§ 8.9. Специализированные трансформаторы

Трехобмоточный трансформатор имеет три обмотки: первичную и две вторичных (рис. 8.19). По существу трехобмоточный трансфор­матор заменяет два трансформатора с напряжениями U₁/U₂ и U₁/U₃. Трехобмоточные трансформаторы широко применяются в качестве силовых в трансформаторных подстанциях. Согласно ГОСТ 401-41 обмотки трехобмоточных силовых трансформаторов могут соединяться по схеме Y₀/Y₀/-12-11 или Y₀//-11-11, а однофазных — по схеме 1/1/1-12-12. Различают обмотки трансформа­тора: высшего напряжения (ВН), среднего напряжения (СН) и низшего напряжения (НН). За номинальную мощность трансфор­матора принимается мощность его первичной, наиболее мощной обмотки.

Уравнение токов трехобмоточного трансформатора

Током холостого хода I₀ можно пренебречь, так как он обычно составляет не более 2,5—3,5% от тока нагрузки I_н,

тогда

Отсюда следует, что первичный ток трехобмоточного трансформа­тора равен геометрической сумме приведенных вторичных токов. Исходя из этого равенства и учитывая, что вторичные обмотки обычно не бывают одновременно длительно и полностью нагружены, номинальная мощность первичной обмотки, как правило, меньше суммарной мощности вторичных обмоток.

В соответствии с тем, что за номинальную мощность трехобмо­точного трансформатора принимается мощность наиболее мощной обмотки к ней приводятся напряжения короткого замыкания u_К.З.12, u_К.З13, u_К.З23, которые и указываются на щитке-паспорте трансформатора.

Так как трансформатор имеет три обмотки, то им соответствуют и три коэффициента трансформации:

Трехобмоточные трансформаторы, помимо силовых, широко ис­пользуются в радиотехнике, связи и системах автоматического уп­равления.

Автотрансформаторы. В отличие от обычных эти трансформато­ры имеют вместо двух обмоток высшего и низшего напряжения одну обмотку. Часть витков этой обмотки является общей для первичной и вторичной цепей трансформатора (рис. 8.20). Таким образом, первичная и вторичная обмотки автотрансформатора имеют между собой не только электромагнитную, но и электрическую связь. Обмотка автотрансформатора размещается на замкнутом магнитопроводе. Автотрансформаторы могут быть понижающие и по­вышающие, однофазные и трехфазные. Принцип действия авто­трансформатора тот же, что и обычного трансформатора. Между первичной и вторичной э. д. с. и числом витков обмоток действи­тельно соотношение

где k — коэффициент трансформации, отсюда U₂=U₁/k

Токи I₁ и I₂ относятся обратно пропорционально числу витков, т. е.

откуда

Токи первичной и вторичной обмоток сдвинуты по фазе относи­тельно друг друга на 180°. Так как первичный и вторичный контуры автотрансформатора связаны между собой электрически, то по общей части обмотки аВ протекают оба тока Ij и I₂ и результирующий ток

Если учесть, что у понижающего трансформатора I₂> I₁, то

I₁₂ равен геометрической сумме токов I₁ и I₂, т. е.

Для определения величины мощности, передаваемой из первичной цепи во вторичную, токи I₁₂ и I₁ выразим через ток I₂ и коэф­фициент трансформации (I₁=I₃/k) Тогда

Из равенства

получаем

Если все члены равенства умножить на величину вторичного напря­жения U₂, то получим уравнение мощности

где

электромагнитная мощность, т. е. та часть

мощности, которая поступает во вторичную цепь через магнитное поле;

электрическая мощность, поступающая вовторичную цепь непосредственно, благодаря наличию электрической связи между пер­вичным и вторичным контурами.

Как видно, магнитным путем в автотрансформаторе передается только часть мощности, что позволяет уменьшить сечение магнитопровода. сократить размеры

провода, сократить размеры трансформатора и облегчить его массу.

При увеличении коэффи­циента трансформации k элек­трическая мощность умень­шается, а электромагнитная растет. Поэтому автотранс­форматоры применяют обыч­но при небольших коэффици­ентах трансформации к_а= 1,252.

Серьезным недостатком автотрансформаторов являет­ся наличие электрической связи между вторичной и пер­вичной цепью, в связи с чем

вичной цепью, в связи с чем вторичная цепь должна иметь такую же изоляцию по отно­шению к земле, как и первичная. Это также ограничивает величину коэффициента трансформации. По этой же причине автотрансфор­маторы нельзя использовать для преобразования высокого напря­жения в низкое. Автотрансформаторы нередко снабжаются устрой­ством, позволяющим плавно и в широких пределах регулировать вторичное напряжение. Применяются автотрансформаторы для регулирования напряжения при пуске синхронных и асинхронных двигателей, для осветительных установок и в ряде специальных схем, где требуется изменение напряжения в небольших пределах.

Измерительные трансформаторы применяются для расширения пределов измерения измерительных приборов, для обеспечения безопасности дежурного персонала, обслуживающего высоко­вольтные сети, для включения релейной аппаратуры.

Различают измерительные трансформаторы напряжения и тока.

