/
Text
)
·
/
,
Н
а
с
т
_
о
я
щ
и
й
м
а
т
е
р
и
а
л
о
б
я
з
у
ю
с
ь
и
з
щ
:
·
r
а
н
п
з
а
ц
и
и
н
е
в
ы
н
о
с
и
т
ь
,
н
и
к
о
м
у
н
е
п
е
р
е
д
а
в
а
т
ь
и
н
е
и
с
п
о
л
ь
з
о
в
а
т
ь
в
п
е
ч
а
т
и
.
f
.j-
'1;
В. Е. КИТАЕВ
А. А. БОКУНЯЕ:В
М.Ф. КОЛКАНОВ
Электроп~тание
u
-
.•
устР_?ltlCт_в
СВ ·ЯЗИ
Под общей редакцией В. Е. Кит а ев а
-
·-
ДОПУЩЕНО МИНИСТЕРСТВОМ СВЯЗИ СССР
В КАЧЕСТВЕ УЧЕБНИКА
ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИНСТИТУТОВ СВЯЗИ
П~RЗОВ
6~/ .Jg
t,l[~
..
• - ИЗДАТЕЛЬСТВО . «СВЯЗЬ»
• _ ~~~~А 1975
1~~~-~~~Еноl
- '. ; . /IOIII-.КWa f б11ti.111110YettNo f
1(.11~ ,, •~ili
!
~ !,\.ltlllti!Wf: ,i !! .I.:\
J
6Ф2.14
К45
УДК 621 .39:621.311.6(075.8)
Китаев В. Е. и др.
К:45 . Электропитание устройств связи. Под ред.
В. Е . К:итаева. Учебник для вузов. М., «Связь»,
1975.
328с.сил.
Перед загл. авт.: В . Е. Китаев, А. А. Бокуняев,
М. Ф. Колканов.
В книге рассматриваются основные узлы аппаратуры питания
устройств связи - трансформаторы, электрические машины, в ы пря
мители, фильтры, стабилизаторы напряжения и тока, преобра
зователи напряжения.
Учебник предназначен для студентов электротехнических ин
ститутов связи, а также может быть полезен инженерно • техниче•
с 1<нм: работникам, занимающимся вопросами электропитания.
GФ2.14
РЕ ЦЕН 3 Е Н ТЫ: А. Д. КРАТИРОВ, Г. С. ЛЮБСКИй
Валентин Евгеньевич Китаев,
Александр Александрович Бокуняев,
Михаил Федорович Колюанов.
ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ УСТРОЙСТВ СВЯЗИ
Редактор В. Л. Черняк
Художник А. Я. Толмачев
Техн. редактор Е . Р. Черепова
:Корректор М. Х. Механllк
Сдано в набор 20/Х! 1974 г .
Подп. в печ. 5/III 1975 г.
T0571ll Формат 60Х90/ 16 Бумага писч. No 1 20,5 усл . -печ . л.
22,03 уч.-изд . л. Тираж 24 ООО экз. Изд. No 16067 Зак . No 311 Цена 1 руб.
Издательство «Связь». Москва 101000, Чистопрудный бульвар, д. 2
Типография издательства «Связь» Госкомиздата СССР .
"
Москва 101000, ул, :Кирова, д. 40
© Издательство «Связь», 1975 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В последнее десятилетие бурно развиваются средства эле'ктросвя
зи . В настоящ~е время уже внедрены новые АТС , многоканальные
системы уплотнения, системы передачи данных , осуществлена
связь через искусственные спутники Земли и т . д.
Директивами XXIV съезда КПСС предусмотрено :
«Обеспечить дальнейшее раз·витие связи, радиовеща·ния и теле
видения на основе использования новейших технических средств.
Увеличить протяженность каналов междугородной телефонной свя
зи в 1,9 раза за счет развития и улучшения использования • сети
кабельных и радиорелейных линий связи . Продолжить работу по
созданию автоматической и полуавтоматической междугородной
телефонной связи. Увеличить емкость телефонны х станций в горо
дах и в сельской местности в 1,5 раза. Расширить сеть ради овеща
тельных и телевизионных станций, а также использование искусст
венных спутников Земли для осуществления связи и передачи те
левизионных программ . Обеспечить устойчивый прием не менее
двух телевизионных программ в столицах республик и крупных
промышленных центрах. Значительно расширить услуги всех видов
связи и улучшить качество обслуживания населения» .
Надежность работы аппаратуры связи во многом определяется
надежностью источников электрической энергии . Выход из строя
хотя бы одного источника электрической энергии или отклонение
его параметров от допустимых, как правило, нарушает работу ап
паратуры и, следовательно, прерывает связь. Кроме того , от ис
точников электрической энергии существенно зависят габариты ,
масса и эксплуатационные характеристики систем связи . Поэтому
при разработке аппаратуры или системы связи все большее внима
ние уделяется вопросам проектирования и расчета источников
электрической энергии.
.
Источники электрической энергии (ИЭЭ) подразделяются на
первичные и вторичные. К первичным относятся все непосредст!;!еН
ные преобразователи различных видов энергии в электричес кую :
электромашинные генераторы, гальванические и топливные элемен
ты, солнечные батареи и т. д. Ко вторичным относятся преобразо
ватели электрической энергии одного вида в электрическую энер
гию другого вида.
3
Первичными ИЭЭ для стационарных предприятий связи, как пра
вило, является энергосистема, а в отсутствие ее или в случае пре
кращения подачи энергии -' - стационарная или
передвижная ди
зель -электрическая электростанция. Предприятия связи получают
энергию переменного тока от энергосистем или дизель-электриче
ских электростанций.
Аппаратура связи потребляет электрическую энергию как по
стоянного, так и переменного тока. Однако подавляющее большин•
ство радиотехнических · устройств потребляет электрическую энер
гию постоянного тока. Д.ля получения различных величин (номи
налов) напряжения постоянного тока переменный ток преобра
зуется в основном выпрямителями с электрическими вентилями .
Различные напряжения переменного тока получают при помощи
трансформаторов.
Требования, предъявляемые ко вторичным ИЭЭ аппаратуры
связи, непрерывно возрастают. В широком диапазоне мощностеи
источники электропитания должны иметь возможно больший КПД,
малую пульсацию выпря м .тrенного напряжения, обеспечивать высо
кую стабильность напряжения в различных режимах работы. По
этому в состав вторичных источников питания, как правило, входят
стабилизаторы, обеспечивающие постоянство выходных напряжений
или токов с определенной степенью точности; регуляторы, обеспечи
вающие из ме нение выходных напряжений или токов в необходи
мых пределах, сглаживающие фильтры .
Для исключения перерывов в подаче электроэнергии, обуслов
ленных переходом с основного ИЭЭ на резервный ИЭЭ переменно
го тока на предприятиях С!3ЯЗИ, широко применяют электрические
аккумуляторы.
В связи с тем что для нормальной работы современных систем
связи требуется, как правило, несколько номиналов постоянного
напряжения, часто экономически невыгодно резервировать каждый
из номиналов н·апряжения отдельной аккумуляторной установкой.
Кроме того, при большом территориальном рассредоточении нагру
зок по зданию часто экономически не оправдано (особенно при
низких напряжениях) распределение электрической энергии посrо
янного тока.
Поэтому на 11редприятиях связи широко применяются устройст
ва гарантированного питания (УГП) переменным током. В настоя
щее время применяются как электромашинные, так и статические
УГП на полупроводниковьтх приборах. В качестве аккумулятора
энергии в УГП используются электрические аккумуляторные бата
реи или механические аккумуляторы - инерционные маховики.
В качестве основного ИЭЭ для передвижной или переносной
аппаратуры с;вязи широко применяются электрохимические источ
ники постоянного тока или преобразователи различных видов энер
гии·· (теплово_й, световой и других) , в электрическую энергию по
стоянного тока. В , этом случае различные номиналы питающих на
пряжений получаю+ся при помощи полупроводниковых преобразо
вателей.
4
С внедрением в технику связи микросхем потребляемая мощ
ность, масса и габариты аппаратуры резко уменьшились. При этом
Бторичные источники электропитания, выполненные на полупровод
никовых приборах, стали занимать от 30-40% объема аппаратуры
при частоте тока питающей сети 400 Гц и до 40-50 % при частоте
тока питающей сети 50 Гц. Объясняется это следующим: хотя эк
вивалентные мощности, потребляемые аппаратурой, уменьшились,
\
однако одновременно с этим уменьшились уровни питающих аппа-
ратуру напряжений, что приводит к уменьшению КПД и увеличе
нию габаритов и массы источников электропитания.
Поэтому уменьшение габаритов и массы вторичных источников
электропитания при одновременном повышении надежности и обес
:печении высоких энергетичес1<'их и качественных показателей, авто
матизация контроля и защиты как источников, так и аппаратуры, а
'!'акже электромагнитная совместимость источников питания и ап
паратуры являются наиболее существенными проблемами при раз-
раб~:~~~~и?соое~~:!т~~:;:; ;;~~;;'~~~~ электропитания. 1
Отзывы и замечания следует направлять в издательство
« Связь»: 101000, Москва-центр, Чистопрудный бульвар, 2.
Авторы
Глава первая.
Трансформаторы
1.1 . ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
)Трансформатором называется статический электромагнитный
аппарат, преобразующий электрическую энергию переменного тока
с одними параметрами в электрическую энергию переменного тока
с иными параметрами (напряжением, током, числом фаз, формой
кривой напряжения). \
Трансформаторы очень широко применяются в самых различ
ных радиотехнических системах и устройствах связи в качестве
силовых и согласующих элементов; в системах передачи и распре
деления электрической энергии, в устройствах регулирования на
пряжений, пуска в ход двигателей переменного тока и т. д.
!ТТринцип действия трансформатора основан на электромагнит
ном взаимодействии двух или большего числа электрически несвя
занных между собой контуров (обмоток). Одна из обмоток транс
форматора, называемая первичной, подключается к источнику пе
ременного тока . Обмотки, к которым подключается нагрузка, на
зываются вторичными. Для улучшения магнитной связи между пер
вичной и вторичной обмотками, а также для придания определен
ной конфигурации магнитному потоку обмотки размещают на сер
дечнике (магнитопроводе), изготовленном из ферромагнитного ма
териал ~
В зависимости от числа фаз источника энергии трансформаторы
разделяются на однофазные и многофазные (обычно трехфазные).
В зависимости от схемы трансформаторы могут быть однообмоточ
ными (автотрансформатор), двухобмоточными и многообмоточными .
Трансформаторы также классиф~:~цируются по ряду других призна -
ков :[1]: по наивысшему напряжению одной из обмоток - низко
вольтные и высоковольтные (свыше 1000- 1500 В); по типу конст
рукции сердечников - броневые, стержневые и тороида,льные; по
способу охлаждения - с естественным возду ш ным, с принудитель
ным воздушным, с жидкостным и парожидкостным; по величине
мощности - малой мощности (до нескольких киловольтампер),
средней мощности и большой мощности; по сроку службы - дJrи
тельного использования (10000-20000 ч и более) короткого срока
и кратковременного (единицы секунд-десятки минут) и т. д. Кго-
6
ме того, в зависимости от схемного назначения трансформаторы
разделяются на силовые, согласующие и импульсные. В настоя
щей глав·е рассма11риваются силовые трансформаторы.
1.2 . РЕЖИМ ХОЛОСТОГО ХОДА
Под холостым ходом понимают режим работы трансформато
ра при разомкнутых вторичных обмотках (рис . 1.1). При подклю
чении первичной обмотки к источнику энергии с напряжением И1
через первичную обмотку
трансформатора будет про
текать ток /1=/о (в устано
вившемся режиме), который
называют током холостого
хода. Первичной обмоткой
создается намагничивающая
сила Fo=low1{A], где w1 -
число последоватео(lьно сое
диненных витков первичной
обмотки.
Намагничивающая сила
(НС) Fo - возбуждает маг
") ~,--,..,... _ ~
-
-
-
:l.l..Н---<ZJ
1
1
1
J
--- _ :'J
Рис. J . 1 . Условная электрическая и прин
ципиальная схемы тран<Jформатора при
холостом .ходе
нитное поле Ф1, большая часть силовых линий которого замыка
ется по сердечнику, образуя основной магнитный поток трансфор
матора Фо, сцепленный со всеми витками первичной и вторичной
обмоток. Меньшее число силовых линий замыкается в немагнит
ной среде, образуя поток рассеяния Ф81, сцепленный только с вит
ками первичной обмотки.
Поток рассеяния Фs1 индуцирует в первичной обмотке ЭДС
es1=-w1(dФs , /dt). Основной магнитный поток Ф0 индуцирует
в перв~,lчной и вторичной обмотках ЭДС - соответственно е1 и е2 :
е1= -
w1(dФofdi), е2= -
w2 (d Ф0/dt),
где w 2 - число последовательно соединенных витков вторичной об
мотки.
Напряжение, приложенное к первичной обмотке трансформато
ра при холостом ходе, уравновешивается электродвижущими си
лами е 1 и es1, а также падением напряжения на активном сопро
тивлении первичной обмотки.
Уравнение равновесия ЭДС для первичной обмотки
и1=-(е1+е51)+i0r1•
(1.1)
Трансформаторы проектируются так, чтобы при номинальной
нагрузке геометрическая сумма ЭДС, индуцируемой потоком рас
сеяния и падения напряжения.на активном сопротивлении первич
ной обмотI<!И, ·была во много раз меньше ЭДС, · индуцируемой ос
новным магнитным потоком. Учитывая, что ток при холостом хо-
7
де трансформатора, как правило, во много раз меньше тока пер
вичной обмотки при номинальной нагрузке, выра~ение ( 1.1) мож
но заменить приближенным равенством:
( 1.2)
Следовательно, закон изменения напряжения u1, приложенного
к первичной обмотке трансформатора, определяет закон изменения
ЭДС е1 и закон изменения основного магнитного потока Ф0.
При синусоидальном изменении напряжения и1 = - И1msin ,шt ЭДС
е1 и магнитный поток Фа будут также изменяться по синусоидаль
ному закону
Ф0 (t) ~ -1-Jи1 di +С= - И~т cosrot +С= Ф0 т sin (rot -2:..), (1.3)
~
~m
2
где С - постоянная интегрирования, ра~iная нулю в установившем
ся режиме работы трансформатора; Фот - амплитуда основного
магнитного потока ('в Вб)
е1= -
w1dФо= -
w1roФ0тcos(rot -
...::_) = w1rоФ0тsin(ro i - л:).
&
2
Действующее значение ЭДС первичной обмотки
Е1 = ~ = ;; ~1fФ0rn = 4,44fw1Фот
(1.4)
и вторичной обмотки
( 1.4а)
Из ур-ний (1.2) и (1.4) выражение для амплитуды магнитного
потока Фот можно представить как: Фom=E1/(4,44fw1)~
~ И1/ (4,44 fw1). Следовательно, основной магнитный поток прямо
пропорционален напряжению И1 и обратно пропорционален часто
те тока питающей сети f и числу витков первичной обмотки w 1•
Причем амп.тrитудное значение магнитного потока не зависит от
сопротивления магнитной цепи :в (1/Г)
Rм = l/(μ0μ, S),
где 110=4:п: - 10-7, Г/м - магнитная постоянная; l - длина магнито
провода, м; S - поперечное сечение магнитопровода, м 2 ; μr - от
носительная магнитная проницаемость сердечника.
Сопротивление магнитной цепи R~r определяет величину реак
тивной мощности, потребляемой от ИЭЭ для возбуждения магнит
ного потока в магнитопроводе трансформатора, и, сле_довательRо,
величину реактивной составляющей тока холостого хода.
Связь между реактивной составляющей тока холостого хода
и магнитным сопротивлением для однородной магнитной цепи (ко
торой можно замещ-пь реальный магнитопровод, . если пренебречь
полями рассеяния) устанавливается законом Ома для магнитной
цепи Ф0 =iμ W1_IRм. Вследствие нелинейности кривой намагничива
ния материала сердечника (непостоянства относительной магнит
ной проницаемости μr) магнитный поток не пропорционален ip.. По-
8
этому при синусоидальном •изменении магнйтного потока реактив
ная составляющая тока холостого хода не синусоидальна, т. е. по
мимо основной гармонической содержит высшие гармонические со
ставляющие (особенно третью гармонику).
Ток холостого хода помимо реактивной составляющей имеет
активную составляющую ih, обусло'ВJrенную наличием потерь в ста
ли магнитопровода.
При построении векторных диаграмм ток холостого хода счи
тают синусоидальным и равным . действующему значению истиннu
rо тока холостого хода, которое может быть определено ампермет
ром из опыта холостого хода. Уравнение равновесия ЭДС для
первич·ной обмотки iU1 =-(Е1 +Esr) +l~r1. Так как магнитное сопро .
.тивление
для потока рассеяния Ф81 определяется участками с не
магнитной средой, то магнитный поток, а следовательно, и инду
цируемая им ЭДС Es1 прямо пропорциональны намагничивающей
силе Fo, т. е. току !о, Es1 =-iiox1, где Xr - индуктивное сопротив
ление первичной обмотки.
