Розробка регулятора змінної напруги з вольтододачею

4. Імпульсний трансформатор - трансформатор, який призначений для перетворення імпульсних сигналів з тривалістю імпульсу до десятків мікросекунд з мінімальним спотворенням форми імпульсу. Основне застосування полягає в передачі прямокутного електричного імпульсу (максимально крутий фронт і зріз, відносно постійна амплітуда). Він служить для трансформації короткочасних відеоімпульсів напруги, що зазвичай періодично повторюються з високою скважністю. У більшості випадків основна вимога до ІТ полягає в неспотвореній передачі форми трансформованих імпульсів напруги; при дії на вхід ІТ напруги тієї чи іншої форми на виході бажано отримати імпульс напруги тієї ж самої форми, але, бути може, іншої амплітуди або іншої полярності.

5. Розділовий трансформатор - трансформатор, первинна обмотка якого електрично не пов'язана зі вторинними обмотками. Силові розділові трансформатори призначені для підвищення безпеки електромереж, при випадкових одночасних дотиків до землі і струмоведучих частин або неструмоведучим частинам, які можуть опинитися під напругою у разі пошкодження ізоляції. Сигнальні розділові трансформатори забезпечують гальванічну розв'язку електричних ланцюгів.

Пік-трансформатор - трансформатор, що перетворює напругу синусоїдальної форми в імпульсну напругу з полярністю, що змінюється через кожні півперіода.

6. Здвоєний дросель (зустрічний індуктивний фільтр) - конструктивно є трансформатором з двома однаковими обмотками. Завдяки взаємній індукції котушок він при тих же розмірах більш ефективний, ніж звичайний дросель. Здвоєні дроселі отримали широке поширення в якості вхідних фільтрів блоків живлення; в диференціальних сигнальних фільтрах цифрових ліній, а також в звуковій техніці.

Основні частини конструкції трансформатора

У практичній конструкції трансформатора виробник вибирає між двома різними базовими концепціями:

* Стрижневий

* Броньовий

Будь-яка з цих концепцій не впливає на експлуатаційні характеристики або експлуатаційну надійність трансформатора, але є істотні відмінності у процесі їх виготовлення. Кожен виробник вибирає концепцію, яку він вважає найбільш зручною з точки зору виготовлення, і прагне до застосування цієї концепції на всьому обсязі виробництва.

У той час як обмотки стрижневого типу містять в собі сердечник, сердечник броньового типу містить в собі обмотки. Якщо дивитися на активний компонент (сердечник з обмотками) стрижневого типу, обмотки добре видно, але вони приховують за собою стрижні магнітної системи сердечника. Видно тільки верхнє і нижнє ярмо сердечника. У конструкції броньового типу сердечник приховує в собі основну частину обмоток. Ще одна відмінність полягає в тому, що вісь обмоток стрижневого типу, як правило, має вертикальне положення, в той час як у броньовій конструкції вона може бути горизонтальної або вертикальної.

Основними частинами конструкції трансформатора є:

* магнітна система (магнітопровід)

* обмотки

* система охолодження

Магнітна система (магнітопровід) трансформатора - комплект елементів (найчастіше пластин) електротехнічної сталі або іншого феромагнітного матеріалу, зібраних в певній геометричній формі, призначений для локалізації в ньому основного магнітного поля трансформатора. Магнітна система в повністю зібраному вигляді спільно зі всіма вузлами і деталями, що служать для скріплення окремих частин в єдину конструкцію, називається остовом трансформатора.

Частина магнітної системи, на якій розташовуються основні обмотки трансформатора, називається - стрижень.

Частина магнітної системи трансформатора, не несуча основних обмоток, що служить для замикання магнітного ланцюга, називається - ярмо.

Залежно від просторового розташування стрижнів, виділяють:

1. Плоска магнітна система - магнітна система, в якій поздовжні осі всіх стрижнів і ярм розташовані в одній площині.

2. Просторова магнітна система - магнітна система, в якій поздовжні осі стержнів або ярм, або стрижнів і ярм розташовані в різних площинах.

