6.2.5. Нагрузочный режим, кпд трансформатора

При переходе от режима холостого хода к режиму работы под нагрузкой вторичное напряжение трансформатора изменяется. При постоянном напряжении изменение обусловлено в основном падением напряжения на параметрах()вторичной обмотки трансформатора.

Зависимость вторичного напряжения от тока нагрузкиприназывается внешней характеристикой трансформатора.

Зависимость может быть определена на базе полученной ранее системы уравнений:

,

где - полная проводимость вторичной обмотки; - полная проводимость нагрузки; .

Внешние характеристики трансформатора при разном характере нагрузки приведены на рис. 6.16а.

На рис. 6.16 приняты обозначения: ,где, - относительные единицы (о.е.).

Активная мощность , отдаваемая трансформатором приемнику, меньше потребляемой мощностина величину мощности потерь:.

а	б
кривая 1 – при ; кривая 2 – при; кривая 3 – при
Рис. 6.16

Коэффициент полезного действия трансформатора: . Выражения, определяющиеи, имеют вид, где- мощность потерь на гистерезис и вихревые токи, которую приможно считать постоянной и равнойпри различной нагрузке; -мощность потерь в обмотках (эта мощность переменная и зависит от нагрузки трансформатора).

Детальный анализ показывает, что выражение для КПД трансформатора может быть приведено к виду , где.

Зависимость КПД трансформатора от его нагрузки имеет вид, показанный на рис. 6.16б. Анализ выражения для КПД показывает, что режим работы трансформатора, обеспечивающий максимальное значение КПД, определяет примерное равенство переменных и постоянных потерь и.

6.2.6. Частотные и временные характеристики импульсного трансформатора

Импульсным трансформатором (ИТ) называется трансформатор с ферромагнитным сердечником, предназначенный для передачи импульсных сигналов. В таких трансформаторах применяются сердечники с малыми потерями на перемагничивание, выполненные на основе ферритов, оксиферов, пермаллоев. ИТ используется для изменения амплитуды и формы импульсов; согласования сопротивлений нагрузки и источника импульсов; исключения в нагрузочной цепи постоянной составляющей тока; гальванической развязки источника сигналов и нагрузки; одновременной подачи в различные цепи с помощью нагрузочных обмоток импульсов разной полярности и амплитуды, но одинаковой формы. ИТ должен трансформировать импульсы с минимальными искажениями их формы. Искажения формы импульсов обусловлены действием паразитных ёмкостей и индуктивности рассеяния обмоток ИТ

На рис. 6.17а представлена электрическая схема трансформатора с одной вторичной обмоткой. Соответствующая этой схеме упрощенная эквивалентная схема приведена на рис. 6.17б, где – активные сопротивления первичной и вторичной обмоток ИТ;– коэффициент трансформации;L_s– эквивалентная индуктивность рассеяния обмоток трансформатора; L₁= L_– индуктивность намагничивания (первичной обмотки ИТ); – приведённое напряжение вторичной обмотки;C₁=C_T1+C_r –ёмкость, учитывающая выходную ёмкость генератора C_r и динамическую ёмкость первичной обмотки трансформатора C_T1; C^*₂=C^*_T2+C^*_Н – приведённая ёмкость выходной цепи трансформатора, учитывающая приведенную динамическую ёмкость вторичной обмотки ИТ C^*_T2 и приведённую ёмкость нагрузки C^*_Н = C_H/n².

а	б
в
Рис. 6.17

Для повышающих трансформаторов (n<1) обычно выполняется неравенство C^*₂ C₁, все паразитные емкости можно объединить в одну ёмкость C= C^*₂ +C₁, подключённую к выходу ИТ. Для понижающих трансформаторов (n>1) объединённую ёмкость следует подключать со стороны входа ИТ, так как в этом случае C₁>> C^*₂.

