Преобразователь трехфазной системы питания в двухфазную 1 страница

Всистемах автоматики для питания исполнительных асинхронных микродвига­телей часто используется система двухфазного тока. Двухфазный ток удобно получать из трехфазного путем применения особых трансформаторных схем. Наибольшее распро­странение получила схема,состоящая из двух неоди­наковых однофазных трансформаторов I и II (рис.1.5 а).В этой схеме точка 0 делит витки первичной обмотки трансформатора II на две равные части. Напряжения обмоток трансформаторов I и II сдвинуты на четверть периода. Первичные напряжения трансфор­маторов I и II или (рис. 1.5, б).

Для получения одинаковых напряжений на вторичных обмотках трансформаторов необходимо, чтобы коэффициент трансформации трансформатора I был в раз больше, чем трансформатора II. Обычно оба трансформато­ра выполняются с одинаковым числом вторичных витков, но первичные вит­ки трансформатора I име­ют ответвление на расстоянии количества вит­ков от начала обмотки. При симметричных двух­фазных токах вторичной цепи токи трехфазной пер­вичной цепи также явля­ются симметричными.

Р и с. 1.5. Преобразование трёхфазного тока в двухфазный:

а – трансформаторная схема; б – векторная диаграмма напряжений
первичных обмоток

1.3.2. Преобразователь трехфазной системы питания
в шести- и двенадцатифазную

В ряде случаев тре­буется преобразовывать трехфазный ток в шести- и двенадцатифазный. Для преобразова­ния в шестифазный ток используется трехстержневой трансформа­тор, на каждом стержне которого размещены одна фаза первичной обмотки и две одинаковые фазы вторичной. Вторичные обмотки могут быть соединены в две звезды (рис. 1.6), в замкнутый многоугольник или в зигзаг.

Р и с. 1.6. Преобразование трёхфазной системы тока в шестифазную:

а – схема соединения обмоток трансформатора;

б – векторная диаграмма ЭДС первичной обмотки;

в – векторная диаграмма ЭДС вторичной обмотки

Для преобразования в двенадцатифазный ток ис­пользуется соединение вто­ричных обмоток в двойной зигзаг (рис. 1.7). При этом число витков в ветви шестифазной части долж­но быть в 2,75 раза больше, чем двенадцатифазной. В случае симметричной на­грузки ток в шестифазной зоне в 1,93 раза больше, чем в двенадцатифазной. Двенадцатифазный ток может быть также получен с помощью двух трансфор­маторов трехфазного тока, преобразующих в шестифазный, у одного из которых первичная об­мотка соединена звездой, а у другого – треугольником.

Так как при большом числе фаз уменьшаются пульсации вы­прямленного тока и напряжения, то в случае выпрямления трех­фазного тока при помощи ртутных выпрямителей обычно применяют трансформаторы, вторичная обмотка которых имеет шесть или двенадцать фаз. При работе на выпрямитель фазы трансформа­тора работают поочередно.

1.4. Особенности трансформаторов,
при­меняемых в радио и телевизионных устройствах

Трансформаторы нашли широкое применение в схемах радио­электроники. Особенность этих схем со­стоит в том, что в них нужно преобра­зовывать ток и напряжение в большом диапазоне частот, обычно от долей гер­ца до сотен килогерц. Для возможно­сти минимального искажения формы пре­образуемого тока необходимо, чтобы характеристики трансформатора были линейными, а постоянная времени обмоток – наименьшей. Чтобы характеристики трансформатора имели линейную зависи­мость, уменьшают индукцию магнитопровода и шихтуют его из листов специальных ферромагнитных сплавов (например, пермалоя) или специальной трансформаторной электротехнической стали, имеющей малые потери, низкую остаточную индукцию, высо­кое значение индукции насыщения и большую магнитную прони­цаемость.

Вихревые токи в стали должны быть уменьшены, так как при высокой частоте они искажают форму выходных импульсов и вызывают значительное возрастание тока холостого хода. Вслед­ствие эффекта вытеснения вихревые токи вызывают неравномерное распределение потока по сердечнику магнитопровода, что может привести к насыщению поверхностных слоев листов стали. Для уменьшения постоянной времени обмотки размещают таким обра­зом, чтобы индуктивность рассеяния была наименьшей.

