Дроссели насыщения

Дроссель насыщения (ДрН) внешне напоминает трансформатор. Как и у трансформатора, у него на замкнутом стальном сердечнике расположено несколько обмоток из изолированного медного провода.

Для большей наглядности рассмотрим дроссель насыщения с О-образным стальным сердечником и двумя обмотками (рис. 4.1):

одна обмотка (ω₌)служит для пропускания постоянного тока от вспомогательного источника тока (ВИТ);

вторая обмотка (ω_~)) для переменного тока (тока нагрузки).

Всякая катушка со стальным сердечником для переменного тока представляет собой более или менее значительное реактивное сопротивление, которое тем больше, чем больше сечение стального сердечника и чем больше витков в катушке, по которой протекает переменный ток.

Размер сердечника и число витков определяются расчетом применительно к заданным условиям нагрузки и диапазону регулировки напряжения.

Если посредством выключателя В отключить обмотку ω₌ от источника постоянного тока, а через обмотку ω_~ пропустить ток нагрузки I_~, то напряжение U₂ (на нагрузке) будет меньше напряжения U₁, подаваемого от источника переменного тока, например, от электросети.

Эта объясняется тем, что часть подаваемого напряжения «теряется» (гасится) на катушке дросселя.

Обозначив напряжение на дросселе через ∆U_др, можем записать, что U₂= U_{1 -} ∆U_др (поскольку в этом случае имеет место не арифметическое, а геометрическое вычитание, над буквами поставлены точки.)

Заметив по показаниям соответствующих измерительных приборов величины U₂ и ∆U_др, замкнем выключатель В, следствие чего постоянный ток от ВИТ потечет по обмотке ω₌.

Taк как при этом величина падения напряжения (∆U_др) на обмотке переменного тока уменьшается, то напряжение U₂ на нагрузке возрастает.

Если увеличить ток в обмотке ω₌ посредством, например, выведения части сопротивления реостата г, то ∆U_др будет продолжать уменьшаться, а U₂ возрастать.

Это объясняется тем, что с увеличением тока в обмотке ω₌ будет возрастать магнитный поток в сердечнике или, как говорят, сердечник будет все больше и больше насыщаться. А чем больше насыщение у сердечника дросселя, тем меньше индуктивное сопротивление этого дросселя.

Величина магнитного потока (намагничивания), возникающего в сердечнике, зависит от числа, витков обмотки ω₌ и тока, протекающего по этой обмотке. Магнитный поток пропорционален числу ампер-витков, которое равно произведению величины тока на число витков.

Можно создать равный по величине магнитный поток, или пользуясь обмоткой с малым числом витков, но посылая по ней большой ток, или пользуясь обмоткой с очень большим числом витков, но посылая по ней небольшой ток. Обычно обмотка ω₌ для намагничивания сердечника дросселя насыщения имеет большое число витков из сравнительно тонкого провода, по которому пропускают постоянный ток небольшой величины. Такой дроссель конструктивно проще.

Обмотка ω_~, по которой протекает переменный ток (ток нагрузки), обычно имеет небольшое число витков из провода, сечение которого рассчитывается на заданный ток нагрузки.

Дроссель насыщения, имеющий две обмотки на общем стальном сердечнике, представляет собой обычный трансформатор. Переменное напряжение е_~, наведенное в обмотке ω_~ переменным током, трансформируется в обмотку ω₌ и там возникает переменное напряжение.

По закону трансформирования величина е'_~ будет во столько раз больше е_~, во сколько раз число витков обмотки ω₌ больше числа витков обмотки ω_~.

А так как обычно ω₌ намного больше ω_~, то и переменное напряжение е'_~ наводимое в обмотке ω₌ может достигать очень больших (опасных) значений и отрицательно влиять как на вспомогательный источник постоянного тока (ВИТ), так и на весь процесс регулирования.

Чтобы избежать появления в обмотке подмагничивания (ω₌) наведенного переменного напряжения, дроссель насыщения выполняют особым образом.

