1.4. Преобразовательные трансформаторы

1.4. Преобразовательные трансформаторы

В преобразовательной технике широко используются трансформаторы, которые предназначены для изменения уровней переменных напряжений и гальванической развязки – а также для преобразования числа фаз вторичных напряжений.

Основной особенностью использования трансформаторов в преобразовательной технике является нелинейный характер их работы под нагрузкой. Нелинейная нагрузка обусловливает несинусоидальные токи, напряжение и магнитные потоки в трансформаторе. Наличие высших гармоник магнитных потоков вызывает дополнительные потери при перемагничивании магнитопровода трансформатора. В некоторых схемах преобразовательных устройств в магнитопроводе трансформатора имеется постоянная составляющая магнитного потока. Подмагничивание уменьшает область изменения индукции для переменной составляющей магнитного потока.

В отличие от силовых трансформаторов, которые, как правило, работают на частоте переменного тока 50 Гц, в преобразовательных
трансформаторах это значение может быть значительно большим (1000 Гц и более). Кроме того, значение напряжения вторичных обмоток трансформаторов отличается от принятых стандартных номиналов.

Для увеличения числа фаз вторичные обмотки трансформаторов выполняют со средним (нулевым)выводом. В трехфазных трансформаторах
13
часто используют соединение вторичных обмоток по схеме «звезда» и «треугольник».

Универсальные трансформаторы изготавливаются с большим числом секций как для вторичных, так и для входного напряжений. Это позволяет используя комбинированное соединение обмоток получить при наличии 1-го трансформатора несколько выходных напряжений. При соединении секций в единую обмотку необходимо соблюдать следующие условия.

При последовательном соединении обмоток для повышения напряжения следует начало одной обмотки соединить с концом другой. При этом общее напряжение будет равно сумме напряжений отдельных обмоток, а допустимый ток обмотки будет равен наименьшему допустимому току для включенных обмоток.

При параллельном соединении обмоток для увеличения тока нагрузки необходимо выбирать обмотки с о д и н а к о в ы м числом витков, т.е. с равными напряжениями, начала и концы всех обмоток соединить между собой. При этом выходное напряжение будет равно напряжению отдельных обмоток, а общий допустимый ток будет равен сумме допустимых токов всех обмоток.
В справочных данных обычно приводятся следующие параметры биполярных транзисторов, по которым производится их выбор при расчетах схем выпрямления:
- S_ГАБ – габаритная мощность трансформатора;
- U_i – действующие значения переменных напряжений на секциях обмоток;
- I_i – максимально допустимые действующие значения переменных токов в
секциях обмоток;
-f – рабочая частота переменного напряжения.

Кроме указанных основных параметров иногда приводят данные по внешней характеристике трансформатора, т.е. зависимость выходного напряжения от тока нагрузки.

14
2. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ

2.1. Общие врпросы преобразования переменного тока в постоянный

Полупроводниковыми преобразователями переменного тока в постоянный называются устройства, основанные на применении полупроводниковых приборов и обеспечивающие преобразование переменного тока в постоянный. Эти преобразователи тока также называются выпрямителями.

В зависимости от того, какие полупроводниковые приборы используются для построения преобразователя, различают диодные или тиристорные преобразователи. Полупроводниковые приборы, работающие в ключевом режиме и обладающие односторонней проводимостью, называют вентилями.

Структурная схема нестабилизированного преобразователя изображена на рис.2.1. Преобразовательный трансформатор Т обеспечивает получение необходимого по величине выпрямленного напряжения U_d на выходе выпрямителя, служит для преобразования числа фаз во вторичной обмотке с целью уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения и обеспечивает гальваническую развязку электрических цепей преобразователя от сети питания. Трансформатор характеризуется коэффициентом передачи трансформатора

, (2.1)

где U₁ - напряжение питающей сети;

U₂ - напряжение вторичной обмотки фазы трансформатора.

Рис.2.1. Структурная схема нестабилизированного трансформаторного источника питания.

15
В преобразовательных трансформаторах первичную обмотку часто называют сетевой, а вторичные обмотки – вентильными, так как к ним подсоединяются вентили схемы выпрямления.

