Однофазные итрехфазные трансформаторы специального назначения
трансформатор стабилизатор электростанция напряжение
Содержание
Введение
1. Пик-трансформаторы
2. Импульсные трансформаторы
3. Умножители частоты
4. Стабилизаторы напряжения
5. Феррорезонансный стабилизатор
Введение
Трансформаторы– наиболее распространенные устройства в современной электротехнике.Трансформаторы большой мощности на напряжение до сотен киловольт составляютоснову систем передачи электроэнергии от электростанций в линииэлектропередачи. Эти трансформаторы повышают напряжение переменного тока дозначений, необходимых для экономичной передачи электроэнергии на значительныерасстояния. В местах распределения электроэнергии между потребителями применяюттрансформаторы, понижающие напряжение до требуемых для потребителя значений.Наряду с этим трансформаторы являются элементами электроприводов,нагревательных и других установок, где они осуществляют преобразованиенапряжения питающей сети до значений, необходимых для работы электродвигателей,нагревательных печей и других электроустройств.
Определение:Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две(или более) индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразованияпосредством явления электромагнитной индукции одной (первичной) системыпеременного тока в другую (вторичную) систему переменного тока.
Наибольшееприменение в электротехнических установках, а также в энергетических системахпередачи и распределения электроэнергии имеют силовые трансформаторы,посредством которых изменяют значения переменного напряжения и тока.Трансформаторы разделяют на силовые трансформаторы общего и специальногоназначения. Силовые трансформаторы общего назначения применяются на линияхпередачи и распределения электроэнергии, а также в различных электроустройствахдля получения требуемого напряжения. Трансформаторы специального назначенияхарактеризуются разнообразием рабочих свойств и конструктивного использования.К этим трансформаторам относятся печные и сварочные трансформаторы,трансформаторы для устройств автоматики (пик-трансформаторы, импульсные,умножители частоты, стабилизаторы напряжения), испытательные и измерительныетрансформаторы и т. д. Рассмотрим подробно некоторые из них.
1.Пик-трансформаторы
Пик-трансформаторыприменяются для преобразования синусоидального напряжения в импульсыпикообразной формы. Такие импульсы напряжения с крутым фронтом необходимы дляуправления тиристорами либо другими полупроводниковыми или электроннымиустройствами.
Принципработы пик-трансформатора основан на явлении магнитного насыщенияферромагнитного материала. Существует несколько конструктивных исполненийпик-трансформаторов. Рассмотрим пик-трансформатор с магнитным шунтом. Первичнаяобмотка ω1 расположена на стержне увеличенного сечения, в котором не наступаетсостояния магнитного насыщения. Стержень со вторичной обмоткой ω2 имеетуменьшенное сечение, и при некотором значении напряжения u1 (магнитного потокаФ1) в нем наступает магнитное насыщение. Третий стержень – это магнитный шунт,отделенный от остальной части магнитопровода воздушным зазором. Переменныймагнитный поток среднего стержня Ф1 разветвляется через боковые стержни, т. е.Ф1=Ф2+Фш. При этом график Фш=ƒ(I1) имеет вид прямой линии, так какблагодаря воздушным зазорам этот стержень не насыщается.
Присинусоидальном первичном напряжении u1 магнитный поток Ф1 также синусоидален.При малых мгновенных значениях напряжения u1 и магнитного потока Ф1 потокФ2>Фш, т. е. значительная часть магнитного потока Ф1 замыкается черезстержень со вторичной обмоткой ω2, а меньшая часть – через шунт,отделенный от основной части магнитопровода воздушными зазорами.
Сростом мгновенных значений первичного напряжения u1 увеличивается магнитныйпоток Ф1 и наступает магнитное насыщение стержня со вторичной обмоткой ω2.При этом нарастание потока Ф2 в стержне со вторичной обмоткой ω2практически прекращается. Так как ЭДС, наведенная во вторичной обмотке,пропорциональна скорости изменения потока Ф2, т. е. e2 = – ω2dФ2/dt, тоучастку графика Ф2= ƒ(t1) на интервалах времени 1–2 и 3–4, когда поток Ф2практически неизменен, соответствует ЭДС e2 = 0. В момент времени,соответствующий изменению направления (знака) магнитного потока Ф2, ЭДС e2резко возрастает и ее график приобретает пикообразную форму.
