Розробка регулятора змінної напруги з вольтододачею (стр. 4 из 7)

Дане правило справедливо також і для вторинної ланцюга:

Рівняння лінійного трансформатора.

Нехай i₁, i₂ - миттєві значення струму в первинної та вторинної обмотці відповідно, u₁ - миттєве напруга на первинній обмотці, R_H - опір навантаження. Тоді

Тут L₁, R₁-індуктивність та активний опір первинної обмотки, L₂, R₂-те ж саме для вторинної обмотки, L₁₂-взаємна індуктивність обмоток. Якщо магнітний потік первинної обмотки повністю пронизує вторинну, тобто якщо відсутня поле розсіювання, то

. Індуктивності обмоток у першому наближенні пропорційні квадрату кількості витків в них. Ми отримали систему лінійних диференціальних рівнянь для струмів в обмотках. Можна перетворити ці диференціальні рівняння в звичайні алгебраїчні, якщо скористатися методом комплексних амплітуд.

Для цього розглянемо відгук системи на синусоїдальний сигнал u₁ = U₁e^-jωt (ω = 2π f, де f - частота сигналу, j - уявна одиниця). Тоді i₁ = I₁e^-jωt і т. д., скорочуючи експоненціальні множники отримаємо

U₁ =- jωL₁I₁-jωL₁₂I₂+I₁R₁

-JωL₂I₂-jωL₁₂I₁+I₂R₂ =-I₂Z_н

Метод комплексних амплітуд дозволяє досліджувати не тільки чисто активне, але і довільне навантаження, при цьому досить замінити опір навантаження R_н його імпедансом Z_н. З отриманих лінійних рівнянь можна легко виразити струм через навантаження, скориставшись законом Ома.

На Рис.1.3.2 показана еквівалентна схема трансформатора з підключеним навантаженням, як воно виглядає з боку первинної обмотки.

Рис.1.3.2 – Т-подібна схема заміщення трансформатора

Тут T - коефіцієнт трансформації, L₁₂ - «корисна» індуктивність первинної обмотки, L_1п, L_2п - паразитні індуктивності первинної та вторинної обмотки (пов'язані з розсіюванням), R_1п, R_2п - паразитні опору первинної та вторинної обмотки відповідно, Z_н - імпеданс навантаження.

Ступінь втрат (і зниження ККД) у трансформаторі залежить, головним чином, від якості, конструкції і матеріалу «трансформаторного заліза» (електротехнічна сталь). Втрати в сталі складаються в основному з втрат на нагрівання осердя, на гістерезис і вихрові струми. Втрати у трансформаторі, де «залізо» монолітне, значно більше, ніж у трансформаторі, де воно складено з багатьох секцій (так як в цьому випадку зменшується кількість вихрових струмів). На практиці монолітні сердечники не застосовуються. Для зниження втрат у магнітопроводі трансформатора магнітопровода може виготовлятися зі спеціальних сортів трансформаторної сталі з додаванням кремнію, який підвищує питомий опір заліза електричному струму, а самі пластини лакуються для ізоляції один від одного.

Режими роботи трансформатора

1. Режим холостого ходу. Даний режим характеризується розімкнутого вторинної ланцюгом трансформатора, внаслідок чого струм у ній не тече. За допомогою досвіду холостого ходу можна визначити ККД трансформатора, коефіцієнт трансформації, а також втрати в сталі.

2. Витримку навантаження режим. Цей режим характеризується замкнутим на навантаженні вторинним ланцюгом трансформатора. Даний режим є основним робочим для трансформатора.

3. Режим короткого замикання. Цей режим виходить в результаті замикання вторинної ланцюга накоротко. З його допомогою можна визначити втрати корисної потужності на нагрівання проводів в ланцюзі трансформатора. Крім того, втрати в трансформаторі додаються за рахунок нагрівання проводів. Це враховується у схемі заміщення реального трансформатора за допомогою активного опору.

Габаритна потужність трансформатора описується наступною формулою:

P_габ = (P₁ + P₂) / 2 = (U₁I₁ + U₂I₂) / 2

• ₁ - первинної обмотки

• ₂ - вторинної обмотки

Однак, це кінцевий результат. Або академічне визначення. Спочатку габаритна потужність, як випливає з назви, визначається габаритами сердечника і матеріалом, його магнітними та частотними властивостями. ККД трансформатора знаходиться за наступною формулою:

Де:

P₀ - втрати холостого ходу (кВт) при номінальній напрузі

P_L - навантажувальні втрати (кВт) при номінальному струмі

P₂ - активна потужність (кВт), що подається на навантаження

n - відносна ступінь навантаження (при номінальному струмі n = 1).

1.4 Регулятори змінної напруги

Класифікація регуляторів змінної напруги

Регуляторами змінної напруги в силовій електроніці називаються перетворювачі змінного напруги в змінну напругу ж тієї ж частоти, але з регульованою величиною напруги. Вони дозволяють плавно, безконтактно, швидко змінювати змінну напругу на навантаженні на відміну від громіздких, інерційних традиційних пристроїв його регулювання на основі трансформаторів з перемиканням відводів, автотрансформаторів, керованих реактивних баластних опорів (реакторів, конденсаторів).

Можна виділити наступні типи регуляторів змінної напруги.

1. З фазовим способом регулювання змінної напруги і природної комутацією. Ці регулятори виконуються на вентилях з неповним управлінням (тиристорах), і тому вони самі прості і дешеві, але мають знижену якість вихідної напруги і споживаного з мережі струму.

2. За принципом вольтододачі, коли послідовно з джерелом змінної вхідної напруги вводиться додаткова напруга, так що напруга на навантаженні визначається векторною сумою двох зазначених напруг. Напруга вольтододачі, як правило, вводиться за допомогою трансформатора. Можливі два різновиди пристроїв вольтододачі. У першому варіанті пристрій пропускає через себе активну і реактивну потужності, створювані від взаємодії напруги вольтододачі зі струмом навантаження. У другому варіанті пристрій вольтододачі пропускає через себе тільки реактивну потужність, що зменшує втрати в ньому і не потребує для його живлення джерела активної потужності. Перший варіант пристрою може бути виконаний на вентилях з неповним керуванням і використанням при невеликому діапазоні регулювання напруги на навантаженні. Другий варіант пристроїв виконується на вентилях з повним керуванням.

3. З широтно-імпульсними способами регулювання змінної на напруги. Ці регулятори виконуються на вентилях з повним керуванням, вони більш складні і дорогі, ніж перші два типи, але можуть забезпечувати високу якість вихідної напруги і споживаного струму у всьому діапазоні регулювання.

4. З керованим високочастотним обміном енергією між накопичувальними елементами. Вони дозволяють у безтрансформаторному варіанті отримувати вихідну напругу як більше, так і менше вхідної при високій якості вихідної напруги і споживаного з мережі струму. Такі регулятори призначені в першу чергу для живлення відповідальних електроспоживачів.

Регулятори з фазовим способом регулювання

Базові схеми регуляторів

Рис.1.4.1 Найпростіший регулятор

Найпростіший регулятор однофазної змінної напруги складається з двох зустрічно-паралельно ввімкнених тиристорів, з'єднаних послідовно з навантаженням, як показано на рис.1.4.1 Кути управління α повинні бути такими, щоб струм в послідовному активно-індуктивному навантаженні був переривчастим.

Збільшення кута регулювавання α призводить до зменшення тривалості протікання струму через Тиристор λ і зростанню спотворення кривої напруги на навантаженні U_н і за рахунок цього до зміни його діючого значення і першої гармоніки. При цьому погіршується і якість споживаного з мережі струму через зростання зсуву фази струму щодо напруги (збільшення споживання реактивної потужності) і за рахунок погіршення його форми внаслідок зменшення тривалості протікання λ.

Регулювальні характеристики. Для регуляторів змінної напруги значущі два види регулювальних характеристик залежно від характеру навантаження. При роботі на активне навантаження показовою є залежність діючого значення вихідної напруги регулятора від кута регулювання α. Для однофазного регулятора ця регулювальна характеристика приймає наступний вигляд:

(1.4.1)

При роботі на асинхронний двигун (у першому наближенні активно-індуктивне навантаження) показовою є залежність діючого значення першої гармоніки вихідного напруги регулятора від кута α. Для однофазного регулятора цю регулювальну характеристику отримуємо при розкладанні кривий вихідної напруги в ряд Фур'є, а синусова складова першої гармоніки буде

	(1.4.2)
Косинусна складова діючого значення першої гармоніки		(1.4.3)

Тоді діюче значення першої гармоніки вихідної напруги регулятора щодо діючого значення вхідної напруги регулятоляра, тобто регулювальна характеристика регулятора по першій гармоніці, буде визначатися за виразом