Магнитного усилителя и стабилизатора напряжения

Реактор - статическое электромагнитное устройство (катушка с ферромагнитным сердечником), предназначенное для использования его индуктивности в электрической цепи. Реакторы используются для:

· сглаживания пульсаций выпрямленного тока;

· переходные – для переключения выводов трансформатора;

· делительные - для равномерного распределения тока нагрузки между параллельно включенными вентилями;

· токоограничивающие - для ограничения тока короткого замыкания;

· для подавления радиопомех, возникающих при работе электрических машин и аппаратов и пр.

При включении катушки с ферромагнитным сердечником в цепь переменного тока в ней индуцируется э.д.с. самоиндукции, которая зависит от числа витков катушки магнитного сопротивления ее магнитопровода, напряжения и частоты его изменения.

При увеличении поданного напряжения сердечник насыщается, намагничивающий ток резко возрастает.

Такая катушка представляет собой нелинейное индуктивное сопротивление, которое можно регулировать изменением воздушного зазора.

Ток, протекающий по катушке с ферромагнитным сердечником, будет иметь пики, тем больше, чем больше насыщение магнитопровода.Если не допускать насыщения сердечника, то будет происходить сглаживание пульсации выпрямленного тока.

Применение реакторов для регулирования и ограничения тока в электрических цепях переменного тока с полупроводниковыми выпрямителями вместо резисторов экономит электрическую энергию, т.к. в реакторе в отличие от резистора потери мощности незначительные. Они определяются малым активным сопротивлением проводов реактора.

Рисунок 7.2. Катушка с ферромагнитным сердечником

Сглаживающие реакторы(рис. 7.3).Предназначены для сглаживания пульсаций выпрямленного тока на электровозе. Выполнены в виде катушки со стальным сердечником. Устанавливается между выпрямительной установкой и тяговым двигателем. Активное сопротивление катушки весьма мало, поэтому она практически не влияет на постоянную составляющую выпрямленного тока.

Для переменной же составляющей тока катушка создает индуктивное сопротивление тем большее, чем выше частота переменного тока. В результате этого амплитуды гармонических составляющих выпрямленного тока резко уменьшаются и, следовательно, снижается пульсация тока.

.

Рис. 7.3.Кривая выпрямленного тока без

сглаживающего реактора и с реактором

Эти реакторы рассчитывают так, чтобы снизить коэффициент пульсации тока до 25-30 %В процессе нарастания тока (участок аб) в сглаживающем реакторе накапливается электромагнитная энергия, что препятствует резкому увеличению тока. При уменьшении тока (участок бв) реактор наоборот, отдает запасенную в них энергию в цепь, поддерживая уменьшающийся ток.

Переходной реактор(рис. 7.4, а) предназначен для переключения выводов трансформатора. Выполнен в виде катушки с тремя выводами. Средний вывод делит катушку наполовину.

Рис. 7.4. Схемы переключения секций трансформатора с помощью переходного реактора

В исходном положении крайние выводы переходного реактора подключены к одному выводу вторичной обмотке трансформатора, к выводу 2. Ток нагрузки делится между полуобмотками реактора поровну и направлен в них встречно. Поэтому индуктивное сопротивление реактора равно нулю.

Переключение на третий вывод трансформатора проходит в два этапа. На первом этапе один из крайних выводов переходного реактора отсоединятся от второго вывода трансформатора – напряжение на нагрузке не теряется. Затем этот вывод подсоединяется к выводу 3 вторичной обмотки трансформатора – напряжение на нагрузке увеличивается на ½ напряжения секции, ток короткого замыкания ограничивается индуктивным сопротивлением переходного реактора (рис. 7.4, б).

На втором этапе второй вывод переходного реактора отсоединяется от 2-го вывода трансформатора и подключается на 3-ий вывод трансформатора – при этом напряжение на нагрузке увеличивается ещё на ½ напряжения секции.

Токоограничивающие реакторы. На электроподвижном составе переменного тока с полупроводниковыми выпрямителями в некоторых случаях последовательно с выпрямительной установкой включают токоограничивающие реакторы. Полупроводниковые вентили имеют малую перегрузочную способность и при больших токах быстро выходят из строя. Поэтому при использовании их необходимо принимать специальные меры для ограничения тока короткого замыкания и быстрого отключения выпрямительной установки от источника питания до того, как этот ток достигнет значения, опасного для вентилей.