Следовательнq, , уравнение равновесия , ЭДС для первичной об
мотки 1,южно представить в следую1цем виде:
И1=-Е1+i0r1+ii0x1 = -Е1+i0z1,
(1.5)
где 21 = r1 + ix1 - полное сопротивление первичной обмотки.
Рассмотрим рис. 1.2, в положительном направлении горизон
талыюй оси отложен вектор амплитуды основного магнитного по-
тока Фот.
Вследствие потерь в стали магнитопровода (потерь на гистере-
зис и вихревые токи) ток холостого хода i0 опережает по фазе
и•
1•т
возбуждаемый им магнитный по-
1 +1оХ1
"
ток в сердечнике · на некоторыи
угол а, называемый углом маг-
/0r1
нитного запаздывания. Таким об
-Е1
Е2
Рис. ,! J2. Векторная диа
г рамма трансформатора при
холостом ходе
разом, вектор тока холостого хо
да может быть представлен гео
метрической суммо'й двух состав
ляющих: l~+i μ + j,,_
9
Рис. 1'.3. Эквивалент!Jая схе
ма трансформатора при хо
лостом ходе
,;../"'
Вектора ЭДС первичной и вторичной обмоток Е1 и Е2 поверну
ты в сторону отставания на угол л/2 относительно вектора маг
нитного потока Фот-
Для определения вектора приложенного напряжения И1 нужно
построить геометрическую сумму векторов правой части уравне -
ния равновесия ЭДС (1.3). Строим вектор
-
Е1, равный и проти
воположно направленный вектору Е1; из конца вектора - Е1
строим вектор i()r1, параллельный вектору тока /~, и затем вектор
+ iiox1, опережающий вектор тока jo на л/2. Геометрическая сумма
этих трех векторов представляет собой вектор приложенного на-
пряжения U1.
На схеме (рис. 1.3) z 0 - полное сопротивление, вносимое
стальным сердечником
z0 = (r0x~ +i1·~х0)/( r~ +х~),
где r0 - активное сопротивление, обусловленное потерями в ста
ли; х0 - индуктивное сопротивление первичной обмотки, обус
ловленное основным магнитным пото
ком Фо.
0)V
,о
t1
t2
о)
t3t
-
Выше показано, что при синусоидаль
ном напряжении первичной обмотки
трансформатора магнитный поток в сер
дечнике будет также синусоидален. Если
же первичное напряжение несинусои
дально, то магнитный поток в сердечнике
будет также несинусоидальным.
Предположим, что к первичной об
, мотке трансформатора приложено напря
' жение, форма которого представлена на
рис. 1.4а. С таким напряжением раба-
* тают, наприf!ер, трансформаторы в ста
тических полупроводниковых преобразо
вателях.
Пренебрегая падением напряжения в
Рис. 1~4. Из-менения во вре- полном сопротивлении первичной обмот
мени:
напряжения сети; б) ки трансформатора, можно считать,
а)
ма,гнитно.го потока
что в любой момент первичное на-
пряжение и1 уравновешивается ЭДС е1,
индуцируемой основным магнитным потоком Ф0 в сердечнике транс
форматора, т. е. ur= -e1. Таким образом, кривая ЭДС е1 прямо
угольна, являясь зеркальным отражением кривой и1 относительно
оси времени. Во вторичной обмотке трансформатора будет инду
цироваться ЭДС е2 прямоугольной формы. При этом величина
(амплитуда) ЭДС е2 может быть больше или меньше величины
напряжения первичной обмотки и 1 в зависимости от соотношения
чисел витков первичной (w1) и вторичной (w2) обмоток. ЭДС е1
равна e1=-w1(dФo/dt) и U1=-e1, откуда (dФo/dt)=(u1/W1).
10
Так как в течение половины периода от О до t1 напряжение u1
постоянно, то и dФo/dt - постоянная , т . е . в этом интервал2 маг
нитный поток линейно изменяется во времени . В момент t1 напря
жение . И1 изменит знак и в интервале f1-. f2 вновь остается посто
янным . Следовательно, dФo/dt также изменит знак и магнитный по
ток начнет уменьшаться с равномерной скоростью. В интервале
f2-fз магнитный поток вновь возрастает и т. д. Изменение магнит
ного потока Ф0 во времени показано на рис. 1.46 сплошной ли
нией.
Если материал магнитопровода ненасыщен, то магнитный по
ток пропорционален намагничивающему току iμ,, возбуждающему
магнитное поле, так что кривая iμ совпадает с зависимостью Фо.
При насыщении материала магнитопровода изменения магнит
ного потока вызываются большими изменениями намагничиваю
щего тока и кривая ·i μ, будет иметь вид, показанный на рис. 1.46
пунктиром.
1.3 . РАБОЧИй РЕЖИМ
При подключении к выводам вторичной обмотки трансформа
тора нагрузки в его первичной обмотке протекает ток / 1, и урав
нение равновесия еде для первичной обмотки запишется в с.ле
дующем виде:
(1.6)
Если по - прежнему считать, что' падение напряжения на пол
ном сопротивлении первичной обмотки /12.1 пренебрежимо мало по
сравнению с ЭДС Е1, то напряжение t.J 1 ~ -E1. Тогда при неиз
менном напряжении сети будет практически неизменна ЭДС, а
следовательно, и амплитуда магнитного потока Фот при любой на
грузке трансформатора. В этом случае изменение магнитного по
тока в магнитопроводе однозначно определяется напряжением и 1
согласно выражению ( 1.3).
В свою очередь, магнитный поток Фо(t) определяет величину
напряженности поля в магнитопроводе Н (t) , так как эти две ве
личины связаны между собой зависимостью Ф(Н), которая гра-
фически выражается динамической петлей гистерезиса.
•
С другой стороны, напряженность магнитного поля Н (t) свя
зана с намагничивающими силами первичной и вторичной обмо
ток трансформатора законом полного тока, т. е. H(t) = (iiw1 +
+i2w2)/lc, где lc - средняя длина магнитной силовой линии.
Следовательно, при выполнении равенства и1~-е1 сумма на
магничивающих сил ( i1W1 + i2w2) в любой момент времени должна
иметь определенное значение, независимо от величины и характе
ра нагрузки трансформатора. В частности, в режиме холостого хо
да трансформатора ток i2 = 0 и напряженность магнитного поля
создается только НС первичной обмотки iow1, т. е. H(t) = 1iow1/lc.
11
Совместное решение уравнений для Н (t) позволяет получить
уравнение равновесия НС трансформатора
( 1.7)
В реальном трансформаторе изменение амплитуды магнитног()
потока при постоянном напряжении сети и изменении тока вторич
ной обмотки от нуля до номинаJiьного значения составляет не
сколько процентов, так что равенство ( 1.7) выполняется с доста
точно высокой точностью. Это равенство, являющееся основным
уравнением трансформатора - ·
уравнением равновесия намагни
чивающих сил, -- обычно записывается в - следующем виде:
i1W1=ioW1- i2W2 или/~W1=ioW1- i2W2.
(1.7а)
fz
Рис. !·. 5. Векторная диа
грамма
нама.гю1чивающих
Согласно выражению (1 . 7а) НС
первичной обмотки создает магнитный
поток с постоянной амплитудой (со
ставляющая low1) и компенсирует НС
вторичной обмотки трансформатора
(,составляющая - I2w2), что показано
на рис. 1.5 .
В случае многообмоточного транс
форматора уравнение равновес'ИЯ НС
принимает вид
N
l~w1 = i0w1 -
~i2iW21,
i=l
сил nри нагруженном тран- где i= 1, 2, 3, ... , N - порядковый номер
сформаторе
вторичных обмоток.
Уравнение равновесия ЭДС для вторичной обмотrш трансфор
матора при нагрузке запишем как
И2=E2-i2r2-ii2x2•
( 1.8)
Анализ и расчет трансформаторов и процессов, происходящих
в них, наиболее удобно осуществлять по эквивалентным схемам
замещения и векторным диаграммам
Для удобства построения векторных диаграмм и возможности
построения эквивалентных схем вторичную • обмотку трансформа
тора приводят к виткам первичной, т. е . условно полагают, что
вместо втор,ичной обмотки с числом витков w2 имеется обмотка с
числом витков W1, равным числу витков первичной обмотки, но
так, чтобы мощности, потери энергии и фазовые углы между элек
трическими величинами оставались после приведения трансфорNiа
тора неизменными. ЭДС вторичной обмотки трансформатора про-
. пор ционал ьна
числу витков, следовательно, при изменении числа
витков обмотки изменится и ее ЭДС, т. е. ЭДС приведенной об
мотки E'2=E2(w1/w2) =E2n = E1, где n= 1W1/W2 - коэффициент транс
формации.
12
Приведенное значение вторичного тока найдем из условия по
стоянства полной мощности, т. е. полная мощность приведенной
вторичной обмотки должна оставаться равной полной мощности
действительной вторичной обмотки: Е'21'2=Е2!2. Откуда /'2=
= l2(E2/E'2) =!2(1/п) .
Приведенное значение напряжения вторич:ной обмотки найдем
из условия постоянства полн ой мощности, выделяемой в нагрузке
реального и приведенного трансформатора, И'2/'2 = И2/2, откуда
И'2= (U2!2)/I'2= И2п.
Активное сопротивление приведенной вторичной обмотки транс
форматора найдем из условия постоянства потерь при приведении
этой обмотки, т. е. /22r2 = (I'2) 2r'2, откуда г'2= (!2/f'1) 2r2=n 2r2.
Индуктивное сопротивление, так же как и индуктивность, про·
порuиональна квадрату числа витков, следовательно, индуктивное
сопротивление приведенной вторичной обмотки определится в ви
де x 12=n2x2.
Основные уравнения трансформатора (1.6)-(1.8) в случа~
приведения вторичRой обмотки к числу витков первичной будут
иметь вид:
И1=-Е1+i1r1+ii1x1,
u; = E;-i; r;- ii;x;,
jl=jO- i;.
(I.9)
(I.1 О)
(1.11)
По основным уравнениям трансформатора может быть построе
на векторная диаграмма, являющаяся графическим изображением
этих уравнений.
Рассмотрим рис . 1.6 .
В положительном направлении горизонтальной оси изображен
вектор амплитуды основного IIOTUKa трансформатора Фот- в СТО·
рону опережения относит~льно вектора Фот на угол а повернут век
тор тока холостого хола fo и в сторону отставаяия относительно
, вектора Фат на 'n/2 - ве1поры ЭДС первичной и приведенной вто
ричной обмоток Е1 = Е'2.
В сторону отставания при индуктивном и в сто_рону опереже
ния при емкостном характере нагрузки на угол '\j) 2 повернут вектор
приведенного втори ч ного то1(а 1'2 относительно вектора Е'12:
ЧГ2= arctg(х;+<)L(r;+г~),
где х'н 'I-i r'н - приведенные величи ны реактивного и активного со
противлений нагрузки.
Для определения вектора напряжения на зажимах вторичной
обмотки нагруженного трансформатора из конца вектора ЭДС
Е'2 строим · вектор -i,i'2x'2 , отстающий от вектора тока j,2 на n/2, и
затем вектор· - - I\r1 2, параллельный и 11ротивополткно .направЛен
ный вектору тока j'2. Геометрическая сумма ; э:гих трех построен-
13
ных векторов согласно ур-нию (1.10) определит собой приведен
ное вторичное напряжение трансформатора.
·
Для определения тока первичной обмотки нам нужно согласно
уравнению равновесия НС (1.11) построить геометрическую сум-
му векторов тока холостого хода i0 и приведенного тока вторич
Н?Й обмотки с обратным знаком -112.
а)
Рис. 1.6 . Векторные диаграммы трансформатора при нагрузке:
а) ' И'Н.дуктивной; 6) емкостной
tpOl!l
Для определения первичного напряжения воспользуемся
ур - нием (1.9). Строим вектор -Ё1, равный и противоположно на
правлен!{ый вектору Е1, из конца которого строим вектор i1r1, па
раллельный вектору тока первичной обмотки i1, и затем зектор
+ii1.x1, опережающий вектор i1 на л/2. Геометрическая сумма трех
построенных нами векторов является вектором приложенного на-
пряжения И1.
Из рис. 1.6 видно, что величина вторичного напряжения зави
сит как от тока нагрузки трансформатора /2, так и от ее характе
ра, т. е. от угла <р2. При индуктивном характере нагрузки вторич
ное напряжение . по абсолютной величине меньше, чем ЭДС
(U'2<E'2), т. е. с увеличением нагрузки происходит понижение на
пряжения при емкостном характере нагрузки; вторичное напря
жение по абсолютной величине больше, чем ЭДС (U'2>E'2), т. е .
с увеличением нагрузки напряжение повышается.
14
Нагруженный трансформатор может быть представлен экви
валентной схемой , для определения которой запишем основные
у равнения в следующем виде:
И1=-E1 +i1 z1 ,
(1.12)
и;=в; -i;z;,
(1. 13)
i1 =i0 -i;.
(1.14)
Введем следующие обозначения :
Е1=в;=- loZo,
(1.15)
и;= 1;z~,
(1.16)
где z';,,=n 2zн -- сопротивление нагрузки трансформатора, приве
денное к первичной обмотке . Из (1.13)- ( 1.16) получим
i0 = i1(z;+z:)l(z0+z;+z:),
(1.17)
из (1.12), (1 .15) IJ (1 . 17) получим
(;1 = i1[z1+z0(z;+z:)!(z0+z;+z~)].
(1.18)
Таким образом, нагруженный транс
форматор (рис. 1.7) может быть пред
ставлен эквивалентным сопротивле
нием
Это выражение показывает, что по-
и,
z'н
следовательно с полным сопротивлени
ем первичной обмотки включены две
параллельные ветви, одна из которых
Рис . 1.7 . Эквивалентна я с х ема
содержит сопротивление Zo, а другая н агр у женного тра,н с фор,матора
два последовательно включенных со-
противления z'2 и z'н•
Для многообмоточного трансформатора ветвь, содерж а щая со
противления Z'2 и iZ'н, представляет собой параллельное со едине
ние ветвей, каждая и з которых есть последовательное со е динение
сопротивлений Z'2i и Z'нi (i= 1, 2, ,3 . .. , N - порядковый но ме р вто
ричной обмотки) .
1.4 . УСТРОйС1ВО ОДНОФАЗНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Основными элементами конструкции трансформаторов являют
ся сердечник (магнитопровод) и обмотки с изоляцией, составляю
щие вместе катушку . К элемента:1-1 конструкции относятся также
детали, служащие для крепления сердечника и установки транс
форматоров в блоках аппаратуры . Сердечники трансфор м аторов
изготавливаются из высоколегированных горячекатаны х и по в ы
шеннолеrированных холоднокатаных сталей .
Марки электротехнических сталей , их магнитные сво й ства н
удельные потери энергии определяются ГОСТ 802-58. При ч а с-
15
тоте тока сети 50 Гn · для сердечников испо,rrьзую:г стали марок
Э41, Э42, Э43 и Э310, ЭЗ20, Э330 при толщине стальных , листов
или ленты 0,5 и 0,35 мм. При повышенных частотах (400 Гц и вы- .
ше) использую.:г стали марок Э44, Э45, Э46, Э47, Э48, Э340-Э360
с толщиной пластин или ленты 0,2; О, 15; О, 1; 0,08; 0,02 мм.
Рассмотрим обозначения марок электротехнических сталей:
а) буква Э указывает на то, что сталь электротехническая; б) пер
· ВЫе цифры после буквы ( 1, 2, 3, 4) означают степень легированно
сти стали (1 - слаболегированная, 2 •- среднелегированная, 3 --,
-
повышеннолегированная, 4 - высоколегированная); в) вторые
цифры означают гарантированные электромагнитные свойства ста
ли, например 1, 2, 3 - удельные потери в стали при частоте
50 Гц соответственно нормальные, пониженные и низкие; 4 -
нормальные удельные потери при частоте 400 Гц; 5 и 6 - соот
ветственно нормальную и повышенную магнитную проницаемость
в полях менее 0,01 А/см, а 7_и 8 - соответственно нормальную и
повышенную магнитную проницаемость в полях от 0,1 до 1 А/см;
r) О указывает на то, что сталь холоднокатаная; д) буква А, стоя
щая после пифр, показывает, что удельные · потери , особенно низ-
кие.
•
•
••
''
Потери в стали магнитопровода Рст= ,рGст, где р - удельные
потери, Вт/кг; G - масса магнитопровода, кг.
Величина удельных потерь энергии за один цикл перемагничи
вания определяется. площадью динамической петли гистерезиса.
Площадь динамической петли перемагничивания зависит не толь
ко от магнитных свойств материала и ампли·туды магнитной ин
дуiщии, т. е. от площади статической петли перемагничивания, ни
и от частоты перемагничивания, толщины стальных листов или
ленты, из которых выполняется магнитопровод, . а · также от величи
ны удельного электрического сопротивл,ения материала ма'rнито
nровода , так · как динамическая петля учитывает влияние гистере
зиса и вихревых токов : Удельное электрическое сопротивление
электротехнических сталей увеличивается легированием ёе · крем-·
нием.
