книги / Электрооборудование электровакуумного производства

'типа электроизмерительного прибора. Нормально разо­ мкнутые контакты реле максимального тока включаются параллельно защищаемому прибору и закорачивают его при перегрузках в результате срабатывания реле. Дру­ гие группы контактов этого же реле могут быть исполь­ зованы для включения аварийной сигнализации при 'перегрузках.

Для защиты токовых электроизмерительны х приборов повышенной чувствительности (мил­ лиамперметров, микро­ амперметров и гальва­ нометров) преимущест­ венно применяются схе­ мы защиты, построен­ ные на использовании

Д

нелинейных характеристик полупроводниковых прибо­ ров. Типовая схема защиты электроизмерительного прибора с помощью полупроводникового стабилитрона приведена на рис. 1-23, а на рис. 1-24 показана типичная вольт-амперная характеристика низковольтного кремние­ вого стабилитрона, причем наиболее интересные участки характеристики показаны в более крупном масштабе. Б прямом направлении вольт-амперная характеристика стабилитрона практически не отличается от прямой вет­ ви характеристики любого кремниевого диода. Обратная ветвь характеристики стабилитрона имеет резкий пере­ лом, который объясняется наступлением пробоя. Хотя процесс пробоя нарастает лавинообразно, он остается управляемым: незначительные изменения напряжения,

61

приложенные к переходу полупроводника, вызывают рез­ кие изменения тока, протекающего через переход. Само­ произвольное развитие лавины не происходит и не при­ водит к разрушению перехода, что наблюдается при пробое диода. Кроме того, шунтирующее действие ста­ билитрона в схеме защиты незначительно из-за высокого значения величин сопротивления утечки и динамического сопротивления предпробойной части обратной ветви ха­ рактеристики (при напряжениях 2—3 В обратное сопро­ тивление стабилитрона составляет сотни мегаом). Для правильной работы схемы защиты, показанной на рис. 1-23, необходимо, чтобы величина суммарного падения напряжения на приборе и резисторе Rr, вызываемого прохождением тока полного отклонения прибора, была бы меньше значения пробивного напряжения применяе­ мого стабилитрона. Кратность перегрузки защищаемого прибора определяется отношением указанных напряже­ ний и может быть установлена подбором величины но­ минального значения сопротивления резистора Rr. Д ля обеспечения нормальных условий работы стабилитрона при защите прибора служит последовательно включен­ ный резистор R0, назначением которого является ограни­ чение тока аварийного режима до безопасных для стаби­ литрона пределов. В отдельных случаях резистор R0 может быть исключен, если его функции выполняются другими элементами схемы, например, защищаемая ста­ билитроном цепь питается от источника с большим внут­ ренним сопротивлением. При возможности аварийного режима импульсного характера необходимо стабилитрон шунтировать конденсатором, что показано на схеме пунктиром. Такая система защиты применяется в обо­ рудовании, содержащем высоковольтные источники, в цепях которых установлены измерительные приборы. Назначение емкости — защита стабилитрона от перегру­ зок импульсного характера, возникающих в высоковольт­ ных цепях при кратковременных пробоях, могущих вы­ вести стабилитрон из строя.

1-4. ТРАНСФОРМАТОРЫ И ДРОССЕЛИ

Трансформатором называется статический электро­ магнитный прибор, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока с одними пара­ метрами в электрическую энергию переменного тока

62

с другими параметрами. Основным назначением транс­ форматора является преобразование величины напряже­ ния переменного тока. Кроме того, трансформаторы при­ меняются для преобразования числа фаз, частоты и фор­ мы кривой напряжения и в других целях (элемент памя­ ти в вычислительных машинах, дифференцирующий трансформатор и т. д.). Во многих случаях устройства электропитания рассматриваются как вспомогательные узлы различной аппаратуры. Однако обеспечение нор­ мального функционирования аппаратуры зависит от ра­

Участки магнитопровода, на которых размещены обмот­ ки, называют стержнями, остальные участки магнитопровода называют ярмами. Один из вариантов конструктив­ ного исполнения такого трансформатора показан на рис. 1-26. И первичная и вторичная обмотки намотаны в виде двух одинаковых катушек, содержащих половину витков каждой обмотки. В режиме холостого хода (вто­ ричная обмотка разомкнута) через первичную обмотку протекает ток, возбуждающий в магнитопроводе пере­ менный магнитный поток Ф, пронизывающий витки обе­ их обмоток. При синусоидальной форме кривой питаю­ щего напряжения величины э. д. с., индуктированные

вобмотках, равны:

£, = 4,44/®,Фцакс; Е, — 4,44/а>,Фмакс,

где f — частота питающей сети; вц и «2 — числа витков обмоток; Фщакс — амплитуда магнитного потока.

