Кулик Ю.А. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 3.43. Характеристика электромагнитного стабилизатора напряжения с компенсационной обмоткой,

работающего на принципе насыщения сердечника

мотки 2 имеет место, но оно компенсируется увеличением э. д. с. на обмотке К. В

результате напряжение u

на выходе стабилизатора остается неизменным.

Э. д. с. E

первичной обмотки имеет резко нелинейную зависимость от тока I

(кривая 1,

рис. 3.43). Так как стержень, на котором намотана обмотка 2, быстро насыщается, то ее э.

д. с. Е

после насыщения увеличивается незначительно (кривая 2). Э. д. с. Е

компенсационной обмотки изменяется пропорционально току I

(кривая 4), так как сталь

стержня, на который она намотана, ненасыщена. Стабилизатор настраивают таким

образом, чтобы угол α наклона кривой 4 к оси абсцисс был равен углу насыщенной части

кривой 2 к оси абсцисс. Напряжение на выходе стабилизатора U

, равное разности э. д. с.

обмоток 2

Рис. 3.44. Схема электромагнитного стабилизатора напряжения, работающего на принципе резонанса токов

181

Рис. 3.45. Характеристика электромагнитного стабилизатора напряжения с компенсационной обмоткой,

работающего на принципе резонанса токов

и К, в широком диапазоне увеличения тока I

не изменяется (кривая 3). К. п. д. этих

стабилизаторов обычно 40—60%.

На рис. 3.44 представлена одна из возможных схем электромагнитного стабилизатора

напряжения, работающего на принципе резонанса токов. Стабилизатор состоит из

автотрансформатора А, магнитопровод которого не насыщен, и реактивной катушки К,

стальной сердечник которой насыщен. К зажимам катушки К присоединена емкость С.

Обмотки стабилизатора соединены таким образом, что напряжение на реактивной

катушке U

и э. д. с. Е

вторичной обмотки автотрансформатора направлены встречно. В

результате этого напряжение на выходе стабилизатора равно их разности.

Вследствие явления феррорезонанса напряжение на реактивной катушке U

имеет резко

нелинейную зависимость от тока I

(кривая 1 на рис. 3.45). Магнитопровод

автотрансформатора не насыщен, поэтому э. д. с. Е

вторичной обмотки трансформатора

изменяется пропорционально току I

(кривая 3). Стабилизатор настраивают таким

образом, чтобы угол α наклона кривой 3 к оси абсцисс был равен углу насыщенной части

кривой 1 к оси абсцисс. В этом случае напряжения на выходе стабилизатора U

= u

— Е

(кривая 2) в широких пределах не зависит от абсолютных значений и

и Е

, а следовательно, от значения входного напряжения U

и тока I

. Коэффициент

полезного действия ферромагнитных стабилизаторов напряжения достигает 70—85%.

Магнитный усилитель. Последнее время в системах автоматического регулирования и в

вычислительной технике широко исполь-

Рис. 3.46. Схема простейшего магнитного усилителя

зуются магнитные усилители, которые имеют простую конструкцию и надежны в работе.

Магнитный усилитель МУ представляет собой дроссель насыщения, индуктивность

которого изменяется в результате подмагничивания постоянным током. Простейший МУ

состоит

182

Рис. 3.47. Зависимость падения напряжения U

му

на обмотке переменного тока МУ от тока I

обмотки

управления при неизменном токе нагрузки

Рис. 3.48. Работа МУ при неизменном напряжении на нагрузочном сопротивлении: а — изменение потока

МУ во времени; б — зависимость потока МУ от тока I

; в — изменение тока I

МУ во времени

из двух обмоток, намотанных на общий магнитопровод (рис. 3.46). Обмотка 1 соединена

последовательно с нагрузочным сопротивлением z

нг

, на котором необходимо изменять

напряжение. Обмотка 2 питается постоянным током и является обмоткой управления.

Напряжение на нагрузочном сопротивлении z

нг

уменьшается по сравнению с

напряжением сети U

на величину падения в МУ напряжения U

му

, которое является

функцией тока I

обмотки управления (рис. 3.47). Небольшое значение м. д. с. обмотки

управления приводит к резкому снижению индуктивности МУ. Если значение

нагрузочного сопротивления сохраняется неизменным, то происходит

перераспределение напряжений, в результате напряжение на МУ уменьшается, а на

нагрузочном сопротивлении увеличивается.

На рис. 3.48, а кривая 1 показывает изменение потока в сердечнике МУ при отсутствии

тока в обмотке управления. Если же по обмотке управления проходит постоянный ток I

то кривая 1 под-

183

Рис. 3.49. Статические характеристики МУ: а — без обратной связи; б — с обратной связью; в — в

двухтактном МУ

нимается вверх на величину Ф

, определяемую м. д. с. обмотки управления (кривая 2).