При коротком замыкании в цепи нагрузки и пробое вентилей индуктивность реактора ограничивает ток короткого замыкания (примерно в 4 – 5 раз по сравнению с током без реактора) и замедляет скорость его нарастания. В результате этого за период времени, необходимый для срабатывания защитной аппаратуры, ток короткого замыкания не успевает возрасти до опасного значения.

В токоограничивающих реакторах иногда применяют дополнительную обмотку, выполняющую роль вторичной обмотки трансформатора. При возникновении короткого замыкания резко возрастает ток, проходящий по основной обмотке реактора, и увеличивающийся магнитный поток индуцирует в дополнительной обмотке импульс напряжения. Этот импульс служит сигналом для срабатывания устройства защиты, отключающего выпрямительную установку.

Магнитные усилители(рис.7.5).Электромагнитный аппарат, служащий для плавного регулирования переменного тока, поступающего к нагрузке, путем изменения индуктивного сопротивления Х𝐋 (катушки с ферромагнитным сердечником, включенной последовательно с нагрузкой). Принцип действия магнитного усилителя основан на изменении индуктивности катушки с ферромагнитным сердечником при подмагничивании её постоянным током. С помощью такого аппарата можно регулировать большие токи посредством сравнительно слабых электрических сигналов.

Магнитные усилители широко применяют на тепловозах для автоматического регулирования возбуждения главного генератора и на э.п.с. для регулирования напряжения источника служебного тока при зарядке аккумуляторных батарей, в стабилизаторах напряжения и для других целей. Существуют магнитные усилители с насыщающимися реакторами и с самонасыщением (с самоподмагничиванием).

Он включает в себя два сердечника из ферромагнитных материалов и обмотки переменного и постоянного тока. Обмотки переменного тока называют рабочими обмотками ОР1 и ОР2, они имеют одинаковое число витков и включены встречно.

Рис. 7.5. Магнитный усилитель

Обмотки постоянного тока называют обмотками управления ОУ. Обмотка управления охватывает оба сердечника и получает питание от источника постоянного тока.

Рис. 7.5. Схема простейшего магнитного усилителя

При протекании переменного тока по рабочим обмоткам возникает большое индуктивное сопротивление и ток в цепи нагрузки будет небольшим.

При протекании постоянного тока по обмотке управления ОУ, сердечник намагничивается и величина индуктивного сопротивления рабочих обмоток ОР1 и ОР2 уменьшится. Ток нагрузки увеличится.

Увеличение тока нагрузки может происходить до насыщения сердечника. Ток рабочей обмотки является выходным сигналом.

Основными параметрами магнитного усилителя являются коэффициенты усиления тока и мощности. Коэффициент усиления тока - это отношение изменения рабочего тока к соответствующему изменению тока управления. Коэффициент усиления мощности- отношение выходной мощности рабочего тока к мощности, потребляемой обмотками управления.

Магнитные усилители с насыщающимися реакторами(рис. 7.6.).Используют два насыщающихся реактора L₁ и L_2. Каждый выполнен в виде катушки 1 (рабочей обмотки) с ферромагнитным сердечником 3 и подмагничивающей обмоткой 2, по которой проходит постоянный ток (ток управления Iу). Рабочие обмотки 1 реакторов L₁ и L₂ включают согласованно, чтобы индуцированные в них переменные э.д.с. е_L1 и е_L2 складывались, а обмотки управления 2 включают встречно, чтобы индуцированные в них э.д.с. е_У1 и е_У2 были направлены навстречу друг другу и взаимно уничтожались. Входом магнитного усилителя, на который подаётся управляющий сигнал Uу, являются зажимы а и b обмоток управления обоих реакторов. Выходом усилителя служат точки с и d, к которым подключают нагрузку Rн последовательно (если она питается переменным током, рис. 7.6.а) или через выпрямитель В (если питается постоянным током, рис. 7.6.б).

