Роль, значения и функции электропитающих устройств

Роль, значения и функции электропитающих устройств

Контрольная работа

Роль, значения и функции ЭПУ

ВВЕДЕНИЕ

Развитие телекоммуникационной сети базируется на внедрении новой электронной аппаратуры, надежная и качественная работа которой во многом предопределяется возможностями электропитающих устройств (ЭПУ) и токораспределитель сетей предприятий, а также источников вторично электропитания (ИВЭ), входящих в состав аппаратуры связи.

Широкое использование в аппаратуре связи новых элементов и устройств требует резкого повышения надежности средств электропитания, стабильности выходного напряжения и тока. Следствием этого явилась необходимость применения разнообразных преобразователей энергии и стабилизаторов.

Кроме того, от источников электрической энергии зависят габариты, масса и эксплуатационные характеристики систем связи. С внедрением в технику связи микросхем вес и габариты РЭС резко уменьшились, в то время как вес и габариты ЭПУ возрастают, т.к. на выходе из используют меньшие напряжения и большие токи. (↓КПД)

Поэтому при разработке аппаратуры или системы связи все болшее внимание уделяется вопросам проектирования и расчета источников электрической энергии.

К ЭПУ относятся:

автономные автоматизированные электростанции

трансформаторы

электрические машины

коммуникационная аппаратура (коннекторы, реле)

выпрямители

стабилизаторы напряжения и тока

преобразователи (инверторы, конверторы)

аккумуляторы

Выпрямители, стабилизаторы напряжения и тока, преобразователи представляют собой вторичные источники электропитания, т.е. преобразуют электрическую энергию с одними параметрами в электрическую энергию с другими параметрами.

Для защиты аппаратуры ИП от перегрузок и к.з., а также с целью постоянства работоспособности питательной аппаратуры применяются средства автоматики. (В устройствах связи с этой целью широко используются резервирование)

Первичными ИЭП для стационарных предприятий связи, как правило являются энергосистемы, а в отсутствии её или в случае прекращения подачи энергии или передвижная дизель-электрическая электростанция.

Аппарат связи потребляет энергию как постоянного, так и переменного тока. Для обеспечения различных номиналов используются трансформаторы

Для исключения перерывов в подаче электроэнергии, обусловленной переходом с основного ИЭЭ (источник электрической энергии) на резервный ИЭЭ переменного тока на предприятие связи, широко применяют электрические аккумуляторы.

При большом территориальном рассредоточении нагрузок по зданию часто экономически не оправдано (особенно при низких напряжениях ) распределение электрической энергии постоянного тока. Поэтому на предприятиях связи широко применяются устройства гармонического питания (УГП) переменным током. В настоящее время применяются как электромашины, так и статические УГП на полупроводниковых приборах.

В качестве основных ИЭЭ для передвижной или переносной аппаратуры широко применяются электрохимические источники постоянного тока или преобразователи различных видов энергии (тепловой, световой и других) в электрическую энергию постоянного тока. В этом случае различные номиналы питающих напряжений получаются при помощи полупроводниковых преобразователей.

В последнее время с цель. Уменьшения массы и габаритов широкое распространение получили импульсные источники питания с бестрансформаторным вводом, работающие на высокой частоте (до 100 кГц). Такие источники вторичного питания представляют собой достаточно сложное устройство, оптимальное построение которого представляет собой специфическую задачу для радиоинженера. Важными являются также вопросы электромагнитной совместимости как самих ИВП с питаемой им системой так и разных систем.

Целью курса является ознакомление студентов с принципами выбора режимов отдельных элементов систем и расчета их основных узлов. Изучаемая дисциплина базируется на физике, математике, ОТЦ, ЭиКП, УГиФС (устройств генерации и формирования сигналов),ФУУС(функциональные узлы устройств связи).

Весомый вклад в развитие техники ЭПУ внесли русские и советские ученые:

Аркадьев создал общую теорию электромагнитного поля для ферромагнитных сред (в 1913г.)