Сравнивая кривую изменения тока I

МУ в случаях, когда I

= 0 (кривая 1 на рис. 3.48, е) и

когда I

≠ 0 (кривая 2), видим, что при небольшом значении м. д. с. обмотки управления

ток МУ увеличивается значительно. На рис. 3.49, а представлена кривая изменения тока

МУ I

в зависимости от тока обмотки управления I

Схема МУ, представленная на рис. 3.46, обладает следующими недостатками: во-первых,

кривая тока I

несимметрична относительно оси абсцисс (кривая 2 на рис. 3.48, в) и, во-

вторых, в обмотке постоянного тока, которая является обмоткой управления, наводится

переменная э. д. с. (для ее сглаживания предусмотрен дроссель ДР

Рис. 3.50. Схема трехстержневого МУ с параллельным соединением обмоток

(см. рис. 3.46). Для ликвидации этих недостатков МУ выполняют на двух сердечниках или

на трехстержневом магнитопроводе. Расположенные на разных стержнях обмотки

включают последовательно или параллельно (рис. 3.50) таким образам, чтобы

184

индуктируемые в обмотке управления э. д. с. были направлены встречно и взаимно

компенсировались. Однако полная компенсация имеет место лишь при отсутствии

сигнала в обмотке управления. При наличии сигнала компенсируются лишь основная и

другие нечетные гармоники.

Реагируя на каждую полуволну изменения тока I

, сердечник МУ дважды насыщается за

один период. Вследствие изменения магнитной проницаемости сердечника поток Ф

создаваемый постоянным током обмотки управления, пульсирует с двойной частотой

сети, в результате чего в обмотках МУ наводится вторая гармоника э. д. с.

Мощность постоянного тока обмотки управления МУ составляет 0,3—3% от пропускной

мощности переменного тока. Таким образом, изменяя малые мощности постоянного тока

при помощи МУ, можно регулировать значительные мощности переменного тока.

Коэффициентом усиления МУ называется отношение регулируемой мощности

переменного тока к мощности управления

Для увеличения коэффициента усиления применяют обратную связь, которая

осуществляется через выпрямительное устройство. Простейший МУ (рис. 3.51, а) может

быть выполнен с внешней (рис. 3.51 ,б)и внутренней (рис. 3.51, в) обратной связью,

которая на рис. 3.51, б осуществляется обмоткой ОС. Для внешней обратной связи

характерным является то, что при ее отключении МУ сохраняет работоспособность.

Обмотки современных МУ с обратной связью наматывают на двух различных

сердечниках (рис. 3.51, г и д) или на трехстержневом магнитопроводе (см. рис. 3.50).

Нагрузочное сопротивление R

нг

МУ с обратной связью может быть включено на стороне

переменного (рис. 3.51, г) или постоянного (рис. 3.51, д) тока.

Если м. д. с. обратной связи совпадает по направлению с м. д. с. обмотки управления, то

коэффициент усиления МУ увеличивается — такая обратная связь называется

положительной. Если м. д. с. направлены встречно, то коэффициент усиления

уменьшается — такая обратная связь называется отрицательной. В МУ с положительной

обратной связью большая часть подмагни-

чивающей м. д. с. создается за счет обратной связи и лишь сравнительно небольшая — за

счет м. д. с. обмотки управления.

По отношению к одному направлению постоянного тока в обмотке управления обратная

связь является положительной, по отношению к другому — отрицательной. Поэтому

статическая характеристика МУ с обратной связью является несимметричной

185

Рис. 3.51. Схемы однотактных МУ: а — простейший МУ без обратной связи; б — простейший МУ с

внешней обратной связью; в — простейший МУ с внутренней обратной связью; г — МУ с внутренней

обратной связью, нагрузочное сопротивление R

нг

на стороне переменного тока; д — МУ с внутренней

обратной связью, нагрузочное сопротивление R

нг

на стороне постоянного тока

(см. рис. 3.49, б). Все рассмотренные выше МУ имеют тот недостаток, что при изменении

направления тока в обмотке управления фаза тока на выходе усилителя не меняется.

Такие МУ называются однотактными.