3. Симетрична магнітна система - магнітна система, в якій всі стрижні мають однакову форму, конструкцію та розміри, а взаємне розташування будь-якого стрижня по відношенню до всіх ярмам однаково для всіх стрижнів.

4. Несиметрична магнітна система - магнітна система, в якій окремі стрижні можуть відрізнятися від інших стержнів за формою, конструкції або розмірам або взаємне розташування будь-якого стрижня по відношенню до інших стержнів або ярмам може відрізнятися від розташування будь-якого іншого стрижня.

Обмотки

Основним елементом обмотки є виток - електричний провідник, або ряд паралельно з'єднаних таких провідників (багатодротяна жила), що одноразово охоплює частину магнітної системи трансформатора, електричний струм якого спільно з струмами інших таких провідників та інших частин трансформатора створює магнітне поле трансформатора і в якому під дією цього магнітного поля наводиться електрорушійна сила.

Обмотка - сукупність витків, що утворюють електричний ланцюг, в якій підсумовуються ЕРС, наведені у витках. У трифазному трансформаторі під обмоткою зазвичай мають на увазі сукупність обмоток однієї напруги трьох фаз, що з'єднуються між собою.

Провідник обмотки в силових трансформаторах зазвичай має квадратну форму для найбільш ефективного використання наявного простору (для збільшення коефіцієнта заповнення у вікні сердечника). При збільшенні площі провідника провідник може бути розділений на два і більше паралельних провідних елементів з метою зниження втрат на вихрові струми в обмотці і полегшення функціонування обмотки. Провідний елемент квадратної форми називається жилою.

Кожна жила ізолюється за допомогою або паперової обмотки, або емалевого лаку. Дві окремо ізольованих і паралельно з'єднаних жили іноді можуть мати загальну паперову ізоляцію. Дві таких ізольованих жили в загальній паперової ізоляції називаються кабелем.

Особливим видом провідника обмотки є безперервно транспонований кабель. Цей кабель складається з жил, ізольованих за допомогою двох шарів лаку емалевого, розташованих в осьовому положенні один до одного. Безперервно транспонований кабель виходить шляхом переміщення зовнішньої жили одного шару до наступного шару з постійним кроком і застосування загальної зовнішньої ізоляції.

Паперова обмотка кабелю виконана з тонких (кілька десятків мікрометрів) паперових смуг шириною кілька сантиметрів, намотаних навколо жили. Папір загортається у кілька шарів для отримання необхідної загальної товщини.

Обмотки поділяють за:

1. Призначенням

* Основні - обмотки трансформатора, до яких підводиться енергія перетворюється або від яких відводиться енергія перетвореного змінного струму.

* Регулюючі - при невисокому струмі обмотки і не дуже широкому діапазоні регулювання, в обмотці можуть бути передбачені відводи для регулювання коефіцієнта трансформації напруги.

* Допоміжні - обмотки, призначені, наприклад, для харчування мережі власних потреб з потужністю суттєво меншою, ніж номінальна потужність трансформатора, для компенсації третин гармонійної магнітного поля, підмагнічування магнітної системи постійним струмом, і т. п.

2. Виконанням

* Рядова обмотка - витки обмотки розташовуються в осьовому напрямку в усій довжині обмотки. Наступні витки намотуються щільно один до одного, не залишаючи проміжного простору.

* Гвинтова обмотка - гвинтова обмотка може являти собою варіант багатошарової обмотки з відстанями між кожним витком або заходом обмотки. * Дискова обмотка - дискова обмотка складається з ряду дисків, з'єднаних послідовно. У кожному диску витки намотуються в радіальному напрямку у вигляді спіралі у напрямку всередину і назовні на сусідніх дисках.

* фольгова обмотка - фольговій обмотки виконуються з широкого мідного або алюмінієвого листа товщиною від десятих часток міліметра до декількох міліметрів.

