Лекции 5-6 - Конспекты, страница 3

Этот ток соответствует наиболее вероятной загрузкетрансформатора. При ухудшении cosφ2 нагрузки КПД падает, так как присохранении потерь уменьшается передаваемая активная мощность.а)б)Рисунок 5.7 – Внешняя характеристика трансформатора (а) и зависимость КПДот загрузки при двух значениях cosφ2 нагрузки (б)18Электропитание РЭАКромеГлава 5двухобмоточныхприменяютимногообмоточныетрансформаторы, то есть с одной первичной и несколькими вторичнымиобмотками.

Такие трансформаторы используют в ИЭП при необходимостиполучения от одного трансформатора нескольких выходных напряжений.Следует отметить характерное для многообмоточного трансформаторавзаимное влияние вторичных обмоток. При изменении тока в одной извторичных обмоток изменяется ток в первичной обмотке, а следовательнонапряжение на других вторичных обмотках.

Взаимное влияние вторичныхобмоток зависит от их расположения, так как различному расположениюсоответствуют различные потоки рассеяния.Также широкое распространение в выпрямительных устройствах нашлитрёхфазные трансформаторы. Они предназначены для работы совместно стрёхфазнымивыпрямителями.Устройствотрёхфазноготрансформатораприведено на рисунке 5.8. Схема замещения трёхфазного трансформаторааналогична приведённой на рисунке 5.6, но содержит три фазы.Рисунок 5.8 – Трёхфазный трансформаторСуществуют три основных способа соединения фазовых обмоток каждойстороны трёхфазного трансформатора:19Электропитание РЭАГлава 5-соединение ("звезда"), где каждая обмотка соединена одним из концов собщей точкой, называемой нейтральной.

Различают "звезду" с выводом отобщей точки и без него;-соединение ("треугольник"), где три фазных обмотки соединеныпоследовательно;- соединение ("зигзаг"), где каждая фазная обмотка состоит из двуходинаковых частей, размещённых на разных стержнях магнитопровода исоединённых последовательно, встречно. Полученные три фазные обмоткисоединяются в общей точке, аналогично "звезде".

Обычно применяется "зигзаг"с отводом от общей точки.Как первичная, так и вторичная обмотки трансформатора могут бытьсоединены любым из трёх способов, показанным выше, в любых комбинациях.Конкретный способ и комбинация определяются назначением трансформатора(обмотки трёхфазного автотрансформатора могут быть соединены только"звездой").Соединение в "треугольник" применяется в трансформаторах, где однаобмотка уже соединена "звездой", в особенности с выводом нейтрали.В конверторах импульсных ИЭП с целью согласования напряжений,инвертирования фазы импульсов, измерения параметров сигнала или дляосуществления гальванической развязки цепей друг от друга применяютимпульсные трансформаторыОсобенность импульсных трансформаторов заключается в импульсномхарактере тока, протекающего через обмотки и небольшом числе витков вобмотках.Работа импульсного трансформатора на повышенных частотах (от сотенкилогерц до единиц мегагерц) сталкивается с определёнными трудностями.

Вэтой области частот существенную роль в работе трансформатора начинаютиграть паразитные параметры – индуктивность рассеяния и эквивалентнаяёмкость. Паразитные параметры заметно снижают коэффициент передачи20Электропитание РЭАГлава 5трансформатора, при чём чем выше частота, тем больше при прочих равныхусловиях снижается коэффициент передачи. Это явление приводит кнеобходимостиболеесложногорасчётатрансформатора,накладываетограничения на конструкцию, предъявляет более жёсткие требования ктехнологии производства.Основнымтребованиемкимпульсному трансформатору являетсяпередача импульса с расчётным коэффициентом трансформации в широкойполосе частот с наименьшими искажениями формы.

В дополнение кэквивалентной схеме, приведённой на рисунке 5.5, в эквивалентной схемеимпульсного трансформатора обычно учитывают внутреннее сопротивлениеисточника импульсов и сопротивление нагрузки, оказывающие существенноевлияние на передачу коротких импульсов напряжения.Оценим амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) трансформаторабез учёта паразитных ёмкостей и индуктивностей. Тогда нижняя рабочаячастота будет ограничиваться величиной индуктивности намагничивания LM исопротивлением R1, которые образуют дифференцирующее звено (LS1 и LS2пренебрегаем).

Следовательно, нижняя граничная частота будетН СверхучастотныйR1.LMдиапазон(5.36)ограниченвлияниемLS1,LS2исопротивлением R2 (включающим и сопротивление нагрузки), образующимиинтегрирующее звено с частотой срезаВ R2.LS 1  LS 2(5.37)Таким образом, при проектировании трансформатора нужно стремиться кувеличению индуктивности намагничивания.

С одной стороны, это приводит куменьшению тока намагничивания, вызывающим лишнее энергопотребление, сдругой стороны, расширяется рабочий диапазон в области низких частот.Именноэтостремлениевынуждает21использоватьвтрансформаторахЭлектропитание РЭАГлава 5ферромагнитные сердечники с высокой магнитной проницаемостью. Чтокасается индуктивности рассеивания, то её стремятся свести к минимуму путёмоптимизацииконструкциитрансформатора(числавитков,взаимногорасположения обмоток и т.

д.).Типичная форма импульса на выходе импульсного трансформаторапоказана на рисунке 5.9.Рисунок 5.9 – Типичная форма импульса на выходе импульсноготрансформатораВобщемслучаеимпульсныйтрансформатор,какилюбойтрансформатор, представляет собой многочастотную резонансную систему.Поэтому следует учитывать, что наличие индуктивности первичной обмотки,паразитных индуктивностей и ёмкостей обмоток приводит к колебательнымпроцессам на выходе трансформатора, то есть к искажению формы импульса.Временно́ й интервал, в течение которого передаётся импульс, можноразбить на три характерных участка: время переднего τф и заднего τс фронта ивремя спада плоской вершины импульса.

