управления (рис. 3.47). Небольшое значение м. д. с. обмотки управления приводит к резкому снижению индуктивности МУ. Если значение нагрузочного сопротивления сохраняется неизменным, то происходит

перераспределение напряжений, в результате напряжение на МУ уменьшается, а на нагрузочном сопротивлении увеличивается.

На рис. 3.48, а кривая 1 показывает изменение потока в сердечнике МУ при отсутствии тока в обмотке управления. Если же по обмотке управления проходит постоянный ток I_у, то кривая 1 под-

Рис. 3.49. Статические характеристики МУ: а — без обратной связи; б — с обратной связью; в — в двухтактном МУ

нимается вверх на величину Ф_у, определяемую м. д. с. обмотки управления (кривая 2). Сравнивая кривую изменения тока I₁ МУ в случаях, когда I_у = 0 (кривая 1 на рис. 3.48, е) и когда I_у ≠ 0 (кривая 2), видим, что при небольшом значении м. д. с. обмотки управления ток МУ увеличивается значительно. На рис. 3.49, а представлена кривая изменения тока МУ I₁ в зависимости от тока обмотки управления I_у.

Схема МУ, представленная на рис. 3.46, обладает следующими недостатками: во-первых, кривая тока I₄ несимметрична относительно оси абсцисс (кривая 2 на рис. 3.48, в) и, во-вторых, в обмотке постоянного тока, которая является обмоткой управления, наводится переменная э. д. с. (для ее сглаживания предусмотрен дроссель ДР

Рис. 3.50. Схема трехстержневого МУ с параллельным соединением обмоток

(см. рис. 3.46). Для ликвидации этих недостатков МУ выполняют на двух сердечниках или на трехстержневом магнитопроводе. Расположенные на разных стержнях обмотки включают последовательно или параллельно (рис. 3.50) таким образам, чтобы индуктируемые в обмотке управления э. д. с. были направлены встречно и взаимно компенсировались. Однако полная компенсация имеет место лишь при отсутствии сигнала в обмотке управления. При наличии сигнала компенсируются лишь основная и другие нечетные гармоники.

Реагируя на каждую полуволну изменения тока I₁, сердечник МУ дважды насыщается за один период. Вследствие изменения магнитной проницаемости сердечника поток Ф₀, создаваемый постоянным током обмотки управления, пульсирует с двойной частотой сети, в результате чего в обмотках МУ наводится вторая гармоника э. д. с.

Мощность постоянного тока обмотки управления МУ составляет 0,3—3% от пропускной мощности переменного тока. Таким образом, изменяя малые мощности постоянного тока при помощи МУ, можно регулировать значительные мощности переменного тока.

Коэффициентом усиления МУ называется отношение регулируемой мощности переменного тока к мощности управления

Для увеличения коэффициента усиления применяют обратную связь, которая осуществляется через выпрямительное устройство. Простейший МУ (рис. 3.51, а) может быть выполнен с внешней (рис. 3.51 ,б)и внутренней (рис. 3.51, в) обратной связью, которая на рис. 3.51, б осуществляется обмоткой ОС. Для внешней обратной связи характерным является то, что при ее отключении МУ сохраняет работоспособность.

Обмотки современных МУ с обратной связью наматывают на двух различных сердечниках (рис. 3.51, г и д) или на трехстержневом магнитопроводе (см. рис. 3.50). Нагрузочное сопротивление R_нг МУ с обратной связью может быть включено на стороне переменного (рис. 3.51, г) или постоянного (рис. 3.51, д) тока.

Если м. д. с. обратной связи совпадает по направлению с м. д. с. обмотки управления, то коэффициент усиления МУ увеличивается — такая обратная связь называется положительной. Если м. д. с. направлены встречно, то коэффициент усиления уменьшается — такая обратная связь называется отрицательной. В МУ с положительной обратной связью большая часть подмагни-

чивающей м. д. с. создается за счет обратной связи и лишь сравнительно небольшая — за счет м. д. с. обмотки управления.