На крайних стержнях сердечника Ш-образной формы (рис. 4.2) располагают обмотки переменного тока (ω'_~ и ω''_~), а на среднем стержне — обмотку подмагничивания (ω₌), питаемую постоянным током.

Обмотки переменного тока наматываются и соединяются друг с другом так, чтобы магнитные потоки Ф'_~ и Ф"_~, создаваемые ими, имели направление, указанное на рис. 4.2.

Тогда в среднем стержне эти магнитные потоки будут иметь противоположные направления.

При равенстве числа витков и токов в обмотках ω'_~ и ω''_~ магнитные потоки Ф'_~ и Ф"_~ будут взаимно компенсировать друг друга и в среднем стержне практически переменного потока не будет, а значит, в обмотке подмагничивания ω₌ переменное напряжение наводиться не будет.

Отдельные обмотки переменного тока можно соединять друг с другом или параллельно (рис. 4.2), или последовательно (рис. 4.3). Практически сердечник для дросселей насыщения удобнее изготовлять из двух О-образных сердечников.

Принципиальная схема однофазного выпрямительного устройства с дросселями насыщения, предназначенными для стабилизации выпрямленного напряжения, приведена на рис. 4.4.

Обмотка переменного тока (ОПТ) дросселя насыщения ДрН включается в цепь первичной обмотки Тр выпрямительного устройства.

Обмотка подмагничивания (ОПМ) дросселя насыщения питается постоянным током от специального выпрямительного блока, который входит в комплект автоматического устройства (АУ).

Питание выпрямительного блока производится от той сети переменного тока. К автоматическому устройству подводится выпрямленное напряжение (U₀).

Если выпрямленное напряжение по каким-либо причинам, например следствие колебания напряжения в сети или изменения нагрузки, отклонится от заданной величины, то АУ сразу же отреагирует на это отклонение и изменит в нужной степени ток подмагничивания, чем быстро восстановит прежнюю величину выпрямленного напряжения.

Например, при незначительном повышении напряжения в сети автоматическое устройство, получив сигнал об этом с выхода выпрямительного устройства (напряжение Uo), уменьшает ток подмагничивания в обмотке ОПМ дросселя насыщения ДрН.

Это вызывает увеличение кажущегося сопротивления обмотки переменного тока (ОПТ), вследствие чего падение напряжения на этой обмотке возрастает, а напряжение, подаваемое к обмотке ω_~ трансформатора, остается прежним.

Но поскольку выпрямленное напряжение (U₀) непосредственно зависит от напряжения, подаваемого от трансформатора к выпрямительному мосту (ВМ), то восстанавливается прежняя величина U₀.

Таким же образом действует АУ я в случае изменения выпрямленного напряжения вследствие роста или уменьшения нагрузки.

Описанная система регулирования выпрямленного напряжения носит название «следящей системы», поскольку она следит за величиной выпрямленного напряжения и повышает или понижает ток подмагничивания в дросселях насыщения при изменении этого напряжения, независимо от того, по какой причине такое изменение возникла.

В выпрямительных устройствах, предназначенных для выпрямления трехфазного тока, в каждую фазу надо включить по одному дросселю насыщения.

С целью сокращения расхода меди применяют трехфазный дроссель насыщения с общей обмоткой подмагничивания.

Все сказанное о регулировании и стабилизации выпрямленного напряжения относится к выпрямительным установкам, в которых применены неуправляемые вентили (селеновые, германиевые и кремниевые).

В настоящее время разработаны и в ближайшие годы очевидно получат самое широкое применение управляемые полупроводниковые вентили (в основном кремниевые) с тремя выводами.

Третий вывод служит для подачи управляющего напряжения, предназначенного для изменения времени прохождения тока через вентиль.

Это равносильно изменению выходного (выпрямленного напряжения). Мощность, требующаяся для регулировка режима работы управляемого вентиля (диода), очень мала, поэтому выпрямительные устройства со стабилизированным выпрямленным напряжением, построенные на базе этих вентилей, будут более компактными (не будут содержать громоздких дросселей насыщения).