Р и с. 1.8. Преобразование трех­фазного тока в шестифазный для питания
выпрямителей по схеме трансформатора с урав­нительным реактором:

а – схема соединения обмоток трансформатора; б – изменение во времени ЭДС
вторичных обмоток и выпрямленного напряжения; в – изменение во времени тока
первичной обмотки; г – изменение во времени токов вторичной обмотки.

Развитие телевидения, радиолокации и импульсной радиосвязи привело к созданию специальных импульсных трансформаторов, предназначенных для преобразования сигналов, имеющих малую продолжительность и крутой фронт нарастания. Импульсные транс­форматоры понижают или повышают напряжение импульсов и могут изменять их полярность. Часто импульсные трансформаторы вы­полняются многообмоточными. Мощность импульсов современных трансформаторов находится в диапазоне от нескольких ватт до 10 мВт. Длительность импульсов составляет от долей микросекунды до 1-2 микросекунд. При этом фронт нарастания импульса обычно весьма крутой, и время t_t (рис. 1.9), в течение которого происходит нарастание импульса, очень мало. Кривая увеличения напряжения за время t_t может рассматри­ваться как четверть периода некоторого периодического процесса, проходящего с очень большой частотой, при которой между обмотками и между витками одной обмотки возникают значительные емкостные свя­зи. Учет емкостных связей в схеме замещения может быть приближенно произведен вве­дением ветви, содержащей емкость С. В им­пульсном трансформаторе по емкостным связям может проходить значительный ток, в результате чего искажается форма фронта импульса и могут возникнуть колебания, которые нак­ладываются на передаваемый импульс.

Особенностью процессов в импульсном трансформаторе по сравнению с трансформаторами, работающими при промышленной и даже звуковой частоте, является сильное влияние емкостных связей, перемагничивания и вихревых токов.

1.5. Пик-трансформатор

Если трансформаторы, применяемые в ра­диоэлектронике, должны возможно более точно сохранять форму кривой передаваемого напряжения, то назна­чение пик-трансформа­тора состоит в измене­нии формы кривой нап­ряжения. На выходе пик-трансформатора на­пряжение должно иметь острую пикообразную форму.

Для получения пикообразной формы ЭДС на вторичной об­мотке необходимо, чтобы сцепленный с нею поток был бы уплощен­ным. Поэтому вторичную обмотку наматывают на стержень 2 (рис. 1.10), имеющий весьма малое сечение, который быстро насы­щается. Первичную обмотку наматывают на имеющий большое сече­ние стержень 1, который через воздушный зазор шунтируется стержнем 3, имеющим также большое сечение. Стержни 1 и 3 не насыщаются.

Пик-трансформатор работает следующим образом. Пока стер­жень 2, на который намотана вторичная обмотка, не насытился, поток стержня 1 в основном замыкается по стержню 2,так как этот путь имеет меньшее магнитное сопротивление. После насыщения стержня 2 при дальнейшем увеличении потока стержня 1 он проходит только через воздушный зазор по ненасыщенному стерж­ню 3.

Изменение во времени потоков и ЭДС пик-трансформатора представлено на рис. 1.11. В любой момент времени поток Ф в стержне 1 равен сумме потоков: Ф в насыщенном стержне 2 и Ф в стержне 3 (рис. 1.12).

Р и с. 1.10. Схема пик- Р и с. 1.11. Изменение во времени

трансформатора потоков и ЭДС пик-трансформатора

Пользуясь идеализированной картиной изменения потока Ф₂ , проанализируем изменение ЭДС Е₂ в обмотке, рас­положенной на насыщенном стержне 2 (см. рис. 1.13). Если бы стержень 2 не насыщался, то потоки Ф и Ф₂ изменялись бы по одному и тому же закону (кривая 1).В этом случае в обмотке 2 индуктировалась бы ЭДС (пунктирная кривая 2),фаза которой от­стает на четверть периода от кривой 1 изменения потока. Вслед­ствие насыщения стержня 2 поток Ф₂ в течение времени, определяемого на рис. 1.13 углом , остается неизменным (кривая 3). Поэтому в течение этого времени ЭДС Е₂ равна нулю (кривая 4).Таким образом, ЭДС Е₂ индуктируется только в промежутке вре­мени, определяемом на рисунке углом (кривая 4).

