Электроника:Переменный ток/Трансформаторы/Специальные трансформаторы и приложения

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Специальные трансформаторы и приложения

Согласование импеданса

Поскольку трансформаторы могут менять уровни напряжения и тока и поскольку мощность передаётся между первичной и вторичной обмотками одинаково, их можно использовать для «перевода» импеданса нагрузки на другой уровень. Эта утверждение заслуживает некоторого пояснения, так что, давайте разберёмся, что тут имеется ввиду.

Цель нагрузки (обычно) – продуктивно распорядиться мощностью, которую она рассеивает. В случае резистивного нагревательного элемента практическая цель рассеиваемой мощности - нагреть что-либо.

Нагрузки спроектированы таким образом, чтобы безопасно рассеивать определённое максимальное количество мощности, но две нагрузки с равной номинальной мощностью не обязательно идентичны. Рассмотрим эти два резистивных нагревательных элемента мощностью 1000 Вт каждый:

Рис. 1. Нагревательные элементы рассеивают 1000 Вт при различных номинальных значениях напряжения и тока.

Оба нагревателя рассеивают ровно 1000 Вт мощности, но они делают это при разных уровнях напряжения и тока (250 В и 4 А или 125 В и 8 А). Используя закон Ома для определения необходимого сопротивления этих нагревательных элементов (R = E/I), мы получаем значения 62,5 Ом и 15,625 Ом соответственно.

Если это нагрузки переменного тока, мы могли бы ссылаться на их сопротивление току с точки зрения импеданса, а не простого сопротивления, хотя в данном случае составляющей реактанса и нет, ввиду отсутствия в этой схеме реактивных компонентов. Можно утверждать, что 250-вольтовый нагреватель представляет собой нагрузку с более высоким сопротивлением, чем 125-вольтный нагреватель.

Если мы захотим подключить 250-вольтовый нагревательный элемент непосредственно к 125-вольтовой системе питания, то нас постигнет разочарование. При 62,5 Ом импеданса (сопротивления) ток будет только 2 ампера (I = E/R = 125/62,5), а рассеиваемая мощность будет только 250 Вт (P = IE = 125×2), или ¼ его номинальной мощности.

Импеданс нагревателя и напряжение нашего источника будут несовместимы, и мы не сможем получить полную номинальную мощность, рассеиваемую нагревателем.

Однако, не всё потеряно, друзья мои. С повышающим трансформатором мы могли бы использовать нагревательный элемент на 250 вольт в системе питания на 125 вольт, как показано на рисунке ниже.

Рис. 2. Повышающий трансформатор питает 1000-ваттовый нагреватель напряжением 250 В от источника питания, рассчитанного на 125 В.

Коэффициенты преобразования импеданса, тока и напряжения

Соотношение обмоток трансформатора обеспечивает повышение напряжения и понижение тока, необходимое для того, чтобы несогласованная нагрузка правильно работала в этой системе. Внимательно посмотрите на цифры первичной цепи: 125 вольт при 8 амперах. Насколько «известно» источнику питания, он питает нагрузку 15,625 Ом (R = E/I) при 125 В, а не нагрузку 62,5 Ом!

Значения напряжения и тока для первичной обмотки указывают на полное сопротивление нагрузки 15,625 Ом, а не на фактические 62,5 Ом самой нагрузки. Другими словами, наш повышающий трансформатор не только преобразовал напряжение и ток, но и преобразовал импеданс.

Коэффициент трансформации импеданса – это квадрат отношения трансформации напряжения/тока, он такой же, как и отношение индуктивности обмотки:

Рис. 3. Коэффициенты трансформации для напряжения, тока и импеданса.

Это согласуется с нашим примером повышающего трансформатора 2:1 и отношением импеданса от 62,5 Ом до 15,625 Ом (соотношение 4:1, что составляет 2:1 в квадрате).

Преобразование импеданса – это очень полезная способность трансформаторов, так как она позволяет нагрузке рассеивать свою полную номинальную мощность, даже если в системе питания нет надлежащего напряжения, чтобы делать это напрямую.