По отношению к одному направлению постоянного тока в обмотке управления обратная связь является положительной, по отношению к другому — отрицательной. Поэтому статическая характеристика МУ с обратной связью является несимметричной

Рис. 3.51. Схемы однотактных МУ: а — простейший МУ без обратной связи; б — простейший МУ с внешней обратной связью; в — простейший МУ с внутренней обратной связью; г — МУ с внутренней обратной связью, нагрузочное сопротивление R_нг на стороне переменного тока; д — МУ с внутренней обратной связью, нагрузочное сопротивление R_нг на стороне постоянного тока

(см. рис. 3.49, б). Все рассмотренные выше МУ имеют тот недостаток, что при изменении направления тока в обмотке управления фаза тока на выходе усилителя не меняется. Такие МУ называются однотактными.

Во многих случаях необходимо, чтобы при отсутствии тока в обмотке возбуждения ток на выходе МУ был бы равен нулю, а при изменении направления тока в обмотке управления изменялась бы на 180° фаза тока I₁ на выходе. Этим требованиям удовлетво-

ряют двухтактные МУ, которые обычно представляют собой комбинацию двух однотактных МУ, выходные токи которых направлены встречно. Статическая характеристика 2 (см. рис. 3.49, в) двухтактного МУ получается как наложение характеристик 1 и 3 однотактных МУ. Известны двухтактные МУ, которые не представляют собой соединения однотактных усилителей. Обычно двухтактные дроссельные МУ выполняются по дифференциальной

Рис. 3.52 Схемы двухтактных МУ: а — дифференциальная; б — мостовая

(например, рис. 3.52, а) или по мостовой (например, рис. 3.52,6) схеме.

Коэффициент усиления МУ достигает 300—500. Магнитные усилители изготовляются мощностью от десятков ватт до десятков киловатт.

Электромагнитные преобразователи частоты. В некоторых схемах автоматического регулирования, измерительных устройств и для питания электроинструмента используются статические электромагнитные преобразователи частоты. В большинстве случаев применяются преобразователи, которые умножают частоту в два, три, шесть, восемь и девять раз. Наиболее распространенными являются удвоители и утроители частоты. Остальные умножители обычно получают путем каскадного соединения, при котором напряжение выхода усилителя подается на вход другого. Рассматриваемые умножители частоты работают по принципу насыщения.

Принцип работы удвоителя частоты основан на том, что при изменении потока, создаваемого переменным и постоянным током, магнитопровод дважды насыщается за один период изменения тока. В результате проходящий по этому магнитопроводу поток,

который создается подмагничивающей обмоткой постоянного тока, пульсирует и наводит э. д. с. двойной частоты.

Удвоитель частоты (рис. 3.53) состоит из двух однофазных трансформаторов I и II, каждый из которых имеет три обмотки: первичную обмотку I, питаемую от сети переменного тока, подмагничиваю-щую обмотку 2, питаемую от сети постоянного тока и выходную обмотку 3, к которой подсоединяется нагрузочное сопротивление z_нг. В некоторых случаях подмагничивающую обмотку заменяют вставкой из постоянного магнита. Первичные обмотки, размещенные на разных сердечниках, соединены последовательно, а выходные встречно. Поэтому э. д. с. выходной обмотки не содержит первой

Рис. 3.53. Схема удвоителя частоты: 1 — первичная обмотка; 2 — подмагничивающая обмотка; 3 — выходная обмотка

Рис. 3.54. Схема утроителя частоты с нагрузкой, включенной в нулевой провод

и других нечетных гармоник. Так же, как и в магнитной системе трехстержневого МУ, магнитопроводы сердечников удвоителя частоты насыщаются, реагируя на каждую полуволну тока первичной обмотки. Вследствие этого поток, создаваемый обмоткой 2 постоянного тока, пульсирует с двойной частотой сети и наводит в выходной обмотке э. д. с. двойной частоты.