Базові принципи дії трансформатора

Рис.1.3.1 - Схематичне пристрій трансформатора. 1 - первинна обмотка, 2 - вторинна

Робота трансформатора заснована на двох базових принципах:

1. Змінюваний у часі електричний струм створює змінюється в часі магнітне поле (електромагнетизм)

2. Зміна магнітного потоку, що проходить через обмотку, створює ЕРС в цій обмотці (електромагнітна індукція).

На одну з обмоток, звану первинної обмоткою, подається напруга від зовнішнього джерела. Змінний струм, що протікає по первинній обмотці створює змінний магнітний потік в магнітопроводі, зсунутий по фазі, при синусоїдальному струмі, на 90° по відношенню до струму в первинній обмотці. У результаті електромагнітної індукції, змінний магнітний потік в магнітопроводі створює у всіх обмотках, у тому числі й у первинній, ЕРС індукції, пропорційну першій похідній магнітного потоку, при синусоїдальному струмі зсунутому на 90° у зворотний бік по відношенню до магнітного потоку.

У деяких трансформаторах, що працюють на високих або надвисоких частотах, магнітопроводи може бути відсутніми.

Режим холостого ходу. Коли вторинні обмотки ні до чого не підключені (режим холостого ходу), ЕРС індукції в первинної обмотці практично повністю компенсує напруга джерела живлення, тому струм через первинну обмотку невеликий і визначається в основному її індуктивним опором. Можливий варіант виконання трансформатора з приблизно рівними струмами холостого ходу і під навантаженням. Трансформатори, що не мають режиму холостого ходу, виходять менше і легше.

Режим з навантаженням. При підключенні навантаження до вторинної обмотки у вторинній ланцюга виникає струм, що створює магнітний потік в магнітопроводі, спрямований протилежно магнітному потоку, створюваному первинної обмоткою. У результаті в первинної ланцюга порушується рівність ЕРС індукції і ЕРС джерела живлення, що призводить до збільшення струму в первинній обмотці до тих пір, поки магнітний потік не досягне практично колишнього значення.

Схематично, процес перетворення можна зобразити наступним чином:

Миттєвий магнітний потік в магнітопроводі трансформатора визначається інтегралом за часом від миттєвого значення ЕРС у первинній обмотці і у випадку синусоїдальної напруги зсунутий по фазі на 90° по відношенню до ЕРС. Наведена у вторинних обмотках ЕРС пропорційна першій похідній від магнітного потоку і для будь-якої форми струму збігається за фазою і формі з ЕРС у первинній обмотці. ЕРС, створювана у вторинній обмотці, може бути обчислена за законом Фарадея, який свідчить, що:

Де: U2 - Напруга на вторинній обмотці,

N2 - число витків у вторинній обмотці,

Ц - сумарний магнітний потік, через один виток обмотки.

Якщо витки обмотки розташовані перпендикулярно лініям магнітного поля, то потік буде пропорційний магнітному полю B і площі S через яку він проходить. ЕРС, створювана в первинній обмотці, відповідно:

Де: U1 - миттєве значення напруги на кінцях первинної обмотки,

N1 - число витків у первинній обмотці.

Поділивши рівняння U2 на U1, отримаємо відношення:

Ідеальний трансформатор - трансформатор, у якого відсутні втрати енергії на нагрів обмоток і потоки розсіювання обмоток. В ідеальному трансформаторі всі силові лінії проходять через усі витки обох обмоток, і оскільки змінюється магнітне поле породжує одну й ту ж ЕРС в кожному витку, сумарна ЕРС, індукована в обмотці, пропорційна повного числа її витків. Такий трансформатор всю що надходить енергію з первинного кола трансформує в магнітне поле і, потім, в енергію вторинної ланцюга. У цьому випадку надходить енергія дорівнює перетвореної енергії:

Де:

P1 - миттєве значення надходить на трансформатор потужності, що надходить з первинної ланцюга,

P2 - миттєве значення перетвореної трансформатором потужності, що надходить у вторинну ланцюг.

