Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Источники вторичного электропитания. Линейные источники вторичного электропитания. Учебное пособие
.pdf
в диапазоне 3…6 В в р–п-переходах наблюдается практически туннельный пробой [3–6]. При напряжении стабилизации
в диапазоне 6…8 В
U
ст
в р–п-переходах имеют место процессы как туннельного, так и лавинного пробоя [3–6]. В случае, когда напряжение стабилизации
U
нахо-
ст
дится в диапазоне 8…200 В, в р–п-переходах возникает только лавинный пробой [3–6].
а б
Рис. 2.5. Вольт-амперная характеристика:
а – стабилитрона; б – стабистора
Необходимое напряжение стабилизации формируют выбором соот-
ветствующей концентрации примеси в базе диода.
Значимой особенностью стабилитрона является зависимость его
напряжения стабилизации от температуры. В сильнолегированных
полупроводниковых стабилитронах вероятность туннельного пробоя
с увеличением температуры возрастает. В связи с этим напряжение
стабилизации у таких стабилитронов при нагревании уменьшается,
т. е. они имеют отрицательный температурный
коэффициент напряжения стабилизации (ТКН), который показывает в процентах изменение напряжения стабилизации при изменении температуры полу-
1 С
проводникового прибора на
[3–6]:
ст
U Т
U
1
ст
100 %
ст
31
.
В слаболегированных полупроводниках, имеющих положительный
I
ТКН, при повышении температуры уменьшается длина свободного пробега носителей заряда, что приводит к увеличению порогового значения
напряжения, при котором начинается лавинный пробой.
Для устранения этого недостатка и создания термокомпенсированных стабилитронов в цепь стабилитрона последовательно включают
обычные полупроводниковые диоды в прямом направлении. Это решение
основано на том, что у обычных полупроводниковых диодов в прямом направлении падение напряжения на р–п-переходе при нагревании
уменьшается.
Основные параметры стабилитронов: напряжение стабилизации
билитрона
ст
ток стабилизации
;U
ст
; температурный коэффициент напряжения стабилизации
r
ст
[3–6].
дифференциальное сопротивление ста-
;
ст
Предельные параметры стабилитронов: минимально допустимый ток стабилизации
лизации
[3–6].
Р
макс
ст.макс
максимально допустимая рассеиваемая мощность
;I
максимально допустимый ток стаби-
;I
ст.мин
В отличие от обычных полупроводниковых диодов кремниевые стабилитроны работают на обратной ветви ВАХ (см. рис. 2.5) в области
электрического пробоя, где незначительное увеличение напряжения вызывает существенное увеличение тока через стабилитрон. При электрическом пробое стабилитрон сохраняет работоспособность, если ток не
превысит предельного значения
I
. Таким образом, включая ста-
ст.макс
билитрон в обратном направлении, можно при значительном изменении
тока в диапазоне от
стоянное напряжение
I
ст.мин
до
I
Чтобы исключить перегрев полупроводни-
.U
ст
получить на нем практически по-
ст.макс
ковой структуры и выход из строя стабилитрона, рабочий ток стабилитрона (его обратный ток) не должен превышать допустимое значение
ст.макс
[3–6].
I
Кремниевые стабилитроны выпускаются с напряжением стабилизации от единиц до сотен вольт и с ТКН от –6 до +288 мВ/°С и выше.
Производственный разброс напряжения стабилизации составляет как
32
правило, 5 или 10 % номинального значения
для различных типов
U
ст
стабилитронов. При выборе типа стабилитрона для получения наиболее
точной стабилизации напряжения следует отдать предпочтение стабилитронам, которые имеют наименьший температурный коэффициент
напряжения ТКН и небольшое дифференциальное сопротивление
,
r
ст
характеризующее отношение приращения напряжения стабилизации
к приращению тока через стабилитрон. Параметры стабилитронов и стабисторов приводятся в справочниках [3–6].
Полупроводниковый стабистор представляет собой маломощный
полупроводниковый диод, напряжение на котором в прямом направлении изменяется незначительно при значительном изменении протекающего по нему тока (см. рис. 2.5, б). Стабистор, работающий на прямой
ветви вольт-амперной характеристики, в отличие от кремниевого стабилитрона включается в цепь стабилизации в прямом направлении. При
изменении прямого тока
в диапазоне от
I
ст.мин
до
I
ст.макс
падение
напряжения на нем будет изменяться в относительно небольшом диапазоне
U [3–6].
Для изготовления стабисторов используют кремний с большой концентрацией примесей для формирования меньшего сопротивления
и меньшей температурной зависимости прямой ветви вольт-амперной
характеристики. Промышленность выпускает кремниевые стабисторы
для стабилизации напряжения менее 3 В [3–6].