Ленц открыл явление электромагнитной индукции и принцип обратимости электрических машин.

М.И. Доливо-Добровольский изобрел трехфазный транзистор и двигатель.

Из зарубежных:

Никола Тесла сконструировал двухфазный электродвигатель.

Большой вклад в настоящее время внесли:

Китаев В.Е

Рогинский В.Ю.

Иванов-Цыганов А.И.

Конев Ю.И.

1.Требования, предъявляемые к ЭПУ

Технические требования определяют свойства ЭУ как элемента обеспечивающего качественную работу всей системы. К ним относятся:

необходимая точность работы

достаточная чувствительность

минимальная инерционность

Эксплуатационные требования определяются условиями в которых должно работать ЭПУ.

высокая надежность

стабильные характеристики во времени в том числе при колебаниях напряжения и частоты, изменения нагрузки и вследствие естественного старения. Должен обеспечиваться необходимый срок службы (когда технические требования выполняются)

климатическая стойкость

виброустойчивость

Конструкционные требования определяют реализацию ЭПУ в конкретной автоматической системе. К ним относятся:

род тока и частоты необходимой для работы

допустимые габариты и вес

взаимозаменяемость стандартных элементов

Технологические требования определяются условиями производства и монтажом ЭПУ:

технологичность конструкции

пригодность для крупно-серийного выпуска

стандартизация деталей

удобство монтажа

Экономические требования определяются рентабельностью применяемого ЭПУ:

стоимость ЭПУ

стоимость потребляемой энергии

Требования безопасности, обеспечивающие безопасные условия работы:

безопасность применения в определённых условиях работы

уровень создаваемых акустических шумов и помех

.Схема построения источников питания радиоаппаратуры

Если средства электропитания конструктивно выполнены в виде самостоятельного блока, то их называют источниками электропитания.

Представление о входящих в источник электропитание функциональных устройствах, их роли в процессе преобразования энергии и взаимодействий дает структурная схема:

Рис.1 Структурная схема

Рассматриваем: схема представляет собой как бы один канал источника питания. Современные источники является многоканальными.

Во многих системах применяют не один, а несколько первичных источников резкого типа, обеспечивающих энергоснабжение в различных условиях работы. В этом случае ветвление структурной схемы происходит в направлении, противоположном тому, которое было в многоканальном источнике.

С целью повышения КПД источника и его конструктивного упрощения применяют функциональные звенья, которые решают не одну, а ряд задач. Например, применив регулируемые инвертор и управляя его выходным напряжением так, чтобы на выходе выпрямителя создавалось стабилизированное напряжение, можно получить заданное качество выходного напряжения и без выходного стабилизатора.

Существуют и другие компоновки структуры.

Рис.2 Схемы источников вторичного электропитания.

Инверторы и преобразователь имеют малые габариты, высокую надежность и КПД, поэтому их стали применять во вторичных источниках питания с бестрансформаторным входом. Нагрузка, включаемая на выход ИВЭП обычно представляют активным сопротивлением, поглощающим ту же мощность, что и питаемое устройство. . Нелинейность реальной нагрузки приводит к тому, что такая замена не является полной.

 - дифференциальное сопротивление нагрузки.

Рис3.

В процессе работы питаемого устройства потребляемый им ток колеблется. Быстрые колебания тока с частотой, равной или большей частоты выпрямленного переменного напряжения не сказываются на выходном напряжении, так как сглаживаются накопительными элементами его фильтра и в первую очередь конденсатором с большей емкостью.

3.Характеристика источника питания

Основной характеристикой любого источника питания, как и каждого его каскада, является внешняя характеристика представляющая собой зависимость выходного напряжения от выходного тока.

- нормальные условия освещения и температура

- нормальная температура, но повышенная освещенность

- нормальная освещенность, но ниже температура

Для стабилизатора напряжения внешняя характеристика сливается на рабочем участке в одну линию. Для оценки стабильности выходного напряжения или тока используют коэффициенты нестабильности, причем их определяют для каждого из параметров, вызывающих изменение выходных величин.