Схема выпрямления (СВ) является основным элементом преобразователя и представляет собой совокупность полупроводниковых приборов (вентилей), определенным образом соединенных между собой. Вентили в СВ выполняют функцию коммутирующих элементов, которые поочередно подключают в течение периода нагрузку к соответствующим фазам вторичной обмотки трансформатора так, чтобы ток в ней протекал в одном направлении.

Процесс поочередного подключения фаз вторичной обмотки трансформатора к нагрузке через вентили называется коммутацией вентилей. Схемы выпрямления, которые обеспечивают протекание тока во вторичной обмотке трансформатора в одном направлении, называют однополупериодными, или нулевыми, а в двух направлениях – двухполупериодными, или мостовыми.

Схемы выпрямления характеризуются коэффициентом схемы выпрямления

, (2.2)

который устанавливает связь между средневыпрямленным U_d и фазным U₂ напряжениями. Коэффициент СВ зависит от конфигурации схемы и является постоянной величиной для конкретной схемы.

Преобразователи переменного тока в постоянный классифицируются по числу фаз питающего напряжения: одно- и трехфазные; по числу
полупериодов выпрямления; одно- и двухполупериодные; по числу пульсаций выпрямленного напряжения: одно- и многопульсационные.

Если обозначим число фаз символом р, число полупериодов выпрямленного напряжения - q, то, очевидно, СВ могут быть с различной комбинацией значений этих символов.

16
2.2. Особенность расчета и основные параметры преобразователей переменного тока в постоянный

Основной целью анализа и синтеза различных схем преобразователей является расчет токов и напряжений в схеме.

В процессе анализа находятся взаимосвязи между отдельными параметрами схемы, например между выходным и входным напряжениями или токами, определяются токи и напряжения и характер их изменения во времени на различных элементах схемы (осциллограммы напряжений и токов).

Для точного определения искомых параметров и характеристик преобразователя необходим и детальный анализ электромагнитных процессов. Такой анализ с учетом реальных параметров элементов схемы преобразователя достаточно сложен вследствие громоздкости получаемых уравнений.

Для рассмотрения принципа работы и анализа процессов в различных схемах преобразователей можно воспользоваться методом идеализации рассматриваемой схемы с последующим ее усложнением и учетом основных влияющих факторов. Это позволяет наиболее просто и наглядно вывести основные соотношения, связывающие токи и напряжения в схеме преобразователя, а также провести сравнение различных схем выпрямления с целью определения наиболее целесообразных областей применения.

Основными допущениями, целесообразность которых подтверждается практикой, являются идеальный вентиль и идеальный трансформатор.

Идеальный вентиль – полупроводниковый прибор, в котором сопротивление в прямом направлении равно нулю, а в обратном – бесконечности. В идеальном трансформаторе полагаются равными нулю активные сопротивления обмоток, потери в магнитопроводе, индуктивности рассеяния и намагничивающий ток.

17
В процессе анализа и синтеза схемы преобразователя применяют метод «полезной» составляющей.

Сущность этого методазаключается в том, что расчет токов и напряжений в цепях нагрузки или элементах схемы производится относительно той составляющей выходного напряжения, которая является основной для нагрузки. Для преобразователей переменного тока в постоянный основной является постоянная составляющая выпрямленного напряжения U_d. Другие составляющие является переменными и называются пульсациями. Эти переменные составляющие рассматриваются как помехи, уровень которых уменьшается путем применения фильтров и стабилизаторов.

Особенностью расчета является то, что все входные величины и внутренние параметры преобразователя выражают через выходные величины, т.е. расчет выполняют от нагрузки постоянного тока к источнику электрической энергии переменного тока.

При разработке преобразователя необходимо знать входные и выходные параметры электрической энергии.

Исходными данными для расчета являются:

- номинальное выпрямленное наложение U_dH;

- номинальный выпрямленный ток I_dH;

- напряжение питающей сети U₁;

- частота питающей сети f;

- показатели качества электрической энергии питающей сети;

- показатели качества электрической энергии на нагрузке.