Применение теоремы о передаче максимальной мощности к трансформаторам

Вспомните из нашего исследования сетевого анализа теорему о максимальной передаче мощности (том 1 «Постоянный ток», глава 10 «Анализ сети постоянного тока», раздел 12 «Теорема о передаче максимальной мощности»), которая гласит, что максимальное количество мощности будет рассеиваться сопротивлением нагрузки, когда это сопротивление нагрузки равно сопротивлению Тевенена/Нортона в сети, обеспечивающей питание. Замените слово «импеданс» на «сопротивление» в этом определении, и вы получите версию этой теоремы для переменного тока.

Если мы стремимся получить теоретически максимальное рассеивание мощности от нагрузки, должна быть возможность правильно согласовать импеданс нагрузки и импеданс источника (Тевенена/Нортона). Обычно это более актуально для специализированных электрических цепей, таких как радиопередатчик/антенна или аудиоусилитель/акустические системы.

Давайте возьмём систему аудиоусилителя и посмотрим, как она работает:

Рис. 4. Усилитель с импедансом 500 Ом управляет 8 Ом при мощности, намного меньшей максимальной.

При внутреннем импедансе 500 Ом усилитель может передавать полную мощность только на нагрузку (динамик), также имеющую сопротивление 500 Ом. Такая нагрузка будет падать с более высоким напряжением и потреблять меньше тока, чем динамик с сопротивлением 8 Ом, рассеивающий такое же количество энергии.

Если бы динамик 8 Ом подключить непосредственно к усилителю 500 Ом, как показано, то несоответствие импеданса привело бы к плохим характеристикам (низкая пиковая мощность). Кроме того, усилитель будет рассеивать больше энергии, чем нужно, в виде тепла, при попытке управлять динамиком с низким импедансом.

Чтобы эта система работала лучше, можно использовать трансформатор для согласования этих несогласованных импедансов. Поскольку мы переходим от источника с высоким импедансом (высокое напряжение, низкий ток) к нагрузке с низким импедансом (низкое напряжение, высокий ток), нам нужен понижающий трансформатор:

Рис. 5. Трансформатор согласования импеданса согласовывает усилитель 500 Ом с динамиком 8 Ом для максимальной эффективности.

Согласование импеданса

Чтобы получить коэффициент трансформации импеданса 500:8, нам потребуется коэффициент обмотки, равный квадратному корню из 500:8 (√(500:8) = √(62,5:1) = 7,906:1). С таким трансформатором динамик будет нагружать усилитель в нужной степени, потребляя мощность с правильными уровнями напряжения и тока, чтобы соответствовать теореме о максимальной передаче мощности и обеспечить наиболее эффективную подачу мощности на нагрузку. Использование трансформатора в таком контексте называется согласованием импеданса.

Любой, кто ездил на велосипеде с переключающимися скоростями, интуитивно поймёт принцип согласования импеданса. Ноги велосипедиста производят максимальную мощность при вращении кривошипа велосипеда с определённой скоростью (от 60 до 90 оборотов в минуту).

Выше или ниже этой скорости вращения мышцы ног менее эффективны для выработки энергии. Назначение «шестерён» велосипеда - согласовать сопротивление ног с условиями езды, чтобы шатун всегда вращался с оптимальной скоростью.

Если гонщик пытается начать движение, когда велосипед находится на «высшей» передаче, то двигаться будет очень трудно. Это говорит о том, что спортсмен слаб?

Нет, это означает, что высокое передаточное число цепи и звёзд установленной передачи на этой высшей передаче представляет несоответствие между условиями (большая инерция, которую нужно преодолеть) и усилиями ног (необходимо вращать со скоростью 60-90 об./мин. для максимальной выходной мощности).

С другой стороны, выбор слишком низкой передачи позволит водителю немедленно начать движение, но ограничит максимальную скорость, которую он сможет достичь. Опять же, не является ли отсутствие скорости признаком недостаточно натренированных ног?

Нет, поскольку более низкое передаточное число выбранной передачи создаёт другой тип несоответствия между условиями (низкая нагрузка) и ногами гонщика (потеря мощности при вращении со скоростью более 90 об./мин.). То же самое и с источниками электроэнергии и нагрузками: для максимальной эффективности системы необходимо согласование полного сопротивления.

В цепях переменного тока трансформаторы выполняют ту же функцию согласования, что и звезды с цепью («шестерни») на велосипеде, чтобы пересогласовывать несовместимые источники и нагрузки.