Рисунок 7.6. Схемы магнитных усилителей с насыщающими реакторами с выходом на

а) переменном и б) постоянном токе

1 – рабочая обмотка; 2 – подмагничивающая обмотка; 3 – ферромагнитный сердечник;

а, b – вход магнитного усилителя; с, d - выход магнитного усилителя; L₁ и L₂ -реакторы; Ф₁ и Ф₂ – магнитные потоки реакторов L₁ и L₂; I_у- ток управления; U - напряжения питания; U_у - управляющее напряжение; Uв_н - выходное напряжение; е_L1 и е_L2 -переменные э.д.с. реакторов L₁ и L₂; R_н – сопротивление нагрузки; В – выпрямитель;

Источником питания магнитного усилителя служит сеть переменного тока или трансформатор, подключённый к питающей сети (если напряжение питания отличается от напряжения сети).

Магнитный усилитель способен усиливать электрические сигналы за счёт того, что мощность, потребляемая обмоткой управления и расходуемая на её нагрев намного меньше мощности, передаваемой нагрузке Rн.Поэтому, затрачивая малую мощность в обмотке управления, регулируют значительно большую мощность, поступающую к нагрузке Rн.

Магнитный усилитель работает следующим образом. Когда на вход усилителя не подаётся управляющий сигнал (напряжение на входе усилителя Uу и ток управления Iу равны нулю), сердечники реакторов не насыщены и рабочие обмотки 1 имеют большое индуктивное сопротивление. Поэтому ток в цепи нагрузки мал (ток холостого хода). Мало и напряжение на нагрузке Uв_н (выходное напряжение),т.к. большая часть напряжения питания U теряется в виде падения напряжения IX_L в рабочих обмотках. В результате, будет мала и мощность, поступающая к нагрузке от источника питания.

При подаче в обмотки управления 2 тока управления Iу сердечники реакторов подмагничиваются и индуктивное сопротивление Х_L рабочих обмоток уменьшается. При этом растут ток в цепи нагрузки и поступающая к ней мощность.

Стабилизатор напряжения.В схемах стабилизации напряжения используют резисторы, полупроводниковые приборы или реакторы с линейной и нелинейной вольт-амперными характеристиками.

Рисунок 7.7. Принципиальная схема стабилизатора напряжения на реакторах

Если включить линейный элемент, например, реактор L₁, последовательно с нагрузкой R_н,а нелинейный насыщающийся реактор L₂ –параллельно ей (рис. 7.7), то при изменении входного напряжения U_вх в некоторых пределах выходное напряжение U_вых будет оставаться постоянным. Так как нелинейный реактор L₂ в режиме насыщения и напряжение на его зажимах практически не изменяется при изменении проходящего по нему тока, то при изменении напряжения U_вх происходит перераспределение напряжений между последовательно включёнными реакторами L₁ и L₂ и весь прирост напряжения U_вх приходится на линейный реактор L₁.

Напряжение же на нелинейном реакторе, параллельно которому включена нагрузка R_н, будет стабилизированным в некоторых пределах, зависящих от вольт-амперной характеристики нелинейного реактора и пределов изменения напряжения U_вх. Такой стабилизатор напряжения называют ферромагнитным. Недостатками его являются низкий коэффициент мощности и значительные габаритные размеры.

Для уменьшения габаритных размеров стабилизатор выполняют с объединённой магнитной системой, а для повышения коэффициента мощности параллельно нелинейному реактору включают конденсатор С. Такой стабилизатор напряжения называют феррорезонансным.

Контрольные вопросы

1. Для чего предназначен реактор?

2. Из чего состоит реактор?

3. От чего зависит величина индуцируемой э.д.с. в катушке реактора?

4. Какой экономический эффект даёт применение реактора?

5. Назначение сглаживающих реакторов.

6. Перечислите элементы конструкции сглаживающего реактора.

7. От чего зависит индуктивность реактора?

8. Какие реакторы применяют на электровозах и электропоездах?

9. Назначение токоограничивающих реакторов.

10. Назначение дополнительной обмотки в токоограничивающих реакторах.

11. Назначение магнитных усилителей.

12. Принцип действия магнитного усилителя с насыщающимися реакторами.

13. Назначение стабилизатора напряжения.