Температурный коэффициент .

Иногда используется относительный коэффициент нестабильности по выходному напряжению:

 , не путать с коэффициентом стабилизации .

Изменение выходного напряжения вызывается колебаниями тока нагрузки и определяется выходным или внутренним сопротивлением  . Если источник обладает линейной внешней характеристикой, то его эквивалентная схема имеет вид:

Рис.11 Эквивалентная схема ИП.

Если внешние характеристика источника нелинейная, то выходное сопротивление в каждой точке имеет различные значения. В этом случае отдаваемая источником мощность находится графически. Находится точка пересечения графических зависимостей  и .

Произведя несколько последовательных построений для разных , находим максимальную мощность и соответствующую ей оптимальное сопротивление.

Зависимость выходного напряжения от тока источника приводит также к связи между несколькими потребителями подключенными к одному источнику. Для борьбы с этим явлением применяют стабилизаторы напряжения с очень малым выходным сопротивлением или предусматривают фильтры-развязки.

Простейший фильтр - это конденсатор, подключенный к выходным клеммам.

Для переменных составляющих тока нагрузки сопротивление источника определяется сопротивлением конденсатора  и следовательно может иметь малые значение при любой . В отличие от стабилизатора напряжения у которого очень мало, стабилизатор тока должен поддерживать ненулевой ток и поэтому его выходное сопротивление должно быть очень большим, а внешняя характеристика на рабочем участке получается почти вертикальной. Стабилизаторы тока однако встречаются гораздо реже. Самым общими и наиболее часто встречающимися показателями качества источника питания являются его удельные массовые и объемные характеристики.

При питании устройств, создающих пиковую нагрузку более важны удельные мощностные характеристики:  ;  - Вт; G - масса в кг; V - обьём дм3 .

При работе на постоянную нагрузку в течении данного времени важнее хорошие удельные энергетические характеристики:

;;  - Вт∙ч;

Влияние нагрузки источника питания на его удельные характеристики хорошо видно из зависимости энергетических показателей от мощностных.

Для HK-10 (никель-кадмиевые)

Дроссели и трансформаторы

Назначение, классификация дросселей и трансформаторов

Дросселем называется статический электромагнитный аппарат, используемый в электрических цепях в качестве индуктивного сопротивления.В зависимости от назначения дроссели можно подразделять на:

дроссели переменного тока - катушка индуктивности;

регулирующие дроссели - МУ;

сглаживающие дроссели - фильтры;

Дроссели переменного тока находят применение в цепях переменного тока в качестве балластных и токоограничивающих сопротивлений.(например при включении двигателя, а также при получении различных ВАХ электрических цепей.

Регулируемый дроссель представляет собой регулируемое индуктивное сопротивление, изменяющееся за счет изменения постоянного тока намагничивания магнитопроводящей сети включенной в сеть переменного тока, а также в качестве усилителя и модулятора.

Статический дроссель применяют для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения.

Статический электромагнитный аппарат преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения называется трансформатором. Работа трансформатора основана на электромагнитном взаимодействии двух или нескольких контуров на обмотках. При подаче напряжения на первичной обмотке и подключая к зажимам вторичной обмотки нагрузки из одной цепи в другую будет передаваться электрическая энергия без наличия электрической связи между ними.

Для улучшения магнитной связи между обмотками помещают магнитный сердечник.

Силовые трансформаторы ЭПУ условно классифицируют по следующим признакам:

по мощности:

малой мощности P<100 Вт

средней мощности P=100 - 1000 Вт

большой мощности P>1000 Вт

по числу фаз рабочего тока:

однофазные

трехфазные

по частоте тока:

промышленные (50Гц)

повышенной частоты (100 - 2000Гц)

По режиму работы:

согласующие (широкополосные)

импульсные (пропускают импульсы одной полярности)

сверхширокополосные (ТДЛ)

По напряжению:

низкого напряжения (до 500 В.)

высокого напряжения (свыше 500 В.)