Эти величины задаются при проектировании, и на них базируются при эксплуатации преобразователей. В процессе анализа, исходя из выбранной схемы преобразователя и указанных задаваемых величин, определяются:

- средние значения выпрямленного напряжения U_d;

- средние значения выпрямленного тока I_d;

- действующее значение напряжения вторичной обмотки фазы
18
трансформатора U₂;

- действующее значение фазного тока в вентильной обмотке I₂;

- среднее значение тока вентиля при номинальной нагрузке I_в.ср;

- действующее значение фазного тока в сетевой обмотке I₁;

- расчетная мощность вентильных и сетевой обмоток трансформатора S₂, S₂;

- расчетная типовая мощность S_T;

- коэффициент использования трансформатора К_и •

- максимальное обратное напряжение вентиля U_{обp max};

- максимальное прямое напряжение U_{np max} для тиристоров.
По результатам расчета выбирают вентили схемы выпрямления

и производят расчет или выбор преобразовательного трансформатора.

2.3. Однофазный однополупериодный выпрямитель
Схема наиболее простого однофазного однополупериодного выпрямителя (р = 1, q = 1) изображена на рис.2.2.

Рис.2.2 Однофазный однополупериодный выпрямитель

Работу выпрямителя будем рассматривать при допущении, что диод VD1 и трансформатор T идеальны, а нагрузка R_d чисто активная. При подаче входного напряжения U ₁ во вторичной обмотке по диоду VD1, когда он будет открыт, и нагрузке будет протекать пульсирующий ток. Осциллограмма напряжений на элементах схемы приведена на рис.2.3. Определим среднее за период напряжение на нагрузке R_d:

19
(2.3)

Рис.2.3. Временные осциллограммы

Выражение (2.3) позволяет определить коэффициент схемы выпрямления с учетом (2.2):

.

Геометрически величина U_d может быть представлена высотой прямоугольника с основанием 2 p и площадью, равной площади, ограниченной полупериодом напряжения и осью абсцисс (на рис.2.3 заштрихована).

Величина тока, протекающего через диод, определяется исходя из закона Ома

. (2.4)

Величина обратного максимального напряжения, прикладываемого к диоду VD1, равна амплитудному напряжению вторичной обмотки трансформатора:

. (2.5)

Выражения (2.4) и (2.5) позволяют выбрать силовой диод:

(2.6)

20
где I_{пр. доп}, U_{пр. доп} – предельно допустимые значения прямого тока и обратного напряжения.

Коэффициенты использования силового диода по напряжению и по току имеют следующие значения

Выпрямленное напряжение имеет пульсирующий периодический характер и может быть разложено в ряд Фурье:

Ряд Фурье представляет собой сумму постоянной составляющей напряжения, равной средневыпрямленной величине U_d, первой гармонической составляющей и высших гармонических составляющих.

Определим коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения по первой составляющей

. (2.7)

Частота пульсаций выпрямленного напряжения равна частоте

сети f_n =f.

Вторичная обмотка трансформатора в первой половине периода замкнута, через диод VD1, на сопротивление нагрузки R_d, а во второй половине периода разомкнута.

Таким образом, в трансформаторе в течение каждого полупериода дважды происходит переходный режим от холостого хода к нагрузке и от режима работы под нагрузкой к холостому ходу.

Наличие указанных переходных процессов и протекание постоянной составляющей тока по вторичной обмотке составляет главную особенность в работе трансформатора с данной схемой выпрямления.

21
Полная мощность вторичной обмотки трансформатора определяется выражением:

S ₂ = U₂ × I₂. (2.8)

Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора

,

где i ₂ – мгновенное значение тока, протекающего во вторичной обмотке трансформатора, .

Подставив мгновенное значение тока i ₂, определим его действующее значение:

. (2.9)

Выражение (2.9) показывает, что действующее значение тока, определяющее нагрев вторичной обмотки трансформатора и подводящих проводов, значительно, в 1,57 раза, превышает среднее значение тока в нагрузке.

По значению тока I ₂ можно выбрать сечение провода вторичной обмотки трансформатора

, (2.10)

где J ₂ – допустимая плотность тока, .

Расчетная мощность вторичной обмотки определяется с учетом (2.8)

, (2.11)

где P_d – средневыпрямленная мощность нагрузки.

При включении вторичной обмотки трансформатора через диод на нагрузку ее ампер-витки (намагничивающая сила) имеют постоянную составляющую. В трансформаторе в течение переходного процесса после

22
включения нагрузки возбуждается магнитный поток постоянного направления, который подмагничивает сердечник трансформатора.