Трансформаторы напряжения позволяют расширить пределы измерения вольтметра. Первичная обмотка трансформатора вклю­чается в сеть так же, как и вольтметр, между двумя линейными или фазным и нулевым проводами сети (рис. 8.21, а). Вторичная обмотка замыкается на вольтметр. Обмотка вольтметра имеет большое сопротивление, поэтому ток в ней мал и мощность трансформатора незначительна. Режим его работы приближается к режиму холостого хода. Это обеспечивает практически постоянное соотношение между первичным и вторичным напряжениями на зажимах трансформатора, равное его коэффициенту трансформации.

Следовательно, величина первичного напряжения определяется как произведение вторичного напряжения на коэффициент транс­формации, т. е. U₁=kU₂- Обычно шкалы вольтметров, предназна­ченных для включения через трансформаторы напряжения, гра­дуируются непосредственно на напряжение первичной цепи, т. е. с учетом коэффициента трансформации.

Вторичное напряжение трансформаторов, предназначенных для измерений в высоковольтных сетях, обычно рассчитано на 100 в. Для безопасности обслуживания трансформатора один конец его вторичной обмотки и кожух заземляются.

Трансформаторы тока позволяют расширить пределы измерения амперметров. Первичная обмотка трансформатора тока вклю­чается последовательно в линейный провод цепи (рис. 8.21, б). Вторичная обмотка замыкается на амперметр. Так как сопротив­ление обмотки амперметра мало, трансформатор практически ра­ботает в режиме короткого замыкания. По первичной обмотке транс­форматора протекает весь ток нагрузки. Число витков первичной обмотки очень мало, нередко применяются одновитковые трансфор­маторы. Вторичная обмотка, наоборот, имеет большое количество витков. Ток во вторичной обмотке меньше тока в первичной обмотке так как

Величина искомого первичного тока равна произведению вторич­ного тока на коэффициент трансформации. Чтобы обеспечить по­стоянство отношений токов, трансформаторы должны иметь малые значения индукции, т. е. небольшое насыщение. В противном случае резко возрастет намагничивающий ток, I₀ и отношение токов не будет удовлетворять вышеуказанному равенству. При этом воз­растет погрешность трансформатора. Трансформаторы тока рассчи­тываются на вторичный номинальный ток, равный 5 а.

Шкалы амперметров, включаемых в сеть через трансформаторы тока, градуируются непосредственно на ток нагрузки.

Сварочные трансформаторы подобны силовым трансформаторам. Их характерной особенностью является вторичное напряжение порядка 60—70 в и способность работать в режиме, близком к режиму короткого замыкания. Для регулирования величины свароч­ного тока в цепь сварочного трансформатора обычно включается реактор (рис. 8.22), представляющий собой реактивную катушку с раздвижным сердечником. Изменяя величину воздушного зазора, можно очень плавно ме­нять величину магнитно­го потока, т. е. величину индуктивного сопротивле­ния в цепи. Сварочные трансформаторы имеют круто падающую внеш­нюю характеристику.

Магнитные усилители. Магнитный усилитель яв­ляется статическим элект­ромагнитным аппаратом, широко применяемым в схемах автоматического регулирования. Принцип действия магнит­ных усилителей основан на использовании нелинейности кривой намагничивания ферромагнитных материалов, применяемых в ка­честве магнитопроводов усилителей. Простейший магнитный уси­литель представляет собой дроссель насыщения, состоящий из стального сердечника и двух обмоток; постоянного и перемен­ного и токов. Последовательно в обмотку переменного тока называемую рабочей, включено нагрузочное сопротивление Z (рис. 8.23, а). Обмотка постоянного тока является управляющей обмоткой w_y. Когда к управляющей обмотке прикладывается по­стоянное напряжение, дроссель переходит в область насыщения, и его магнитная проницаемость резко уменьшается.

Индуктивность катушки переменного тока со сталью прямо про­порциональна магнитной проницаемости, т. е.

где а — коэффициент про­порциональности.

Уменьшение магнитной проницаемости вызывает уменьшение индуктивнос­ти обмотки переменного тока и, следовательно, снижение полного сопро­тивления цепи (Zn=wL) и увеличение тока в нагру­зочном сопротивлении Z_H. Мощность, расходуемая -на нагрузочном сопротивле­нии, значительно превы­шает мощность, затрачиваемую в цепи постоянного тока, что и характеризует усилительное дей­ствие прибора. Посредством незначительных по мощности (току или напряжению) сигналов в обмотке управления можно управлять значительными мощностями в рабочей цепи. Для предотвращения наведения в обмотке постоянного тока встречной переменной э. д. с. обмотки переменного тока включаются так, чтобы их магнитные потоки в сердечнике, на котором расположена обмотка постоянного тока, были направлены навстречу друг другу.

Основной характеристикой магнитного усилителя является коэффициент усиления по мощности

где Р_ВЫХ — мощность выходная;

Р_У — мощность управления;

Р₀— мощность холостого хода, расходуемая на нагрузке при отсутствии тока в обмотке управления. Обычно это небольшая величина по сравнению с Р_ВЫХ при номи­нальной нагрузке. . . Коэффициент усиления современных магнитных усилителей до­стигает 10⁶.