Дляобеспечения удовлетворительных энергетических показателей пик-трансформаторових магнитопроводы изготавливают из сплава типа пермаллой.
2.Импульсные трансформаторы
Вэлектронных устройствах для согласования полных сопротивлений, изменения знакаи амплитуды импульсов, а также для размножения импульсов применяют импульсныетрансформаторы. Одно из основных требований, предъявляемых к импульснымтрансформаторам, – минимальное искажение формы трансформируемых импульсов.
Длявыяснения принципиальной возможности преобразования кратковременныходнополярных импульсов рассмотрим идеальный трансформатор (без потерь ипаразитных емкостей), работающий без нагрузки. Пусть на вход этоготрансформатора подаются однополярные импульсы прямоугольной формыпродолжительностью tи с периодом Т. Первичный контур трансформатора с активнымсопротивлением r1 обладает некоторой постоянной времени זּ = L1 / r1,обусловленной индуктивностью этого контура L1.
Рассмотримслучай, когда постоянная времени первичного контура намного меньшепродолжительности импульса, т. е. זּ
Рассмотримслучай, когда постоянная времени намного больше продолжительности импульса, т.е. זּ >> tи. Этот случай более реален, так как продолжительностьимпульсов обычно не превышает 10-4 с. Теперь, когда импульс напряжения u1прекращается еще до окончания переходного процесса в первичной цепи, импульсынапряжения u2 на выходе трансформатора не имеют значительных искажений.Возникающая отрицательная часть импульса u2 легко устраняется включениемполупроводникового диода во вторичную цепь трансформатора.
Дляуменьшения паразитных емкостей и индуктивности рассеяния обмоток последниеделают с небольшим числом витков. При этом малая продолжительностьтрансформируемых импульсов позволяет выполнять обмотки импульсныхтрансформаторов проводом уменьшенного поперечного сечения, не вызываянедопустимых перегревов. Это способствует уменьшению габаритных размеров имассы импульсных трансформаторов.
3.Умножители частоты
Трансформаторныеустройства, состоящие из магнитопроводов и обмоток, можно использовать дляумножения частоты переменного тока, т. е. увеличения частоты в целое число раз.
Рассмотримпринцип работы удвоителя частоты. Два замкнутых магнитопровода имеют пятьобмоток. Первичную обмотку ω1 выполняют так, чтобы она охватывала сразудва магнитопровода. При включении обмотки в сеть переменного тока ссинусоидальным напряжением и частотой f1 она создает в каждом магнитопроводепеременную МДС F1. Две секции вторичной обмотки ω1' и ω2",каждая из которых расположена на своем магнитопроводе, включены друг с другомпоследовательно согласно, так что результирующий магнитный поток, сцепленный сэтими обмотками, равен сумме потоков магнитопроводов Фa + Фb. Кроме того, накаждом магнитопроводе имеется по одной обмотке подмагничивания ω0,включенных между собой последовательно. При включении этих обмоток напостоянное напряжение U0 в каждом из магнитопроводов возникает подмагничивающаяМДС F0 = I0 ω0.
Привключении в сеть с синусоидальным напряжением u1 и частотой f1 обмотка ω1в течение первого полупериода напряжения u1 создает МДС F1 = I1 ω1 вмагнитопроводе a, направленную согласно с МДС постоянного тока F0. При этоммагнитные потоки в магнитопроводе a складываются и создают результирующий потокФa = Ф0 + Ф1. За счет магнитного насыщения магнитопровода a график этого потокаФa = ƒ(t) имеет уплощенный вид.
Вмагнитопроводе b в этом же полупериоде МДС потоки Ф0 и Ф1 действуют встречно,создавая результирующий поток Фb = Ф0 – Ф1, имеющий значительный провал всередине первого полупериода. Во втором полупериоде напряжения u1 вмагнитопроводе a создается поток, равный разности Фa = Ф0 – Ф1, а вмагнитопроводе b – поток, равный сумме Фb = Ф0 + Ф1. Вторичную обмотку,состоящую из двух секций (ω2 = ω2' + ω2"), охватываетсуммарный магнитный поток Фa + Фb, график которого (Фa + Фb) = ƒ(t)построен путем суммирования ординат потоков Фa и Фb. Этот поток содержит постояннуюсоставляющую Фпост, не принимающую участия в наведении вторичной ЭДС и явновыраженную переменную составляющую второй гармоники, которая наводит в секцияхвторичной обмотки ЭДС E2 частотой f2 = 2 f1. Электродвижущая сила первичнойобмотки E1, так же как и первичное напряжение U1, имеет частоту f1.