63

Таким образом, для изменения величины Е2 нужно изменить число витков обмотки. Коэффициентом транс­ формации называют отношение Е2)Е\\

Ток холостого хода имеет две составляющие: актив­ ную и реактивную. Активная составляющая обусловлена потерями энергии на гистерезис и вихревые токи. Реак­ тивная составляющая, кроме основного магнитного пото­ ка, замыкающегося по магнитопроводу, создает магнит­ ный поток рассеяния Фрь замыкающийся по воздуху.

щ

г

Рис. 1-26. Вариант конструктивного выполнения стержневого трансформатора.

Для нагруженного трансформатора, если пренебречь по­ терями, имеем:

и /, = - J —h-

А гр

Основным параметром трансформатора является его мощность. Различают полную отдаваемую мощность, равную мощности в нагрузке:

P2= U 2I2

и полную потребляемую мощность, равную:

P ,= U JU

64

где U1 и U2— действующие значения напряжения об­ моток.

Коэффициент полезного действия трансформатора при работе на активную нагрузку равен отношению активной мощности в нагрузке к полной активной мощ­ ности, потребляемой из сети:

Р2

^Р2+ Рст + Рм

Коэффициент мощности, определяемый отношением активной мощности, потребляемой трансформатором из сети, к полной потребляемой мощности, равен:

cos?TP=r Р2+ Рст + Рм

Р1

где Рст — потери мощности в стали на вихревые токи и гистерезис; Рм— потери мощности в активном сопро­ тивлении обмоток.

Общие свойства трансформа­ тора являются характерными для любых трансформаторов вне за­ висимости от их назначения и конструктивного исполнения, хо­ тя они и могут обладать рядом особенностей, которые должны учитываться при проведении рас­ четов. Так, например, большин­ ство различных схем электропи­ тания построено с использова­ нием одного многообмоточного трансформатора, обеспечивающе­ го одновременное независимое подключение нескольких нагру­

зок при разных величинах напряжений (токов). Эконо­ мическая и техническая целесообразность применения многообмоточного трансформатора вместо нескольких двухобмоточных при питании какой-либо радиотехниче­ ской схемы очевидна. Для такого трансформатора весь­ ма характерным является взаимное влияние вторичных обмоток, выражающееся в изменении напряжения всех вторичных обмоток при изменении тока в одной из них. При использовании трехфазной системы питания воз­ можно осуществить преобразование напряжения с по­ мощью трех отдельных однофазных трансформаторов, однако чаще используют трехфазный трансформатор,

вар и др.). Для магнитопроводов высокочастотных транс­ форматоров и дросселей применяются магнитодиэлектрики, ферриты различных марок (альсиферы, оксиферы и др.).

Полный электрический расчет трансформаторов явля­ ется весьма сложным и трудоемким. Такой расчет с уче­ том многих факторов проводится лишь для ответствен­ ных случаев. В зависимости от поставленной задачи (по­ лучение наименьшей стоимости, габаритов, массы, тем­ пературного режима работы, заданной индуктивности обмоток, величины тока холостого хода и т. д.) можно получить решение с достаточной для практики точностью, пользуясь упрощенными методиками расчетов. Целью такого расчета является получение основных конструк­ тивных данных, достаточных для изготовления транс­ форматора, удовлетворяющего заданным значениям на­ грузки (электродвигателя, нагревателя, электрической схемы и др.). Ниже приводится одна из упрощенных методик расчета силового трансформатора, пригодная для быстрого определения конструктивных данных одно­ фазного силового трансформатора малой и средней мощ­ ности, имеющего магнитопровод стержневого или броне­ вого типа и работающего на промышленной частоте. В связи с целым рядом допущений приводимая методика является ориентировочной и позволяет получить много­ вариантное решение. Выбор варианта зависит от местных условий (наличие магнитопровода с определенными па­ раметрами, диаметра и марки проводов, изоляционных материалов и т. д.) и требований к силовому трансфор­ матору, определяемых конкретным применением (тем­ пература, габариты и др.).