Из рис. 1.13 следует, что

,

где – амплитудное значение индукции в стержнях 1 и 2; Si и S₂ – сечение стержней 1 и 2.

Последнее выражение показывает, что ширина пика вторичного на­пряжения уменьшается при уменьшении сечения S₂ стержня 2 и при увеличении индукции В_m1 стержня 1.

Р и с. 1.13. Идеализированная картина изменения потоков
и ЭДС пик-трансформатора

На рис. 1.13 видно, что величина пика вторичного напряжения равна амплитудному значению ЭДС:

,

откуда следует, что величина пика пропорциональна индукции В_m1 стержня 1, на котором намотана первичная обмотка.

Пик-трансформаторы широко применяются при регулировании, при выпрямлении и инвертиро­вании переменного тока и в многоканальной телефонной связи.

1.6. Электромагнитный стабилизатор напряжения

Во многих схемах автоматики и радиоэлектроники необходимо поддерживать неиз­менное напряжение. Обычно напряжение сети имеет колебания в некоторых пределах. Для их устранения применяются стабилиза­торы. В установках мощностью до 5 кВ·А часто используются электро­магнитные стабилизаторы. К их достоинствам можно отнести низкую стоимость, простоту изготовления и надежность в работе. Их недо­статком является плохая форма кривой стабилизированного напря­жения и зависимость его величины от частоты сети и cos нагрузки. В основном применяются два типа электромагнитных стабилиза­торов напряжения: без емкости, работающие на принципе насыще­ния сердечника, и с емкостью, работающие на принципе резонанса токов или резонанса напряжений.

На рис. 1.14 представлена одна из возможных схем электро­магнитного стабилизатора напряжения насыщенного типа. Магнитопровод стабилизатора трехстержневой. Один из крайних стержней имеет меньшее сечение, которое выбирают таким образом, чтобы его сталь была насыщена. На этом стержне намотана вторич­ная обмотка трансформатора. Первичная обмотка, присоединяемая к напряжению питающей сети U_u,намотана на среднем стержне. На другом крайнем стержне большого сечения намотана компенсационная обмотка К, имеющая не­большое число витков. Она соеди­нена со вторичной обмоткой 2 по­следовательно таким образом, что­бы их ЭДС были направлены встречно. Напряжение U₂ на выхо­де стабилизатора равно разности ЭДС, индуктируемых в обмотках 2 и К. Часто в стабилизаторах ис­пользуется не трансформаторная, а автотрансформаторная схема. Стабилизатор работает следую­щим образом. При увеличении напряжения питающей сети на обмотке 1 поток в насыщенном стержне, на котором намотана об­мотка 2, увеличивается незначи­тельно, так как увеличение потока происходит в основном по пути ненасыщенного стержня, на кото­ром намотана обмотка К. Однако некоторое увеличение ЭДС обмотки 2 имеет место, но оно компенсируется увеличением ЭДС на обмотке К. В результате напряжение на выходе стабилизатора остается неизменным. ЭДС первичной обмотки имеет резко нелинейную зависи­мость от тока (кривая 1, рис. 1.15). Так как стержень, на кото
ром намотана обмотка 2, быстро насыщается, то ее ЭДС Е₂ после насы­щения увеличивается незначительно (кривая 2).ЭДС Е_к компенса­ционной обмотки изменяется пропорционально току (кривая 4), так как сталь стержня, на который она намотана, не насыщена. Стабилизатор настраивают таким образом, чтобы угол наклона кривой 4 к оси абсцисс был равен углу насыщенной части кривой 2 к оси абсцисс. Напряжение на выходе стабилизатора U2, рав­ное разности ЭДС обмоток 2 и K, в широком диапазоне увеличения тока не изменяется (кри­вая 3). К.п.д. этих стабилизаторов обычно 40-60%.