Для компенсации внутреннего индуктивного сопротивления последовательно с нагрузочным сопротивлением включают конденсатор С. Применение конденсаторов улучшает cosφ и делает стабильным внешние характеристики умножителей. Напряжение двойной частоты на выходной обмотке 3 регулируют изменением величины постоянного тока в подмагничивающей обмотке 2.

Утроители частоты работают на принципе использования третьей гармоники, возникающей при насыщении стального магнитопровода. Схема, показанная на рис. 3.15, а, может работать как утроитель частоты. Для этого в разрез нулевого провода О—О должно быть включено нагрузочное сопротивление z_нг (рис. 3.54). Во многих случаях включают компенсирующую емкость C.

В качестве утроителя частоты можно также использовать схемы (рис. 3.55) трансформатора, первичная обмотка которого соединена в звезду без вывода нулевой точки. Витки выходной обмотки, по

Рис. 3.55. Схема утроителя частоты: а — при наличии выходной обмотки основной частоты; б — без выходной обмотки основной частоты: 1 — первичная обмотка; 2 — вторичная обмотка основной частоты; 3 — выходная обмотка тройной частоты

которой проходят токи тройной частоты, должны быть намотаны последовательно. На всех трех сердечниках к выходной обмотке подключают нагрузочное сопротивление z_нг и компенсирующую емкость С. Для лучшего использования магнитной системы, кроме выходной обмотки 3 токов тройной частоты, утроитель может также иметь вторичную трансформаторную обмотку 2, соединенную в звезду без вывода нулевой точки (рис. 3.55, а). В этом случае совмещается утроитель частоты с трансформатором и используются основная и третья гармоники потока.

В схеме (рис. 3.56) обмотки утроителя частоты намотаны на двух сердечниках. Первичные обмотки, размещенные на сердечниках I и II, соединены последовательно, а выходные обмотки 2 — встречно. Сердечник I насыщенный. Сердечник II имеет воздушный зазор и является ненасыщенным. Поэтому в части выходной обмотки 2, которая намотана на стержне II, индуктируется только основная гармоника э. д. с, которая сдвинута на 180° по отношению к гармонике э. д. с., индуктируемой в части обмотки 2, расположенной на насыщенном сердечнике 1. В результате этого в выходной обмотке основные гармоники компенсируются. Третья гармоника остается

Рис. 3.56. Схема утроителя частоты с компенсирующим трансформатор ом: 1 — первичная обмотка; 2 — выходная обмотка

нескомпенсированной, и по нагрузочному сопротивлению z_нг проходят токи тройной частоты. Полная компенсация первых гармоник возможна только при холостом ходе, так как при нагрузке угол сдвига между первыми гармониками э. д. с. обмоток 2 отличен от 180°.

ВОПРОСЫ

1.   Какие достоинства и недостатки имеет автотрансформатор по сравнению с трансформатором? Как в автотрансформаторе передается мощность из первичной сети во вторичную? Чем отличается рабочий процесс понижающего автотрансформатора от повышающего? Какое значение имеет электромагнитная мощность автотрансформатора, если его коэффициент трансформации k = 1? Почему у автотрансформатора ток короткого замыкания больше, чем у трансформатора?

2.   В результате чего э. д. с. на вторичной обмотке пик-трансформатора имеет заостренную форму? Каким образом можно увеличить высоту и ширину пика напряжения пик-трансформатора?

3.   На каком принципе работают стабилизаторы напряжения? Как влияет изменение частоты питающей сети и характер нагрузки на работу стабилизатора напряжения?

4.   Мог бы работать МУ, если бы сталь его магнитопровода не насыщалась? Для чего в МУ применяют обратную связь? Каким преимуществом обладают двухтактные МУ? Чем обусловливается большое распространение МУ?

5.   Какие гармоники тока используются для схем удвоителя и утроителя частоты? Какие общие явления лежат в основе работы МУ и удвоителя частоты? Какая частота тока получается на выходе каскадного соединения удвоителя и утроителя частоты?

Содержание  Главная (библиотека)
Предыдущий § Следущий