По конструкции магнитопроводов:

броневые

стержневые

тороидальные

По специфическим свойствам:

влагоустойчивые

виброустойчивые

У броневых трансформаторов обмотка выполняется на одной катушке. Отличаются эти конструкции в основном углом сердечника и катушки. Сердечник лучше охлаждается у броневых, но важнее охлаждение обмоток, так как много изолированный материал. Охлаждение обмотки лучше у стержневых, но броневые несколько проще в изготовлении.

Достоинство тороидальных:

низкое магнитное сопротивление

почти полное отсутствие потока рассеивания

нечувствительны к внешним магнитным полям

Для уменьшения потерь на вихревые токи, сердечники выполняются из отдельных пластин, изолированные слоем лака или слоем окалины.

Применяют следующие марки электротехнических сталей, отличающихся степенью легированности и способом прокатки. Э41, Э42, Э43, Э310, Э320, Э330 при толщине стальных листов или ленты 0,5 и 0,35мм. При повышении частоты (400Гц. и выше) - Э44, Э45, … Э340-Э360 с толщиной пластин или ленты 0,2;0,15;0,1;0,08;0,02 мм.

Обозначение марок сталей читается следующим образом:

Э - электротехническая сталь; первая цифра обозначает степень легирования (3 - повышеннолегированная, 4 - высоколегированная); вторые цифры указывают электромагнитные свойства стали; Например 1,2,3 удельные потери стали при частоте 50Гц соответственно нормальные, низкие, пониженные, 4 - нормальные при Гц; 5 и 6 - нормальная и повышенная магнитная проницаемость в слабом поле (до 0,1А/см), 7 и 8 - соответственно в полях от 0,1А/см до 1А/см, 0 - указывает на то, что сталь холоднопитанная; буква А, стоящая после цифр показывает, что удельные потери особенно низкие.

Потери в стали , где p - удельные потери [Вт/кг]; G - масса стали [кг].

Сердечник трансформатора изготовлен из высоколегированных горячекатаных и повышеннолегированных холоднокатаных сталей. Холоднокатаная сталь отличается от горячекатаной меньшими удельными потерями, а также большой магнитной проницаемостью в случае намагничивания по направлению проката. Поэтому можно повышать значение магнитной индукции, что уменьшит поперечное сечение магнитопровода и размеры трансформатора.

Обмотки трансформатора обычно имеют цилиндрическую форму и выполняются из провода кругового сечения при малых токах и прямоугольного сечения при высоких значениях тока. Ближе к сердечнику расположена обмотка низких напряжений, т.к. её легче изолировать от него. После сборки магнитопровода, его стягивают. Стяжные планки, болты, шпильки и т.д. изолированы от тела магнитопровода электрическим картоном или бумагой для того, чтобы предотвратить возможные появления короткого замыкания витков вокруг сердечника и его частей.

Образование короткого замыкания витков приводит к значительным потерям.

Параметры катушки с ферромагнитным сердечником

В катушке, где магнитный поток распределен проницаемость материи настолько велика, что весь магнитный поток сосредоточен в самом сердечнике в обмотке возбуждающая ЭДС равна ; (1.) S - толщина сердечника; B - магнитная индукция.

, при большой добротности катушки .

Для наиболее употребительной формы переменное напряжение  изменяет индуктивность в течении отрицательного полупериода промежутком от Вm до -Вm, а в течении положительной полуволны от

Bm до Bm. За полупериод индуктивность меняется на удвоенную амплитуду поэтому можно записать на основании формулы (1.):

Интеграл стоящий в левой части равенства, определяет среднее за полупериод значение напряжения сети , умноженное на значение полупериода, так как по определению:

, отсюда  (2.)

Более удобным в энергетических расчетах является не среднее, а действующее значение напряжения:

Связь между действующим значением и средним за полупериод значением переменного напряжения определяется коэффициентом формы кривой: .

Заменив в (2) среднее напряжение на действующее, получим форму записи закона электромагнитной индукции, удобную для расчета катушек с магнитопроводом:  (3).