1.7. Электромагнитные преобразователи частоты

В некоторых схе­мах автоматического регулирования, измери­тельных устройств и для питания электроинструмента использу­ются статические электромагнитные преобразователи частоты. В большинстве случаев применяются преобразователи, которые ум­ножают частоту в два, три, шесть, восемь и девять раз. Наиболее распространенными яв­ляются удвоители и утроители частоты. Ос­тальные умножители обычно получают путем каскадного соедине­ния, при котором напря­жение выхода одного усилителя подается на вход другого. Рассматривае­мые умножители частоты работают по принципу насыщения.

Принцип работы удвоителя частоты основан на том, что при изменении потока, создаваемого переменным и постоянным током, магнитопровод дважды насыщается за один период изменения тока. В результате проходящий по этому магнитопроводу поток, который создается подмагничивающей обмоткой постоянного тока, пульсирует и наводит ЭДС двойной частоты.

Удвоитель частоты (рис. 1.16) состоит из двух однофазных транс­форматоров I и II, каждый из которых имеет три обмотки: первич­нуюобмотку 1, питаемую от сети переменного тока, подмагничивающую обмотку 2, питаемую от сети постоянного тока и выходную обмотку 3, к которой подсоединяется нагрузочное сопротивление zHr. В некоторых случаях подмагничивающую обмотку заменяют вставкой из постоянного магнита.

Первичные об­мотки, размещенные на разных сер­дечниках, соединены последовательно, а выходные – встречно. Поэтому ЭДС выходной обмотки не содержит первой и других нечетных гармоник. Так же, как и в магнитной системе трехстержневого МУ, магнитопроводы сердечников удвоителя частоты насыщаются, реагируя на каждую полуволну тока первич­ной обмотки. Вследствие этого поток, создаваемый обмоткой 2 постоянного тока, пульсирует с двойной частотой сети и наводит в выходной обмотке ЭДС двойной частоты.

Для компенсации внутреннего индуктивного сопротивления последовательно с нагрузочным сопротивлением включают конденса­тор С. Применение конденсаторов улучшает и делает стабиль­ными внешние характеристики умножителей. Напряжение двой­ной частоты на выходной обмотке 3 регулируют изменением вели­чины постоянного тока в подмагничивающей обмотке 2.

Утроители частоты работают на принципе исполь­зования третьей гармоники, возникающей при насыщении сталь­ного магнитопровода. Схема, показанная на рис. 1.17, может работать как утроитель частоты. Для этого в разрез нулевого про­вода должно быть включено нагрузочное сопротивление _. Во многих случаях включают компенсирующую ем­кость С. В качестве утроителя частоты можно также использовать схемы (рис. 1.18) трансформатора, первичная обмотка которого соединена в звезду без вывода нулевой точки. Витки выходной обмотки, по которой проходят токи тройной частоты, должны быть намотаны последовательно. На всех трех сердечниках к выходной обмотке подключают нагрузочное сопротивление и компенсирующую ем­кость С.

а б

Р и с. 1.18. Схема утроителя частоты:

а – при наличии выходной обмотки основной частоты;
б – без выходной обмотки основной частоты: 1 – первичная обмотка;
2 – вторичная обмотка основной частоты;
3 – выходная обмотка тройной частоты

Для лучшего использования магнитной системы кроме выходной обмотки 3 токов тройной частоты утроитель может также иметь вторичную трансформаторную обмотку 2, соединенную в звезду без вывода нулевой точки (рис. 1.18, а). В этом случае утрои­тель частоты совмещается с трансформатором и использу­ются основная и третья гармоники потока.

В схеме (рис. 1.19) обмотки утроителя ча­стоты намотаны на двух сердечниках. Первич­ные обмотки, размещенные на сердечниках I и II, соединены последовательно, а выходные обмотки 2 – встречно. Сердечник I насыщен­ный.

Сердечник II имеет воздушный зазор и является ненасыщенным. Поэтому в части выходной обмотки 2, которая намотана на стержне II, индуктируется только основная гармоника ЭДС, которая сдвинута на 180° по отношению к гармонике ЭДС, индукти­руемой в части обмотки 2, расположенной на насыщенном сердечнике I.

