Трансформаторы для автоматических устройств

Импульсные трансформаторы. Применяются в устройствах импульсной техники для изменения амплитуды импульсов, исключения постоянной составляющей, размножения импульсов и т.п. Одно из основных требований, предъявляемых к импульсным трансформаторам, - минимальное искажение формы трансформируемых импульсов.

Для пояснения принципиальной возможности трансформирования коротких однополярных импульсов рассмотрим идеальный трансформатор (без потерь и паразитных емкостей), работающий без нагрузки. Допустим, на вход этого трансформатора подают однополярные импульсы прямоугольной формы длительностью t_и с периодом T. Первичный контур трансформатора обладает некоторой постоянной времени τ=L₁/r₁, обусловленной индуктивностью этого контура.

Графики напряжений в импульсном трансформаторе показаны ниже:

Рассмотрим случай, когда постоянная времени намного меньше продолжительности импульса: τ<<t_и. При этом график первичного тока i₁ = f(t) имеет вид кривой, отличающейся от прямоугольника. Кривая же вторичного напряжения u₂=f(t) значительно искажена. При этом в интервале времени 1-2 напряжение U₂ = О, так как при t₁ = const ЭДС е₂ = M(di/dt) = 0, где М – взаимная индуктивность между обмотками. Следовательно, при τ<<t трансформирование импульсов невозможно.

Рассмотрим другой случай, когда τ>>t_и. Этот случай более реален, так как длительность импульсов обычно не превышает 10^-4 с. Теперь, когда импульс u₁ прекращается еще до окончания переходного процесса в первичной цепи, импульсы на выходе трансформатора u₂ не имеют значительных искажений. При этом отрицательная часть импульса легко устраняется включением диода во вторичную цепь трансформатора.

Рассмотренные явления выявляют лишь принципиальную возможность трансформирования коротких однополярных импульсов без особых искажений их формы. При более подробном рассмотрении работы импульсного трансформатора электромагнитные процессы в нем оказываются намного сложнее, так как на них значительное влияние оказывают явление гистерезиса, вихревые токи, паразитные емкостные связи (между витками и обмотками) и индуктивности рассеянии обмоток. Для ослабления нежелательного влияния перечисленных факторов импульсные трансформаторы проектируют таким образом, чтобы они работали с линейной магнитной характеристикой, т. е. с таким значением магнитной индукции в сердечнике, при котором рабочая точка расположена ниже зоны магнитного насыщения на кривой намагничивания трансформатора. Кроме того, магнитный материал сердечника должен обладать небольшой остаточной индукцией (малой коэрцитивной силой). Для понижения остаточной индуктивности магнитопровод импульсного трансформатора в некоторых случаях снабжают небольшим воздушным зазором. С этой же целью иногда применяют подмагничивание трансформатора постоянным током, полярность которого противоположна полярности трансформируемых импульсов. Это мероприятие позволяет снизить магнитную индукцию в сердечнике в интервале между импульсами.

Магнитопроводы импульсных трансформаторов изготовляют из магнитных материалов с повышенной магнитной проницаемостью (холоднокатаная сталь, железоникелевые сплавы и др.) при толщине ленты 0,02 – 0,35 мм. Иногда магнитопровод выполняют из феррита.

Чтобы уменьшить паразитные емкости и индуктивности рассеяния обмоток, их стараются делать с небольшим числом витков. При этом малая длительность импульсов позволяет выполнять обмотки импульсных трансформаторов проводом уменьшенного сечения (применять повышенные плотности тока), не вызывая недопустимых перегревов. Последнее способствует уменьшению габаритов импульсных трансформаторов.

Пик-трансформаторы. Предназначены для преобразования напряжения синусоидальной формы в импульсы напряжения пикообразной формы. Такие импульсы напряжения необходимы в цепях управления тиристоров, тиратронов и др. Действие пик-трансформатора основано на явлении магнитного насыщения ферромагнитного материала.

Пик-трансформатор с активным сопротивлением. Первичную обмотку трансформатора подключают к сети синусоидального напряжения U₁ через большое активное добавочное сопротивление U_доб. Магнитную индукцию выбирают такой, чтобы магнитопровод находился в состоянии сильного магнитного насыщения. Однако намагничивающий ток i₁ при этом будет иметь синусоидальную форму, так как его значение определяется сопротивлением R_доб. Магнитный поток Ф в магнитопроводе изменяется по уплощенной кривой, а вторичная ЭДС

имеет пикообразную форму (штриховая линия на рисунке), достигая максимальных (пиковых) значений в моменты времени, когда магнитный поток Ф и ток i₁ проходят нулевые значения, т. е. когда скорости их изменения максимальны. На рисунке показаны пик-трансформаторы с активным сопротивлением (а) и магнитным шунтом (б).

Пик-трансформаторы с магнитным шунтом. Вторичная обмотка расположена на стержне уменьшенного сечения, находящемся в состоянии сильного магнитного насыщения (кривая потока Ф₂ имеет уплощенную форму). Остальные участки магнитопровода магнитно не насыщены, а поэтому кривая потока Ф = Ф_ш + Ф₂ имеет синусоидальную форму. Уплощенная, форма кривой Ф2 =f(t) обеспечивает получение пикообразной формы вторичной ЭДС – штриховая кривая.

Магнитопроводы пик-трансформаторов изготовляют обычно из железоникелевого сплава (пермаллоя).

Контрольные вопросы

1. Какие конструкции магнитопроводов для трансформаторов Вы знаете?

2. Выведите уравнения ЭДС трансформатора.

3. Нарисуйте схему замещения трансформатора.

4. Как можно экспериментально определить основные параметры трансформатора?.

5. Нарисуйте внешнюю характеристику трансформатора и объясните ее (по векторной диаграмме).

6. Выведите соотношения для КПД трансформатора.

7. Выведите соотношения электромагнитной мощности трансформатора.

8. Принцип действия трансформатора на холостом ходу (по логической цепочке).

9. Принцип действия трансформатора под нагрузкой (по логической цепочке).

10. Причины перегревания трансформатора на холостом ходу.

11. Опыт холостого хода (назначение, условия проведения, схема замещения).

12. Опыт короткого замыкания (назначение, условия проведения, схема замещения).

13. Классификация трансформаторов. Конструктивные особенности трансформаторов.

14. Потери в трансформаторе и способы повышения его КПД.

15. Можно ли из опыта короткого замыкания найти коэффициент трансформации трансформатора ?

16. Особенности импульсного (высокочастотного) трансформатора.