Эквивалентная схема ИТ при сделанных допущениях принимает вид, приведенный на рис.6.17в, где . Поскольку схема (рис. 6.17в) содержит три реактивных элемента (L_s, L₁, и C), то она описывается дифференциальным уравнением третьего порядка и её коэффициент передачи сложным образом зависит от частоты. Так, с понижением частоты реактивное сопротивление катушки индуктивности первичной обмотки трансформатора L₁ уменьшается, что вызывает падение выходного напряжения, а следовательно, завал АЧХ в области нижних частот (рис. 6.18а) и соответствующий фазовый сдвиг на ФЧХ (рис. 6.18б).

Рис. 6.18

С повышением частоты сопротивление индуктивности рассеяния L_s растёт и уменьшается сопротивление эквивалентной паразитной ёмкости (C)^-1, что должно бы привести к падению выходного напряжения и спаду АЧХ в области высоких частот. Однако зависимость выходного напряжения, а следовательно, и вид АЧХ в области верхних частот могут быть значительно более сложными. Это объясняется тем, что индуктивность рассеяния L_s и ёмкость С образуют резонансную систему, в зависимости от добротности которой АЧХ в области верхних частот может иметь даже подъем, ФЧХ в области верхних частот имеет падающий характер (рис. 6.18б). Таким образом, АЧХ и ФЧХ ИТ в области нижних частот зависят от индуктивности намагничивания L₁, а в области верхних частот от индуктивности рассеяния L_s и ёмкости С.

Обычно в реальных ИТ L₁>>L_s в области средних частот реактивные элементы практически не оказывают влияния на выходное напряжение, поэтому АЧХ имеет горизонтальный участок, ФЧХ проходит по оси частот, ИТ не вносит фазового сдвига при согласном включении первичной и вторичной обмоток.

В соответствии с описанным характером изменений АЧХ и ФЧХ при передаче прямоугольных импульсов u_вх(t) на выходе ИТ будут наблюдаться искажения как фронта импульсного сигнала u_вых(t) («быстрые» процессы, передача высокочастотных составляющих), так и искажения крыши импульса («медленные» процессы, передача низкочастотных составляющих).

Напряжение uвых(t) при воздействии импульса с амплитудой Е (рис. 6.19) стремится к величине , где . Характер переходных процессов в контуре зависит от соотношения параметров ИТ.
	Рис. 6.19

Длительность и форма фронта выходного импульса определяется двумя параметрами:

- коэффициентом затухания

, где ;

- постоянной времени

.

При ³1 переходной процесс имеет апериодический характер, при <1 – колебательный и на вершине появляются затухающие колебания. Длительность фронта t_фр, отсчитываемая на уровнях 0,1U_m2 и 0,9U_m2, уменьшается при уменьшении . Однако при малых значениях  резко увеличивается максимальная амплитуда (выброс) колебаний на вершине. Оптимальное значение =0,7. При этом амплитуда выброса составляет 4% oт установившегося значения U_m2, а длительность фронта .

При формировании вершины выходного импульса токи и напряжения в трансформаторе меняются медленно, поэтому влиянием L_s и C пренебрегают и считают, что переходные процессы определяются величиной постоянной времени , где.

Если , то дляможно записать:

.

Величина относительного снижения вершины (спада крыши) выходного импульса за время определяется выражением:

,

откуда следует, что для уменьшения спада крыши импульса необходимо иметь большое значение L₁.

Считая, что ИТ является линейной системой, а R_i, R_н, и C_н остаются неизменными после окончания импульса, можно представить воздействие прямоугольного импульса, как воздействие двух перепадов напряжения (положительной и отрицательной полярности), сдвинутых во времени на , и применить принцип наложения. В этом случае форма выходного импульса при наличии на входе ИТ прямоугольного сигнала представлена на рис.6.19. В тех случаях, когда эти параметры (R_i, R_н, и C_н) изменяются, форма заднего фронта выходного импульса может быть другой, не совпадающей с формой переднего фронта.