Чем выше магнитная проницаемость . материала, мен:ьlJ.iе , удель
ные потери и больше индукция насыщения, тем меньше :размеры
трансформатора при одной и той же мощности и частоте тока пи
тающей сети, однако тем обычно он дороже.
Величина амплитуды 11,rагнитной . индукции в магнитопроводе
зависит как от материала, так и от вЬ!бора критерия расчета. На
пример, трансформаторы малой мощности (десятки ВА) при час
тоте 50 Гц часто рассчитываются из условия заданного тока холо
стого хода . Поэтому · амплитудное значение магнитной индукции в
таких трансформа-r-орах существенно меньше в сравнении с транс
форматорами, . рассчитывае м ыми на допустимый перегрев.
Для трансформаторов средней и большой мощности при час
тоте 5'0 Гц значение амплитуды магнитной индукции обычн.r выби
рается на колене магнитной характеристики (кривой нама'гничива
ния). В этом - случа _е потери в · стали · прямо пропорциональны ам-
16
плитуде магаитной индукции примерно во второй степени и часто
те в степени от 1.3 до 1,6 (в зависимости от марки стали i1 толiци
ны листов шш ленты) :. ,С ·повышением частоты приходится несколь
ко уменьшать амплитуду магнитной иl-fдукции, с тем, чтобы удель
ные потери оставались неизменными.
Холоднокатаная сталь отличается · от горячекатаной меньшими
удельными потерями, а также большей магнитной проницаемо
стью в случае намагничивания по ·направлению проката . ПоэтоJ~У
применение холоднокатаной · ст·али позволяет повышать значения
магнитной инду1щии, ·что уменьшает поперечное сечение магнито
провода и , размер:ы трансформатора .
В зависимости от конфигурации сердечника однофазные fr:.ра}iс
форматоры делятся на три · основных типа '(рис. 1.8) : стержневые,
броневые и тороидальные .
о)
11 11
Рис. '1.8. Конструкции однофазных трансформаторов:
а ) ·· и б) пластинчатые стержневой и ' броневой; в) и г) лен
' то,чные ''Стержневой • И -броневой; д) торои.д·альный
;
Стержневой сердечн.ик (рис; -1.8а) имеет два стержня с обмот
к ами . Часть сердечника, · замыкающая :маr;щпную цепь и не несу
щая обмоток, называется ярмо м: На каждом стержне сердечника
помещается половина витков первичной и половина в11тков вторич
ной обмоток. Такое расположение обмоток на . сердечнике , обеспе
чивает большую магнитную , снязь между обмотками, чем при раз
мещении первичной ,и вторичной обмоток на различных стержнях,
как это условно изображается на · схемах. Большая магнитная
связь обеспечивает меньшие падения напряжения, которые возни
кают при изменениях нагрузки 11рннсформаторов.
Половины каждой обмотки соединяются между собой последа•
вательно или параллельно, так, - чтобы намагничивающие силы
~тих половин обмоток совпадали по направлению при обходе по
ос: "..·J, 3c··j• в
f 17; --" "~ " 'cLi!.IH ~ll!JJl <'CWfr.;д ~
tJ6i
,
i(tHtc~K~
f
J.LЗ.tl~!'J :.ntti~r, ~:. !:-i .);\
контуру магнитопровода , т. е. полуобмотки должны быть соедине
..
ны согласно .
В трансформаторе (рис . 1.86) первичная и вторичная обмотки
помещаются на среднем стержне сердечника. Таким обра з ом . n
этом трансформаторе обмотки частично охватываются (брониру
ются) ярмом . Магнитный поток, пронизывающий стержень сер
дечника, разветвляется на две части . Поэтому яр м о имеет попе
речное сечение, вдвое меньшее сечения стержня .
Трi:!.нсформаторы больших и средних мощностей выполняют
стержневыми, так как в броневых трансформаторах изоляция об
моток высокого напряжения от сердечника представляет большие
трудности .
К достоинствам стержневого трансформатора по сравнению с
броневым следует также отнести: большую поверхность охлаждения
обмоток ; малую индуктивность рассеяния, так как число витков на
каждой катушке уменьшено в два раза и уменьшена толщина на
мотки; меньший расход обмоточного провода, так как при меньшей
толщине намотки снижается средняя длина витка обмотки; значи
тельно меньшую чувствительность к внешним магнитным полям.
так как ЭДС помех, наводимы х в полуобмотках , противоположны
и взаимно уничтожаются.
Трансформаторы малой мощности часто выполняются с бро
невым сердечником. Броневой трансформатор обладает рядом кон
структивных достоинств : наличием только одной кату шки с обмот
ками вместо двух на стержневом сердечнике; более высоким ко
эффициентом заполнения окна сердечника обмоточным материа
лом; частичной защитой обмотки ярмом сердечника от механичес
ких повреждений .
Сердечники маломощных стержневых и броневых трансформ а
торов выполняются соответственно из П и Ш-образных пластин
трансформаторной стали, а также из ленточных сердечников по д
ковообразной формы (рис 1.8в , г) . ДJ1я уменьшения намагничи
вающего тока пластинчатые сердечники трансформаторов выпол
няют с уширенным ярмом. В этом случае сечение ярма делают у
стержневого трансформатора больше сечения стержня, а у броне
вого больше половины сечения стержня.
П.1астинчатые магнитопроноды трансформаторов собирают
«встык» и «внахлест» . При сборе «встык» все пластины с~рдечни
ка составляют вместе, располагая одинаково . Сердечник состои т
из двух частей, которые затем скрепляют вместе. При сборке
встык прост монтаж и демонтаж трансформатора , но в месте сты
ков необходимо поместить изоляционную прокладку с большиы
магнитным сопротивлением . Без такой прокладки пластины ярм а
могут замкнуться с пластинами стержня . Замыкание пластин яр
ма и стержня увеличит вихревые токи и может недопустимо на
греть сталь в месте стыка . Нагрев может быть настолько интен
сивным, что трансфQРматор выйдет из строя .
Сборка «внахлест» позволяет уменьшить магнитное сопротив
ление магнитопровода (пластины могут плотно прилегать друг
18
к другу в месте стыка), но усложняет монтаж и демонтаж транс
форматора. При сборке «внахлест» пластины чередуют так, чтобы
У лежащих друг на друге листах разрезы были ,с, разных -сторон
-с ердечника .
После сборки магнитопровода его стягивают болтами или
шпильками. Стяжные планки, болты и т . д. изолируют от тела
м агнитопровода электрокартоном или бумагой для того, чтобы
предотвра:гить образование короткозамкн утых витков вокруг сер
дечника или его части .
Стержневые и броневые магнитопроводы из ленточных сердеч
ни ков собирают встык. Для уменьшения магнитного сопротивле
н ия в местах стыка сердечников их торцевые поверхности шлифу
ю т. Обычно зазор в сердечнике бс составляет 15-30 мк . Наличие
зазора уменьшает эффективную ' магнитную проницаемость μэ,
У пластинчатых сердечников, собранных внахлест, эквива
ле нтная величина ,Ос, обусловленная удвоением индукции в зоне
стыка, составляет 20-60 мк.
Для трансформаторов, работающих на повышенных частотах .
а также измерительных, применяются тороидальные сердечники
( рис. 1 . 8д). Достоинствами таких трансформаторов являются: от
носительно малое · магнитное сопротивление; минимальный внеш
ни й поток рассеяния; нечувствительность к внешним магнитным
полям независимо от их направления (при условии равномерного
распределения обмоток трансформатора по окружности тороида) .
Как показано в (1], при мощности в нагрузке более 150-
200 ВА лучшими объемно-весовыми характеристиками обладают
стержневые трансформаторы (как· при частоте 50 Гц, так и при -
400 Гц) . При мощности менее 150-200 ВА лучшие объемно - весо
вые характеристики имеют тороидальные трансформаторы. Броне
вые трансформаторы рекомендуются к применению , при мощнос
тях менее 25- 40 ВА.
Обмотки трансформаторов выполняются из меди или алюми
ния . Для трансформаторов небольшой мощности (т. е. при неболь
ших токах - примерно до 25 А для воздушных и до 45 А для мас
ляных трансформаторов) обмотки выполняются из изолированно
го провода круглого поперечного сечения. Параллельное соедине
ние витков дает возможность применить провод круглого попереч
ного сечения при больших токах в обмотках и облегчает процесс
их изготовления. При сравнительно больших мощностях и при
больших токах обмотки выполняют из шин прямоугольного попе
речного сечения..
Прозода большого поперечного сечения не допускают изгибов
под углом, так как это снижает динамическую устойчивость и
разрушает изоляцию проводов . Поэтому обмотки мощных транс
форматоров выполняются в виде концентрических катушек.
При таких обмотках поперечному сечению сердечника жела
тельно придавать круглую форму, чтобы в площади, охватываемой
.. обмотками,
не оставалось воздушных промежутков. Чем меньше
воздушные промежутки, тем меньше длина витков обмоток, а
19
следовательно, и вес провода при з. аданной площади поперечного
сечения стального сердечника.
Так как сердечник на б и р с, ется из тонких ста л ьных листов, то
для создания сердечни1<а к р угл ого с ечения понадобилось бы
большое число ст ал ьны х л ист ов различной ширины, а это потребо
в а ло бы изготов л ения множества штампов. Поэтому в трансфор
маторах большой м ощности серд е чник имеет ступенчатое п о переч
ное сечение с числ о м ступеней н е более девяти - десяти {2, 3] .
Для лучшего охла ждения в сердечниках и обмотках мощны х
трансформаторов у страивают сп венти,пяционные каналы.
В трансформ а торах малой :мощности площадь поперечного се
чения провода мала и выполнение обмоток упрощается. Сердечни
ки таких трансформаторов имеют прямоугольное поперечное се
чение.
Обмотки и другие токоведу щ и е части трансформатора и з оли
р уются. Изоляция должна об еспечивать надежн у ю работу транс
форматора при его э1<:сплуатации в у сл о в иях значительных колеба
ний температуры нагрева . В зависи мо сти от нагревостойкости изо
ляционные материалы . разделяются , на семь классов со следуюши
м и предельно . допускаеМЬ!'v1И температуррМИ : У - 90°С; А
-
105°С;
АВ (Е) - 120°С ; В- 130°С; ВС (F) :-;- 155.~С; СВ (Н)- 180 ° С; С-
более 180 ° С.
Конструкция обмоток должна обеспечивать хорошее их охлаж
дени е так, что.бы температура нагр е ва обмоток не , превышала пре
дело в , установленных для соответствующи х к л ассов изоляции .
Изоляция обмоток должна выдержив. ать бе з повреждений дли
тельное воздействие на нее переменного электрического по.тrя,
имеющегося в · трансформаторе при нормальной его работе, и крат
ковременные перенапряжения , воз17 икающие при эксплуатации
трансформаторов.
•
.
Обмотки трансформаторов должны выдерживать механические
перегрузки, которым они подвергаются в процессе сборки и при
коротких замыканиях .
По способу размещения на магнитопроводе обмотки трансфор
маторов могут быть -концентрическими и дисковыми чередуюш.и -
мися .
'
.
'
'
'•
.,
..
Концентрические обмотки (pi\c. 1.9) выполняются в • виде ци
линдров, р,в:мещаем'ь1х;. па lУ) аr.нц1·опроводе концентрически. Внут
ри, ближе к сердечнику, раз м ещ 2, ется обмотка , низшего напряже-
1-щя, требующая меньшей изо{Iяцди относительно сердечника маг
нитопровода, снаружи - обм о тка вь1сшего напряжения (рис.
1 . 9а). Для уменьшения индукп~вного . сопротивления обмоток, т. е .
для уменьшения магнитного рассеяния применяют двойные кон
uентрические •обмотки (рис . 1.9'5), в которых об~ютка низшего на
пряжения делится на две одинаковые катушки. 1v1ежду кат"у.шкам и .
обмотки низшцо . напряжения помещается обмотка высшего на
пряжения. Подобным обр;з.зом может быт 1<_ выполнена тройная
концентрическая об~10тка, в которой обмотка низшего, напряжения
состоит из тре~ 1 1~ а,тушек, , r обмотка высшего . напряжения
-
из
20!,•
/
двух. Концентрические обмотки наиболее широко распространены
в отечественной практике.
В дисковых чередующихся обмотках катушки низшего и выс
шего напряжений, изготовленные в виде отдельных дисков, разме
щаются на магнитопроводе (рис. 1.1 О). Вся обмотка разделяетс я;
а)
о)
Bfl fllf
Рис. 11.9. Схемы концентрической об
мотки:
а) .простая; 6) двойная
Рис. r!J!IO. Схема д1rс
ковых чередующихся
обмоток
на симметричные группы, состоящие из одной или нескольких ка
тушек высшего напряжения и расположенных по обе стороны от·
них двух (или нескольких) катушек низшего напряжения . Диско- .
вые чередующиеся обмотки более сложны, но обладают меньшим
рассеянием. Такие обмотки применяются в специальных случаях.
(в импульсных и выходных трансформаторах), а также в высоко
вольтных трансформаторах.
Обмотки трансформаторов малой мощности укладываются на,
каркасе, изготовленном из изоляционного материала . Для изготов
ления каркасов при~еняется электрокартон, пропитанный изоли
рующим лаком, гетинакс, пластмассы и другие изоляционные-
материалы, обладающие нагревостойкостью и негигроскопичные.
Каркас состоит из гильзы, представляющей собой трубку пря
м оугольного, квадратного или круглого сечения . На концах гиль
зы укрепляются боковые щеки. При изготовлении каркаса из,
пластмассы его прессуют целиком. Иногда при прессовке в щеки
запрессовывают выводные лепестки, предназначенные для вывода.
концов обмотки.
В настоящее время широко применяется так называемая бес
каркасная намотка. При этом способе обмотка наматывается на
гщ-rьзу, не имеющую боковых щек. Витки обмотки на каркасе ук
ладываются рядами плотно друг к другу. При укладке первый:
ряд наматывается в одну сторону, другой ряд - в другую . По
этому при четном числе рядов выводы начала и конца обмотки·
будут с одной стороны, а при нечетном - с противоположных. При :
малых диаметрах про вода випш м огут «западать» . из верхних ря
дов в нижние, в результате чего напряжение между отдельными-
витками окажется настолько большим, что вызовет пробой изоля -
21.
,ции и выход трансформатора из строя . Для предотвращения «за
падания» после намотки каждого ряда укладывается прокладка
из конденсаторной, те.11ефонной или кабельной бумаги.
1.5. ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Энергию трехфазного тока можно трансформировать тремя
однофазными трансформаторами, первичные и вторичные обмот
ки которых соединены между собой по одной из трехфазных схем
Рис. '1 ;,111'. ТреХJфазный
стержневой трансфор
матор
(групповой трансформатор) или трехфазным
трансформатором.
Трехфазные трансформаторы выполняются
стержневыми с расположением стержней в
одной плоскости . На каждом стержне такого
трансформатора размещаются обмотки низше
го и высшего напряжения одной фазы (рис.
1.11). Стержни соединяются между собой яр
мом сверху и снизу.
Недостатком трехфазного трансформатора
является несимметрия токов холостого хода
фаз, обусловленная несимметрией магнитных сопротивлений
(р.ис. 1.11 ) .
Длина магнитных линий потока среднего стержня меньше, чем
крайних, поэтому в фазе, обмотка которой помещена на среднем
-стержне, протекает меньший намагничивающий ток. Для умень
. шения
намагничивающих токов и их несимметрии поперечное се-
чение ярма часто делают несколько большим (пр'имерно на 20 %)
поперечного сечения стержня. К:онструктивно обмотки трехфазных
трансформаторов выполняются так же, как и однофазных.
Начала фаз обмоток высшего напряжения (ВН) обозначают
прописными латинскими буквами .4, В и С, а концы фаз обмоток
буквами Х, У и Z. Если обмотка ВН имеет выведенную нулевую
точку, то этот зажим обозначают О. Начала фаз обмоток низшего
напряжения оGозначают строчными латинскими буквами а, Ь, с;
1<онцы фаз - х, у, z, вывод нулевой точки - О.
Обмотки трехфазных трансформс1торов соединяются согласно
рис. 1.12.
а)
АШС
х
уz
Рис. Т.'12. Схемы соединения обмоток трехфазных
трансформаторов:
а) звездой; •6) т.реугольником; в) зигзатQм
22
Пpll соед~инении обмоток в звезду концы всех трех фаз соеди
няются между собой, образуя общую нейтральную (нулевую) точ
ку, а свободные начала трех фаз подключаются к проводам сети
источника ИЛll приемника электрической энергии переменного тока .
При соединении обмоток в треугольник ('Л) начало первой фа
зы соединяют с концом 1второй , начало второй - с •концом третьей .
начало третьей фазы - с концом первой . Точки соединения нача
ла одной фазы с концом другой подключают к проводам трехфа з
ной сети переменного тока .
