Трансформаторы и реакторы

June 16, 2013 by admin Комментировать »

Трансформаторы являются особенным классом компонентов силовой электроники. Конструкция и характеристики множества систем критически зависят от конструкции и характеристик используемых в них трансформаторов, и зачастую на долю трансформаторов приходится большая часть цены системы. При хорошем знании трансформаторов и в сотрудничестве с их изготовителями разработчик силовых электронных устройств часто способен существенно улучшить рабочие характеристики и надежность своих систем при снижении затрат на их создание. А еще полезно пользоваться серией стандартов на трансформаторы IEEE C57, которую можно купить в виде однотомного издания в департаменте публикаций IEEE.

Автору однажды пришлось выступать экспертом на судебном процессе, где изготовители электродвигателей предъявили иск к продавцам трансформаторов, отказавших на одном из заграничных предприятий. Проблема была вызвана радиальным магнитным полем, которое наводило вихревые токи в электростатических экранах. В этих трансформаторах была на всю длину сердечника намотана первичная обмотка, а поверх нее — две вторичные обмотки, расположенные встык друг к другу. При этом работали вторичные обмотки попеременно. Электростатический экран перегревался, из-за чего разрушалась изоляция, и продавец был признан ответственным за поставку дефектной продукции. Если бы покупатель объяснил продавцу особенности эксплуатации этих трансформаторов, а не полагался на стандартную спецификацию, проблем скорее всего удалось бы избежать.

Основы трансформаторов

Хорошей начальной точкой для обсуждения трансформаторов является обзор уравнений для связанных цепей, тем более что их придется вспоминать при изучении характеристик трансформаторов. Для начала рассмотрим простую пару связанных катушек. На Рис. 7.1 показаны две катушки, находящиеся вблизи друг от друга, и указаны мгновенные значения напряжений и токов в них.

Рис. 7.1. Связанные катушки

Для замкнутой цепи катушки 2:

Магнитные поля этих катушек частично проникают друг в друга, и по этой причине эти катушки называют связанными, причем степень этой связи определяется коэффициентом связи k. Если индуктивности катушек L1 и L2, то их взаимная индуктивность будет M = k(LxL-i)xri. Теперь можно написать уравнения для напряжений и токов. При возбуждении катушки 1,для разомкнутой цепи катушки 2:

Кроме того, 0 = L^di^/dt M-di^/dt.

Эти уравнения могут быть решены при введении понятий индуктивностей разомкнутой (Loc) и замкнутой (Lsc) цепи. При этом Zoc= L{, а L= L\ M2/L2. Тогда

На Рис. 7.2 показана эквивалентная схема идеального трансформатора (без потерь). А и В здесь индуктивностьрассеянгш первичной и вторичной обмоток, причем А = Ll M, В = L2 M, где M — индуктивность намагничивания. Обычно индуктивности заменяются их реактивными сопротивлениями на рабочей частоте. Если отношение витков первичной обмотки к числу витков вторичной n: 1, то напряжения и токи этих обмоток связаны соотношениями Es = ЕР/п и /5 = Ip-rt.

Рис. 7.2. Эквивалентная схема трансформатора без потерь

Эти параметры часто выражают в процентах или в долях единицы, что удобно для сравнения разных трансформаторов по их напряжениям, токам, конструкциям и потерям. Так, индуктивность рассеяния в процентах равна падению напряжения при полной нагрузке по отношению к номинальному напряжению этой обмотки. Отметим, что это напряжение является вектором, и его влияние на выходное напряжение обмотки зависит от фазового угла сдвига тока. Ток возбуждения может быть выражен как доля или процент от номинального тока нагрузки, который в свою очередь определяется как номинальное напряжение, деленное на индуктивность намагничивания.

Применительно к типичному трансформатору с общим реактивным сопротивлением рассеяния 6% и током возбуждения 5% реактивное сопротивление индуктивности намагничивания окажется равным 100/0.05, или 2000%, ak = [1 (6/2000)]1/2 = 0.9985.

