Кулик Ю.А. Электрические машины
Подождите немного. Документ загружается.
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 замыкан
ии 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 U
2
от 0 до 1,2U
1
.
171
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 рассто
ков 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.
172
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-
173
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 дв
ум 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 со
тен 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 специаль
ной 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
174
Рис. 3.34. Работа трансформатора на вентильную выпрямительную нагрузку: а — схема выпрямления; б —
изменение во времени э. д. с. в,, тока i
1
и мощности p
1
первичной обмотки; в — изменение во времени э. д. с.
е
2
, тока i
2
и мощности р
2
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
175
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 импу
льсов 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
176
весьма крутой, и время t
1
(рис. 3.36), в течение которого происходит нарастание импульса,
очень мало.
Кривая увеличения напряжения за время t
1
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 остру
ю 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), имеющи
й 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-
177
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 Ф
1
первичной обмотки
изменяются во времени по закону синуса, то
Рис. 3.40. Изменение потоков в стержнях пик-трансформатора в функции тока первичной обмотки
178
Рис. 3.41. Идеализированная картина изменения потоков и э. д. с. пик-трансформатора
поток Ф
2
в насыщенном стержне 2 имеет уплощенный вид, а создаваемая им э. д. с. Е
2
выходной обмотки имеет резко заостренную форму (рис. 3.39). В любой момент времени
поток Ф
1
в стержне 1 равен сумме потоков Ф
2
в насыщенном стержне 2 и Ф
3
в стержне 3
(рис. 3.40).
Пользуясь идеализированной картиной изменения потока Ф
2
(рис. 3.41), проанализируем
изменение э. д. с. Е
2
в обмотке, расположенной на насыщенном стержне 2 (см. рис. 3.38).
Если бы стержень 2 не насыщался, то потоки Ф
1
и Ф
2
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 Ф
2
в течение времени, определяемом на рис. 3.41
углом π — 2α, остается неизменным (кривая 3). Поэтому в течение этого времени э. д. с.
Е
2
равна нулю (кривая 4). Таким образом, э. д. с. Е
2
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 S
2
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.
179
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 U
1
, 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
U
2
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 U
1
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
180