Размеры сердечника определяются по мощности трансформатора:

S ^ = k\f7\,

где STp — необходимое сечение стержня магнитопровода (для магнитопровода броневого типа —• сечение среднего стержня), см2; k — коэффициент, определяющий соотно­ шение между объемами стали и меди, а также величину индукции. Коэффициент k принимается равным 1,4—1,1. Большее значение коэффициента берется для трансфор­ маторов малой мощности и магнитопровода, выполнен­ ного из низкокачественных сталей, например типа Э-42. Меньшие значения коэффициента принимаются при рас-

четах трансформаторов средней мощности и магнито­ провода, выполненного из качественной стали, например типа Э-330:

Р2=%Г2и 2 Вт.

В тех случаях, когда во вторичных обмотках имеется постоянная составляющая (например, при работе неко­ торых схем выпрямления), вызывающая вынужденное подмагничивание, необходимо в расчет вводить так на­ зываемую «габаритную мощность», равную полусумме вольт-ампер первичной и всех вторичных обмоток.

Так как геометрические размеры пластин магнитопровода стандартизованы, то выбор площади поперечно­ го сечения стержня магнитопровода определяет и гео­ метрические размеры самого трансформатора. В целях удобства изготовления (намотки) рекомендуется так вы­ бирать типоразмер пластин, чтобы поперечное сечение стержня магнитопровода было бы близко к квадратному (соотношение между сторонами берется в пределах 1—2). Выбор типоразмера пластины определяет набор пластин

kSTP

о= ------ - >

а

где STp — площадь поперечного сечения стержня магни­ топровода; а — размер (ширина) пластины, образующей

При известной толщине пластин можно сразу опреде­ лить их необходимое количество по величине набора. Для определения числа витков любой обмотки вычисля­ ется число витков, приходящееся на 1 В (при заданном значении индукции), по формуле

трансформатора и определяющий величину индукции. Нижнее значение принимается для высококачественной стали, допускающей большую индукцию, и для транс-

68

форматоров средней мощности. Верхнее значение прини­ мается для трансформаторов малой мощности и при применении магнитопровода из некачественной стали. Число витков любой обмотки получают умножением за­ данного напряжения обмотки на вычисленную величину числа витков, соответствующих напряжению 1 В, причем для учета потерь полученное значение числа витков всех вторичных обмоток в зависимости от характера нагруз­ ки увеличивается на 5—10%:

Ш1= В Д ms = UsN + W l 0U2N = l , W sN.

Диаметр обмоточных проводов может быть взят по справочнику или вычислен по следующей формуле:

d = 0 ,7 /7 ^ .

Полученные результаты следует проверить на воз­ можность размещения обмоток в окне выбранного типо­ размера пластины- с учетом каркаса, междуслойной и междуобмоточной изоляции, а также с учетом коэффи­ циента неплотности намотки. Если результаты проверки неудовлетворительные, то необходимо либо увеличить толщину набора пластин и за счет этого уменьшить чис­ ло витков обмоток, либо выбрать следующий типораз­ мер пластины с большей площадью окна, повторив рас­ чет.

Для создания индуктивных сопротивлений в цепях переменного тока, а также и в цепях постоянного тока, несущих переменную составляющую, используют катуш­ ки со стальными сердечниками. Для определения индук­ тивности катушки со стальным сердечником можно вос­ пользоваться формулой

;аД02.Ь’др

69

где L — индуктивность катушки, Г; со —число витков; S№ — площадь поперечного сечения магнитопровода, м ; 1№ — средняя длина магнитного пути в стали, м; не­ динамическая магнитная проницаемость.

см3

Рис. 1-29. График для определения сердечника дросселя.

Ниже приводится упрощенная методика для конст­ руктивного расчета дросселя фильтра, основной особен­ ностью которого является работа с током подмагничивания. Это приводит к изменению величины индуктивности благодаря изменению магнитной проницаемости в ре­ зультате насыщения магнитопровода по мере увеличения подмагничивающего тока. Основными исходными данны­ ми для расчета являются заданное значение индуктивно­ сти L и ток подмагничивания /о. Выбор сердечника дрос­ селя производится с помощью графика, приведенного на рис. 1-29. По горизонтали отложена расчетная величина LPо (L — индуктивность дросселя, Г; / 0—ток подмагни­ чивания, А), а по вертикали (справа) искомое произве­ дение Ддр/др.

Определив произведение 5др/др, выбирают стандарт­ ную пластину сердечника так же, как это было указано для трансформатора с соблюдением соотношения между толщиной набора пластин и шириной стержня. Для вы­ бранной пластины определяют /др. Для уменьшения зависимости изменения величины индуктивности от под-

70