Трансформаторы согласования импеданса

Трансформаторы согласования импеданса принципиально не отличаются от трансформаторов любого другого типа по конструкции или внешнему виду. Небольшой трансформатор согласования импеданса (шириной около двух сантиметров) для звуковых частот показан на этой фотографии:

Рис. 6. Трансформатор согласования импеданса звуковой частоты.

Другой трансформатор согласования импеданса можно увидеть на этой печатной плате, у которой в правом верхнем углу, слева от резисторов R₂ и R₁. Обозначается «T₁»:

Рис. 7. Установленный на печатной плате трансформатор согласования звукового сопротивления, вверху справа.

Потенциальные трансформаторы (трансформаторы напряжения)

Трансформаторы также могут использоваться в системах электрооборудования. Благодаря способности трансформаторов повышать или понижать напряжение и ток, а также обеспечиваемой ими гальванической развязке, они могут служить способом подключения электрических приборов к высоковольтным силовым системам с высоким током.

Предположим, мы хотим точно измерить напряжение в энергосистеме на 13,8 кВ (очень распространённое напряжение распределения электроэнергии в американской промышленности):

Рис. 8. Прямое измерение высокого напряжения с помощью вольтметра слишком опасно.

Разработка, установка и обслуживание вольтметра, способного напрямую измерять 13 800 вольт переменного напряжения, было бы непростой задачей. Сама по себе угроза безопасности подвода проводов 13,8 кВ к приборной панели очень серьёзна, не говоря уже о конструкции самого вольтметра.

Однако, используя прецизионный понижающий трансформатор, мы можем снизить напряжение 13,8 кВ до безопасного уровня при постоянном соотношении и изолировать его от соединений прибора, сделав измерительную систему намного безопаснее:

Рис. 9. Применение измерительных приборов: «потенциальный трансформатор» точно масштабирует опасное высокое напряжение до безопасного значения, применимого к обычному вольтметру.

Теперь вольтметр считывает точную долю от фактического напряжения системы, а его шкала откалибрована так, как если бы он измерял напряжение напрямую.

Трансформатор поддерживает напряжение прибора на безопасном уровне и электрически изолирует его от системы питания, поэтому нет прямого соединения между линиями питания и прибором или проводкой прибора. При использовании в этом качестве трансформатор называется потенциальным трансформатором (или просто ПТ). Также часто используется термин трансформатор напряжения.

Потенциальные трансформаторы предназначены для обеспечения максимально точного коэффициента понижения напряжения. Чтобы помочь в точной регулировке напряжения, нагрузка сведена к минимуму: вольтметр имеет высокое входное сопротивление, чтобы потреблять как можно меньше тока.

Как видите, предохранитель включён последовательно с первичной обмоткой ПТ для безопасности и простоты отключения ПТ от цепи.

Стандартное вторичное напряжение для ПТ составляет 120 вольт переменного тока для полного номинального напряжения линии электропередачи. Стандартный диапазон вольтметра для ПТ составляет 150 вольт для полной шкалы.

ПТ с нестандартным передаточным числом витков обмотки могут быть изготовлены для любого применения. Это хорошо подходит для промышленной стандартизации самих вольтметров, так как трансформатор напряжения будет иметь размер, позволяющий понижать напряжение системы до стандартного уровня прибора.

Трансформаторы тока

Следуя той же логике, можно использовать трансформатор для понижения тока в линии электропередачи, чтобы безопасно и легко измерять высокие системные токи с помощью недорогих амперметров. Конечно, такой трансформатор подключается последовательно с линией питания.

Рис. 10. «Трансформатор тока» понижает высокий ток до значения, применимого к обычному амперметру.

Обратите внимание, что в то время, как ПТ является понижающим устройством, трансформатор тока (или ТТ) является повышающим устройством (по отношению к напряжению), что необходимо для понижения тока в линии питания. Довольно часто трансформаторы тока создаются как устройства, имеющие форму «пончика», через которые продевается провод линии электропередачи, причем сама линия электропередачи действует как одновитковая первичная обмотка:

Рис. 11. Токопровод, который нужно измерить, продевают через отверстие. Уменьшенный ток доступен на проводках.

Некоторые трансформаторы тока можно «расщёлкнуть» и затем «защёлкнуть», что позволяет надевать их на силовой кабель, не отключая линию электропередачи. Стандартный вторичный ток для трансформатора тока составляет от 0 до 5 ампер переменного тока. Как и трансформаторы напряжения, трансформаторы тока могут быть изготовлены с настраиваемым передаточным числом намотки что позволяет их применять в разных ситуациях.