Если представить ток вторичной обмотки при наличии СВ в ви­де суммы гармонических составляющих , то по закону равновесия намагничивающих сил в токе первичной обмотки трансформатора должны быть все гармонические составляющие, кроме постоянной I_d, с учетом коэффициента передачи трансформатора

. (2.12)

Из выражения (2.12) видно, что кривая тока первичной обмотки i ₁ будет иметь ту же форму, что и кривая тока i ₂, но без постоянной составляющей I_d (рис.2.4).

Действующее значение тока в первичной обмотке

.

После преобразования получим:

.

Это выражение справедливо при любой форме тока в обмотке трансформатора, работающего на однофазную однополупериодную схему выпрямления.

Рис.2.4. Осциллограммы токов вторичной и первичной обмоток

трансформатора

23
С учетом выражения (2.9) действующее значение тока в первичной обмотке трансформатора имеет вид

. (2.13)

По значению тока I ₁ можно выбрать сечение провода в первичной обмотке трансформатора

, (2.14)

где J ₁ – допустимая плотность, .

Полная мощность первичной обмотки трансформатора равна

.

С учетом выражений (2.1) и (2.13) расчетная полная мощность имеет вид

. (2.15)

Расчетные полные мощности выражаются в вольт-амперах и характеризуют действительную мощность, передаваемую трансформатором. Из этих соотношений не следует искать «несоответствия» с законом сохранения энергии или определять КПД, но они позволяют произвести
расчет обмоток трансформатора, выбрать сечение проводов и определить габариты трансформатора.

Эффективность использования преобразовательного трансформатора оценивается коэффициентом использования, который показывает, на какую габаритную мощность S_T должен быть рассчитан трансформатор при заданной средневыпрямленной мощности

.

За габаритную мощность S_T берется среднее значение расчетных первичных и вторичных мощностей

,

24
тогда коэффициент использования имеет вид

.

Подставив в выражение (2.16) значения (2.11) и (2.15), получим:

К_и = 0,32.

Значение коэффициента использования показывает, что за счет подмагничивания однофазной однополупериодной схемой выпрямления трансформатор используется только на 32%.
Аналогично рассмотреному выше, можно определить параметры других СВ. На рис. 2.5 двухфазная однополупериодная, или, как ее иногда называют «однофазная двухполупериодная СВ со средней точкой». Двойное название вызвано следующими причинами. Можно считать, что выходные обмотки трансформатора образуют 2-фазную систему ЭДС со сдвинутыми на 180 град. напряжениями, и в этом случае справедливо первое название. Если же учитывать тот факт, что питание трансформатора осуществляется от 1-фазной сети, то можно пользоваться вторым названием.

На рис. 2.6 представлена 1-фазная 2-полупериодная мостовая СВ. Для двух последних СВ можно по аналогии с первой определить их параметры. Значения этих параметров для всех СВ приведены в табл.1.

I_B1 VD1

Т1

U2­₁ VD1 VD2

R_d I_d U1 U2 R_d I_d

U1 U2₂ + - +

I_B2 VD2 VD3 VD4

Рис.2.5 Рис.2.6

Двухфазная однополупериодная СВ Однофазная двухполупериодная

мостовая СВ

25
табл. 2.1

Пара- метр	Вид схемы выпрямления
Однофазная однополупериодная	Двухфазная однополупериодная	Однофазная двухпо- лупериодная мостовая
КСВ	√2 /π = 0,45	2*√2 / π = 0,9	2*√2 / π = 0,9
U2	(π / √2)*Ud=2,22Ud	[π / (2√2)]*Ud=1,11Ud	[π / (2√2)]*Ud=1,11Ud
IBmax	π *Id =3,14*Id	(π *Id)/2 =1,57*Id	(π *Id)/2 =1,57*Id
UOБРmax	π *Ud =3,14*Ud	(π *Ud)/2 =1,57*Ud	(π *Ud)/2 =1,57*Ud
I2	(π *Id)/2 =1,57*Id	(π *Id)/4 =1,57*Id	(√2*π/4)* Id
I1	KT*√/π*π/4 –1 *Id	[(KT*√2*π)/4]*Id	[(KT*√2*π)/4]*Id
КИ	0,32	0,676	0,81
КП	1,57	0,67	0,67
fП	f1	2* f1	2* f1

Дата добавления: 2015-09-29