Этот закон позволяет найти амплитуду изменения индукции Вm и следовательно, ту петлю гистерезиса или тот участок кривой намагничивания, по которому перемещается рабочая точка.

В это выражение для получения напряжения в вольтах следует подставить индукцию в теслах, а площадь сечения в кв. метрах.

Для напряжения прямоугольной формы коэффициент формы кривой равен единице. Для гармонического напряжения с амплитудой Еm, следуя определению получим:

При гармоническом напряжении ec(t) изменение индукции получается тоже гармоническим, но отстает по фазе на угол π/2. Ток катушки совпадающий по фазе с индукцией будет чисто индуктивным с амплитудой  (4), где еср - длина средней линии магнитопровода, µ - магнитная проницаемость материала.

Вместе с тем на основании закона Ома для амплитуды гармонического тока имеем (5)

Сравнив (4) и (5) получим формулу для индуктивных колец катушки:  . Это формула справедлива, если Еm мала и рабочий участок кривой намагничивания линеен, т.е. напряжения магнитного поля повторяет во времени закон изменения индукции, т.е.: .

В тех случаях, когда амплитуда индукции Вm значительна, рабочий участок кривой намагничивания уже нельзя считать линейным и определение формы тока в этом случае усложняется.

Под индуктивностью катушки в этом случае понимают отношение амплитуды приложенного напряжения к амплитуде первой гармоники тока, умноженной на частоту.

 (6)

Если теперь из соотношений (5) и (6) найти среднюю магнитную проницаемость за период, то оказывается, что она монотонно падает с увеличением амплитуды Еm.

Более сложные процессы возникают в катушке с магнитопроводом при одновременном её намагничивании постоянным и переменным токами. Постоянная подмагничивания сдвигает рабочую область на более пологий участок кривой намагничивания, которому соответствует меньшее значение  и который ассиметричен. Поэтому эквивалентная индуктивность для переменного тока уменьшается, а в токе, потребляемом катушкой, возникают дополнительные, как нечетные, так и четные гармоники.

Однако с другой стороны, намагничивающее действие постоянного тока уменьшается когда к катушке приложено переменное напряжение. Таким образом в магнитопроводе с нелинейной кривой намагничивания средняя магнитная проницаемость уменьшается при постоянном подмагничивании, а постоянный магнитный поток - под действием переменного напряжения, приложенного к катушке.

Уменьшение влияния постоянной подмагничивания в дросселе

С целью уменьшения влияния подмагничивания постоянным током, которое приводит к уменьшению среднего значения магнитной проницаемости  и как следствие к уменьшению индуктивности магнитопровода делают с зазором (неоднородным). Зазор создает сопротивление магнитному потоку тем самым снижает постоянную составляющую магнитной индукции . Снижение индукции смешает рабочую точку на крутой участок кривой намагничивания, где дифференциальная магнитная проницаемость () выше. (Вследствие этого магнитное сопротивление становиться меньше и общее сопротивление магнитопровода и зазора тоже уменьшается)

График

При намагничивании сердечника с зазором необходимо создать большую напряженность магнитного поля , кривая намагничивания имеет более пологий начальный участок, что соответствует снижению магнитной проницаемости из-за наличия зазора. Однако этот начальный участок более протяжен. Из рисунка видно, что существует какой-то оптимальный зазор для заданных постоянной и переменной намагничивающих сил, при котором рабочий участок полностью расположен на крутом участке кривой намагничивания.

При проектировании катушки с неоднородным магнитопроводом (фильтр L) определяют число витков и оптимальный зазор. После этого находят среднюю магнитную проницаемость магнитопровода с зазором.

Потери в магнитопроводе

Сердечник разогревается проходящим через него магнитным потоком. Потери в магнитопроводе возникают из-за гистерезиса и вихревых токов. Найденные ранее формы токов соответствовали основной кривой намагничивания.

При гистерезисе ток  опережает ток без учета гистерезиса, значит его запаздывание относительно напряжения меньше 900, следовательно от сети потребляется активная мощность, которая порывает потери на гистерезис:

Средняя за период мощность потери:

Исходя из законов электромагнитной индукции  и полного тока :

Записанный интеграл является контурным, так как зависимость B=f(H) задается петлей гистерезиса lг.

Операции дифференцирования и интегрирования по времени исключают друг друга, что позволяет упростить выражение для потерь на гистерезисе:

где V - объем перемагничиваемого материала, S - площадь, ограниченная петлей гистерезиса.

Обычно показатели массы, так как их легче определить при сложной форме сердечника:

- масса магнитопровода, r - удельная масса материала магнитопровода.

Т.е. потери на гистерезисе пропорциональны частоте, массе магнитопровода и площадь петли гистерезиса, которая в свою очередь зависит от амплитуды магнитной индукции.

Сталь и ее сплавы обладают заметной электропроводностью. Поэтому при наличии переменного магнитного потока в нем возникают вихревые токи, которые вызывают активные потери, а также создают вторичное магнитное поле, что приводит к вытеснению суммарного потока к краям сплошного магнитопровода. Это приводит к увеличению сопротивления магнитопровода, что оценивают уменьшением средней по его сечению магнитной проницаемости.

Чтобы избежать последствий влияния вихревых токов, магнитопровода выполняют наборными из тонких пластин, изолированных друг от друга или навивают из тонкой ленты, покрытой с одной стороны изолирующей пленкой.

Определим потери мощности в одном кольцевом витке витого магнитопровода.

Выделяем в толщине листа контур S , имеющий толщину dx и расположенный на расстоянии x от продольной оси. При b>>d, индукция распределена равномерно и ЭДС в контуре:

, где 2bx - примерное значение площади, охватываемой контуром S.

Сопротивление выделенного контура электрического тока пропорциональна длине 2b, обратно пропорциональна и длине витка l:

 - удельное сопротивление материала листа

Потери в элементарном контуре определяются следующим выражением:

Для определения потерь во всех контурах на площади поперечного сечения листа, получим выражение для потерь в одном витке:

электропитающий дроссель трансформатор катушка

где  - объем части листа, образующей один виток.

Потери на вихревые токи пропорциональны квадрату частоты, объему листа и квадрату толщины листа. Поэтому магнитопровода высокочастотных катушек выполняют из очень тонких листов или из магнитных материалов, имеющих большое удельное сопротивление электрическому току. Наименьшие потери на вихревые токи имеют сердечники и образованные ?пеханием? порошков ферромагнитных материалов. Потери во всем магнитопроводе:

где  - объем занимаемый ферромагнитным материалом в сердечнике.

В справочниках обычно приводят суммарные потери, вызванные как гистерезисом, так и вихревыми токами. Эти потери в 1/Г магнитного материала Руд в зависимости от амплитуды магнитной индукции Вm , для данной частоты и толщины листового материала изображаются графиком:

Режим холостого хода трансформатора.

Рис.условная электрическая и принципиальная схемы трансформатора при холостом ходе

При подключении V1 будет ток I=I0 (установившемся режиме), который называют током холостого хода. Создается намагничивающая сила .- возбуждает Фs1, большая часть силовых линий потока замыкается на сердечнике, образуя основной магнитный поток Ф0, сцепленный со всеми витками первичной и вторичной обмоток. Меньшее число силовых линий замыкается по воздуху, образуя поток рассеянный, сцепленный только с витками первичной обмотки.

Фs1 индуцировано

 ,

Уравнение равновесия ЭДС

Трансформаторы проектируют так, чтобы при номинальной нагрузке геометрическая сумма ЭДС, индуцированная потоком рассеивания и падения напряжений на активном сопротивлении первичной обмотки была много меньше ЭДС, индуцированной основным магнитным потоком. На холостом ходу ток во много раз меньше чем при номинальной нагрузке и можно считать:

Следовательно закон изменения U1 определяется законом изменения ЭДС и законом изменения основного магнитного потока Ф0:

Если  , то  (2)

Действительное значение ЭДС первичной обмотки:

Из уравнения равновесия ЭДС:

Следовательно основной магнитный поток прямо пропорционален напряжению U1 и обратно пропорционален  и .