Поскольку вторичный ток при полной нагрузке стандартно составляет 5 ампер, коэффициенты трансформатора тока обычно описываются в терминах первичных ампер полной нагрузки к стандартным 5 ампер, например:

Рис. 12. Понижающий коэффициент обычно содержит число 5.

Показанный на фотографии выше «тороидальный» ТТ имеет соотношение 50:5. То есть, когда по проводнику, продетого через отверстие тора, проходит переменный ток на 50 ампер, в обмотке ТТ индуцируется ток на 5 А.

Поскольку трансформаторы тока предназначены для питания амперметров, которые представляют собой нагрузки с низким сопротивлением, а обмотка в них как в повышающих трансформаторах напряжения, они никогда не должны работать с разомкнутой вторичной обмоткой.

Несоблюдение этого приведёт к тому, что ТТ будет производить чрезвычайно высокое вторичное напряжение, опасное как для оборудования, так и для оператора. Чтобы облегчить техническое обслуживание амперметра, закорачивающие выключатели часто устанавливаются параллельно вторичной обмотке трансформатора тока, чтобы их замыкали всякий раз при снятии амперметра:

Рис. 13. Переключатель короткого замыкания позволяет отсоединить амперметр от цепи трансформатора активного тока.

Хотя намеренное короткое замыкание компонента энергосистемы может показаться странным, это совершенно правильно и совершенно необходимо при работе с трансформаторами тока.

Трансформаторы с воздушным сердечником

Другой вид специального трансформатора, который часто встречается в радиочастотных цепях, – это трансформатор с воздушным сердечником. В соответствии со своим названием, трансформатор с воздушным сердечником имеет обмотки, намотанные вокруг немагнитной формы, обычно это полая трубка из какого-то диамагнетика.

Степень «связи» (взаимная индуктивность) между обмотками в таком трансформаторе во много раз меньше, чем у эквивалентного трансформатора с железным сердечником, но нежелательные характеристики ферромагнитного сердечника (потери на вихревые токи, гистерезис, насыщение и т.д.) полностью устраняются.

Именно в высокочастотных приложениях недостатки железных сердечников приносят наибольшую головную боль.

Рис. 14. Трансформаторы с воздушным сердечником могут иметь цилиндрическую (а) или тороидальную (б) формы. На рис. (а) соединение первичной обмотки с вторичной центрировано. На рис. (б) бифилярная обмотка.

Внутренняя обмотка соленоида с отводами без внешней обмотки может соответствовать неравным импедансам, когда изоляция постоянного тока не требуется. Когда изоляция нужна, дополнительная обмотка добавляется поверх одного конца основной обмотки. Трансформаторы с воздушным сердечником используются на радиочастотах, когда потери в железном сердечнике слишком велики.

Часто трансформаторы с воздушным сердечником соединяются параллельно с конденсатором, чтобы настроить его на резонанс. В одном из таких приложений первичная обмотка подключается между радиоантенной и землей. Вторичная обмотка настроена на резонанс с переменным конденсатором.

Выходной сигнал может быть взят из точки отвода для усиления или обнаружения. В радиоприёмниках используются малые миллиметровые трансформаторы с воздушным сердечником. Самые большие радиопередатчики могут использовать катушки метрового размера. Трансформаторы соленоидов с неэкранированным воздушным сердечником установлены под прямым углом друг к другу, чтобы предотвратить случайную «связь».

Рассеивающая «связь» сводится к минимуму, когда трансформатор намотан на тороид. Трансформаторы с тороидальным воздушным сердечником также демонстрируют более высокую степень сцепления, особенно это касается бифилярных обмоток. Бифилярные обмотки наматываются из слегка скрученной пары проводов.

Это подразумевает соотношение витков 1:1. Три или четыре провода могут быть сгруппированы для 1:2, подобным образом можно достигать и других соотношений. Обмотки не обязательно должны быть бифилярными. Это позволяет получить произвольное передаточное число. Однако страдает степень сцепления. Трансформаторы с тороидальным воздушным сердечником встречаются редко, за исключением работы на ОВЧ (очень высоких частотах).