Таким образом, типичные трансформаторы с железным сердечником имеют очень высокий коэффициент связи. Катушки без сердечника, напротив, обычно имеют низкий коэффициент связи, и для его увеличения приходится первичную и вторичную обмотки мотать бифилярно или коаксиально. В некоторых конструкциях трансформаторов для обеспечения постоянства выходного тока в сердечнике делают воздушный зазор, обеспечивающий среднее значение коэффициента связи.

В реальности трансформаторы имеют ток холостого хода и потери (Рис. 7.3).

Почти все типы трансформаторов имеют сердечник, выполненный из железных пластин, что обеспечивает максимальную связь между обмотками. Ток холостого хода первичной обмотки складывается из тока, необходимого для достижения требуемого магнитного поля в сердечнике, и тока, связанного с потерями на гистерезис и на вихревые токи в сердечнике. Типовое значение тока холостого хода составляет 3…8% от номинального значения тока в первичной обмотке при номинальной нагрузке, а индуктивности рассеяния приводят к потере 3…10% напряжения при полной нагруз-

Рис. 7.3. Эквивалентная схема трансформатора с потерями

ке трансформатора. Правда, эта потеря напряжения является векторной и непрямо вычитается из выходного напряжения, за исключением случаев, когда коэффициент мощности нагрузки близок к нулю. Общие потери в трансформаторах на 1000…10000кВА обычно находятся в пределах 0.25…1.0%. Трансформаторы на большие мощности обычно имеют меньшие потери (в процентах), а маленькие трансформаторы — большие.

Индуктивности рассеяния первичной и вторичной обмоток могут быть пересчитаны с учетом коэффициента трансформации n по формулам

, где ХГР и XTS — суммарная индуктивность рассеяния соответственнодля первичной и вторичной обмоток. Когда импеданс трансформатора указан как Z%, можно предположить, что он реактивный, и падение напряжения (в процентах) на вторичной обмотке при номинальном токе нагрузки составит7/о, или ZPU от номинального напряжения. При коротком замыкании вторичной обмотки ток короткого замыкания будет в l/Zpu раз больше, чем ее номинальный ток. Например, при реактансе трансформатора 5% (0.05) ток короткого замыкания будет в 20 раз больше номинального. При этом предполагается, что импеданс источника питания трансформатора пренебрежимо мал.

Нагрузочная способность трансформатора в процентах определяется по формулегде            VNL                                                                             и VFi являются           выходными на

пряжениями без нагрузки и с полной нагрузкой. Векторные диаграммы на Рис. 7.4 способствуют пониманию причин изменения выходного напряжения при подключении нагрузки.

Трансформаторы, предназначенные для питания преобразователей, часто делают с двумя вторичными обмотками, причем одна из них включается в треугольник, а другая — в звезду. При этом сдвиг фаз между выходными напряжениями составляет 30°, и становится возможным существенно уменьшить гармонические составляющие тока в первичной обмотке, вызванные нелинейностью нагрузки. Схема такого трансформатора приведена на Рис. 7.5.

Рис. 7.5. Схема трансформатора с тремя обмотками

Обычно реактансы обеих вторичных обмоток одинаковы. Параметры трансформатора с двумя вторичными обмотками могут быть найдены из следующих уравнений. Если положить связь обмотки P с обмоткой Sj, равной X, связь обмотки P с S2 также равной X, а связь обмотки 5j с S2, равной Y, то

A + B = X,A + C = X,B + C=Y

и

А = XY/2, В = Y/2, C= Y/2.

Если вторичные обмотки имеют с первичной сильную связь, то значение Yочень мало, и эквивалентный реактанс трансформатора практически полностью определяется реактансом первичной обмотки. Если связь плохая, то Y может оказаться таким большим, что реактанс со стороны первичной обмотки А может стать отрицательным. Если вторичные обмотки имеют между собой частичную связь, реактанс первичной обмотки может стать равным нулю, а эквивалентный реактанс будет определяться только вторичными обмотками. Отрицательный реактанс первичной обмотки обеспечивает малое изменение напряжения на вторичных обмотках при подключении к ним нагрузок. С другой стороны, плохая связь между первичной и вторичными обмотками способствует уменьшению тока короткого замыкания нагрузки.

Источник: Сукер К. Силовая электроника. Руководство разработчика. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХI, 2008. — 252 c.: ил. (Серия «Силовая электроника»).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты