1.9 Трансформаторы специального назначения

1.9.1 Трансформаторы с плавным регулированием напряжения

Существует много конструкций трансформаторов (кроме автотрансформатора), позволяющих плавно регулировать вторичное напряжение. Основное достоинство таких устройств состоит в том, что плавно регулируется переменное напряжение. Однако, нелинейность регулирования, невысокая точность, ухудшение надежности, снижение КПД, усложнение конструкции и другие недостатки приводят к тому, что подобные устройства не нашли широкого применения. Чаще всего используется конструкции регулируемых трансформаторов: а) трансформаторы с подвижным сердечником , б) трансформаторы с регулируемым подмагничиванием.

В трансформаторах с подвижным сердечником вторичная обмотка расположена на подвижном сердечнике, который может вдвигаться в одну из полуобмоток первичной обмотки. Полуобмотки намотаны так, что создают в подвижном сердечнике магнитные потоки, направленные встречно. Во вторичной обмотке эти потоки создают встречные ЭДС. В среднем положении сердечника вторичного напряжения нет, так как ЭДС равны и противоположны. При смещении подвижного сердечника от положения равновесия в одну из сторон появляется вторичное напряжение, которое можно плавно регулировать.

В трансформаторах с регулируемым подмагничиванием существует специальная обмотка постоянного тока (не мене одной) для подмагничивания сердечников трансформатора или специальных шунтов. Ток подмагничивания является регулирующей величиной вторичного напряжения. Подмагничивание изменяет магнитную проницаемость стали, от которой зависит магнитное сопротивление. Это, в свою очередь, изменяет величину магнитного потока, сцепленного с катушками. В результате можно регулировать вторичное напряжение. Описание и схемы устройств можно найти в литературе, например, [ 1 ].

1.9.2 Импульсные трансформаторы.

В цифровой, телевизионной, радиолокационной и других областях техники широко применяют импульсные трансформаторы. Импульсные трансформаторы используются в устройствах, служащих для усиления, формирования коротких импульсов (блокинг-генераторы), передачи импульсов с развязкой по постоянному току и т.п. В зависимости от назначения требования к импульсным трансформаторам бывают самыми различными. Например, в блокинг-генераторах к ним предъявляется требование передачи импульсов без искажения; в устройствах для управления тиристорами—формирование крутых фронтов с высокой амплитудой импульса; при усилении—формирование крутых фронтов и срезов импульсов.

Любой трансформатор выполняет свои функции лишь при переменном напряжении на первичной обмотке. В импульсной технике стремятся к использованию импульсов прямоугольной формы. Изменения первичного напряжения возникают только во время фронтов и срезов. Значит, реакция на фронты и срезы должна быть «замедленной», т.е. постоянная времени импульсного трансформатора должна быть существенно больше длительности импульса. Увеличение возможно за счет увеличения индуктивностей L₁ и L₂ и уменьшения паразитных межвитковых емкостей С₁ и С₂ обмоток, а также за счет использования материалов сердечника с высокой магнитной проницаемостью . Например, в блокинг-генераторах используются трансформаторы с числом витков первичной обмотки 50…200, обмотки выполняются однослойными, материалом сердечника служит пермаллой с толщиной пластин до сотых долей мм (для борьбы с вихревыми токами) или ферритовые кольца.

На рис 1.12 показаны диаграммы напряжений на импульсном трансформаторе: а)—прямоугольный импульс на входе первичной обмотки с напряжением U₁; б)—ток i₁ первичной обмотки; в)—напряжение U₂ на вторичной обмотке трансформатора.

Прямоугольный импульс длительности t_И поступает на вход трансформатора с периодом Т. Под действием напряжения в обмотке возникает ток i₁. Так как постоянная времени трансформатора велика (см. рис.1.12 б)), за время импульса t_И ток не успевает достичь своего максимального значения i_1MAX и с момента t_И начинает падать.

Ток первичной обмотки i₁ вызывает магнитный поток Ф. Импульсные трансформаторы стараются спроектировать так, чтобы работа происходила на линейной части магнитной характеристики материала сердечника. Чем больше скорость изменения потока Ф, т. е. чем круче изменяется ток i₁, тем больше напряжение во вторичной обмотке. Вначале напряжение U₂ скачком вырастает практически до своего максимально го значения,

Рисунок 1.12 Диаграммы напряжений и тока в импульсном трансформаторе.

а затем, в связи с тем, что скорость изменения тока падает, убывает до момента окончания импульса t_И. Спад тока i₁, начиная c момента t_И , в связи с резким спадом напряжения U₁ тоже достаточно велик. Поэтому напряжение U₂ резко падает. На вторичной обмотке может (что чаще всего и бывает) возникнуть отрицательный импульс напряжения (см. рис.1.12.в)), который иногда приходится устранять с помощью специальных схем.

Рассмотренный случай показывает, что чем меньше длительность импульса, тем точнее передается форма поступающего на трансформатор импульса. С другой стороны быстродействие импульсных трансформаторов ограничивается индуктивностями и емкостями обмоток, а также скоростью перемагничивания сердечников. Поэтому длительность импульсов не должна превышать 10^-3…10⁴ с. В связи с тем, что импульсы имеют большую скважность, нагрев импульсного трансформатора невелик. Для него можно применять провода очень малого сечения, что способствует уменьшению его габаритов.

Если на вход трансформатора подаются импульсы с длительностью, большей его постоянной времени, трансформатор становится дифференцирующим, т.е. его фронту соответствует импульс одной, срезу—импульс противоположной полярности.

1.9.3 Пик-трансформаторы.

Пик-трансформаторы создают пикообразные импульсы при подаче на их вход синусоидального напряжения. На вторичной обмотке создается тем большее напряжение, чем больше скорость изменения магнитного потока, сцепленного с этой обмоткой. Если магнитный поток будет иметь форму купола с плоской вершиной, то напряжения противоположной полярности возникнут на обмотке в начале и конце «купола», так как в этих местах скорость изменения потока максимальна, а на вершине она равна нулю (рис.1.13). Куполообразный магнитный поток можно создать, вводя материал сердечника в насыщение. Если потоки первичной и вторичной обмоток равны (без учета потоков рассеяния), то и поток, сцепленный с первичной обмоткой, тоже будет куполообразным. Это приведет к тому, что индуктивное сопротивление первичной обмотки будет уменьшаться. При подаче на нее синусоидального напряжения ток не будет синусоидальным и это приведет к изменению формы магнитного потока, сцепленного со вторичной обмоткой. Необходимо сделать так, чтобы ток и магнитный поток первичной катушки оставались синусоидальными, т.е. магнитопровод не входил в насыщение, а во вторичной цепи магнитопровод насыщался. Выполнить это условие можно разными путями. Один из них заключается в том, что в цепь первичной обмотки включается сопротивление R, настолько большое, что ток i₁ первичной обмотки не зависит от сопротивления трансформатора. Магнитопровод же выбирают малого сечения, чтобы он входил в область сильного магнитного насыщения. Ток первичной обмотки при этом останется синусоидальным, так как он не зависит от сопротивления трансформатора. Схема и диаграммы такого включения показаны на рис. 1.13 а) и б).

Рисунок 1.13 Пик-трансформаторы: а) с активным сопротивлением; б) построение Е₂ для схемы с активным сопротивлением ; в) трансформатор с магнитным шунтом.

Второй способ заключается в том, что сечение магнитопровода для потока Ф₂ вторичной обмотки значительно меньше сечения для потока Ф₁ первичной обмотки. Магнитопровод вторичной цепи быстро насыщается. Изменение магнитного потока происходит только в начале и конце полупериода. В эти моменты на выходе появляются импульсы Е_2. Чтобы поток Ф₁ не зависел от Ф₂ при насыщении вторичной магнитной цепи, часть потока Ф_Ш ответвляется в магнитный шунт, магнитное сопротивление которого постоянно и велико благодаря воздушным зазорам (рис. 1.13 в). По мере роста Ф₁ доля его Ф₂ почти не изменяется (вследствие насыщения) , а доля Ф_Ш растет. Вследствие этого и магнитный поток Ф₁ и ток i₁ первичной обмотки остаются синусоидальными.

Магнитопровод пик-трансформаторов изготавливают из железоникелевых сплавов с узкой петлей гистерезиса типа пермаллоя.

Вопросы для самопроверки

1 Как зависят ЭДС обмоток трансформатора от числа их витков?

2 Написать (вывести) уравнение МДС и уравнение токов трансформатора. Объясните физический смысл этих соотношений.

3 Перечислите конструкции основных видов трансформаторов. Возможны ли другие конструкции?

4 С какой целью производят опыты ХХ и КЗ?

5 Можно ли изготовить магнитопровод трехфазного трансформатора, чтобы стержни всех фаз имели одинаковое магнитное сопротивление?

6 Из каких материалов изготавливают магнитопровод импульсных трансформаторов? Можно ли его изготавливать из феррита?

7 Почему в мощных цепях практически не используют автотрансформаторы?

8 Почему редко используют регулируемые трансформаторы7