Материалы невоздушных сердечников, такие как порошковое железо или феррит, предпочтительны для более низких радиочастот.

Катушка Теслы (трансформатор Теслы)

Одним из ярких примеров трансформатора с воздушным сердечником является катушка Теслы, названная в честь сербского гения электричества Николы Тесла, который также был изобретателем двигателя переменного тока с вращающимся магнитным полем, многофазных систем питания переменного тока и многих элементов радиотехники.

Катушка Теслы – это резонансный высокочастотный повышающий трансформатор, используемый для создания чрезвычайно высоких напряжений.

Смелой мечтой Теслы было использовать свою технологию катушек для распределения электроэнергии без проводов, просто передавая её в виде радиоволн, которые можно было бы принимать и передавать на нагрузки с помощью антенн.

Базовая схема катушки Тесла показана на рисунке ниже.

Рис. 15. «Катушка Теслы»: несколько тяжёлых первичных витков, много вторичных витков.

Конденсатор вместе с первичной обмоткой трансформатора образует колебательный контур. Вторичная обмотка наматывается в непосредственной близости от первичной, обычно это тот же сердечник немагнитной формы. Существует несколько вариантов «возбуждения» первичной цепи, простейшими из которых являются источник переменного тока высокого напряжения и низкой частоты, а также искровой разрядник:

Рис. 16. Системная схема катушки Теслы с искровым разрядником.

Назначение высоковольтного низкочастотного источника переменного тока – «заряжать» колебательный контур. Когда искровой разрядник срабатывает, его низкий импеданс замыкает цепь, состоящую из конденсатора и первичной катушки, позволяя ему колебаться на своей резонансной частоте.

Индуктивные элементы РЧД на схеме представляют собой «радиочастотные дроссели», которые действуют как высокие импедансы, предотвращая влияние источника переменного тока на колебательный контур.

Вторичная обмотка трансформатора катушки Теслы также представляет собой колебательный контур, полагающийся на паразитную межвитковую ёмкость, возникающую между разрядным вывод и заземлением, дополняя индуктивность вторичной обмотки.

Для оптимальной работы этот вторичный контур настроен на ту же резонансную частоту, что и первичный, при этом энергия обменивается не только между конденсаторами и индукторами во время резонансных колебаний, но также между первичной и вторичной обмотками. Визуальные результаты впечатляют:

Рис. 17. Высоковольтный высокочастотный разряд катушки Теслы.

Хотя катушкам Теслы 100 лет в обед, ввиду их эффектности они часто преподносятся как некие революционные устройства, не имеющие аналогов. Их часто можно обнаружить на выставках школьных «изобретений», в мастерских «народных учёных» и иногда в низкобюджетных научно-фантастических фильмах.

Стоит всегда помнить, что катушка Теслы – это крайне опасная игрушка. Ожоги, вызванные радиочастотным током, как и все электрические ожоги, могут быть очень проникающими, в отличие от кожных ожогов, вызванных контактом с горячими предметами или пламенем.

Хотя высокочастотный разряд катушки Теслы имеет любопытное свойство выходить за пределы частоты «восприятия боли» нервной системы человека, тем не менее, катушка Теслы может нанести тяжкие увечья или даже убить! Если вам неймётся её собрать, настоятельно рекомендую проконсультироваться у опытного экспериментатора, работавшего с катушками Теслы.

Насыщаемые реакторы

До сих пор мы рассматривали трансформатор как устройство для преобразования разных уровней напряжения, тока и даже импеданса из одной цепи в другую. Теперь мы рассмотрим его как устройство совершенно другого типа: позволяющее небольшому электрическому сигналу управлять гораздо бо́льшим количеством электроэнергии. В этом режиме трансформатор действует как усилитель.

Устройство, о котором я говорю, называется реактором с насыщаемой активной зоной (с насыщаемым сердечником) или просто насыщаемым реактором. На самом деле, это вообще не трансформатор, а особый вид катушки индуктивности, индуктивность которой изменяется подачей постоянного тока через вторую обмотку, намотанную на тот же железный сердечник.

Подобно феррорезонансному трансформатору, насыщаемый реактор основан на принципе магнитного насыщения. Когда материал, такой как железо, полностью насыщен (то есть все его магнитные домены выровнены с приложенной силой намагничивания), дополнительное увеличение тока через намагничивающую обмотку не приводит к дальнейшему увеличению магнитного потока.