По сравнению со стабилитронами стабисторы имеют меньшее
напряжение стабилизации, определяемое прямым падением напряжения на диоде, которое составляет
примерно 0,7 В [3–6].
Последовательное соединение двух или трех стабисторов позволяет
получать удвоенное и утроенное значение напряжение стабилизации.
Основные параметры стабисторов подобны параметрам стабилитрона
[3–6].
33
3. ТРАНСФОРМАТОРЫ
3.1. НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ
И КОНСТРУКЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Одним из обязательных (неизменных) элементов линейных источников вторичного электропитания является трансформатор. Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство, имеющее две
или больше индуктивно связанных обмоток, предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких первичных систем переменного тока в одну или несколько
других систем переменного тока с иными характеристиками
В зависимости от назначения трансформаторы подразделяют на два
типа:
1) силовые трансформаторы общего применения, используемые в системах передачи и распределения электроэнергии в качестве понижающих или повышающих трансформаторов;
2) специализированные трансформаторы, к которым относят силовые трансформаторы специального назначения (выпрямительных
устройств, трансформаторы для питания электронной и радиоэлектронной аппаратуры), автотрансформаторы,
зования числа фаз, испытательные и измерительные трансформаторы.
Специализированные трансформаторы, широко применяемые в системах автоматики, питания электронной аппаратуры, как правило, малой мощности: не превышающей для однофазных трансформаторов
4 кВ ꞏ А и 5 кВ ꞏ А для трехфазных систем переменного тока [6, 7].
В большинстве линейных источников вторичного электропитания
применяют
один или несколько трансформаторов.
трансформаторы для преобра-
.
34
Трансформаторы в линейных источниках вторичного электропитания выполняют следующие функции: преобразование одной или нескольких первичных систем переменного тока (напряжений) в одну или
несколько других систем переменного тока (напряжений) с иными характеристиками; электрическое разделение (гальваническую развязку)
цепи источника питания и цепи с нагрузкой; преобразование величины
входного (для выпрямителей) или выходного
(для инверторов) напряжения; преобразование числа фаз системы напряжений (напряжения,
питающего выпрямитель, или напряжения, питающего автономную
нагрузку инвертора).
Трансформаторы классифицируют по следующим основным при-
знакам [6, 7].
1. По электрическим параметрам трансформаторы группируют:
по мощности: малой мощности; средней мощности; большой
мощности;
по системе тока (числа фаз): однофазные, трехфазные и многофаз-
ные;
по рабочей частоте: низкочастотные (в том числе работающие на
промышленной частоте 50 или 60 Гц); среднечастотные (от 100 Гц); высокочастотные (свыше 100 000 Гц);
по напряжению: низковольтные (рабочее напряжение ни одной из
обмоток не превышает 1000 В) и высоковольтные (рабочие напряжения
обмоток невысоки, но в силу схемных особенностей высокие напряжения существуют между обмотками или по отношению к корпусу);
по величине напряжения на обмотках: понижающие и повышаю-
щие.
2. По конструктивным особенности трансформаторы разделяют:
а) по типу конфигурации сердечника магнитопровода: стержневые,
броневые и тороидальные;
б) по способу изготовления магнитопровода: пластинчатые и лен-
точные;
г) в зависимости от числа обмоток: двухобмоточные и многообмо-
точные.
Особенностью низкочастотных линейных трансформаторов явля-
ется большое
число витков в обмотках.
35
Независимо от назначения в конструктивном исполнении трансформатор содержит основные элементы: магнитные (магнитопровод) и электрические (катушки с обмоткой) цепи; а также элементы (детали) конструкции, которые обеспечивают крепление сердечника магнитопровода,
установку трансформаторов в блоках аппаратуры, выводы катушек.
По конструктивному исполнению магнитопроводы трансформаторов разделяют на три основных типа: стержневые, броневые и тороидальные (рис. 3.1). В зависимости от технологии изготовления магнитопроводы подразделяют на пластинчатые, ленточные и прессованные [6, 7].
а б в
Рис. 3.1. Конструкция магнитопроводов трансформаторов
Магнитопроводы стержневого типа (рис. 3.1, а): набирают из пря-
моугольных пластин одинаковой ширины встык в единый пакет; между
пакетами для предохранения от замыкания между отдельными листами
укладывают изоляционную прокладку. Конструктивно магнитопровод
стержневого типа содержит два вертикальных участка магнитопровода
(стержни) и два горизонтальных участка магнитопровода, соединяющих стержни между собой (ярмо). Сборка
частей магнитопровода может проводиться встык и внахлест. При сборке внахлест пластины чередуются таким образом, чтобы в соседних пластинах разрезы были
с разных сторон, что повышает механическую прочность и уменьшает
магнитное сопротивление магнитопровода. При сборке встык пластины
набирают в единый пакет и предусматривают изоляционную прокладку
между пакетами для предохранения от
замыкания между отдельными
листами трансформатора. Пластины магнитопровода скрепляют в пакет
либо с помощью болтов или шпилек, которые изолируются от пакета
магнитопровода.
На каждом из стержней размещается катушка, содержащая половину витков всех обмоток трансформатора (половина витков первичной
и половина витков вторичной обмотки). Половины каждой обмотки
36
трансформатора соединяются между собой последовательно таким образом, чтобы магнитодвижущие силы их совпадали по контуру магнитопровода. Магнитопровод формирует неразветвленную магнитную
цепь распределенной магнитодвижущей силы.
Броневые магнитопроводы (рис. 3.1, б) набирают из пластин Ш-образной формы и прямоугольных пластин, замыкающих Ш-образную
пластину. Броневые магнитопроводы содержат один стержень (центральный вертикальный
участок магнитопровода), на котором размещается катушка со всеми обмотками трансформатора – обмотки частично
охватываются (бронируются) ярмом (двумя крайними вертикальными
участками магнитопровода). Броневой магнитопровод формирует разветвленную магнитную цепь: на центральном стержне магнитный поток
разветвляется на правую и левую часть, вследствие чего в крайних
стержнях значение магнитного потока будет в два
раза меньше, чем
в центральном. Это позволяет уменьшить сечение крайних стержней
в два раза по сравнению с центральным. Сборка броневого магнитопровода проводится подобно сборке магнитопровода стержневого типа [6, 7].
В однофазных трансформаторах с броневыми магнитопроводами
обмотки размещаются на одном (среднем) стержне.
Магнитопроводы тороидального типа (рис. 3.1, в) собирают набор-
ными либо из отдельных
штампованных колец листовой стали, покрытых изолирующим лаком (ленточные магнитопроводы), либо витыми из
ленты соответствующей стали, покрытой изолирующим лаком (витые
магнитопровода). Обмотка размещается непосредственно на сердечнике магнитопровода равномерно по всей длине магнитопровода. Тороидальные магнитопроводы с размещенными на них обмотками собирают в узел и крепят к шасси с
помощью крепежных шайб.
При частоте 50…400 Гц наибольшее применение находят трансформаторы стержневого типа, при малой мощности (десятки вольт-ампер) –
броневого типа. На частотах 5 кГц и выше в основном применяют тороидальные трансформаторы [6, 7].
Магнитопровод трехфазного трансформатора (рис. 3.2) состоит
из трех стержней (вертикальные части магнитопровода), которые соединены между собой двумя ярмами (горизонтальные
части магнитопровода) и образуют замкнутый контур магнитопровода для магнитного потока. На каждом из трех стержней размещают первичную и вторичную
37
обмотку данной (одной) фазы. Обмотки трех-
В
фазных трансформаторов могут быть соединены в «звезду» (Y), при котором
(),
или в «треугольник»
При расчете коэффициента трансформации
при котором
3,UU
лф
.UU
лф
n
12
следует учитывать не только отношения числа
Рис. 3.2. Магнитопровод
трехфазного трансфор-
матора
витков
ww
Магнитопровод трехстержневого транс-
, но и схему соединения [6, 7].
12
форматора формирует магнитную несиммет-
рию, так как магнитное сопротивление потоку средней фазы
магнитного сопротивления потокам фаз
Ф
и Ф
А
, вследствие чего воз-
С
Ф
меньше
никает несимметрия трехфазной системы токов.
Для уменьшения магнитной несимметрии трехстержневого магнитопровода (уменьшения магнитного сопротивления потокам крайних
фаз) сечение ярм выполняют на 10…15 % больше сечения стержней.
Ленточные стержневые и броневые магнитопроводы собирают из
отдельных, соединяемых встык, магнитопроводов подковообразной
формы, потом стягивают специальными накладками.
Материалы магнитопровода трансформатора в основном
определяют массогабаритные и энергетические характеристики. Материалом
для магнитопроводов трансформаторов служит листовая электротехническая сталь различных марок и толщины, горячей прокатки или холоднокатаная. Процент содержания кремния в стали, который указан
в марке стали, а также толщина листа обусловливают потери мощности в магнитопроводе от вихревых токов. Толщину листа применяемой
марки
стали выбирают в зависимости от частоты сети, питающей
трансформатор: с увеличением частоты толщину листа стали следует
уменьшать. Выбор марки стали и толщины пластины (ленты) основывается на рекомендациях [6, 7].
Конструкцию катушек трансформатора определяют три основополагающих принципа: способ укладки (вид обмотки); взаиморасположение отдельных обмоток; способ выполнения изоляции. Существенное значение
имеет вид проводника обмоток.
Обмотки трансформатора выполняют из медного или алюминиевого
с изоляционным покрытием провода круглого или прямоугольного
38
сечения. Марка провода и вид изоляции выбираются из условий работы
трансформатора и предъявляемых к нему требований надежности.
Обмотки изолируют от магнитопровода, размещая их на гильзе или
на каркасе из изоляционного материала. При изготовлении катушки
с обмотками предусматриваются изолирующие прокладки: межобмоточные, межслойные и внешние. Для повышения электрической прочности
трансформаторы после сборки пропитывают электроизоляционными лаками; иногда заливают специальными компаундами. Выбор изоляционного материала определяется рабочей температурой трансформатора и требуемой надежностью с учетом условий охлаждения.
В трансформаторах средней мощности ближе к стержню размещают
обмотку низшего напряжения, что позволяет не только уменьшить слой
изоляции между обмоткой и стержнем, но и создать лучшие
условия
охлаждения обмотки, по которой протекает больший ток.
В низковольтных трансформаторах (до 1000 В) малой мощности
ближе к стержню размещают обмотку высшего напряжения.
В высоковольтных трансформаторах (свыше 1000 В) применяют
раздельное расположение обмоток на стержнях магнитопровода.
Конструкции отдельных обмоток трансформатора классифицируют по двум принципиально различающимся способам выполнения
обмоток: цельная и галетная [6, 7].
Цельная
обмотка – многослойная обмотка, расчетное число витков
которой непрерывно наматывается равномерно вдоль всей длины
стержня магнитопровода (или его части, отведенной для этой обмотки).
Разновидностью цельной обмотки является секционированная обмотка,
при выполнении которой она разделяется на ряд секций, соединенных
между собой последовательно или параллельно в единое конструктивное целое. Каждая секция представляет
собой размещенную на части
длины стержня непрерывно намотанную многослойную обмотку. Секционирование применяют, как правило, для высоковольтных обмоток,
изолируя секции друг от друга.
Галетная обмотка – обмотка, выполненная в виде совокупности отдельных элементов (галет), каждая из которых представляет собой полностью законченную конструктивную деталь. Галеты нанизываются на
стержень магнитопровода одна за
другой на всей высоте стержня и соеди-
няются между собой электрически тем или иным способом. Отдельные
39
галеты могут быть изготовлены совершенно независимо одна от другой.
Галетные обмотки широко применяются в низковольтных трансформаторах. Высокая степень унификации галет, обусловленная комбинациями их последовательных соединений, позволяет получать многообразные электрические параметры обмоток по токам и напряжениям.
Взаимное расположение обмоток. Применяют два основных вида
обмоток по их взаиморасположению: концентрические и чередующиеся. Концентрические обмотки разбиваются на отдельные части, причем части разных обмоток размещаются по длине стержня одна за другой, занимая всю ширину окна каждая и непрерывно чередуясь. Чередующиеся обмотки обладают меньшим рассеянием и применяются в специализированных трансформаторах [6, 7].
В силовых трансформаторах при большом числе вторичных обмоток
применяют два варианта выполнения обмоток: разделенные обмотки и неполноконцентрические. Разделенные обмотки являются в какой-то мере частным случаем чередующихся обмоток: обмотки размещают рядом вдоль магнитопровода, но не чередуют. Этот вариант эффективен для силовых высоковольтных трансформаторов при большом
числе вторичных обмоток. Неполноконцентрические обмотки являются
частным случаем концентрических обмоток
и могут применяться при
наличии двух и более вторичных обмоток. Каждую вторичную обмотку
размещают концентрически по отношению к первичной, которая занимает лишь часть ее длины и по длине стержня размещена рядом с другой
вторичной обмоткой.
3.2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ОСНОВНЫЕ
РАСЧЕТНЫЕ СООТНОШЕНИЯ
ТРАНСФОРМАТОРА
Несмотря на многообразие типов трансформаторов, принцип действия и электромагнитные процессы в них практически идентичны.
Принцип действия трансформатора, основанного на явлении электромагнитной индукции, рассмотрим на примере однофазного двухобмоточного трансформатора, который конструктивно содержит магнитопровод и две обмотки, размещенные на двух стержнях магнитопровода
(рис. 3.3). Первичная обмотка
трансформатора последовательно
w
1
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]