Электропитание устройств связи

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий электрическую энергию пере.менного тока с одними параметрами в электрическую энергию переменного тока с иными параметрами (напряжением, током, числом фаз, формой кривой напряжения).

Трансформаторы очень широко применяются в самых различных радиотехнических системах и устройствах связи в качестве силовых и согласующих элементов; в системах передачи и распределения электрической энергии, в устройствах регулирования напряжений, пуска в ход двигателей переменного тока и т. д.

Принцип действия трансформатора основан на электромагнитном взаимодействии двух или большего числа электрически несвязанных между собой контуров (обмоток). Одна из обмоток трансформатора, называемая первичной, подключается к источнику переменного тока. Обмотки, к которым подключается нагрузка, называются вторичными. Для улучшения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками, а также для придания определенной конфигурации магнитному потоку обмотки размещают на сердечнике (магнитопроводе), изготовленном из ферромагнитного материала.

В зависимости от числа фаз источника энергии трансформаторы разделяются на однофазные и многофазные (обычно трехфазные). В зависимости от схемы трансформаторы могут быть однообмоточиымн (автотрансформатор), двухобмоточными и многообмоточными. Трансформаторы также классифицируются по ряду других признаков по наивысшему напряжению одной из обмоток - низковольтные и высоковольтные (свыше 1000-1500 В); по типу конструкции сердечников - броневые, стержневые и тороидальные; по способу охлаждения - с естественным воздушным, с принудительным воздушным, с жидкостны.м и парожидкостным; по величине мощности - малой мощности (до нескольких киловольтампер), средней мощности и большой мощности; по сроку службы - длительного использования (10000-20000 ч и более) короткого срока и кратковременного (единицы секунд-десятки минут) и т. д. Кро-

ме того, в зависимости от схемного назначения трансформаторы разделяются на силовые, согласующие и импульсные. В настоящей главе рассматриваются силовые трансформаторы.

1.2. РЕЖИМ ХОЛОСТОГО ХОДА

Под холостым ходом понимают режим работы трансформатора при разо.мкнутых вторичных обмотках (рис. 1.1). При подключении первичной обмотки к источнику энергии с напряжением через первичную обмотку трансформатора будет протекать ток h = h (в устано-вивщемся режиме), который называют током холостого хода. Первичной обмоткой создается намагничивающая сила /o=/o)i[A], где - число последовательно сое-

диненных витков первичной у^ электрическая я прин-

ООМОТКИ. ципиальная схемы трансформатора при

Намагничивающая сила холостом ходе

(НС) ?о - возбуждает магнитное поле Фь большая часть силовых линий которого замыкается по сердечнику, образуя основной магнитный поток трансформатора Фо, сцепленный со всеми витками первичной и вторичной обмоток. Меньшее число силовых линий замыкается в немагнитной среде, образуя поток рассеяния Фзь сцепленный только с витками первичной обмотки.

Поток рассеяния 0si индуцирует в первичной обмотке ЭДС е81 = -Ш1(с1Ф8\/сИ). Основной магнитный поток Фо индуцирует в первичной и вторичной обмотках ЭДС - соответственно ei и е^:

ey = -w (d Ф^си), в2 = - {d Фо/dt),

где Шг - число последовательно соединенных витков вторичной обмотки.

Напряжение, приложенное к первичной обмотке трансформатора при холостом ходе, уравновешивается электродвижущими силами и esh а также падением напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки.

Уравнение равновесия ЭДС для первичной обмотки

1 = -(el-es,)-гo l

(l.l)

Трансформаторы проектируются так, чтобы при номинальной нагрузке геометрическая сумма ЭДС, индуцируемой потоком рассеяния и падения напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки, была во много раз меньше ЭДС, индуцируемой основным магнитным ПОТОКО.М. Учитывая, что ток при холостом хо-

де трансформатора, как правило, во много раз меньше тока первичной обмотки при номинальной нагрузке, выражение (1.1) можно заменить приближенным равенством:

15- 1. (1.2)

Следовательно, закон изменения напряжения Ui, приложенного к первичной обыотке трансформатора, определяет закон изменения ЭДС ei и закон изменения основного магнитного потока Фо.

При синусоидальном изменении напряжения Wi== f/imSin со/ЭДС e й магнитный поток Фо будут также изменяться по синусоидальному закону

Фo(.t) - {ujdt + С = - -cosat + С = Ф^ 5т (at - ~\{l.3)

щ J Ш10) \ 2 I

где С - постоянная интегрирования, равная нулю в установившемся режиме работы трансформатора; Фот - амплитуда основного магнитного потока (в Вб)

e=. - wi = - и Ф^п cos / - -5-j = 1 иФо„ sin (и t - зт).

Действующее значение ЭДС первичной обмотки

Ei== = Шх/Фот = 4,44/ш,Ф„ (1.4)

и вторичной обмотки

£a-4,44tt)J0e . (1.4а>

Из ур-ний (1.2) и (1.4) выражение для амплитуды магнитнога потока Фот можно представить как: Фого=1/(4,44/ш1) л; f7i/(4,44/ш1). Следовательно, основной магнитный поток прямо пропорционален напряжению Ui и обратно пропорционален частоте тока питающей сети / и числу витков первичной обмотки Wi, Причем амплитудное значение магнитного потока не зависит от сопротивления магнитной цепи в (1/Г)

где ио=4л-10-, Г/м - магнитная постоянная; / - длина магнитопровода, м; S - поперечное сечение магнитопровода, м^; \ir - относительная магнитная проницаемость сердечника.

Сопротивление магнитной цепи Ям определяет величину реактивной мощности, потребляемой от ИЭЭ для возбуждения магнитного потока в магнитопроводе трансформатора, и, следовательно, величину реактивной составляющей тока холостого хода.

Связь между реактивной составляющей тока холостого хода и магнитным сопротивлением для однородной магнитной цепи (которой можно заменить реальный магнитопровод, если пренебречь полями рассеяния) устанавливается законом Ома для магнитной цепи Фо = гм. iR-ki- Вследствие нелинейности кривой намагничивания материала сердечника (непостоянства относительной магнитной проницаемости Цг) магнитный поток не пропорционален г'ц . По-