В течение каждого из этих отрезковопределяющее влияние оказывает та или иная совокупность элементовэквивалентной схемы.Процессы во время переднего фронта определяются: сопротивлениямиобмоток и источника импульсов, ёмкостями обмоток, выходной ёмкостьюисточника импульсов, входной ёмкостью нагрузки и индуктивностямирассеяния обмоток.22Электропитание РЭАГлава 5Процессы во время формирования плоской вершины определяются:сопротивлениями обмоток и индуктивностью намагничивания.Вообще при строгом анализе необходимо учитывать распределённыйхарактер паразитной ёмкости между обмотками, а также индуктивностейрассеяния и ёмкостей обмоток трансформатора.Трансформация фронта импульса с малыми искажениями достигается прималых значениях индуктивности рассеяния и распределённой ёмкоститрансформатора, которые уменьшаются с уменьшением числа витков обмотоки сечения магнитопровода.

В то же время для трансформации вершиныимпульса с малым спадом следует стремиться к увеличению индуктивностинамагничивания трансформатора, возрастающей с увеличением числа витков исечения магнитопровода.Таким образом, удовлетворение одновременно нескольким поставленнымтребованиям при расчёте импульсного трансформатора потребует нахождениякомпромиссного решения.

Оно должно быть принято в зависимости отзначимости того или иного поставленного требования.Приведём пример расчёт трансформатора импульсного ИЭП. В качествеисточника входного напряжения трансформатора возьмём мостовой инвертор,питающийся от выпрямленной сети 220 В. Схема инвертора приведена нарисунке 5.10.Рисунок 5.10 – Схема инвертора23Электропитание РЭАГлава 5Работа мостового инвертора заключается в попеременном замыкании парключей 1-4 и 2-3 так, что на первичной обмотке трансформатора формируетсяпеременное напряжение прямоугольной формы (меандр) с амплитудой, равнойвходному напряжению.Исходными данными являются:- напряжение на первичной обмотке (соответствует амплитудномузначению выпрямленного напряжения сети) – около 300 В;- частота преобразования – 25 кГц (период 40 мкс);- в качестве сердечника берём ферритовое кольцо марки 2000НМ(никель-марганцевый с проницаемостью μ = 2000) типоразмера К40х25х11.

Вобозначении типоразмера первое число – внешний диаметр, второе –внутренний диаметр, третье – высота.Начнём расчёт с вычисления площади сечения сердечника:SD  d 40  25 8, 25  105 м 2 .2h2  11Вычисляем минимально необходимое количество витков:WминU вхT300  40  106 181 .2 S B 2  8,25  10 5  0, 4Обычно на кольцевых магнитопроводах обмотку стараются выполнять водин слой, равномерно располагая витки по кольцу. Оценим диаметр провода,которым мы сможем вмотать в кольцо полученное количество витков. Дляэтого посчитаем внутренний периметр кольца, так как именно он определяет"вместимость" обмотки:pвнут   d  78 мм .Тогда диаметр проводаd пр 78 0,43 мм .181Сечение провода такого диаметра составляет 0,12 мм2.

Оцениммаксимально допустимый ток первичной обмотки. Для медного провода24Электропитание РЭАГлава 5максимально допустимая плотность тока составляет 5 А/мм2, а наш проводбудет способен выдержать ток:I макс  5А 0,12 мм 2  0,6 А .2ммЕсли перемножить входное напряжение на этот ток, получим габаритнуюмощность трансформатора:PT  300 В  0,6 А  180 Вт .Оценка плотности тока была сделана без учета скин-эффекта, так как внашем случае толщина выбранного провода заведомо меньше толщины скинслоя на данной частоте.

Оценим ток намагничивания. Вначале вычисляеминдуктивность получившейся обмотки:0W 2 SLM  66 мГн .lсрВ качестве средней длины силовой линии lср берётся длина окружностисредней линии кольца. Максимальный ток намагничивания за полупериод:I максU вхT 300  40  10 6 0,05 А .4L4  66  10 3Величина тока намагничивания составляет около 8% от максимальнодопустимого тока через обмотку.

Это вполне приемлемо.5.3 Неуправляемые выпрямители напряжения5.3.1 Общие замечанияВ РЭА применяют различные схемы выпрямления переменного тока впостоянный, каждая из которых имеет свои достоинства и недостатки. Присравнении различных схем выпрямления обычно учитывают следующие иххарактеристики: число полупроводниковых приборов, коэффициент пульсациивыпрямленного напряжения, габаритную мощность трансформатора.В маломощных ИЭП (до нескольких сотен ватт) обычно используютоднофазныевыпрямители.Вмощныхмногофазные выпрямители.25ИЭПцелесообразноприменятьЭлектропитание РЭАГлава 5Отметим, что в общем случае выпрямители могут работать на одну изсеми идеализированных нагрузок:- активную, обладающую только сопротивлением;-активно-индуктивную,обладающуюсопротивлениемииндуктивностью;- активно-ёмкостную, имеющую сопротивление и ёмкость;- индуктивно-ёмкостную, имеющую ёмкость и индуктивность;- нагрузку с противоположно направленной ЭДС, в которой токограничен величиной активного сопротивления;- смешанную нагрузку, состоящую из активного сопротивления, ёмкостии индуктивности.Нагрузка большинства выпрямителей – смешанная, поскольку всегдаприсутствует индуктивность проводов и ёмкость между ними.