Длякомпенсации индуктивных падений напряжений во вторичную цепь удвоителя частотывключают конденсатор емкостью C, что повышает коэффициент мощности cos φудвоителя и уменьшает наклон его внешней характеристики U2 = ƒ(I2).
4.Стабилизаторы напряжения
Стабилизаторынапряжения предназначены для поддержания практически неизменным напряжения навходе каких-либо устройств автоматики, чувствительных к колебаниям напряжениясети U1.
Основнойпоказатель работы стабилизатора напряжения – коэффициент стабилизации понапряжению, показывающий, во сколько раз относительное изменение напряжения навыходе стабилизатора (ΔUст / Uст) меньше относительного изменениянапряжения на его входе (ΔU / U1):
kст= (ΔU / U1): (ΔUст / Uст), (1)
гдеΔU = U1 max – U1 min; ΔUст = Uст max – Uст min.
Основныевиды стабилизаторов трансформаторного принципа действия: ферромагнитныестабилизаторы насыщенного типа и феррорезонансные стабилизаторы (содержащиеемкость C).
Ферромагнитныйстабилизатор напряжения представляет собой трехстержневой магнитопровод, насреднем стержне которого расположена первичная обмотка ω1. На правомстержне, работающем в условиях сильного магнитного насыщения, расположенавторичная обмотка ω2. На левом ненасыщенном стержне расположенакомпенсационная обмотка ωк. При колебаниях напряжения U1 на входестабилизатора изменяется магнитный поток в среднем стержне, но поток в правомстержне изменяется незначительно, так как стержень насыщен. Поэтому колебаниянапряжения U2' на выходе вторичной обмотки стабилизатора незначительны икомпенсируются напряжением Uк компенсационной обмотки, зависимость которого отнапряжения U1 имеет вид прямой линии, так как левый стержень стабилизатораненасыщен. При правильном подборе параметров обмоток и магнитопроводастабилизатора напряжение на выходе оказывается стабилизированным:
Uст= U2' – Uк (2)
Так,при колебаниях напряжения U1 в пределах ±20% от номинального значения принеизменных нагрузке и частоте выходное напряжение колеблется в пределах ±3%, т.е. коэффициент стабилизации по напряжению kст ≈ 7. Обычно дляферромагнитных стабилизаторов kст не превышает 10. Основные недостаткиферромагнитных стабилизаторов: небольшой коэффициент стабилизации понапряжению, низкий КПД (не более 40–60%), небольшой коэффициент мощности (неболее 0,4), несинусоидальное выходное напряжение. Указанные недостаткиограничивают применение ферромагнитных стабилизаторов напряжения.
5.Феррорезонансный стабилизатор
Феррорезонансныйстабилизатор напряжения обладает лучшими свойствами. Он состоит из реактора,магнитопровод которого при заданном диапазоне напряжений U1 насыщен,конденсатора C, автотрансформатора, магнитопровод которого ненасыщен. Обмоткаавтотрансформатора включена так, что напряжение на выходе стабилизатора
Uст= U2' – U2", (3)
гдеU2' – напряжение на выводах реактора; U2" – напряжение на выводахавтотрансформатора.
НапряжениеU2' 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' напрямолинейном участке кривой. При этом условии напряжение на выходестабилизатора Uст изменяется незначительно при заданном диапазоне колебаниянапряжения на входе стабилизатора. Коэффициент полезного действияферрорезонансного стабилизатора достаточно высок и составляет 80–85%, акоэффициент стабилизации по напряжению kU = 20÷40.
Кнедостаткам феррорезонансных стабилизаторов относится заметная зависимостькоэффициента стабилизации от частоты тока в сети и от коэффициента мощностинагрузки. Указанные недостатки в этом стабилизаторе проявляются в меньшейстепени, чем в ферромагнитном стабилизаторе. Для ослабления несинусоидальностивыходного напряжения ферромагнитных и феррорезонансных стабилизаторов в ихсхему вводят компенсирующие контуры.