В результате это­го в выходной обмотке основные гармоники компенсируются. Третья гармоника остается некомпенсированной, и по нагрузочному сопротивлению z_Hr про­ходят токи тройной частоты. Полная компенсация первых гармоник возможна только при холостом ходе, так как при нагрузке угол сдвига между первыми гармониками ЭДС обмоток 2 отличен от 180°.

Контрольные вопросы

1. Какие достоинства и недостатки имеет автотрансформатор по сравне­нию с трансформатором?

2. Как в автотрансформаторе передается мощность из первичной сети во вторичную?

3. Чем отличается рабочий процесс понижаю­щего автотрансформатора от повышающего?

4. Какое значение имеет электро­магнитная мощность автотрансформатора, если его коэффициент трансформа­ции k = 1?

5. Почему у автотрансформатора ток короткого замыкания больше, чем у трансформатора?

6. В результате чего ЭДС на вторичной обмотке пик-трансформатора имеет заостренную форму?

7. Каким образом можно увеличить высоту и ширину пика напряжения пик-трансформатора?

8. Каков принцип работы стабилизаторов напряжения?

9. Как влияет изменение частоты питающей сети и характера нагрузки на работу стабилизатора напряжения?

10. Какие гармоники тока используются для схем удвоителя и утроителя частоты?

11. Какие общие явления лежат в основе работы МУ и удвоителя час­тоты?

12. Какая частота тока получается на выходе каскадного соединения уд­воителя и утроителя частоты?

2. СВАРОЧНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

2.1. Общие сведения об электросварке

Электросваркой называется способ получения не­разъемного соединения металлических деталей путем их местного нагрева до жидкого или пластического состояния с использованием для нагрева электрической энер­гии. Наиболее распространенные виды электросварки – дуговая и контактная.

При дуговой электросварке соединяемые детали обычно нагреваются вместе с присадочным материалом при помощи электрической дуги, температура в которой превышает 5000 °С. В зоне сварки создается ванночка расплавленного металла, которая при охлаждении за­твердевает и образует сварной шов, прочно соединяющий свариваемые детали.

При контактной электросварке детали в месте со­единения нагревают до оплавления (иногда – до пла­стического состояния) и сжимают с определенным усилием. Нагрев осуществляется теплом, которое выделяет­ся в точках контакта между деталями при прохождении через них электрического тока. Присадочный материал не добавляется.

На предприятиях электромашиностроения установки электросварки применяют для сварки остовов генера­торов и двигателей постоянного тока, приварки к осто­вам лап, изготовления сварных кожухов электрических машин, сварки крестовин и т. д. Электросварка широко используется при монтажных и ремонтных работах.

Дуговая сварка имеет несколько разновидностей. По особенностям использования электрической дуги раз­личают сварку открытой дугой, закрытой дугой под сло­ем флюса, защищенной дугой в среде защитного газа. В зависимости от степени механизации и автоматизации процесса сварки говорят о ручной, полуавтоматиче­ской и автоматической сварке. Наконец, сварка может производиться на постоянном и на переменном токе од­нофазной и (реже) трехфазной дугой. Сварка на по­стоянном токе дороже и требует более сложного оборудования, но дает более высокое качество сварного шва.

Самое широкое применение для сварки черных ме­таллов получила ручная электросварка открытой дугой с плавящимся электродом (рис. 2.1, а). Дуга, получая питание от источника 2 переменного или постоянного то­ка, горит в воздухе между свариваемыми деталями и электродом 3, который плавится в процессе сварки и участвует в образовании сварного шва. Электрод из проволоки, по химическому составу близкой к металлу свариваемых деталей, покрыт обмазкой. Она содержит вещества, которые образуют при расплавлении шлаки и газы, повышающие устойчивость дуги и в известной ме­ре защищающие расплавленный металл от воздействия кислорода и азота воздуха.

Ручная сварка открытой дугой с неплавящимся электродом (рис. 2.1, б) используется обычно при сварке деталей из цветных металлов и сплавов. В этом случае применяется источник постоянного тока. Дуга горит между свариваемыми деталями 1 и электродом 3 (угольным или графитовым). В зону сварки вводится присадочный пруток 4.