На рис. 8.24, а приведена статическая характеристика магнит­ного усилителя. Прямолинейный участок этой характеристики (ab) является рабочим участком.

Недостатком описанного усилителя является то, что он не реа­гирует на полярность сигнала. Между тем в схемах автоматического управления полярность сигнала часто имеет большое значение. В этом случае в магнитных усилителях применяют постоянное на­чальное подмагничивание (I_а) Такие усилители имеют две обмотки постоянного тока (рис. 8.23, б): одна для начального подмагничивания получающая питание от постоянного источника тока, и вторая — управляющая В этом случае при отсутствии управ­ляющего сигнала ток в обмотке переменного тока будет иметь не­которую постоянную величину, при появлении сигнала I_у величина переменного тока будет увеличиваться или уменьшаться в зависи­мости от полярности сигнала.

Постоянное подмагничивание магнитной цепи усилителя вызы­вает перемещение статической характеристики влево (рис. 8.24, б). На этой характеристике (рис. 8.24) точки а' и б' ограничивают рабочий участок, на котором при изменении тока управления от —I’_у до +I’_у можно получить разные значения тока в цепи на­грузки в пределах I_н1—I_н2.

Если необходимо, чтобы при отсутствии сигнала напряжение на выходе усилителя было равно нулю, а при изменении полярности управляющего сигнала обес­печивалось опрокидывание фазы.выходного напряжения на 180°, применяют диффе­ренциальные магнитные уси­лители (рис, .8.25). В диффе­ренциальном магнитном уси­лителе два одинаковых дросселя через нагрузочное сопротивление подключены к двум равным секциям вторич­ной обмотки трансформатора.

Нагрузочное сопротивле­ние Z включается между сред­ней точкой цепи обмоток пе­ременного тока и средней точкой вторичной обмотки трансформатора Тр. При таком включении ток на наг­рузочном сопротивлении ра­вен разности между токами в обмотках переменного тока первого и второго дросселей. Фаза тока соответствует фазе большего по величине тока. Обмотки постоянного подмагничивания и управляющие обмотки обоих дросселей соединены между собой последовательно. Однако в одном дросселе магнитные потоки об­моток подмагничивания и управляющей по направлению совпадают и складываются, в другом ( и ) — направлены навстречу и вычитаются. При отсутствии

сигнала ток в нагрузочном сопротивлении Z равен нулю. При появлении сигнала положитель­ной полярности в нагрузочном сопротивлении появляется ток. При перемене полярности управляющего сигнала происходит опроки­дывание фазы выходного напряжения на 180°.

Сцелью увеличения коэффициента усиления магнитных усили­телей применяют схемы усилителей с обратной связью. В этих схемах' обмотка начального подмагничивания получает питание от цепи переменного тока через полупроводниковый выпрямитель, собранный по мостовой схеме (рис. 8.26). При этом, даже при от­сутствии сигнала в управляющей обмотке, создается подмагничивание дросселя. При появлении сигнала подмагничивание усили­вается. Схемы магнитных усилителей с обратной связью значи­тельно более чувствительны к изменениям управляющего сигнала и для управления выходным током требуются значительно меньшие изменения тока управляющего сигнала. В этой схеме подмагничи­вание осуществляется посредством обмоток обратной связи w_oc (внешняя обратная связь).

На рис. 8.27 приведена принципиальная электрическая. схема дифференциального магнитного усилителя с внутренней оболочной связью. Здесь подмагничивание создается также за счет образования связи, которая возбуждается непосредственно в рабочих обмотках w_oc переменного тока. Обе обмотки переменного тока соединены па­раллельно. Для создания обратной связи в цепи обмоток перемен­ного тока вводятся однополупериодные полупроводниковые выпря­мители. Выпрямители включены так, чтобы их постоянные состав­ляющие совпадали по направлению с постоянными составляющими тока в обмотке w_y управляющего сигнала.

Магнитные усилители имеют широкое применение в схемах авто­матического управления. Они просты и надежны в эксплуатации допускают значительные перегрузки, могут работать при колебаниях напряжения в пределах от 20 до 30% номинального, не имеют подвижных частей, не чувствительны к вибрации и ударам, не тре­буют предварительной подготовки к работе, могут применяться в помещениях со значительной влажностью и пожаро - и взрыво­опасных, не требуют постоянного ухода и имеют большой срок

службы. Все это делает магнитные усилители очень удобными для использования их в судовых условиях. Недостатком магнитных уси­лителей является их некоторая инерционность.

Постоянная времени магнитных усилителей малой мощности и повышенной частоты имеет величину порядка сотых долей секун­ды. Однако у мощных усилителей постоянная времени при частоте 5Э гц может достигать нескольких секунд. Далее, вследствие нели­нейности кривой намагничивания насыщенных сердечников уси­лителей возможно некоторое искажение формы кривой тока нагрузки. Наконец, магнитные усилители при частоте тока 50 гц имеют значительную массу и габариты, что всегда нежелательно в судовых установках; с повышением же частоты они снижаются.