Причем амплитуда магнитного потока не зависит от сопротивления магнитной цепи b(1/Г)

,

где  - магнитная постоянная; l - длина магнитопровода, м;- площадь поперечного сечения магнитопроводов, м2;

 - относительная магнитная проницаемость сердечника

Сопротивление магнитной цепи  определяет величину реактивной мощности, потребляемой от ИЭЭ для возбуждения, магнитного потока в магнитопроводе трансформатора, и, следовательно, величину реактивной составляющей тока холостого хода .

Если пренебречь полями рассеяния, то для магнитной цепи по закону Ома имеем:

;

Из-за нелинейности кривой намагничивания материала сердечника реактивная составляющая тока холостого хода неситроид. Кроме реактивной составляющей имеется также активная составляющая , обусловленная наличием потерь в стали магнитопровода (гистерезис, вихревые токи).

Однако при построении векторной диаграммы трансформатора ток холостого хода считают синусоидальным и равным действительному значению истинного тока холостого хода, которое может быть определено амперметром из опыта холостого хода.

В векторной форме уравнения равновесия ЭДС (2) будет иметь вид:

 (4)

где

Рис.векторная диаграмма трансформатора при х.х.

 - угол магнитного запаздывания из-за потерь в сердечнике, т.к.  для построения вектора  надо построить геометрическую сумму векторов правой части древа.

Полное сопротивление вносимое стальным сердечником , где  - активное сопротивление, обусловленное потерями в стали,  - индуктивное сопротивление первичной обмотки, обусловленное основным магнитным потоком .

Поскольку с.э.д и поток связаны через производную, то посмотрим как изменится поток, а следовательно и ток при прямоугольной форме входного напряжения, как это бывает в статических преобразователях ;

Рис. Изменение во времени а) напряжения б) магнитного потока

Параметрические трансформаторы могут быть определены или рассчитаны по данным опыта холостого хода и короткого замыкания. При проведении опыта холостого хода подводится , определяется ток холостого хода , обычно в процентах: .

На холостом ходу можно считать, что , так как ток холостого хода мал > 200 ВА . Но может доходить при меньшей мощности до  с целью уменьшения габаритов определяются:

Схема для опыта короткого замыкания

;

;

При опыте короткого замыкания подается напряжение , при котором по обмотке протекают номинальные токи  и обычно , . Таким образом пренебрегая намагничивания током, уравнение магнитного равновесия может быть записано как

; ; .

Из схемы видно, что полное сопротивление короткого замыкания трансформатора:

Определяется ; ; ;

При испытании все величины измеряются на одной фазе и подставляются в те же формулы. Напряжение короткого замыкания, его активная и реактивная составляющая определяются следующими выражениями: ; ; .

Сдвиг между напряжением и током:  называется углом короткого замыкания.

Величина  позволяет рассчитать ток аварийного короткого замыкания. В установившемся режиме  . В переходном процессе имеет место ударный ток  ().

Ударный ток представляет серьезную опасность для трансформатора большой мощности, так как электромагнитные силы, пропорциональные квадрату тока могут сдвинуть витки, снять изоляцию и вызвать её пробой. Поэтому катушка и витки обмоток прочно укрепляются.

Рабочий режим

В этом случае на первичной обмотке протекает ток ,так как нагрузка подключена. Уравнение равновесия ЭДС для первичной обмотки: , если , то .

Следовательно при любой нагрузке , а изменение  определяется напряжением .

 определяет величину напряжения в магнитопроводе , так как эти две величины связаны между собой петлей гистерезиса .

С другой стороны  связана с намагничивающими силами первичной и вторичной обмоток трансформатора законом полного тока, т.е. , где  - средняя длина магнитных шагов линии.

