Трансформаторы для питания выпрямителей (выпрямительные трансформаторы)

I. ТРАНСФОРМАТОРЫ ДЛЯ ПИТАНИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

(ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ)

Выпрямительные трансформаторы (ВТ) используются для изменения уровня напряжения и для гальванической развязки цепей. Основная особенность ВТ – несинусоидальная форма напряжений и токов в обмотках, что связана с включением вентилей в цепь вторичной обмотки. Включение вентилей, пропускающих ток лишь в одном направлении, приводит к искажению кривой тока, а в некоторых схемах выпрямления – к появлению постоянного подмагничивающего магнитного потока в сердечнике ВТ. Рассмотрим однофазный двухобмоточный трансформатор (рис.1а).

Рис. 1

Общий магнитный поток сцеплен с первичной  и вторичной  обмотками и замыкается в основном по магнитопроводу. Имеются также дополнительные потоки, или потоки рассеяния и , сцепленные лишь с витками своей обмотки. Они много меньше _. На рис.1б приведена упрощенная эквивалентная схема трансформатора (не учтен ток холостого хода и потери на гистерезис и перемагничивание). Реактивное сопротивление рассеяния обмоток

, где и  –– индуктивные сопротивления обмоток, учитывающие потоки рассеяния и ;

–– коэффициент трансформации.

Активное сопротивление обмоток

,

 и –– активные сопротивления соответствующих обмоток.

Эти параметры ( и ) являются особенно важными для расчета ВТ, поскольку работа вентилей вызывает периодические режимы короткого замыкания (), связанные с перекрытием фаз. В выпрямителях малой мощности преобладает , а в выпрямителях большой мощности ––. В выпрямителях средней мощности можно учитывать оба параметра, поскольку они соизмеримы. Учет  особенно важен при повышенной частоте сети (400 Гц).

Если вентили включены последовательно с вторичной обмоткой (однотактные схемы выпрямления), возникает постоянный магнитный поток, подмагничивающий магнитопровод ВТ. Рассмотрим однофазную однополупериодную схему выпрямления (рис.2а)

Рис.2

Из принципа работы схемы ясно, что в нагрузке и во вторичной обмотке ВТ будет протекать ток , показанный на рис.2б. Он содержит постоянную составляющую . Так как постоянный ток трансформироваться не может, ток первичной обмотки  не имеет постоянной составляющей (заштрихованные площади на рис.2б равны):

, если пренебречь током холостого хода и принять . Результирующий магнитный поток можно представить как сумму переменного и постоянного магнитных потоков. Постоянный магнитный поток увеличивает степень насыщения ВТ, что увеличивает ток намагничивания (ток холостого хода), В результате приходится завышать расчетную мощность ВТ, а следовательно – его массу и габариты.

В мостовых схемах направление тока вторичной обмотки меняется дважды за период и постоянный магнитный поток отсутствует. Однако и в этих схемах форма тока несинусоидальная: при активно-емкостной нагрузке ток вторичной обмотке представляет собой короткие импульсы длительностью меньше 180⁰, при активно-индуктивной – близок к постоянному току. Влияние параметров ВТ (и ) также искажает форму токов и напряжения. В результате расчетные мощности обмоток и как правило, не равны (-больше), а потому габаритная мощность ВТ  больше, чем у обычного трансформатора.

Сформулируем основные отличия ВТ от обычного:

1.  несинусоидальность токов первичной и вторичной обмоток;

2.  различие форм кривых токов, что ведет к различию приведеных действующих значений: при;

3.  различие расчетных мощностей обмоток;

4.  увеличеный ток холостого тока в однотактных из-за подмагничивания постоянным магнитным потоком;

5. как следствие – увеличение типовой мощности и габаритов.

Следует отметить, что в трехфазных ВТ для схем с нулевым выводом (однотактных) приняты конструктивные меры для ликвидации подмагничивания: специальная схема соединения обмоток “треугольник-зигзаг”.При этой схеме на каждом стержне расположены по две вторичные обмотки разных фаз, в которых токи текут в противоположных направлениях. Вследствие этого постоянная составляющая магнитного потока равна нулю.

II. РАСЧЕТ ВТ ПРИ РАБОТЕ НА АКТИВНУЮ И ИНДУКТИВНУЮ НАГРУЗКУ.

Исходные данные:

1.  характер нагрузки; схема выпрямления.

2.  тип вентилей (кремниевые, германиевые и т.д.)

3.  номинальное напряжениеи частота сети.

4.  выпрямленное напряжение сети и ток

Порядок расчета:

1.  Находим мощность на выходе выпрямителя

.

По таблице параметров (см. приложение), зная схему выпрямления и характер нагрузки, определяем типовую мощность ВТ .

2.  Находим активное сопротивление и индуктивное сопротивление рассеяния обмоток ВТ:

, где меньшие значения численных коэффициентов соответствуют большим мощностям;

  –– плотность тока в обмотках, А/мм²;

–– амплитуда магнитных индукций, Тл.

Величина и, а также КПД  определяются в зависимости от  и по табл.1.

Таблица 1