Во многих случаях необходимо, чтобы при отсутствии тока в обмотке возбуждения ток на

выходе МУ был бы равен нулю, а при изменении направления тока в обмотке управления

изменялась бы на 180° фаза тока I

на выходе. Этим требованиям удовлетво-

ряют двухтактные МУ, которые обычно представляют собой комбинацию двух

однотактных МУ, выходные токи которых направлены встречно. Статическая

характеристика 2 (см. рис. 3.49, в) двухтактного МУ получается как наложение

характеристик 1 и 3 однотактных МУ. Известны двухтактные МУ, которые не

представляют собой соединения однотактных усилителей. Обычно двухтактные

дроссельные МУ выполняются по дифференциальной

186

Рис. 3.52 Схемы двухтактных МУ: а — дифференциальная; б — мостовая

(например, рис. 3.52, а) или по мостовой (например, рис. 3.52,6) схеме.

Коэффициент усиления МУ достигает 300—500. Магнитные усилители изготовляются

мощностью от десятков ватт до десятков киловатт.

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 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 ток

ом, магнитопровод дважды насыщается за

один период изменения тока. В результате проходящий по этому магнитопроводу поток,

который создается подмагничивающей обмоткой постоянного тока, пульсирует и наводит

э. д. с. двойной частоты.

Удвоитель частоты (рис. 3.53) состоит из двух однофазных трансформаторов I и II,

каждый из которых имеет три обмотки: первичную обмотку I, питаемую от сети

переменного тока, подмагничиваю-щую обмотку 2, питаемую от сети постоянного тока и

выходную обмотку 3, к которой подсоединяется нагрузочное сопротивление z

нг

. В

некоторых случаях подмагничивающую обмотку заменяют вставкой из постоянного

магнита. Первичные обмотки, размещенные на разных сердечниках, соединены

последовательно, а выходные встречно. Поэтому э. д. с. выходной обмотки не содержит

первой

187

Рис. 3.53. Схема удвоителя частоты: 1 — первичная обмотка; 2 — подмагничивающая обмотка; 3 —

выходная обмотка

Рис. 3.54. Схема утроителя частоты с нагрузкой, включенной в нулевой провод

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 э. д.

с. двойной частоты.

Для компенсации внутреннего инду

ктивного сопротивления последовательно с

нагрузочным сопротивлением включают конденсатор С. Применение конденсаторов

улучшает cosφ и делает стабильным 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. 3.15,

а, может работать как утроитель частоты. Для этого в разрез ну

левого провода О—О

должно быть включено нагрузочное сопротивление z

нг

(рис. 3.54). Во многих случаях

включают компенсирующую емкость C.

В качестве утроителя частоты можно также использовать схемы (рис. 3.55)

трансформатора, первичная обмотка которого соединена в звезду без вывода нулевой

точки. Витки выходной обмотки, по

188

Рис. 3.55. 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

которой проходят токи тройной частоты, должны быть намотаны последовательно. На

всех трех сердечниках к выходной обмотке подключают нагрузочное сопротивление z

нг

компенсирующую емкость С. 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. 3.55,

а). В этом случае совмещается утроитель частоты с трансформатором и используются

основная и третья гармоники потока.

В схеме (рис. 3.56) 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 э. д. с, которая сдвинута на 180° по

отношению к гармонике э. д. с., индуктируемой в части обмотки 2, расположенной на

насыщенном сердечнике 1. В результате этого в выходной обмотке основные гармоники

компенсируются. Третья гармоника остается

Рис. 3.56. Схема утроителя частоты с компенсирующим трансформатор ом: 1 — первичная обмотка; 2 —

выходная обмотка

189

нескомпенсированной, и по нагрузочному сопротивлению z

нг

проходят токи тройной

частоты. Полная компенсация первых гармоник возможна только при холостом ходе, так

как при нагрузке угол сдвига между первыми гармониками э. д. с. обмоток 2 отличен от

180°.

ВОПРОСЫ

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

автотрансформаторе передается мощность из первичной сети во вторичную? Чем отличается рабочий

процесс понижающего автотрансформатора от повышающего? Какое значение имеет электромагнитная

мощность автотрансформатора, если его коэффициент трансформации k = 1? Почему у автотрансформатора

ток короткого замыкания больше, чем у трансформатора?

2. В результате чего э. д. с. на вторичной обмотке пик-трансформатора имеет заостренную форму? Каким

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

3. На каком принципе работают стабилизаторы напряжения? Как влияет изменение частоты питающей сети

и характер нагрузки на работу стабилизатора напряжения?

4. Мог бы работать МУ, если бы сталь его магнитопровода не насыщалась? Для чего в МУ применяют

обратную связь? Каким преимуществом обладают двухтактные МУ? Чем обусловливается большое

распространение МУ?

5. Какие гармоники тока используются для схем удвоителя и утроителя частоты? Какие общие явления

лежат в основе работы МУ и удвоителя частоты? Какая частота тока получается на выходе каскадного

соединения удвоителя и утроителя частоты?



190