Помимо этих двух основных схем иногда в выпрямительных
устройствах применяют схему соединения в зигзаг. В этой схеме
(рис. 1 . 12в) каждая фаза состоит из двух катушек с одинаковым
числом витков, находящихся на различных стержнях и соединен
ных встречно. ЭДС фазы обмотки, · соединенной в зигзаг, равна
геометрической разности ЭДС двух катушек Ен. Эти ЭДС сдвину
ты на 1/3 периода по фазе так же, как и магнитные потоки двух
различных стержней . Поэтому ЕФ зигзаг= VЗ Ен. Если обмотка име
ет выведенную нулевую точку, то в соответствующем знаке обо
значают нулевую точку и показывают вывод от нее.
Для параллельного включения трансформаторы объединяют в
группы, которые обозначают следующим образом: У/У-0, У/:Л-11
и т. д., где знак над чертой показывает схему соединения обмоток
ВН, знак под чертой - схему соединения обмоток НН, цифра
-
угол между векторами линейных ЭДС обмоток высшего и низшего
напряжения, выраженный числом угловых единиц по 30° . Отсчет
угловых единиц производится от вектора линейной еде обмотки
ВН по часовой стрелке.
Группы трехфазных трансформаторов зависят от схем соеди
нения обмоток, обозначения зажимов обмоток ВН и НН и направ
ления намотки. Если направление намотки обмоток ВН и НН оди
наково, то ЭДС, индуцируемые в обмотках ВН и НН, расположен
ных на одном стержне магнитопровода, совпадают по фазе.
Если обмотки ВН и НН соединены в звездv и имеют одинаково е
направление намотки, что условно показано на рис. 1.13а, тогда
ЭДС, индуцируемые в фазах обмоток ВН и НН, будут еовпадать :
векторы Еа и Ел, Еь и Ев, Ее и Ее параллельны.
Векторы линейных ЭДС, соответствующих зажимов обмото к
ВН и НН (Е_,,,_в и Еаь). оказались параллельными, т . е. угол меж
ду ними 0° и трансформатор принадлежит к группе О.
Ее.ли изменить обозначение зажимов обмоток НН, как показа
но на рис. 1.136, то при этом повернется на 120° звезда фазны х
ЭДС обмоток НН. В этом случае будут параллельными векторы
ЕеиЕл,ЕаиЕв,ЕьиЕе,таккаккатушкифазсиА,аиВ,ви
С находятся на одних и тех же стержнях и сцеплены с одним по
током. Угол между векторами линейных ЭДС Елв и Еаь стал рс1в-
ным 120°, т. е. получили группу 4 (4 Х 30° = 120°) .
Если произвести еще одно изменение обозначения зажимов об
моток НН, то векторы фазных и линейных ЭДС повернутся еще
на 120° по часовой стрелке , то получим группу 8.
23
Если обмотки НН намотать встречно обмоткам ВН или, что
то же само~, изменить обозначения начал и концов фаз НН, то
,фазные ЭДС обмоток ВН и НН будут направлены встречно. Если
.при этом изменять обозначения зажимов обмоток НН, то можно
.получить группы 6, 1О и 2.
Рис. J . 1.З. Схемы ,соединения обмоток и векторные диаграммы для
трансформаторов:
а) группы О; 6) группы 4
При соединении О'бмоток треугольником линейные ЭДС совпа
дают с фазными, при соединении -звездой линейные ЭДС смещены
\На 30° по фазе относительно фазных ЭДС. Поэтому для схемы, на
рис. 1.14 линейные ЭДС обмоток ВН и НН смещены на 330°, т. е.
мы получили группу 11. При круговом смещении зажимов для
!Встречного и согласного направления намоток обмоток ВН и I-IH
.можно получить любую нучетную группу 1, '3, 5, 7, 9, 11.
В СССР стандартными группами являются О и 11 .
сАв
А~, Еа~
'Ш
аьс
сЕе
М1]с fl
330°
Рис. 1.14. Схемы со -единения обмоток и векторные диа
граммы для трансформатора группы Ш ·
24
В стандартных группах обмотки ВН соединяются по схеме
звезда для уменьш,ения фазной ЭДС. Фазная ЭДС при соединении
обмоток по схеме у в Vз меньше, чем при соединении по схеме л.
Поэтому при соединении обмоток по схеме .У обмотки имеют мень
шее число БИТКОВ и проще их l!ЗОЛЯЦИЯ.
Обмотки НН преимущественно соединяют · в Л, так как эта схе
ма значительно менее чувствительна к несимметрии нагрузок.
Достоинством схемы звезда с выведенной нейтральной точкой
является получение двух ра,зличных напряжений при .четырехnро
водной сети.
При симметричной нагрузке схемы замещения и векторные
диаграммы каждой фазы трехфазного трансформатора одинако
вы и имеют тот же вид, что и у однофазного трансформатора.
Поэтому полученные ранее выражения могут быть применены как
к однофазным, так и к трехфазным трансформаторам. Однако в
последн е ч сл уч2е в выражения необходимо подставлять фазные
токи, напряжения и мощности.
1.6 . АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ
Конструктивно автотрансформатор подобен трансформатору ~
на стальном магнитопроводе помещаются две обмотки, выполнен
ные из проводников различного поперечного сечеir'ия. 'Конец одной
обмотки электрически соединяется с на-· о------,_ А .
чалом другой так, что две последователь- 1
но соединенные обмотки образуют общую .•
обмотку ВН. Обмоткой НН, являющейся
частью обмотки ВН, служит . одна из двух
обмоток автотрансформатора. Таким об- и,
разом, между обмотками высшего и низ- · j
шего напряжения - автотрансформатора
.
имеется не только магнитная, но и элект-
рическая связь.
J<>------- ,- - ~- - -
Рассмотрим рис. 1.16: Первичное на-
Х
пряжение подведено к заж•имам А-Х пер- Рис. '1 iJ l5. Принципиаль-
вичной обмотки с числом витков W1. ная схема автотрансфор-
матора
Вторичной обмоткой является часть пер-
вичной а-Х с числом витков w2. При холостом ходе (!2='0), пре
небрегая падением напряжения в ,сопротивлениях первичной обмот
ки, можно записать уравнения равновесия ЭДС для первичной и
вторичной обмоток в следующем виде:
•
И1~Е1= 4,44W1fФт, И20=Е2 = 4,44w2fФт.
1
Отношение напряжений первичной и вторичной обмоток при
холостом ·ходе называют коэффициентом трансформации авто
трансформатора, т. е. , U1/И2a=w1/W2=n.
Если ко вторичной обмотке подключить нагрузку, то по части
обмотки Аа с числом витков (w1-w2) будет протекать ток /1, а
25
.по части витков w2, общей для первичной и вторичной обмоток
автотрансформатора, - ток /12, равный геометрической разности
токов /1 и /2 (рис. 1.15), т. е. i12=i1-i2.
При холостом ходе напряженность магнитного поля в сердеч·
нике автотрансформатора создается НС -
1i0w1; при нагрузке ав
тотрансформатора напряженность магнитного поля создается НС
части обмотки Аа -
1i1(w1-w2) и НС части обмотки аХ -i12(w2).
Если считать, что амплитуда магнитного потока в сердечнике при
холостом ходе и для нагруженного автотрансформатора неизмен
на, то напряже~ность магнитного поля при нагрузке в любой мо
мент времени должна быть равна напряженности поля при холо
,стом ходе. Следовательно. для автотрансформатора можно запи
.сать уравнение равновесия НС в следующем виде :
i1(w1-Wz)+il2W2= ioW1,
или
Для автотрансформатора это уравнение тем более справедли
во, так как равенство И1=-Е1 для них выполняется с большей
1'очностью, по сравнению с трансформаторами той же мощности,
щэ.к будет показано дальше.
Если пренебречь током холостого хода в силу малости, то из
уравнения равновесия НС выражение для тока /12 в общей части
,обмотки аХ можно представить в следующем виде: j12 =-l ~(n-l).
В понижающем автотрансформаторе (п> 1) ток i12 направлен
встречно току i1. В повышающем автотрансформаторе ток i12 сов
ладает по фазе с током !~ .
Ток /12 тем меньше, чем ближе коэффи
циент трансформации к единице.
Если пренебречь током холостого хода Uo=O), то ток вторич
•ной цепи /2 отличается от тока, потребляемого от источника пи
тания /1 в коэффициент трансформации i)аз
i2 = i1 -i12+i1-i1(п-1) =i1п.
Таким образом, основные соотношения трансформатора спра
ведливы для автотрансформаторов.
Достоинством · автотрансформатора по сравнению с трансфор
матором той же мощности является меньший расход активных
материалов - стали и обмоточного провода, меньшие потери
энергии, более высокий КПД и коэффициент мощности, меньшее
изменение напряжения при изменениях нагрузки.
Полная мощность, потребляемая автотрансформатором от ис
·точника питания S1 = · И1/1~ Е1/1, передается в нагрузку как элект
ромагнитным полем Sэм, за счет магнитной связи между обмотка
ми Аа и аХ, так и электрически S3 л, за счет электрического соеди
:нения источника питания и нагрузки. Согласно закону сохр·анения
26
энергии электромагнитная мощность обмотки Аа должна быть
равной электром,агнитной мощности обмотки аХ, т. е.
SэмАа = SэмаХ = Sэм а тр•
Действительно,
SэмАа= (Е1 -Е2)/1 = E1l1(l - 1/п),
Sэмах=Е2/ 2 1Е111(1- 1/n).
В обычном двухобмоточном трансформаторе вся мощность во
вторичную цепь передается электромагнитным полем, т. е. Sэм тр=
=E1I1~E2I2. Из сравнения выражений для электромагнитной
мощности автотрансформатора и трансформатора с.Jiедует, что
электромагнитная мощность автотрансформатора в п/(п-1) раз.
меньше электромагнитной мощности трансформатора . Следова ~
тедьно, амплитуда магнитного потока в автотрансформаторе так-.
же может быть в п/(п-1) раз меньше по сравнению с трансфор
матором, т. е. в 1'1/(п-1) раз меньше поперечное сечение и масса
стали магнитопровода . Так как для возбуждения магнитного поля
с меньшей амплитудой требуется меньшая реактивная энергия, то.
коэффициент мощности автотрансформатора несколько выше, чем
у трансформатора.
Вес обмоточного провода автотрансформатора также примерн о ,
в п/ ( п-1) раз меньше веса обмоточного провода трансформатора
при одинаковых плотностях тока. Это объясняется тем, что у
трансформатора на сердечнике имеется две обмотки - первичная
с числом витков W1, поперечное сечение которой рассчитано на
ток /1, и вторичная с числом витков w2, поперечное сечение кото
рой рассчитано на ток /2. У автотрансформатора также две об
мотки, но одна из них Аа имеет число витков W1-w 2 (в п/ (п--1)
раз меньше, чем у трансформатора] из провода, поперечное сече
ние которого рассчитано на ток /1, а другая аХ с числом витков
w2 из провода, поперечное сечение которого рассчитано на ток
112 =12-!1, т. е. на ток, в п/(п-1) раз меньший, чем у трансформа
тора .
Средняя длина витка обмоток автотрансформатора существен
но меньше, чем у трансформатора, так как меньше поперечное се
чение стержня магнитопровода, также меньше числа витков и по
перечное сечение провода одной из обмоток.
Поэтому активные и индуктивные сопротивления обмоток ав-.
тотрансформатора меньше. чем у трансформатора. Следовательно,_
автотрансформатор обладает большей стабильностью напряжения
при изменениях нагрузки и для него с большей точностью выпол -
няется равенство И1 =-Ё1 .
Меньшая масса активны х материалов автотрансформатора 110.
сравнению с трансформатором обусловливает меньшие потери, а .
следовательно, более высокий КПД.
Существенным недостатком автотрансформатора является на -.
личие электрической связи .между сетью и приемником энергии ,_
27
что не позволяет применять его, если приемник энергии имеет за
земленный полюс (в выпрямительных устройствах).
Следует иметь в виду, что токи короткого замыкания в авто
трансформаторе существенно больше, чем в трансформаторах,
из-за меньших .:::опротивлений обмоток. Поэтому аварийное корот
:кое замыю::шие для а.втотрансформатора представляет большую
-опасность.
1
Достоинства автотрансформаторов тем больше, чем ближе Е
•единице коэффициент трансформации. Поэтому автотрансформа
·торы применяются при небольших коэффициентах трансформации
(n= 1-2) . Автотрансформатор рассчитывается так же, как и
•обычный трансформатор, но расчетной мощностью яв ляет ся элек
-тромагнитная мощность, и автотрансформатор заменяется эквиnа
лентным трансформатором, в котором первичной обмоткой яв
ляется обмотка Аа с числом витков w1-Wz, первичное напряжение
U1-U2, ток 11, вторичной обмоткой является обмотка аХ с число м
,витков zv2, вторичное напряжение U2, ток /12 =12-/1.
1.7 . ОПЫТЫ ХОЛОСТОГО ХОДА И КОРОТКОГО
ЗАМЫКАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА
Параметры эквивалентной схемы замещения и эксплуатацион-
1Ные характеристики трансформатора могут быть определены ИJIИ
:рассчитаны по данным опытов холо стого хода и короткого заыы
кания.
Э1(сплуатацио1-rные характеристики трансформатора могут быть
·о пределены и непосредственно его испытанием. Если подключить
к трансформатору какую-либо нагруз ку и измен:ять ее, то по по
·казаниям приборов можно определить, как будет изменяться на-
11ряжение на зажимах вторичной обмотки и КПД трансформато
ра. Однако при испытании нагруженного трансформатора проис
ходит очень большой расход электроэнергии (тем больший, чем
·больше мощно сть трансформатора) и для имитации активной, ин
дуктивной и емкостной нагрузки необходимо очень громоздкое
-оборудование (реостаты, индуктивные катушки и конденсаторы).
Кро м е этого, непосредственное испытание трансформатора дает
очень неточные результаты.
,
Для проведения опытов холостого хода и короткого замьша
ния требуются сравнительно малые затраты энергии и отпадает
надобность в громоздком нагрузочном оборудовании, т. е. в реоста
-тах, катушках индуктивности и конденсаторах. Кроме того, экс
П-!Iуатационные характеристики определяются с высокой точно
-сть ю.
При проведении опыта холостого хода к первичной обмотке
трансформатора подводится номинальное напряжение И1н, изме
ряемое вольтметром ·v1 (рис. 1.16). Ампе рметр А в первичной це
пи дает возможность определить ток ·хол остого хода 1о, •величину
ко торого принято измерять в прсщентах от , номинального ,тока
первичной обмотки · (в %) io= (fo!l1н) 100.
28
Обычно трансформаторы малой мощности рассчитываются так,
чтобы при номинальной нагрузке потери в стали были равны по
терям в обмотках, что обеспечивает (как будет пока за но в § J. .9)
максимальное значению КПД при номинальной нагрузке.
Рис. 1:1 16. Схема для о.пыта хо
лостого хода
Рис. ,J•.:H. Схема для опыта
короткого замыкания
При холостом ходе потери во вторичной обмотке отсутствуют,
а в первичной обмотке относительно малы вследствие небольшо,о
значения тока холостого хода !о, тогда как потери в стали при
холо стом ходе остаются практически равными потерям в стали
при номинальной нагрузке. Следовательно, потери в обмотках при
холостом ходе существенно меньше потерь в стали, т. е. можно
считать, что Р0 =Рст, Так, напрю1ер, у трансформаторов мощно
стью более 200 БА ток ·холостого хода обычно составляет
(О,l---'О,3)/1н. У трансформаторов меньшей мощности он может до
стигать значения (О,4--О,6)11н-
По данным опыта холостого хода определяются коэффициент
1'рансформации п; сопротивления zu, Xu I1 rп эквивалентной схеr,лы
замещения и коэффициент мощности cos ера.
Эти величины определяются по следующим формулам:
n = И1н/И20 ~ E1fE2 = W1/W2;
r0= Р0/16; Х0=11z6- г6;
При опыте короткого замыкания вторичная обмотка транс
форматора замкнута накоротко _(рис. 1.17) , а к первичной обмот
ке подвоtи тся такое пониженн ое напряжение Ин, при котором по
обмоткам протекают номинальные токи. Это напряжение называет
ся напряжением короткого замыкания и измеряется оно • В % 01'
номинального, т. е. ин= (Ин/Иш) 100 и составляет величину поряд
J<а Ин%= 3,0 -10,0 %.
При столь малом напряжении магнитн ы й поток будет незначи
телен, следовательно, · будет мaJI и нс1магничивающий ток, т. е.
fo кз=О.
Поэтому можно считать, что НС ,первичной обмотки транс
•Форматора идет лишь на компенсацию НС вторичной обмотки.
Таким образом, пренебрегая намагничивающим токам, уравнение
магнитного равновесия можем заrшсатъ как i1r.v1 + l~w2= О, откуда
jl =-i1 2.
29
При опыте короткого замыкания (zн=О и / 0 =0) эквивален т
н·ая схема трансформатора примет вид рис. 1.18. Из этой схемы
видно, что полное сопротивление короткого замыкания трансфор
матора
Zк= r1+iх1+r;+iх;= Гн+iХк,
где rк=r1 +r'2 - активное сопротивление короткого замыкания ;
Хк=Х1 +х'2 - индуктивное сопротивление короткого замыкания
трансформатора.
При опыте короткого замыкания измеряется напряжение ко
роткого замыкания Ин, ток в первичной обмотке, который устанав-
'
r,
х,
r;.х;
ливается равным номинал.ьному то
ку l1н, и мощность Рк , Мощность ,
~!
.
1,-Iz
,'
потребляемая тра·нсформатором при
,
опыте короткого замыкания, расхо-
дуется на пок·рытие потерь в обмот
Рис. il'J!8. Эквивалентная схема ках f2нrГк, та·к как потери в ста.чи
трансформатора при коротком за -
мыкании
магнитопровода очень малы из-за
малого магнитного потока .
Полное, активное и индуктивное сопротивления короткого за
мыкания определяются соответственно из следующих выражений :
х = Vz2-r2
I{
К
к•
Если опыт короткого замыкания проводится при «холодном ~
(неработающем) трансформаторе, то активное и полное сопротив
ления короткого замыкания следует привести к рабочей темпера
туре, которая обычно принимается равной 75°С.
При испытании трехфазного трансформатора следует опреде·•
лить фазные значения тока и напряжения, а также мощность Рн
на одну фазу и эти знач~ния подставить в выражения для опреде
ления полного активного и реактивного сопротивлений коротког о
замыкания трансформатора .
Напряжение короткого замыкания, его активная и реактивны е
составляющие определяются следующими выражениями (в % ) :
U = fнZк100·
к
Ин
'
U = !н'к100·
а ufl
'
Их= lн Хк 100.
Ин
Фазовый сдвиг между напряжением и током при коротком за-
Хк
Ux
мыканин срк= arctg- = a r ctg- называется углом короткого за-
'к
llа
мыкания.
Величина ин% позволяет рассчитать ток 1,~роткого замыкания
трансформатора в условиях экспJJуатации. В этих условиях корот
кое замыкание является аварийным режимом, который возникает
в результате электрического пробоя изоляции, неправильных со1::
.динений в цепи вторичной обмотки и т. п. Установившееся значе
ние тока короткого замыкания в первичной обмотке f1н (рис. 1. 18)
мож1ю выраз·ить через ток f1н, как f1и = (1 !ОО/ии)f1н.
3()
В переходном процессе максимальное значение тока коротко
го замыкания, получившее название ударного тока /уд, может
быть значительно больше амплитуды тока в установившемся ре
жиме: /уд = Куд/1к (l~Куд~2).
Ударный ток представляет серьезную опасность для транс
форматора большой мощности, так как электромагнитные силы,
пропорциональные квадрату тока, в обмотках могут .сдвинуть
витки, смять изоляцию и вызвать в конечном итоге ее пробой. По
этому катушки и витки обмоток прочно укрепляются, с тем чтобы
не возникло сколько-нибудь заметных деформаций их при корот
ком замыкании.
1.8 . ИЗМЕНЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ НА ЗАЖИМАХ
ВТОРИЧНОЙ ОБМОТКИ НАГРУЖЕННОГО
ТРАНСФОРМАТОРА
Согласно рис. 1.6 напряжение на зажимах вторичной обмотки
не остается постоянным при изменении тока нагрузки. Напряже
ние изменяется вследствие того, что обмотки трансформатора об
л адают как активным, так и индуктивным сопротивлениями. При
этом напряжение на зажимах вто-
)11
ричной обмотки -зависит не только
•2
от величи:ны тока, · но и от харак
тера нагрузки. Из характерис-
Uz
2
~oL--=-=----------
- --- --.-
1
1
1
1
J
1
1
1
Оr
t•l211lz
Рис . •l\ Ie. Внешн,ие харак
теристики трансформатора:
1 - при активно-индуктивной , на
грузке; 2 - при актнвно•емкост-
ной нагрузке
'-,.._С
/>
с
Рис. 1.20. Упрощенная диа
грамма трансформатора
тик рис. 1. 19 следует, что при индуктивной нагрузке напряжение
на зажимах вторичной обмотки понижается с увеличением тока
нагрузки, а при емкостной (при достаточно больших фазовых
сдвигах ср2 ) с ростом нагрузки вторичное напряжение повышается .
Отклонение величины И2 от напряжения холостого хода , И2з
определяется изменением напряжения ЛИ2 (в %)
ЛИ2=[(U20
-
И2)/И20J 100 = [(И;0 - и;)/ и;0] 100.
31
Величину .ЛИ2 можно определить по диаграмме (рис . 1.20),
па.строенной . в предrrоложе.нии !'2=11, т. е. 10=0, а следовательно, ~
И120~ И1н и
100.
•Ввиду малости угла сдвига фаз между вектораwiи И1н
и U'2•
(q:,1-cp2;::;; О) разность величин И1н и И'2 практически равна ,. разно
сти между проекцией вектора Иtн на направление вектора·: U'2 (от
резком Ос) и вектором И'2 (отрезком Оа):
И1н = u; ~ос-Оа = ас.
С другой стороны, сагла сно рис. 1.20
ас=аЬ+Ьс=11rкcos<р2+11Хкsin<р2.
Следовательно,
'~
(1.19) fi
Умножая правую часть выражения (1.19) на f1н/f1н и вводя
обозначение [3=l1/l1н=f2/f2н, можно записать
ЛИ2= ~ЛИ2н= ~(Иаcos<р2+Ихsin<р2).
Из выражения ( 1.20) следует, -что наибольшее
ЛИ2 будет при таком характере нагрузки, когда
=arctg Их/Иа.
Напряжение на зажимах вторичной обмотки при
И2= И20 (1-.1И2/1ОО).
1.9 . КПД ТРАНСФОРМАТОРА
( 1.20)
значение
(Pz .= l<pк =
нагрузке .1
При работе трансформатора на какую-дибо нагрузку из пита
ющей сети помимо поJJезной мощности Р2 потребляется мощность,
покрывающая потери в стали сердечню(а и 13 обмотках.
Потери в с.тали сердечника на гистерезис и на вихрев1;,rе токи
зависят от частоты тока питающей сети и от магнитной индукции.
Так как при работе трансформатора частота тока сети и амплиту
да магнитной индукции неизменны (при условии постоянства при
ложенного напряжения), то потери в стали являются постоянными,.
независящими от нагрузки трансформатора и ра1вными потерям
холостого хода, т. е . Р ст = Ро. Эти 1.ютери определяются из опыта
холостого хода трансформатора.
Потери в обмотках зависят от тока (от нагрузки) и являются
потерями переменными. Они пропорциональны квадрату тока, . т. е.
Роб= [32Ркн, где Р 1,п - потери в обмотках при номинальном токе,
определяемые из опыта короткого замыкания.
32
Активная мощность, выделяемая в нагрузке Р2 -,;, /3.S~ cos 41'%,
где Sн=mИ2вf2н - номинальная полная мощность трансформато
,) а, ВА; т - число фаз трансформатора.
,..
,·,
КПД трансформатора представляет собой отношение активной
мощности, выделяемой в нагрузке к активной мощности, потреб
ляемой им из сети,
Р2
Р2
ri= -=
Р1
Р2+ Рст +Роб
Выражение ( 1.21) позволяет
определить 'rJ при любых значе
н иях /3 и cos (J)2, не нагружая
траноформатор.
Из nрафиков рис. 1.21 следует,
что зав.исимости fJ ={( М имеют
максимум. Взяв . из .выражен.ия
( 1.21) производную ТJ по р 1и лри
· 1 авняв ее ·нулю, определим ,коэф
фициент нагрузки трансформато
7
'1тах
'1н
Ртах
1 Cos'Р =О.С
,., 1
·Z ,'
,1.
1
1
:1
{,'
/3
ра /3max, соответствующий
большему значению К'Пд,
на ({- Рис. 1.21 . Зависимость КПД транс-;
• формато'ра от нагрузки
о ткуда
Ро- ~rnaxPк■ = О И ~mas • VРо/Ркн •
Следовательно, КПД трансформатора дос:гигает •м.амсим:ал1:,~10-; ,.
:о значен~я при равенстве пост9янных и переменных поiерь, т. -~/
при Ро= /3·maxP1m,
Как указывалось ранее, постоянные потери -: - это по.тери ав
·тали сердечника трансформатора, пр·опорцион.ал~1н,1е квадрату
магнитной индукции. Потери переменные - это потери · в прово
дах обмоток трансформатора, пропорциональные квадраrгу ,плот
ности тока.
Изменяя магнитную индукцию и плотность тока, можно варьи
ровать соотношение постоянных и переменных потерь и тем самым
изменять величину коэффициента нагрузки /)шах, соответствующе
го наибольшему значению fJ .
Если трансформатор постоянно работает на номинальную на-
грузку, то стремятся получить наибольший КПД при н0миналь-·
ном токе, т. е. при /3max= 1, что является обычным для трансфор
маторов малой мощности. Если же трансформатор работает в ре
жиме частых и значительных недогрузок (силовые, осветительные ·
и другие трансформаторы) ·, то целесообразно 'rrолучить наиболь
ший КПД при нагрузках, ·меньше номинальных, т; е. ·пJi):и /3ma-x< :l_
! -311
rлава вторая.
Л1агнитные усилители •
2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Простейший однофазный магнитный усилитель (МУ) представ
ляет собой два идентичных трансформатора, первичные обмотки
которых, наз'ываемые рабочими, соединяются между собой после
довательно или параллельно и подключаются к источнику напря
жения переменного тока. Нагрузка включается в цепь рабочих
обмоток _ непосредственно или через выпрямительное устройство .
Вторичные , обмотки, •• называемые обмотками управления, соеди
няются последовательно и подключаются к источнику постоянного
тока.
Первичные и вторичные обмотки трансформаторов включают
ся так, чтобы обеспечить насыщение сердечюшов в разные nо.rrу
периоды изменения напряже1:1ия источника питания.
-
Лр,i1-н(и·ri работь1 МУ заключается в том, что в течен•ие части
каждой И'з • по.riуriериодов изменения напряжения источника пи ·,а
ни:я, пока ни один из сердечников не насыщен, ток · в нагрузке мал
('пред'Ставл,я"t'iт, по существу, ток хоJюстЬго хода трансформато
ров), и пр ·акти'чес1Ы все нанряжение оказьrвается приложенным к
рабочим об'моп<аl\'!. В течение остальной части каждого из полупс
риодов, когда сердечники находятся в насыщении, практически вt:е
напряжение источника питания оказывается приложенным к на
!Груэке .
е'
Благодаря такому периодическ_ому воз1-шкновению и исчезно
вению большого сопротивленин последовательно с нагрузкой, 2\1\У
работает как ключ, между - источником питания и нагрузкой . Мо
мент . его .:1амыкания может быть изменен выбором величины на
магничю:~ающей силы (НС) обмоток управления .
: Р1:1сс·r.1отрим рис. 2. 11. Сердечник МУ изображается в схемах
ж'iфдуй ~р5!1v!ОЙ линией. В отличие от трансформаторов оси обмо
тоr( МУ располагаются на схеме перпендикулярно линии сердечни
ка . Выпуклости в графических изображениях рабочих обмоток и
обмоток управления направлены юаимно противоположно. Услов
ные начала обмоток отмечаются точками. Направление НС обмо-
34
ток и пропорционалЬFiЫХ им о) •
напряженностей принято нзоб- ..... -- - - -- - 0 0 --~ ----,
ражать стрелкам.и, параллель-
ll,., •
i ТрБ
ными линии сердечника . . Если
ток входит в вывод обм,отки,
отмеченный . точкой, то стрелку
необходимо ,на!Править в сторо
ну рабочей об.мотки.
ТрА
Широкое применение МУ в
электропитающих и :измери-
тельных устройствах .и устрой- o)~_ _ __ _ ll._
~____ _- 0
ствах связи обу,словлено таки-
Б
ми достоинствами их, как высо
кая надежность; выс01кий коэф
фициент усиления (до 104- 106 ),
низкий порог чувствительности
(до 1,0 -14
-
10-16 Вт); ВО'ЗМОЖ-i t
ность работы от сетей ~перемен- !J
ного тока различной частоты
(промышленной - 50 Гц, по
вышенной - 400 Гц и высо~
кой - 103-105 Гц); конструк
тивная про,стота, сравнитель
ная дешевазна и гальваниче
ская развяз·ка ,цепей управле
ния и нагрузки.
и,
Рис. 12.1. Схема дJ>ОС{;~льного магнит-
ного усилителя (дlМУ) :
а) принципиальная схема МУ при
последовательном соединении рабо
чих обмоток и непосредственном
включении нагрузки; б) условная
электричес к ая схема замещения
В настоящее время известно большое количество рс1.зличных
схем и разновидностей МУ, которые можно разделить по ; следую
щим признакам:
1. По виду статической характеристики управления
-
на одно-
тактные (нереверсивные) и двухтактные. (реверсивные).
•
2. По способу осvществления обратноf~ связи - , на МУ с внеш
ней, внутренней и смешанной обратной связью'. При этом о:брат
ная связь может быть положительной или отр ,щательной, по то
ку или по шшряжению, магнитной или : электрич~ской , i жестко й
или гибкой.
'
3. По быстродействию
-
обычные и ' быстродействующие. :
4. По способу включения н.агрузки
-
на МУ с последователь
ным или , параллельным относительно нагрузки включением рабо-
чих обмоток .
:
5. По числу и конструкции. сердечников , в ощютактной ' схе'ме .
2,2 . . ОДНОТАКТН·ыи ' ДРОССЕЛЬНЫЙ МУ
·,
,··
'·
Отличительной особенностью дроссель.:ных МУ явля.ется отсутст
ствие постоянной сост~вляющей в токе рiбочи;х · обмоток (рис . 2.1 а) .
Рассмотрим работу такого M ,V в установившемся ·режиме при
следующих допущеннях:
"',,..
2*
f1)-в
о
uJ!l
ly/By5
о ------
, --- ,--(,J --t
Рис. ~J2. К анализу ,работы ДМУ:
а} идеализированная характеристшi:а
перемагничивания; 6) временные ха
рактеристики и, Ь, iн, i7 =f (rot)
1. На·пряжение источника пи
тания •изменяется ло синусоидаль
ному закону u~=Иmsinwt .
2. Сердечники идентичны и
имеют идеальную характер.исти
·КУ перемагничивания с индукцией
насыщения В = ·В8 (рис. 2.2а).
3. Индуктивности рассеяния
обмоток ,wp и Wy равны нулю.
4. Активные сопротивления ра
боч,их обмоток равны нулю, а об
моток управления - Ry.
Пусть в интервале 0~1ffit~n
намаг,н.ичивается сердечник А и
размагничивает,ся сердечник Б.
В мо-мент t=O индукция в сердеч
нике А равна ВуА, а в сердечни
ке Б равна индукции насыщения
Bs. Начиная с момента t = O, оба
сердечника не на,сыщены и :ин
дукция в них изменяе11ся. В ре
зультате изменения магнитной
индукции в сердечниках А и Б в
обмотка1х Wp 1и uiy будут индуци
роваться ЭДС. .
В течение первого полуперио
да, пока сердечник А еще не на
сыщен ~(интервал воз·буждается),
для цепи управления справедли
во следующее уравнение:
dВл
dB5
.
wyS~ +wyS~ +iyRy =
= Иу,
(2.1)
где S - поперечное сечение
стержней сердечников А и Б
(Sл=S5 =S), Вл, ВБ
-
шщук
ция в сердечниках А и Б.
В установившемся режиме ра
боты М У величины Вул и Вув не
изменяются Byлrot=O = Вуло.)t=2п и
Вув rot=O = Вув rot=2:t• Поэтому .инте
гралы в ·пределах 0~iffit~2n от
лервых двух слагаемых выраже
RИ,я (2.1 ) обращаются в нуль. Следовательно,
2:t
Иу = Ry siy (ffi t)d ffit =/у Ry,
2л:
n
1ще /!у - среднее значение тока в цепи управления.
36
Поэ том у выражение (2.1) для переменных «оставляющих· мож
но запи сат ь как
dВл
dВв
.
WysdГ+WysdГ+(iy- Iу)Ry=о.
Ра ссмотрим случа_й, когда сопротивление Ry настолько мало,
что можно пренебречь падением напряжения на нем, т. е. ( iy -
·
-ly)Ry=O. Тогда для переменных составляющих имеем
dВл
dВв
wys~+wyS---л-=0 .
и
dВл
dB5
сiГ=-~-
(2.2)
Сл едо вательно, при •Ry = O сумма магнитных потоков в сердеч
ник а х А и Б постоянна, а изменение их в каждом из сердечников
одина ко вы, но противоположны по знаку. Поэтому и ЭДС, инду
цируе мые в обмотках управления , равны по величине, но противо
положны по знаку. Кроме того, если магнитный поток в одном из
сердеч ншюв остается постоянным (dB/dt=O) , то и в другом сер•
дечнике в течение того же интервала времени поток также будет
постоянен.
В интер вале возбуждения для рабочей цепи справедливо сле
дующее уравнение равновесия ЭДС :
(2.3)
В и нтервале возбуждения (при идеальной характеристике пе
ремагничи вания сердечников) ток в цепи нагрузки
.
.
.
(Нл_:_Нв)l
tн= tpA= -tрБ =
2Wp
'=
О,
(2.4)
где ff л = (iJiwp+iywy)/l - напряженность магнитного поля в сер
дечнике А; Нв = (-iнwp+iywy)/l - напряженность магнитного по
ля в сердечнике Б; l - средняя длина магнитной силовой линии.
И нтегри руя (2.3) с учетом равенства (2.2) и iн= О и нулевых
на ч альных условиях В.1. t=о=Вул; Вв t=o = Bs, можно получить за•
кон 11 зме нения магнитной индукции в каждом из сердечников:
ВА =В~+ Вт(I -coswt),
(2.5)
у'
Вв = Bs-Bm(l -coswt),
(2.6)
где Вт = Ит/ t2rowpS) - амплитудное значение магнитной индук
ции в с ердечниках при последовательном соединении рабочих об
моток.
В момент f= ,a/ w магнитная индукция в сердечнике А достигает
значения индукции насыщения, и дальнейшее изменение индукции
п рекращается.
37
Из ур-ния (2.5) при Вл = Bs веJiичина угла насыщения
а= arccos[1- (Bs- Вул)/Вт]·
(2.7)
Из (2.5) и (2 .6) при roi= .a следует, что Вул = Вув и в соответ
ствии с равенством (2 .2) изменение магнитной индукции в сердеч
нике Б до момента t=л/ro прекращается (рис·. 2.26).
После насыщения сердечника ни в одной из обмоток транс
форматора А ЭДС не индуцируется. Поэтому · обмотка управления
трансформатора Б окажется замкнутой только на сопротивление
Ry=O. Следовательно, трансформатор Б окажется в режиме корот
кого замыкания, и в его обмотках ЭДС также не индуктируются Is
соответствии с равенством (2 .2).
Все напряжение источника питания прикладывается к нагруз
ке. Мгновенное значение тока нагрузки и рабочих обмоток на ин
тервале а~шt~л,
(2.8)
Интегрируя (2.8) в пределах от ·а до л, найдем среднее з наче
ние тока нагрузки
lно= URm (I+cosa) = URm (2 - Вs-Вул )· (2.9)
nи
nи
Вт
В течение интервала насыщения насыщен сердечник А, но не
сердечник Б. Трансформатор Б работает как трансформатор тока
с рабочей обмоткой в качестве первичной и обмоткой управления
в качестве вторичной . На основании уравнения равновесия намаг
ничивающих сил на интервале насыщения для трансформатора Б
можно записать
(2. 1О)
Среднее за полупериод значение тока управления будет соглас
но (2 . 1О) пропорционал'ьно lно
:rt
:rt
Iу=~Siydrot=~-1
• ('1iн(rot)1drot = .!!:!Е__Iн0•
,t
.
Wy ,t..J,.
Wy
(2.11)
а
ci
Начиная с момента t=л/w, индукция в сердечнике А . будет
уменьшаться от . Bs до Вул, а 'В сердечнике Б увеличиваться . от
Вув =Вул. до Bs.
.В
момент i = (а+л)/rо магнитная индукция в сердечнике Б до
стигает значения насыщения . Для интервала насыщения а+п~
~
1rot~2n можно записать
НА= О= -ipA Wp/l + iyWy/l = i8 Wp/l + iyWy/l .
Следовательно, для интервала насыщения сердечника Б так
же справедш1во соотношение (2.11), являющееся основным урав
нением рассматриваемого др.оссельного МУ.
Так как · в интервале . насыщения ток в рабочих обмотках на
.много больше , чем в интервале возбуждения, то : соотношение
38
(2.11) с . достаточно высокой степенью точности .соблюдается и
для дроссельных МУ, выполненных на реаJ'1ьных сердечниках, что
оправдывает пр1щятую идеализацию характеристик перемагничи-
вания.
•
Зависимость Iпо =f(Iу) называется характеристикой управле
ния, проходной характеристикой или характеристикой в.ход-вы
ход. Обычно эта характеристика строится в относительных еди
ницах . На рис. 2.3 показана проходная характеристика МУ, по
строенная в соответствии с ур-нием (2. 11) .
Iна
!на тах
о lf;/ Iутах 1 IIJ!lymax
Рис. 2.3. Характер·И'стики управления (про
ходные хара~\теристики) дроссельного МУ
на ,идеальных сердечниках
Максимыiьное значение тока нагрузки fнom определяется и з
ур-ния (2.9) при а=О
fнumax = 2Ит /nRн; lym = fнот Wp.
(2.9а)
Wy
Н а клон характеристики управления на линейном участке опре
деляет коэффициент ' усиления по току К1 , который согласно (2.11)
завис ит то.;:ько от отношения чисел витков обмоток,
К1 = d/110/dfy = !110/fу= Wy/Wp.
При B,,, ~Bs характеристика управления выходит tiз 1:1ачала коор
динат . Если Вт>Вs (перенасыщенный МУ), то магнитная индук
ция сердеч1-rи1,а Б достига~-r; значеЕия индукции насыщения не в
моме нт t = О, а в некоторьiй момент t= [3 /w> О, точно также в сер
дечнн ке А индукция достигает значения Bs не в момент t=n/w, ;1
в мо м ент t=(n+[3)/ш. Так как в этом случае ВуБ = +Вт, то из
(2.6) при ВБ =Bs получаем [3= arccos{Bs/BтJ.
В и нтервале O~t~ [3/w и лJ с,1 ~t~ (л+ [3) /ш оба сердечника на
сыщены и ток на 1·рузю1 уже не зависит от величины тока управле
ния, а о пределяется величинои напряжения источника питания и
сопротивлением цепи нагрузки (рис. 2 3). Среднее значение ТО\< 3
нагр уз ки на этих интервалах
11
,'
!,
1\Итsinwtd t_ Ит (1
R)
но= -
---
w---
- cost' и
л:, Rн+Rp
. nRн
•
о
1:o/f118 m = 0,5 (1 - Вs/Вт)-
30
Минимальному току нагрузки /'но соответствует ток • управления
l1y=l'и0 Wp/Wy. Как видно из рис. 2.3, перенасыщение МУ сужает
диапазон регулирования тока нагрузки.
Достоинством рассматриваемых дроссельных МУ является ли
нейность характеристики управJiения и маJiая чувствительность
коэффициента усиления по току к изменению напряжения питания,
частоты сети~ сопротивJiения нагрузки и с-войств материала магии- '
топровода.
Изменение напряжения сети и частоты изменяет величи ну Вт и
соответственно диапазон регуJiирования (в cJiyчae перена сыщения
МУ), но не влияет на величину коэффициента усиления.
Стабильность коэффициента усиления К1 облегчает обеспече
ние условий точности регулирования и устойчивости пр и испол ь
зовании дроссельных МУ в системах автоматического регули р о
ния .
Характеристики перемагничивания реальны х сердечников отли
чаются от идеальных конечной проницаемостью нена сыщенн ых
участков, отличной от нуля проницаемостью, насыщенн ых у част
ков (μs>O) и наличием перегиба магнитной характеристики. Раз
личие в характеристиках B=f(H) вызывает расхождение и в про
ходных характеристиках МУ на реальных ~ идеальны х сердечни
ка'Х.
Рассмотрим рис . 2.4, в . отличие от идеального МУ в МУ на р е
альных сердечниках ток нагрузки при ly=O отличен от нуля. По-
о
lно
lно тах
1/
/
/.
/
lно хх
~-
1/.
lутах ly
Рис. 2.4. Ха рактеристики управления дро~сельного
M.V на сердечни-ках:
----- -
реальных; - - - - - - ИАеапьвмх
этому до точки пересечения проходных характеристик lнJ>
>ly(Wy/wp) . Величина Zноп (ток холостого хода) может быть оп
ределена по кривой намагничивания сердечника , снятой на пере
менном токе при В= Вт, В точке пересечения проходных характе
ристик наблюдается равенство намагничивающих ; сил обм оток Wp
и Wy, так как индукция в сердечника'х ripи этом изме няется от
-В8 до + В8, и среднее за IJер•иод значение намггничива ющего то
ка ·равно нулю.
За точкой пересечения характеристик магнитная индукция в
сердечниках достигает значений. больших индукции нас ыщени я ,
поэтому равенство намат1+ичивающих сил Wp й Wy снова нар ушае т -
40 ·,
ся, так,' как . появляются ин:гервалы одновременного ' насыщения
сердечников. При этом fнo<lym(w-i/wi,); так обмотки Wp обладают
не только активным RP сопротивлением, но и индуктивным xs при
насыщении сердечника (μs>O); Лри · 'больших значениях тока уп
равления магнитная ' инду·кция в сердечниках не ' достигает значе
ний , 'Меньших Bs. Наклон • проходной · характеристики • при этом
обусловлен зависимостью средней проницаемости насьпцённого
участка кривой намагничивания μ; от ' величиньr' подмаг·ничиваю
·щего пЬля, что изменяет xs и fно. , Рабочим участком прбх6днdй'ха
рактеристики является участок до точ:ки пересеченш1 (см. ·рис . 2.4).
Перегиб кривой намагничивания не изменяет принцип работы
МУ, но у~худшает его к.hючевьrе свойства. .
"
Ги с~резис обусловhивает неощ~_означr-iость . проходной характе
ристики при увеличении и уменьшении 1у. Однако это явление
можно устранить, если магнитну~о . индукцию переменного магнит
ного поля Вт выбирать большей иfrдукции насыщения (перенасы-
щенный МУ).
•
При анализе· работы дроссель,ного му · предполагалось Ry=O.
Однако полученные выше результа,ты 9стаются справедливыми и
пр и значениях 1Ry, больщих нуля, е~лц выполняется следующее не-
равенство {6-8}:
-
•
(2.12)
где Rэнв - эквивалентное приведенное сопротивление обмоток МУ
( все х кроме рабочих), отнесенное к рабочей обмотке:
1
Rзкв = -------
п
t,1(Шк)2
i.J Rк w,
к-1
._
Для дроссельных МУ, выполняющих функции усилителей м9щ
ности, усл овие (2. J:2) всегда выпоJшяется.
При п араллельном ерединении рабочих обмоток дроссельного
МУ для любого значения сопротивления цепи управления (при
любом Rэив) рассмотренный выше принцип работы и основные со
отношения остаются в силе, так как при насыщении одного из
сердечников рабочая обмотка другого трансформатора оказывает
ся за кор оченной. При этом ток, протек?ющий через .обмотки, об
ратно пропорционален сопротивлениям обмоток. Активнqе •сопро
тивление рабочец обмоцш ненасыщенного трансформатора равно
сумме RP и Rэив- Для того чтобы полученные выше, соотношения
были справедливыми и при параллельном соединении Wp, необхо-
димо в них число витков Wp заменить на - 1
-
W'p . Недостатко'м дрос-
,
.
.
·;
2.
.
,
,,
сельных МУ с параллельными Wp является их qольшая .инер ,цион
н:ость, обусловле1-ша~ нqличием_ короткозамкнутогр контурэ , обра -.
зqван нqго рабочими оq~отк;;щи . ... ,
4),.
2.3 . КОМПЕНСАЦИЯ НС ОБМОТКИ УПРАВЛЕНИЯ
И ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В МУ
В некоторых случаях применения МУ необходимо изменен ие
знака управляющего сигнала. В рассмотренном выше МУ увел и
чение тока управления уменьшает угол насыщения и приводит к
увеличению тока нагрузки (рис . 2.4).
Для изменения знака воздействия управляющего сигнала в М У
вводится дополнительная обмотка, называемая компенсационно й
Wн . Если НС, создаваемая компtнсационной обмоткой , больше п о
величине НС обмотки управления и направлена встречно послед
ней, то при положительном приращении !у результирующая намаг
н ичивающая сила Fp=Pн-F, будет уменьшаться , что у меньш ит
ток нагрузки (рис . 2 . б, кривая 1) .
Рис . 2 В. Характеристики управления
дроссельного МУ с компенсационной
обмоткой (о•бмоткой с-мещения)
НС компенсационной обмотки может быть направлена и со г
ласно с Ру в этом случае ее назначение заключается в выв оде р а
бочей точки МУ на линейный участок проходной ·характеристик и
(рис . 2.5, кривая 2) . В этом случае уже не требуется проп ускат ь
дополнительный ток по обмотке управления для вывода рабоче й
точки на линейный участок. 0то повышает чувствительность М У
(увеличивается коэффициент усиления). Компенсационную обмот -
1<у часто называют обмоткой смещения.
Коэффициент усиления по току МУ определяется отношение !,/!
чисел витков обмотки управления и рабочей. Коэффициент усиле
ния по мощности Кр также определяется отношением чисел витков
Кр= dPнfdPy = K;Rн!Ry· = K2uRy!Rн,
где Ки= ·ЛИн/ЛVу - коэффициент усиления по напряжению .
Повышение коэффициентов усиления может быть обеспечен о
увеличением числа · витков обмотки управления Wy. Однако при
этчм будет увеличиваться и ЭДС; индуцируемая в этой обмотке ,
что ; может оказаться оп;~сным для ее изоляции. Кроме того, увели
чение Wy повышает инерционность М У.
Поэтому для увеличения коэффициента усиления . в МУ вво
дится положительная ОС . В дроссельных MJ1 ОС осуществляется
введением допоюште J1ьной обмотки (обмотка ОС), включенной
rюследовательно с рабочими обмотками через выпрямитель . (рис .
42
2.6) для того, чтобы ток в этой обмотке не изменял направления.
Обмоткой · ОС создается намагничивающая сила Foc, равная про
изведению среднего значения тока нагрузки fно на число . виткон
этой -обмотки Woc• При ло-
и
ложительной обратной связи
Foc направлена согласно
·С Fy,
Кн
т;
Как видно из рис. 2.7 для
обеспечения тока нагрузки,
равного СД, в случае отсут
ствия обратной связи требу
еrея АС ампервитков у~прав
ления . При . наличии ОС ее
обмотка создает число ам
первнтков, равное величн.не
Рис . 2..6 . Схема введения внешней ОС 11
дроссельный М У
lн. о
АВ ампервитков управле-
ния . Следовательно, для mо-
лучения .тока нагрузки рав-
А
нога СД требуется уже не
-
-
--
АС, а ВС=АС-АВ ампер
витков управления. Поэтому
для определения числа ам
первитков управления, необ-
ходимых для обеспечен·ия
д fy·иly
требуемой вел.ичины тока Рис. :2.7 . Характерист,ики управления
нагрузки., характеристику
дроссельного МУ
Foc=f.(/нo) можно рассмат-
ривать как новую ось ординат, т. е. повернуть характеристику уп
равления на уго.11 QJ против часовой стрелки (рис. 2.7). ПО'строен
ная таким образом хара.ктер:истика управления показана на рис. 2.8 ..
Коэффициент усиления по току при наличии · внеш~fей ОС мо
жет быть записан для идеального М,У как
К1ос = Kz Wp/.(Wp-Woc).
(2.13)
Положительн,1я обратная связь n МУ может быть обеспечена
без применения специальной обмотки обратной связи nключением
вентилей последовательно с рабочими обмотками.
0
fу ·Шу
Рис . 2.8 . Характеристик а
у.правления 4россельноrо МУ
сос
Рис. 2.9 . Схема МУ с в11 ут-
•
ренкей QC
' , При .этом сами •рабочие обмоТI(И могут быть включен ы .. тол ько
параллельно . .Такие МУ, : в отличие, от ранее рассмотренны х ·д рос
сельных, , называются МУ с внутр.енней •обратной связью или М У· с
самоподмагничиванием.
В cx~ry,i~, изображенной на рис. 2.9; · рабочие обмотки подклю
чаюjс5,1. : к источниIСу_ питания ч,ерез вентили · Д1 и д2. Поэт ому ток
через ра.бо_чиt::; обмс)ТКИ протекает только в течение пол овины пе
риода и содержит постояннiую составляющую; которая , н обеспе
чивает rюложитедьную ОС.
2.4. МУ С ВНУТРЕННЕЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬ Ю
Из выражения _ , (2.13) следует, что К1 М:У с внутренней ОС
(wp=,Wac) равен бесконечности, т. е. х;э.раr<:теристика управл ения
совщща,ет с осью ординат . Поэтому дл"я мr с внутренн е~ ОС ре
альные сердечники нельзя заменять •идеальнымц безгистерезис-
ными.
-·
Рассмотрt~м работу схемы рис. 2.9 при следующих доп ущениях:
1. Напряжение питания изменяется по синусоидальном у за~о-
ну U~=,Ит sin ro-t.
-·
•
2. Сердечники . М:У выполнены из материала с прям оугол ьной
формой петли гистерезиса с коэрцитивной силой Нс на ст атической
петщ; и Н с_д - на ~дина1.пrчесхой ; с пocтoSII;IHOЙ величщюй μ _
==. μ~ до
насыщения и μ= ·μs= О после насыщения: ЭтО!УjУ соответсТВ У,Е:Т с та ,ти
ческая и динамическая петли гистерезиса, • представ лен ·ные на
рис. 2.1 Оа в координ·атах ВН соответс!в~н:1-19 : сплошны ми ц пунк
тирными . тонкими линиями.
•
~)'А;'.
•••
•.. .••• •
.В
·: .,
8..
•
•'0 8
.
)
1 •·'U- .-
.
il .,..,-i -,-, -+- -
.
.,
,;··.,1-(,.
,
,, ,<, ·;
,,;. ,,,,_,t· -
.
'•,
1
•
•
1'·,t•~-;:t,••
•.,
"d•·'
. ,1,,
.,
•!.., 1-'. -
·
-t-J"'-t----1-'--+----
•f•
.f
Jf,-,
1 J: lf9U: lfc/fcд Н
'
,.,,, .
.,,
·'J·,!,.i
1
1
1/
1
f
1
"1• ·
'. Рис. 2Л'О. М.У'с внугреннеjf ОС :
а) статическм1 -,и ·дина·мическая петли
гист~резиса. ~еРJ,\у'!ник9,в М.:У; 6) вре-
,•.'•
менньtе J1.иатраммь1
.
:·: ~::,: -1 . .~:;•.
3. Вентили д 1 и д2 имеют бесконечно большое обратное и ну
левое прямое сопротивления .
4. Активное сопротивление и индуктивность рассеяния рабо чих
обмоток равны нулю.
Пусть O:::::;;wt:::::;;n является рабочим полупериодом сердечника
А (вентиль д1 открыт), его индукция в начале полупериода (оп
реде."rяется напряженностью поля управляющего сигнала Ну=
= ly wy ) на статической петле гистерезиса равна Вул, а в сердечни-
1
..
.
.
ке Б равна индукции насыщения.
В интервале возбуждения сердечника А; пока он не насыщен ,
в результате изменения индукции в его обмотке управления ин ду
цируется ЭДС, которая суммируется с напряжением сиг нала уп
равления и прикладывается к обмотке управления сердечника Б.
В результате в сердечнике Б его обмоткой управления возбужда
ется ,переменное магнитное поле . Для цепи управления сп ра·ведли
во соотношение, совпадающее с выражением (2 . 11)
dВл
dВв .
Wy s---;JГ +Wy s---;JГ +lyRy = иу•
При условии, что RrO также выполняется и равенство
На интервале возбуждения сердечника А для рабочей
справедливо уравнение
•
dB
, WpS d/'+Rнiнхх=Ипisinrot.,
.,
(2.14)
('2.2 ).
цепи
(2.1 5)
в котором:, как правило,:· мо~но пренЕ::,бр.ечь" вёличиной. цам аrничи-
в ?,1ощ.еrо ТОК а iн хх, Щiр~деляемоЙ Кр}\·
,.; ,
,;·1"• '
;:,·•·,,.
·.
Н'(!дl••.1·. B'A_• I, ! •
'.•''..Wy- ; .
",;·, ·
tнхх= --+
-
- + ty-.•.
,.·
.
:,,_ (~.1 6)
1
..,.,,.,:,•
,~Р,_ 1, ,У,д\J:о , _;;;, -. ~J' -: ••.,
:_
,_. . ,_.
Тогда, интегрируя (2.15) . с учето!\1 (2.2)•и iнхх=О; получим вы
ражения . для закона изменения индукции в сердечниках, совпа
д:ающи~ с (2 .5 ) и (2.6):
ВА = ВуА +Bm(l-cosrot),
Вв = В5 -Вт.(1 -cosrot),
где Вт=Ит/(wwрS) .
В отличие от дроссельных · му ,'в рассматриваемом МУ перемаr
ничивание сердечника Б на интервале возбуждения осущест вляет
ся . не : рабочей обмоткой, , (iрв =0); а . обмоткой , управ:ления . , Дл,r
инте-рвал:а , возбуждещия хйрз.ктернЬ быстр~ ·· , перемагничивание
сер.д./~}I};IИКОВ, цqэ,тому , Иf:!дУ,КДИЯ в них И?!\fyf!5I;e;TCЯ по ДffЩ'lNo 11Ческим
петлям гистерезиса .
f·•~.
На основани~ 9 акqн,а i:,Jолното тока для сердечника Б на инт,ер
вале возбуждения может быть определен ток управления
.- ; ;' •.'':r.~:~ ·
•
..
•
;
,:.:•;В1i~ •~~1 ifw°
!-:,.~,.:.~••. ~: (: 1.. ~-: -.
..··:-,,,,.
·"'
,:., ,· ;·.. ,.;. Н.t,"""' ·~Нсд'+
.,. Б., = -~.
_· · . \', ·::f::·:
,;, ,:;;.·
μд μо
l
J~!--
45
i= --
1[н-
у
Wy
еД
Если положить ~L д = оо, то на интервале возбуждения ток уn
равления будет неизменным
iy =-+нед= -/ед= coпst.
(2.17)
у
В момент t= ,a/'(i) индукция в сердечнике А достигает значенин
Bs II в дальнейшем не изменяется. В обмотках трансформатора А
ЭДС не индуцируется . Поэтому величина индукции в сердечнике
Б будет определяться напряженностью управляющего сигнала на
статической петле гистерезиса. На основании закона полного тока
для сердечника Б на интервале насьпцения можно определить ве
л ичину iy
При~Lд=оо
(2.18)
В отличие от дроссельных МУ на интервале насыщения сердеч
ника А рабочая обмотка сердечника Б отключена вентилем Д2 от
источника питания. Поэтому ток из рабочей цепи уже не будет
трансформироваться в цепь упранления, т. е. полностью устраня
ется отрицате.Тfьная ОС характерная для дроссельных МУ.
Выражения для угла насыщения, мгновенного и среднего зна ·
чений тока нагрузки совпадают с соответствующими выражениями
для дроссельных М У.
Среднее значение тока управления в интервале O~wt~:n: в со
ответствии с выражениями (2.17) и (2.18)
[а
it
]
ly=~
J(-fcД)dffif+I(-fc)dffif = -fc[I+ :(HcДfflc-1)],
от1<уда
(2.19)
Относительная величина среднего з~1ачения тока нагрузки в со
ответствии с выраженинми (2.9), (2.9а) и (2.19) (без учета на-
магничивающеео тока /поп) может быть представлена в виде
lнn =-1 (i+cosn 1+ly/lc )·
(2.20)
lнотах 2
•
Нсд/Нс-1
Выражение (2.20) справедливо при -lcд~J,.~-lc, Действи
тельно, при ly> -lc установившеесн значение магнитной индук-
«....
ции равно l\Ндукции насыщения. т. е. сердечники находятся в на
сыщении в течение всего периода, поэтому ток нагрузки равен
максимальному значению. Минимальное значение тока нагрузки
имеет место при fy=-lcд•
Из выражения (2.16) для намагничивающего тока с учетом со
отношения (2 . 17) при ~tд = оо имеем
iнхх = 2 Нед (l/wp).
Среднее за полупериод значение намагничивающего тока заrзи
сит от величины угла насыщения
fнохх = 2(a/n)Hcд(l/wp) .
(2.21)
Подставляя в выражение (2.21) ,a =:rt, найдем минимальное
значение тока нагрузки
fнomin = 2(Hcдl/wp) = 2/сд •
(2 .22)
Выражения (2.20) и (2.22) определяют характеристику управ
ления МУ с внутренней ОС .
Характеристика управления MJ/ на реальных середечниках от
личается от идеальной (рис . 2.1 l) . На · рис . 2.12 представлена экс -
!,О
0,8
О,б
о.4
о,z
PJ!c. QЛ1 " Характеристи
ка управления M.V с
выутренней
обратной
СВЯЗЬЮ (Hcn/Hc=3 1'1
.2Hc11.1/Wplвo min=0,7).
о, t,.
о,z
-
lнaminl Iнuma')(
-7S -10 -5 О 5 !Oly/11f
lутах
Рис. 2.112 . Экспериментальная х а
рактеристика M.V с внутренней
обратной связью
периментальная характеристика управления M,V , вып ~щненноrо на
сердечниках из железоникелевого сплава SОНП. Наиболе~ суще
ственное отличие характеристик рис. 2, l l и рис. 2.12 заключается
в том, что ток нагрузки меньше fно тах в отсутст1вие входного сит
нала ; Это объясняется тем, что рабочие обмотки обладают как ак
тивным, так и индуктивным сопротивлением при насыщении сер
дечников :(μs>O).
47
Если обозначить кратность изменения тока нагрузки через
Kт=lн0max!lнomin; то средний · коэффициент усиления по току д.'iя
всей характеристики в интервале O~ly~ - ly тах , • •
к _ lнomax-lнomln
_
2(Kт- l)wy
.
Wy
1 - __::_::.==-.___::с.::..:,:::::.:_
-
--'--=- -----"---'- --
~-
.
lyтa.t
1-(Нс/Нд)Wр
Wp
В дроссельных МУ с внешней ОС можно получить значения
к0эффициентов усиления по току и по мощности равными соответ
ствующим коэффициентам МУ с внутренней ОС. Однако при этом
габариты дроссельных МУ будут больше, из-за дополнительноi1
обмотки ОС, что является их недостатком.
При ly<-lymax (рис. 2.12) коэффициент усиления по
току ра'вен величине коэффициента усиления по то·ку дрос
сельного МУ. Так как при t= O, В"1=-В8, а Вв =Вув и пер
вым будет достигать насыщения сердечник Б, .а из рабочей цепи
ненасыщенного сердечника А в цепь управления будет трансфор
ми·роваться ток ,iy~iн(wp/wy). Рабочим участком МУ с внутрен
ней ОС является участок, соответствующий интервалу изменения
т,ока управления O~ly~ -fy тах•
2.5 . УСТРОЙСТВО МУ
В конструктивном отношении МУ отличаются друг от друга ти
nом сердечников и расположение:vr обмоток. Для изготовления сер
дечников применяются горячекатаные и холоднокатаные электро
техш~:ческие стали, железоникелевые сплавы и марганцево-маг
ниевые ферриты.
С)бычно для устран.ения влияния изменения напряжения источ
и:ика , питания на характеристики МУ ам п литуда магнитной индук
ции : Вт выбирается меньшей индукции насыщения (в области пе
региба магнитной характеристики). Наибольшее значение индук
ции насыщения имеют ,электротехни 1 1 еские стали, особенно холод-·
нокатаная. С увеличением Вт габариты и масса МУ уменьшают
ся. Поэтому сердечники дроссельных МУ, как правило, выполня
ются из электротехнических сталей тех же марок, что и сердеч
ники трансформаторов, так как в дроссельных МУ магнитныЕ:
свойства сердечников незначительно влияют на характеристику
управления. Коэффициент усиления по току и по . мощнос:ги MJ/ с
внутренней ОС зависит от ширины динамиttеской и статической
петли гистерезиса; а также от степени ее ·прямоуrольност~.
)Келезоникелевые сплавы отличаются от электротехнической
стали меньшей коэрцитивной силой и большей магнитной прони
цаемостью на линейном участке кривой на·магничивания. Поэтому
МУ с внутренней обратной связью на сердечниках из железонике
левых сплавов (50НП, 65НП, 34НКМП, 79НМ, 80НХС- и 76НХД)
обладают более линейной характеристикой управления и большим
коэффициентом усиления по мощности по сравнению с аналогич
ными МУ· на сердечниках из · электротехнической · ста.ли. Преиму
щества серд~чников из ·железоникелевь1х •сплавов '})собенно замет-
48
ны в диапазоне малых и средних мощностей (1-,100 Вт при час
тоте 50 Гц). При больших мощностях различия в характеристиках
МУ на сердечниках из железоникелевых сплавов и холоднодата
ной стали в известной мере сглаживаются и становится ~уществен
ной разница в стоимости, габаритах и массе сердечников. Индук
ция насыщения железоникелевых сплавов . составляет
. (1,10-
1,30 ) Т. Поэтому в МУ на больши.е мощности стараются не при
менять сердечников из железоникелевых сплавов.
Отличительными особенностями марганцево-магниевых ферри
тов является прямоугольность петли гистерезиса с малой коэрци
тивной силой, низкая индукция насыщения и высокое электричес
кое со противление, почти полностью устраняющее 1;1ихревые токи.
Поэтому МУ на сердечник.ах из ферритов применяются при малых
мощностях и высоких частотах.
В з ависимости от конфигурации сердечника МУ могут быть бро
невыми, стержневь1ми и тороидальными. Наличие немагнитного за
зора в сердечниках МУ уменьшает коэффициент усиления и увели
чивает намагничивающий ток. Поэтому для улучшения характерис
тик МУ сердечники желательно вJ:,шолнять неразрезными . МУ ма
лой и средней мощ1-юстц выполняются тороидальными.
(~\7~
1
о)
Ри<:. '.ЫIЗ. Расположение катушек на магнитопроводах различ-
ных ТИПО·В:
а) Ш-обра зный с отдельной wy; б) Ш - образный с общей wy;
в) П - образный с отдельной •Wy; г) П-образный с общей Wy;
д) тороида л ьный с отдельной Wy; е) тороидальный с общей Wy
49
Ленточные сердечники тороидального типа изготавливаю тс я и з
х олQдНО!{атаной стали или железоникелевых сплавов . Ферритовы е
сердечники выпо.rшяются в виде монолитных тороидов прямоу г о л ь
н ого сечения. Недостаток гаких сердечников - сложная тех н ол о
гия намотки катушки .
При средних и больших мощностях применяют л енточны е ра з
резные сердечники из холоднокатаной стали стержневого и бро н е
в ого типа , а также сердечники броневого типа из штампо в а н ны х
Ш-образны х пластин горячекатаной стали и П-образных пл аст и н
холоднокатаной стали.
Как правило, МУ выполняются на двух сердечниках, т ак к а к
они позволяют работать при малом сопротивлении цепи . упр а в л е
ния , что обеспечивает высокий коэффициент усиления по мощности _
В МУ с одним сердечником , в цепь управления дл я огранич е ни я
переменной составляющей тока необходимо включ а ть больш ое а к
тивное или индуктивное сопротив л ение.
На каждом из сердечников распо Jrагается своя рабочая об мо тк а .
Обмотка управления может быть индивидуальной для каждото сер
дечника или общей для двух. В последнем случае полярность в кл ю
чения рабочих обмоток отдельных сердечников выбирается так.
чтобы магнитные потоки отдельных сердечников. пронизыва ли о б
мотку управления в противоположны х направ л ения х. МУ ~ об щей
обмоткой управления более компактен и при одном и том !же чис
л е витков Wy обладает меньшим сопротивлением цепи управ ле ни я .
чем МУ с раздельными последовательно соединенными обr.:~ от к ам и
управления. К его недостаткам следует отнести бол ее сложну ю т ех
н ологию изготовления катушки и худшую теплоотдачу . На ри с.
2.13 показано расположение катушек на сердечника х ра з л ич ны х
т ипов.
Для уменьшения потоков рассенния рабочие обмотки пом е ща
ются на расположенных рядом стержнях, а обмот к й управ ле ни я
охватывают эти стержни вместе с рабочими обмотками.
Глава третья .
Асинхронные машины
3. 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МА ШИНАХ
Электрические машины преобразуют механичtскую энергию в
электрическую или электрическую в механическую . Машина, пре
образующая механическую энергию в электрическую , называется
генератором. Преобразование электрической энергии в механи
ческую осуществляется двигателями. Электрические машины мо
гут быть использова1-1ы как в качестве генератора, так и в качест
ве двигателя. Сrюйство электрической машины изменять с~ои пре
о бразующие функции называется обратимостью машины. •
В зависимости от рода тока, в цепи которого работает элект·
рическая машина, они делятся на машины постоянного и перемен-
ного тока . П:>.::.1едние могут быть
·,
,
1<ак однофазными, так и много- ' ·
N
j
rttfr~:;:~~н1::;~~r:I:i1~= F, ·FШ~Щ !•
новках предприятий связи син-
хронные машины применяются в Pi!c. З . I. ~~~~:~:пJа~~~~1с;вия элект
основном в качестве генераторов
трехфазного переменного тока, а
асинхрошные машины - в ,качестве двигателей. Машины пост(}ЯН
ного тока в электроустановках .предприятий связи в основном при
меняются в качестве двигателей.
Действие электрических машин основано • на использовании
за конов электродинамики. Если в магнитном поле постоянных
магнитов или электромагнитов (рис. 3.1) поместить проводник 11
под действием какой-либо силы F1 перемещать его, то в нем воз
никает ЭДС, равная
е = Blvsina = Blv,
где В - магнитная индукция в месте , где находится провод1шк;
! - активная длина проводника (та его часть, которая находится
в магнитно м по.н е); v - скорость переме щения провод н ика в маг-
51
Юiтном поле; а - угол между векторами :максимума магнитной
инду1,uии и скорости перемещения проводника (в рассматривае
момслучаеsinа=1)..