При автоматической и полуавтоматической сварке закрытой дугой под флюсом с плавящимся электродом (рис.2.1, в) дуга горит под находящимся на свариваемых деталях 1 слоем сыпучего вещества – флюса 6. Голая электродная проволока 3 автоматически подается в зону сварки через флюс с помощью подающего механизма 5. Дуга получает питание от источника 2 переменного или постоянного тока. При сварке под флюсом в зоне сварочной дуги под действием высокой температуры флюс расплавляется и образует своеобразный газовый пузырь. Оболочка 7 последнего надежно защищает расплавленный металл от действия кислорода и азота воздуха. При автоматической сварке автоматизируется и перемещение дуги вдоль свариваемых кромок; при полуавтоматической сварке это перемещение осуществляется вручную. Автоматическая сварка под флюсом дает высокое качество сварного соединения; ее производительность в 6-12 раз выше, чем ручной дуговой сварки.

Р и с. 2.1. Разновидности дуговой сварки

Сварка защищенной дугой в среде защитного газахарактерна тем, что в зону сварки специально подают аргон, или смеси его с небольшим количеством активных газов (аргонодуговая сварка), или углекислый газ. Ручная аргонодуговая сварка неплавящимся электродом (рис. 2.1, г) на постоянном и переменном токе от источника 2 применяется при изготовлении конструкций из нержавеющих и жаропрочных сталей, цветных металлов и их сплавов, при сварке тонкого металла. Воль­фрамовый электрод 3 помещен в газоэлектрическую го­релку 8, к которой под давлением подводится газ из баллона. Вытекающая из сопла горелки струя газа 9 за­щищает в зоне сварки основной металл и металл приса­дочного прутка 4 от воздействия кислорода и азота возду­ха. При автоматической и полуавтоматической сварке в среде аргона или углекислого газа используется плавя­щийся электрод (рис. 2.1, д). Неизолированная элект­родная проволока 3 при помощи механизма 5 непрерыв­но подается через горелку 8 в зону сварки, которая от­делена от окружающего воздуха струей газа 9. Сварка в среде аргона производится как на переменном, так и на постоянном токе, сварка в среде углекислого газа (она применяется для сталей любого состава) – на постоянном токе. Сварка в среде углекислого газа для многих видов работ экономически эффективнее других способов сварки.

При питании сварочной дуги постоянным током сва­риваемые детали чаще всего соединяют с положитель­ным полюсом источника, а электрод – с его отрица­тельным полюсом. Это – так называемая «прямая по­лярность» сварки. В дуге в области анода выделяется большее количество тепла, чем в области катода, поэто­му при сварке с прямой полярностью большую долю тепла получают служащие анодом свариваемые детали, которые обычно массивнее электрода. Но в ряде случаев (при сварке тонких листов, некоторых цветных метал­лов, при сварке в среде углекислого газа и др.) приме­няют и «обратную полярность», когда электрод явля­ется анодом.

Оборудование для дуговой сварки используется и при резке и наплавке металлов, например, при ручной дуговой резке металлическим или угольным электродом открытой дугой, аргонодуговой резке и наплавке и т. п.

Контактная электросварка имеет следующие разно­видности: стыковая сварка, точечная и роликовая (шов­ная). Сварку производят на контактных машинах пере­менным однофазным током большого значения (до ты­сяч и десятков тысяч ампер) при малых напряжениях (единицы вольт) или мощными однополярными импульсами тока (только для точечной и роликовой сварки).

При стыковой сварке (рис. 2.2, а) детали сваривают по всей плоскости их касания. В зависимости от марки металла, площади сечения и требований к качеству соединения процесс стыковой сварки осуществляют по-разному. Для сравнительно малых сечений свариваемых деталей (до 300 мм²) применяют стыковую сварку сопротивлением. Заготовки с механически обработанными и зачищенными торцами устанавливают в стыковую машину и закрепляют усилием F₃. После этого их при­жимают одну к другой усилием осадки F_uc определенно­го значения и пропускают через них ток от трансфор­матора ТрС. При нагреве металла в зоне сварки до пластического состояния происходит осадка. Ток выклю­чают еще до окончания осадки. При больших сечениях применяют стыковую сварку оплавлением. Ее произво­дят в три стадии: предварительный подогрев, оплавле­ние и окончательная осадка, или только в две послед­ние стадии.