Поєднавши це рівняння з відношенням напружень на кінцях обмоток, отримаємо рівняння ідеального трансформатора:

Таким чином отримуємо, що при збільшенні напруги на кінцях вторинної обмотки U2, зменшується потік вторинної ланцюга I2. Для перетворення опору одного ланцюга в опір іншого, потрібно помножити величину на квадрат відносини. Наприклад, опір Z2 підключено до кінців вторинної обмотки, його наведене значення до первинного кола буде

Дане правило справедливо також і для вторинної ланцюга:

Рівняння лінійного трансформатора.

Нехай i1, i2 - миттєві значення струму в первинної та вторинної обмотці відповідно, u1 - миттєве напруга на первинній обмотці, RH - опір навантаження. Тоді

Тут L1, R1-індуктивність та активний опір первинної обмотки, L2, R2-те ж саме для вторинної обмотки, L12-взаємна індуктивність обмоток. Якщо магнітний потік первинної обмотки повністю пронизує вторинну, тобто якщо відсутня поле розсіювання, то. Індуктивності обмоток у першому наближенні пропорційні квадрату кількості витків в них. Ми отримали систему лінійних диференціальних рівнянь для струмів в обмотках. Можна перетворити ці диференціальні рівняння в звичайні алгебраїчні, якщо скористатися методом комплексних амплітуд.

Для цього розглянемо відгук системи на синусоїдальний сигнал u1 = U1e-jщt (щ = 2р f, де f - частота сигналу, j - уявна одиниця). Тоді i1 = I1e-jщt і т. д., скорочуючи експоненціальні множники отримаємо

U1 =- jщL1I1-jщL12I2+I1R1

-JщL2I2-jщL12I1+I2R2 =-I2Zн

Метод комплексних амплітуд дозволяє досліджувати не тільки чисто активне, але і довільне навантаження, при цьому досить замінити опір навантаження Rн його імпедансом Zн. З отриманих лінійних рівнянь можна легко виразити струм через навантаження, скориставшись законом Ома.

На Рис.1.3.2 показана еквівалентна схема трансформатора з підключеним навантаженням, як воно виглядає з боку первинної обмотки.

Рис.1.3.2 - Т-подібна схема заміщення трансформатора

Тут T - коефіцієнт трансформації, L12 - «корисна» індуктивність первинної обмотки, L1п, L2п - паразитні індуктивності первинної та вторинної обмотки (пов'язані з розсіюванням), R1п, R2п - паразитні опору первинної та вторинної обмотки відповідно, Zн - імпеданс навантаження.

Ступінь втрат (і зниження ККД) у трансформаторі залежить, головним чином, від якості, конструкції і матеріалу «трансформаторного заліза» (електротехнічна сталь). Втрати в сталі складаються в основному з втрат на нагрівання осердя, на гістерезис і вихрові струми. Втрати у трансформаторі, де «залізо» монолітне, значно більше, ніж у трансформаторі, де воно складено з багатьох секцій (так як в цьому випадку зменшується кількість вихрових струмів). На практиці монолітні сердечники не застосовуються. Для зниження втрат у магнітопроводі трансформатора магнітопровода може виготовлятися зі спеціальних сортів трансформаторної сталі з додаванням кремнію, який підвищує питомий опір заліза електричному струму, а самі пластини лакуються для ізоляції один від одного.

Режими роботи трансформатора

1. Режим холостого ходу. Даний режим характеризується розімкнутого вторинної ланцюгом трансформатора, внаслідок чого струм у ній не тече. За допомогою досвіду холостого ходу можна визначити ККД трансформатора, коефіцієнт трансформації, а також втрати в сталі.

2. Витримку навантаження режим. Цей режим характеризується замкнутим на навантаженні вторинним ланцюгом трансформатора. Даний режим є основним робочим для трансформатора.

3. Режим короткого замикання. Цей режим виходить в результаті замикання вторинної ланцюга накоротко. З його допомогою можна визначити втрати корисної потужності на нагрівання проводів в ланцюзі трансформатора. Крім того, втрати в трансформаторі додаються за рахунок нагрівання проводів. Це враховується у схемі заміщення реального трансформатора за допомогою активного опору.

Страницы: 1, 2, 3