Обзор индуктивности

Индуктивность – это мера того, насколько хорошо катушка индуктивности противостоит изменениям тока, создавая напряжение в противоположном направлении. Способность индуктора генерировать это противоположное напряжение напрямую связано с изменением магнитного потока внутри индуктивного элемента в результате изменения тока и количества витков обмотки.

Если сердечник катушки «насытился», при дальнейшем увеличения тока возникновения дополнительного магнитного потока не будет, и, следовательно, не будет индуцированного напряжения, противоположного изменению тока. Другими словами, катушка теряет свою индуктивность (способность противодействовать изменениям тока), когда её сердечник становится магнитно-насыщенным.

Если индуктивность катушки изменяется, её реактанс (и импеданс) по отношению к переменному току также изменяется. В схеме с источником постоянного напряжения это приведет к изменению тока:

Рис. 18. Если изменяется индуктивность L, соответственно изменится Z_L, тем самым изменив ток в цепи.

Как работает насыщаемый реактор

Реактор с насыщением использует этот эффект, переводя сердечник в состояние насыщения с помощью сильного магнитного поля, создаваемого током, проходящим через другую обмотку. «Силовая» обмотка реактора – та, по которой проходит переменный ток нагрузки, а «управляющая» обмотка – та, по которой проходит постоянный ток, достаточно сильный, чтобы привести сердечник в состояние насыщения:

Рис. 19. Постоянный ток, проходящий через «управляющую» обмотку, насыщает сердечник. Таким образом можно регулировать индуктивность, импеданс и силу тока «силовой» обмотки.

Можно заметить, что на схеме символ трансформатора странно выглядит. Такое обозначение принято для реактора с насыщаемым сердечником, причём верхняя обмотка управляет постоянным током, а нижняя – это «силовая» обмотка, через которую проходит регулируемый переменный ток.

Повышение постоянного тока создаёт больший магнитный поток в сердечнике реактора, приближая его к состоянию насыщения, тем самым уменьшая индуктивность силовой обмотки, уменьшая её импеданс и увеличивая силу тока в нагрузке. Таким образом, управляющий постоянный ток управляет переменным током, подаваемым на нагрузку.

Эта схема работающая, но не без недостатков. Первая проблема – это естественное трансформаторное воздействие насыщаемого реактора: переменный ток в силовой обмотке вызывает напряжение в управляющей обмотке, что может вызвать проблемы для источника питания постоянного тока.

Кроме того, насыщаемые реакторы склонны регулировать мощность переменного тока только в одном направлении: в одной половине цикла переменного тока МДС от обеих обмоток складываются; в другой половине – вычитаются. Таким образом, сердечник будет иметь больший магнитный поток в течение одной половины цикла переменного тока, чем другой, и будет насыщаться первым в этой половине цикла. В итоге в одном направлении ток нагрузки пропускается более легко, чем в другом.

К счастью, обе проблемы можно решить, проявив немного смекалки:

Рис. 20. Управляющие обмотки постоянного тока вне фазы позволяют симметрично управлять переменным током.

Обратите внимание на расположение точек фазирования на обоих реакторах: силовые обмотки «синфазны», а управляющие обмотки «не совпадают по фазе». Если оба реактора идентичны, любое напряжение, индуцированное в обмотках управления током нагрузки через силовые обмотки, уравновесится до нуля на выводах батареи, тем самым устраняя первую упомянутую проблему.

Кроме того, поскольку управляющий постоянный ток в обоих реакторах создаёт магнитные потоки в разных направлениях через активные зоны реактора, один реактор будет насыщать больше в одном цикле мощности переменного тока, в то время как другой реактор будет больше насыщаться в другом, таким образом уравновешивая управляющее воздействие в каждом полупериоде, в итоге мощность переменного тока регулируется симметрично.

Эта фазировка управляющих обмоток может быть выполнена или с помощью двух отдельных реакторов (как в нашем примере) или в конструкции с одним реактором с правильной компоновкой обмоток и сердечника.

Технология насыщаемого реактора была даже уменьшена до уровня печатной платы в компактных корпусах, более известных как магнитные усилители.

