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 выяснения принципиальной возможности трансформирования кратковременных однополярных импульсов рассмотрим идеальный трансформатор (без потерь и паразитных емкостей), Работающий без нагрузки. Допустим, на вход этого трансформатора поступают однополярные импульсы прямоугольной формы продолжительностью t_и с периодом T (рис. 5.4, а). Первичный контур трансформатора обладает некоторой постоянной времени t= L₁/r₁ , обусловленной индуктивностью этого контура.

Рис. 5.4. Графики напряжения в импульсном трансформаторе

Рассмотрим случай, когда постоянная времени намного меньше продолжительности импульса: t<< t_и. При этом график первичного тока i₁ = f(t) имеет вид кривой, отличающейся от прямоугольника. Кривая же вторичного напряжения и₂ = 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 t<< t_и трансформирование импульсов невозможно.

Рассмотрим другой случай, когда t<< t_и. Этот случай более реален, так как продолжительность импульсов обычно не превышает 10^-4с. Теперь, когда импульс и₁ прекращается еще до окончания переходного процесса в первичной цепи, импульсы на выходе трансформатора и₂ не имеют значительных искажений (рис. 5.4, б). При этом отрицательная часть импульса легко устраняется включением диода во вторичную цепь трансформатора.

Рассмотренные явления выявляют лишь принципиальную возможность трансформирования кратковременных 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 рассеяния 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 магнигопровод делают из феррита.

Чтобы уменьшить паразитные емкости и индуктивности рассеяния обмоток, их стараются делать с небольшим числом витков. При этом малая продолжительность 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. Принцип работы пик-трансформатора основан на явлении магнитного насыщения ферромагнитного материала.

Рис. 5.5. Пик-трансформаторы с активным сопротивлением (а, 6) и магнитным шунтом (в, г)

Пик-трансформатор с активным сопротивлением. Первичную обмотку трансформатора подключают к сети синусоидального напряжения U₁ через большое активное добавочное сопротивление R_ДОБ (рис, 5.5, а). 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 но уплощенной кривой (рис. 5.5, б), а вторичная ЭДС

(5.9)

имеет пикообразную форму (штриховая кривая), достигая макси­мальных (пиковых) значений в моменты времени, когда магнитный поток Ф и ток i₁ проходят нулевые значения, т. е. когда скорости их изменения максимальны.

Пик-трансформаторы с магнитным шунтом. Вторичная обмотка (рис. 5.5, в) расположена на стержне уменьшенно­го сечения, находящемся в состоянии сильного магнитного насыще­ния (кривая потока Ф₂ имеет уплощенную форму). Остальные участки машшопровода магнитно не насыщены, а поэтому кривая потока Ф₁ ⁼ Фш + Ф₂ имеет синусоидальную форму (рис. 5.5, г). Уплощенная форма кривой Ф₂ =f(t) обеспечивает получение пикообразной формы вторичной ЭДС — штриховая кривая [см. (5.9)].

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

Преобразователи частоты.Распространение получили трансформаторы, с помощью которых возможно удвоение или ут­роение частоты переменного тока.

Рассмотрим работу трансформатора, увеличивающего частоту переменного тока в три раза. Такой трансформатор называется утроителем частоты. Он состоит из трех однофазных трансформаторов, работающих при сильно насыщенном магнитопроводе. Первичные обмотки трансформаторов соединены звездой, а вторичные — последовательно (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Утроитель частоты

Как было показано в § 1.9, намагничивающий ток трансформатора помимо основной содержит третью гармонику с частотой f₃ = 3f₁. При соединении обмоток звездой токи третьей гармоники взаимно уравновешиваются и тогда в составе магнитного потока появляется третья гармоника Ф₃. В трехстержневом магнитопроводе потоки этой гармоники ослаблены. Но в утроителе частоты магнитопроводы однофазных трансформаторов работают независимо, поэтому потоки Фз в них достигают больших значений и наводят во вторичных обмотках ЭДС третьей гармоники е₃. Так как ЭДС е₃ во всех фазных обмотках совпадают по фазе то на выходе утроителя частоты устанавливается напряжение U₃, равное алгебраической сумме ЭДС е₃ частотой f₃=3f₁. Что же касается ЭДС гармоники, то хотя она и наводится в фазных обмотках утроителя, но в составе напряжения на выходе утроителя она отсутствует, так как при сдвиге фаз между ЭДС в 120° их алгебраическая сумма равна нулю.

Для снижения падения напряжения во вторичных обмотках при нагрузке последовательно с обмотками включают конденсатор С, емкость которого компенсирует индуктивность обмоток.

Увеличение частоты в большее число раз можно осуществить применением нескольких трансформаторов для преобразования частоты, включенных один за другим (каскадно). Однако этот способ повышения частоты экономически нецелесообразен, так как связан со значительной затратой активных материалов.