Таким образом при выполнении  независимо от нагрузки сумма намагничивающих сил (НС) должна иметь определенное значение. Ток в режиме холостого хода: . Приравняв правые части получаем уравнение равновесия намагничивающих сил трансформатора: .

Обычно записывается в следующим виде: . Для многообмоточного трансформатора: , где N - количество вторичных обмоток, i - номер.

Для удобства построения эквивалентных схем и векторной диаграмм вторичной обмотки трансформатора приводят к виткам первичной, т.е. условно полагают, что вместо вторичной обмотки с числом витков  имеется обмотка с числом витков , но так, чтобы мощности, потери энергии и фазовые углы между электрическими величинами оставались после приведения трансформатора неизменными: . Значение тока находится из условия постоянства полной мощности:  ; . Приведенные значения напряжения вторичной обмотки найдем из условия постоянства полной мощности в нагрузке реального и приведенного трансформатора:

; . Из условия постоянства потерь в сопротивлении обмотки: ,

. Индуктивное сопротивление также, как и индуктивность пропорциональна квадрату числа витков: . Основные уравнения приведенного трансформатора:

;

По ним строим векторную диаграмму нагрузки трансформатора:

В случае чисто активной нагрузки  и  идут по одной линии. При активном характере нагрузке вектор приведенного тока  повернут в сторону отставания на угол . Затем , отстающий на  от  и . Получаем .

Для определения  строим согласно уравнению НС сумму  . Для определения  используют уравнение ЭДС для первичной обмотки. Строим  на  опережающего , из его конца параллельно  проведем  и опережая его на  строим . Суммируя получим .

Из рисунка видно что величина вторичного напряжения зависит как от величины , так и от характера нагрузки, т.е. от угла . Зависимость выходного напряжения от тока нагрузки трансформатора называется его внешней характеристикой и имеет вид:

Для построения эквивалентной схемы запишем основное уравнение в следующем виде:

; ; . Введем обозначения: , . Из этих уравнений имеем: ; ;

Использование эквивалентной схемы позволяет проверить расчет цепей с трансформаторами используя принципы расчета электрических цепей с гальваническими связями.

Автотрансформаторы

Две обмотки образуют общую обмотку ВН. Обмоткой ИН служит часть общей. Таким образом между обмотками высшего и низшего напряжения существует не только магнитная, но и электрическая связь.

Таким образом при выполнении  независимо от нагрузки сумма намагничивающих сил должна иметь определенное значение. Ток в режиме холостого хода: . Приравняв правые части получаем уравнение равновесия намагничивающих сил трансформатора: .

Обычно записывается в следующим виде: . Для многообмоточного трансформатора: .

ЛИТЕРАТУРА:

ОСНОВНАЯ:

Иванов-Цыган А.И. «Электропреобразовательные устройства РЭС»,М,Высш.школа,1991г.

Алексеев О.В., Китаев В.Е., Шихин А.Я, «Электротехнические устройства», Энергоиздат,1981г.-336с.

Бокуняев А.А., Горбачев Б.В., Китаев В.Е., «Электротехнические устройства связи», М., Радио и связь, 1988г.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ:

Справочник. «Источники электропитания РЭА» под редакцией Найвельта Г.С., М., Радио и связь,1988г.

Китаев В.Е., Бокуняев А.А., «Расчет источников электропитания устройств связи», М., Раидо и связь, 1979г.

«Источники вторичного электропитания», С.С. Букреев, В.А. Головицкий, Г.Н. Гулякович др. Под редакцией Ю.И. Конева. - М.: Радио и связь,1981г.

Казаринов И.А. «Проектирование электропитающих установок проводной связи», М. Радио и связь, 1984г.

Ромаш Э.М. Дробович Ю.И., Юрченко Н.Н. и др. «Высокочастотный преобразователь» М., Радио и связь, 1986г.

«Ведомственные нормы технологического проектирования электроустановок предприятия и сооружений электросвязи, радиовещания и телевидения», В.Н.Т.П.332-81,Минсвязи СССР, М., Радио и связь,1982г.