ИМХО, это очень увлекательно: эффект усиления (один электрический сигнал управляет другим), обычно требующий использования физически хрупких электронных ламп или электрически «хрупких» полупроводниковых устройств, может быть реализован в устройстве, достаточно прочном как физически, так и электрически.

Магнитные усилители имеют недостатки по сравнению со своими более хрупкими аналогами, как-то: размер, вес, нелинейность и полоса пропускания (частотная характеристика). Но всё равно их абсолютная простота достойна внимания, а то и практического применения.

Реакторы с насыщающимся сердечником менее известны как «катушки индуктивности с насыщаемым сердечником» или «преобразователи».

Т-образный трансформатор Скотта

Изначальная многофазная система питания Николы Тесла основана на простых в сборке двухфазных компонентах. Однако по мере увеличения расстояний передачи всё эффективней было использование трехфазных систем. Двух- и трёхфазные компоненты сосуществовали ещё некоторое время.

Т-образный трансформатор Скотта (ещё его называют трансформатор Скотта с Т-образным расположением обмоток) позволял соединить двух- и трёхфазные компоненты, такие как двигатели и генераторы переменного тока. Ямамото и Ямагути:

В 1896 году компания «Дженерал Электрик» построила трёхфазную линию электропередач протяженностью 35,5 км (22 мили), работающую на напряжении 11 кВ, для передачи энергии в Буффало, штат Нью-Йорк, от гидроэлектростанции в Ниагара-Фолс. Двухфазная генерируемая мощность была изменена на трёхфазную с использованием Т-образного трансформатора Скотта.

Рис. 21. Т-образный трансформатор Скотта преобразует 2-φ в 3-φ или наоборот.

Комплект Т-образных трансформаторов Скотта, показанный на рисунке выше, состоит из трёхфазных трансформатора T₁ с отводами и трансформатора T₂ отводящий 86,6%. Первичные обмотки обоих трёхфазных трансформаторов подключены к двухфазному напряжению.

Один конец вторичной обмотки T₂ (отводящий 86,6%) является выходом 3-φ, другой конец подключён к центральному отводу вторичной обмотки T₁. Оба конца вторичной обмотки T₁ являются двумя другими соединениями 3-φ.

Мощность генератора Ниагарской ГЭС из 2-φ преобразовывалось в 3-φ, что позволяло её передавать по более эффективной трёхфазной линии электропередач. В наши дни гораздо чаще выполняется обратная операция: мощности из 3-φ преобразуются в 2-φ для запитывания устаревших двухфазных двигателей, которые ещё много, где используются.

На рисунке ниже мы используем комплексные числа, записанные как в полярной, так и в алгебраической форме, чтобы доказать, что Т-образный трансформатор Скотта преобразует пару напряжений из 2-φ в 3-φ. Во-первых, одно из напряжений 3-φ идентично напряжению 2-φ из-за соотношения 1:1 в трансформаторе T₁: V_P12 = V_2P1. Вторичная обмотка T₁ с отводом по центру создаёт на концах вторичной обмотки противоположную полярность 0,5×V_2P1.

Этот ∠0° векторно вычитается из вторичного напряжения T₂ в соответствии с правилом Кирхгофа для напряжения (ПНК), из чего следует равенство для V₃₁ и V₂₃.

Вторичное напряжение Т₂ равно 0.866×V_2P2 вследствие отведения 86,6%. Имейте в виду, что эта 2-я фаза 2-φ составляет 90°. Этот 0,866×V_2P2 добавляется к V₃₁, вычитая V₂₃ в соответствии с ПНК.

Рис. 22. Уравнения преобразования 2-φ в 3-φ для Т-образного трансформатора Скотта.

В математических расчётах мы показываем полярность для постоянного тока, это нужно для отслеживания полярности петель напряжения Кирхгофа в цепи переменного тока. Вычитание 0° эквивалентно добавлению 180°. Суть в том, что, когда мы добавляем 86,6% от ∠90° к 50% от 180°, мы получаем ∠120°. Вычитание 86,6% от 90° из 50% от 180° дает ∠-120° или 240°.

Рис. 23. Графическое объяснение уравнений, приведённых выше.

На этом рисунке мы графически показываем векторы 2-φ в части (a). В части (б) векторы масштабируются трансформаторами T₁ и T₂ до долей 0,5 и 0,866 соответственно. В части (в) 1∠120° = -0,5∠0° + 0,866∠90° и 1∠240° = -0,5∠0° - 0,866∠90°. Три выходных фазы составляют 1∠120° и 1∠-240° в части (в), а также входные 1∠0° (a).

Линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор

ЛРДТ – линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор (также в ходу название дифференциальный трансформатор для измерения линейных перемещений, а также просто LVTD-датчик, от англ. Linear Variable Differential Transformer) в котором переменный ток, проходит по первичной обмотке, находящейся между двумя вторичными обмотками на воздушном сердечнике цилиндрической формы. Внутри воздушного сердечника расположен подвижный ферромагнитный стержень. Смещение стержня преобразуется в переменное напряжение, поскольку изменяется «связь» между первичной и вторичными обмотками.

LVDT-датчик – это преобразователь смещения или измеритель расстояния. Измерения смещения возможны в диапазоне от долей миллиметра до полуметра. ЛРДТ очень прочны и устойчивы к загрязнениям по сравнению с линейными оптическими энкодерами (которые, впрочем, менее громоздки и гораздо дешевле).

Рис. 24. LVDT-датчик: линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор.

Возбуждаемое напряжение находится в диапазоне от 0,5 до 10 В переменного тока при частоте от 1 до 200 кГц. Для этих частот подходит ферритовый стержень. При движении он меняет пределы ненамагниченности сердечника. По мере того, как сердечник перемещается ближе к верхней обмотке, напряжение на соответствующей катушке увеличивается из-за увеличения «связи», в то время как напряжение на нижней катушке (от которой стержень удаляется) уменьшается.

Если сердечник перемещается к нижней обмотке, напряжение уже на этой катушке увеличивается, одновременно с чем уменьшается напряжение на верхней обмотке. Теоретически центрированный стержень (ровно посередине между вторичными катушками) даёт абсолютно равные напряжения на обеих катушках. На практике индуктивность рассеяния не даёт напряжению полностью упасть до нуля вольт.

В случае, когда центрируется стержень, последовательно соединённые вторичные обмотки, связанные друг с другом, компенсируются, давая V₁₃ = 0. При перемещении стержня вверх, V₁₃ увеличивается. Обратите внимание, что он синфазен с V₁, верхней обмоткой, и на 180° не совпадает по фазе с V₃, нижней обмоткой.

Перемещение стержня вниз из центрального положения увеличивает V₁₃. Однако он на 180° сдвинут по фазе с V₁, верхней обмоткой, и синфазен с V_{Подстрочный текст}3, нижней обмоткой. Перемещение стержня сверху вниз при прохождении через центр показывает минимум в центральной точке с разворотом фазы на 180°.

Итог

• Трансформаторы могут использоваться для преобразования импеданса, а также напряжения и тока. Если это служит улучшению передачи мощности на нагрузку, то это называется согласованием импеданса.
• Потенциальный трансформатор (трансформатор напряжения) представляет собой специальный измерительный трансформатор, предназначенный для обеспечения точного понижающего коэффициента напряжения, что позволяет использовать вольтметры при измерении систем напряжения высокой мощности.
• Трансформатор тока является другим специальным измерительным трансформатором, предназначенным для понижения силы тока, проходящего через линию электропередачи, что позволяет с помощью амперметра производить измерения силы тока.
• У воздушных сердечников трансформатора только один недостаток, по сравнению с ферромагнитными сердечниками: слабая «связь» между первичной и вторичными обмотками.
• Катушка Теслы – резонансный, с воздушным сердечником, повышающий трансформатор, предназначенный для получения очень высокого напряжения переменного тока на высокой частоте.
• Насыщаемый реактор – особый тип индуктивного элемента, индуктивность которого управляется с помощью постоянного тока, проходящего через вторичную (управляющую) обмотку, расположенной на том же самом сердечнике. При достаточном постоянном токе магнитный сердечник может быть насыщен, в результате чего контролируемым образом уменьшается индуктивность первичной (силовой) обмотки.
• Т-образный трансформатор Скотта преобразует мощность из 3-ф в 2-ф и наоборот.
• Линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор (также известный как LVDT-датчик или просто ЛРДТ), это прибор для измерения расстояний. Он имеет подвижный ферромагнитный сердечник для изменения «связи» между возбуждённой первичной обмоткой и парой вторичных обмоток.