Направление ЭДС, индуцируемой в проводнике, определяется
по правилу правой руки.
Если этот проводник включить в замкнутую цепь, то под дей
ствием ЭДС потечет ток. В результате взаимодействия ток а i в
проводнике с магнитным полем полюсов возникает электромаг
нитная сила F,p =BU, направление которой определяется по пра
вилу левой руки, т. е . эта сила будет направлена встречно силе F1,
перемещающей проводник в магнитном поле . При равенств е си л
F1 =F ,р проводник. буд~т перемещаться с . постоянной скоро стью.
Следовательно, в такой простейшей электрической машине мех ани
ческая энергия, затрачиваемая на перемещение проводника , пре
образует{:Я в электрическую энерFию; которая отдается сопр отив
л.ению внешнего приемника энергии, т. е. машина работает генера
тором.
Та.же простейшая элекrричесG<ая машина может работать дви
гателем. Ес,'Iи .от постороннего источника электрической энергии
чер.ез проводник пропустить ток, то в резул!:iтате взаимодействия
тока в проводнике с магнитным полем поJiюсов возникает • элект
ромагнитная . сил.а F Ф, под действием которой проводник начнет
п~ремещаться , в ма,r,~ит1;1ом ~;юле, преодолевая силу торможения
:к;щ<:оrо-либо механического приемника . энерг-ии. Таким образом,
рассмотренная простейшая машина обр~тима ,и может работать
как,генера!орqм, так и двигателем .. В электрических .машинах об
мотки И:м'ёIОт(б11лъшое 1 quспо проводников, которые . соединяются
между -c-gp.d-й-1 :fJ}; ~.:Ь(\ы , ЭДС в них. имелI-I одинаково.е . н~п.рав-
лещ1е ..
,
.
1t
.
..·
,..
·
....,
·.
··
El.1ii·"вnioI< "'ti~ь~oдiiик·d (рис.. 3.2) . )3ращатц в магнитн-ом , ПGЛе,
то ~- нем
индуцируется ЭДС. Стороны. ·витка аа' и ЬIЬ~,- пересекают
линии · маtнитного поля (в них индуктируется ЭДС) · и .• поэтому
они называются · активными, т . е. участвующими в процессе лре
образования энергии. Части витка а'Ь' и . аЬ, называемые лобовы-
1\1:1:1 , со~динещ1ями, не пересе1{ают .магнитных линий по.чя, и : в ни х
Э,ДС не возникает. Для получ_ения возможно . большей
.. ЭДС
в
вйтке активные стороны его должны находиться на расстоянии
щ>дюсн:оrо деления ,: (расрояние межд,.;у ,, центрами. разноименных
#q#юс'ов);,т. е. пpii полюс,рvrи различной ~~дярност_п. • .
.
••
.
..Если д.ктивные ророны ,:витl{а , поместип:~ . под одни.м полюсо.м
(или .· ri,9д . ri6лioc?MЙ ' сiдщ1а1щв,6й полярности)',, то, ЭДС, индуцируе-
.
t.
''ь
.
;·.
;
'·
.
.
..
~..
'
.
•
••
.
•
•
'
••
'
•.
мые в· них, будут иметь одинаковое направление и JlPИ о q ходе:
витка направлены встречно, т. е. ЭДС в витке будет мала (или
равна нулю).
t\
,
,.
.
,,
.
При соединении концов витка с двумя контактными кольцами
1i,J\,1~c- ~кef;r,.\{f?_ ув:рfс;п,11_енщ,1)V11:1, 1,нq. ~<!Ю\ ~<!).llИ~1?1 j .,I1 л:и,,Jiиро]З;!).нны
,-ц~ ,,ка!} ,q'! ва_./1а" так .И _;;1.руг, o;r. дРУГf',, .• ·. Hf! .яеп.9,двЮ!ЦIЫ:,Х . ... щетках
'Щ1. , и,\.Щ~...Я?.lJJJИ~C,sl,IO~И.XS5!, G,;, К,ОЛ}=11⁄2i_l~И • . , ПОЛУЩ- 11'-f q , Д < : :, . н ] : ) , а Е 3~ У I Р
Э'1.С в витке. Е~.чи магнитно'е по-:,1е в пространстве распределено
5~'
равномерно; то ЭДС i витке и на ' щеf!{ах будет изменяться ВО•
времени синусоидально. Такая же ЭДС будет индуцирована ·в не
подвижном витке при вращении полюсов " постоянных ' 'магнитов,
ИЛИ "ЭлектромаТНИТОВ, ЧТО ШИрОКО ИСгiОЛЬзуется В СИНХрОННЫХ ма-
шинах.
•
•
••
•
,· ,•Рис.3.2и~-
.3, Виток , вращающий с~ 1;1 маг- .
нитном поле, p=!l для рис. 3.12, р=2 для
•
рис. 3.G
При. одной паре полюсов (р = 1), т. е . при . двух полюса.1J
(2 p='2J один оборот витка, в . пространстве соответ,ствуе:;г, одному
рериоду - изменения-- ЭДС: . Поэтому при вращении витка с числом
орорО!Гов , п в·мнну,ту;ч.астот_а •и11дуцир,уемой; ЭДС , бу:дет f;c:.t:,n/60.
П:оворот. щ-1тк;:1,,в. цростр,а-нстве "отн0сительнQ., · • начального - nоложе
Еия"м:ожно- хар~Кт(.}.ризоljl•аФь ·:углом, a0rtp в, просmр анртвенны,х , : r.ра
дуеах, ,или -,радиана»... 'J' а~ой- . п0в.Фрm :,витка • , -вызывает~ •- . изменение
фавы, индуцируемой. ЭДG, которую : мщкно: выразиwь ~rnoм а0э.тi • в,
:vл;~КТf>ЦJiеских,градуса..х 1ил-и•радианах_1 I1pи,p,:;,tJaQэл=• et0rip- ,
Если виток находится ,в мапнит..11rом , ;1юле·. четырех-. полюсо в1;(рис.
3.3) ; , т: е., 2, р=4 , или .р=•2, то при · его , вращении ·в нем·, индуцирует
ся перемеющя ЭДС, которая -. за· один об@рот •витка в• •прwтранстве·
дважды нзменяется, Тоrда"частотв •. инду.цируемой . н ЭДС . <составит
f ~ ,2 п/60 .и .,а0эл =2 а0пр, . При1 ;дальнейшем• .увеличении .· числа .· полю
сов будет{ ,у.в.епичи-в атьсн· .ч-аст.ота, ЭДG (ВИ'Fка с( при • неизменной - {:КО
рости) и электричеекийJ ук-ол а3л;- оп:.ределяющий фа~у ЭДС Есш~
м-ашшл·ная -. ,це пь- машины,-шtм:ее-1' р пар, , полюсов; .. то:· ,частQт,а ЭДС
f=рп/бЕ>~•.И fl.Pз:r. ~ pa0пp, ",, ..
. '! ,'·,- .:·:·;
•. ,:
., ·.,~ •,,;,;:' •·,.: !
, ,,.,.._ '·
--'"'
.,;
, .Таким.,образом, •-частота индуu,ируем;(J)Й ЭДG,;за,виеи:г · от е~юро
сти вращения витка и для получения ЭДС постоямноij , част0ты не,
обходим,,о ,!19~Т9Яfl,СТВР ~КОRЧЧ/1 ,вр,ащ:1-п1я . . Л9~?~~у г~~ераторы,
работают всегда с rюстояннои - скор·остью вращения ротор~ .
.
1:: 119,, Si:\?,~09,Y,, ~~щиты от -~fJ{Я/IИ~ }{!Nrif-Мe/1, , СР;едр~. р~~-Л1;1,W11РТ,:СЛе
дУ!_QЧ~Щ~ :.~~Р,Р, ант~,,~ , 11~::r~р11-1,ен,ия _, ,,уЛеJ,,~риче~р1х
~ ,,!_IР.li;~ ; ,,рткр1>~тре.
~~rp,иμhe~JI,O~;-, ,, RPP.\~E?ЗqJ-lI~NJ~I:\HQr-1- , -~q~p_Ц\~ИI.Iffi!WЯ~"''-·r~:r.1j~T!fj,~C~~e:
и· iззрьrвобезопасное.
•
•
~·
Открытой считается машина, у которой вращающиеся и токо-
43едущие части не имеют защитных приспособлений.
В защишенной машине есть специальные защитные приспособ
ления, препятствующие проникновению в машину посторонних
предметов, а также защищающие от случайных прикосновений к
то1<оведущим или вращающимся частям.
В брызгонепроницаемой мншине имеются специальные защит
ные приспособления, предохраняющие от проникновения капель
воды, падающих сверху и под углом до 45° к вертикали.
Водозащищенной считается машина, закрытая со всех сторон
(негерметически плотно) и выдерживающая испытание обливани
ем струей воды.
В герметической машине плотно закрытый корпус не допускает
проникновения влаги в машину при полном погружении ее в воду.
Взрывобезопасная машина должна противостоять взрывам га
за внутри машины и не передавать его во внешнюю среду.
По способу охлажденин машины также делятся на несколько
типов .
Машины с естественным ох.1аждением не имеют никаких спе
циальных приспособлений длн охлаждения. Отвод тепла в них
мало интенсивен и такие машины выполняются на очень малые
мощности (до десятков Вт).
•
В машинах с самовентиляцией на валу помещается вентилятор,
который при вращении всасывqет или нагнетает в машину воз
дух и прогоннет его через внутреннюю полость машины. В зави
симости от того. в каком напрнв.Тiении движется охлаждающий
воздух, различают две основные системы вентиляции: радиальную
и осевую. При радиальной вентиляции воздух перемещается в ра
диалы-юм направлении от вала к периферии ротора (вращающая
ен часть машины), через специальные промежутки между пакета
ми стальны .х листов, образующих тело ротора. При осевой венти
ляuии в стали ротора делают осевые каналы. сквозь которые про
гоняется воздух параллельно вaJJy машины.
Радиальная система в~нтиляции 1шнструктивно проста и на
дежна, потери энергии на вентиляцию в ней минимальны и равно
.мерность теплоотдачи достаточна. Однако она не компактна и н~
обеспечивает стабильного потока воздуха. В машинах малой и час
тично средней мощности применяется осевая вентиляция, а в ма
шинах средней и большой мощности - радиальная.
В машинах с посторонни;Ч охлаждением охлаждающий воздух
(или водород) прогоняется по трубам внешним вентилятором. Так
охлаждают мощные машины (тысячи или десятки тысяч киловатт
или юмовольта мпер).
3.2. ОБМОТКИ МАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
В зависимости от назначения, мощности и условий работы ма
шины переменного тока применяю't катушечные, стержневые , и
специальные обмотки. Катушечные обмотки выполняются. .из изо-
лированного J\lедного провода круглоrо поперечного сечения, стер
жневые - из изолированных медных шин прямоугольного попе
речного сечения, специальные - из медных ИJIИ алюминиевых не
изолированных стержней. Для на .дежноrо крепления обмоток, а;
также для уменьшения воздушного зазора между статором и ро
тором обмотки укладываются в пазы статора и ротора. Пазы
штампуются в стальных листах, из которых собираются сердечни
ки статора и ротора .
В зависимости от распоJiожения обмоток в пазах они выпол
няются однослойными и двухслойными, в зависимости от и згото в
ления - ручными и шаблонными (последние изготовJiяются 11,1,
специальных шаблонах, а затем укладываются в . пазы, что умен ь
шает стоимость обмотки), в зависимости от числа пазов на по
люсифазуq- сцелымисдробнымчисломq.
В машинах малой мощности применяются однослойные об
мотки . При однослойном распоJiожении актищrых сторон в паз а х,
лобовые соединения лежат в одной плоскости, т . е. шабJiонна я,
обмотка не применима. Катушки (рис . 3.4а) выполнены из про.-
,;
11)
1 2 f+!I 2+!1
о)
! 2 !+уl+!f
Ь)
12 ff!/2+g
~~~.~~
Рис . ЗА. Обмотки машин переменного тока:
а, б) однослойные ; в) двухслойные
водников, отстоящих друг от друга на шаг обмотки у, при мер но•
равный полюсному делению т. Каждая катушка состоит из не
скольких, последовательно соединенных витков.
Из рис. 3 4а видно, что при укладке обмотки лобовые соедиЕе
ния между проводами 1и 1+у, 2 и 2+у и т. д. лежат в одной,
плоскости , и, следовательно. при намотке эти лобовые соединения·
необхещимо выгибать в различных направлениях вручную (актив
ные стороны обмоток ограничены пунктирными линиями).
Можно сделать однослойную обмотку, в которой лобовые сое
динения ·· будут лежать в различных. плоскостях, если изменить по
рядок соединения активных сторон, как это показано на рис . 3.46.
Одн:шо катушки с такой обмоткой имеют различные размеры и.
следовательно , необходимо несколько шаблонов для выполнения:
такой обмотки.
В электрических машинах обмотки выполняются преимущест
венно двухслойными. При таком выполнении обмоток активная сто
рон.а, л~жащая в верхнем слое паза, соединяется со ст@роной , л е
жащей · в · нижнем· его слое, отстоящем от нача л ьного на расстоя-
55
,нии у. На рис. З.4в. активные стороны, лежащие в верхнем слое па
за,, показаны сплошными линиями, а в нижнем - пунктирными.
В этом случае лобовые . соединения не пересекаются (рис. 3.4в),
т. е. можно . обеспечить шаблонную обмотку для катушек одинако
вых размеров и формы.
3.3 . ЭДС МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ·
При перемещении магнитногq поля , относительно непо~вижной
катушки изменяется магнитный поток, прон11зывающий витки этой
,катушки, в результате чего в· катушке индуцируется ЭДС е=
dФ
.
.
= --с-Wк dt, где wк - число посJiедовательно соединенных витков
катушки. Предпол'агая изменение магнитного потока во :f\ремеf!И
,синусоидальным Ф = Фin~iншt! получим
•
е. = -ffiWк Фт cosшt = 2 nf Wк Фmsin (ffit-n/2),
т. е. ЭДС катушки синусоида.льна и отстает по фазе от магil:Итного
потока на n/2.
'·
•
Амплитудное значение ЭДС катушки Ет = 2nwкfФт, следова
телыю, действующее значение ЭДС
Е •= ;r;- = ::Т WкfФт = 4,44wкfФт,
тде Фт - амплитудное значение магнитного потока, Вб .
.
В машинах переменного тока обмотки выполняются распреде
ленными и с укороченным, шагом. Распределение и укорочение ша
га обмотки уменьшает ЭДС фазы машины. При распределенной
<Обмотке (рис. 3.5) оси катушек, последовательно включенных в
О)
Ри'с: ЗБ. ~Распределенная обмотка:
а) схема; б) JJекторная .циаг.рамма
,одну фазу, не. совпадают и, следощ1т~J_Iьно, : не с_овпадμ~i ·IJO ф<!,зе
ЭДС, в .эт11х катушк~,х. ЭДС к11туш~и А1-Х1 Q.пережаеr .Э.Д.С Кq
,rуш1щ А2-::Х2 на угол между .. ,осям11. ,этих kату1щ;к : а,.;~f- д.1!/д .в
56;
электрическя:х гр·адусах. ЭДС катушки· A:i-X2 опережает ЭДС
катушкиАs-Хз на тот же угол а; -
••
_
Таким образом, ЭДС фазы найдется как геометрическая сум
ма ЭДС катушки, которая окажется меньше арифметической ~ум
мы ЭДС этих катушек.
•
При диаметральном шаге (y==-r) катушка пронизывается всем
магнитным потоком полюса, а при укороченном шаге (y<'t) ка
тушки _этот магнитный поток уменьшается, т. е . уменьшается ЭДС.
Произведение коэффициентов распределения и укорочения
представляет собой обмоточный коэффициент Каб= КрК-1, учиты
в ~ ющий уменьшение ЭДС фазы машины переменного тока и за
счет распределения и за счет укорочения шага обмотки.
Таким образом, действующее значение ЭДС фазы машины пе
ременного тока определится следующим выражением:
Е = 4,44 К0бwfФт,
где w - общее число последовательно соединенных витков одноi~
фазы.
3.4. НАМАГНИЧИВАЮЩАЯ СИЛА ОБМОТКИ МАШИНЫ
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
При распределенной обмотке кривая НС представится ступен
чатой зависимостью, причем с увеличением q число ступеней уве
личивается и в пространственном распределении НС содержание- .
высших гармоник уменьшается.
Ограничиваясь рассмотрением основной гармоники распреде
ления НС в пространстве (рис. 3.6), можно записать
.
.
'
'
х
fx = FmxCOS- Л:.
't
Если ток синусоидален, т. е. i=lrn sin 'uJ.f, то Fmx=Fm sin ffit.
Однофазная обмотка при прохожден1ш по ней переменного то- ·
ка создает пульсирующее магнитное поле, неподвижное в про
странстве и изменяющееся во времени с частотой тока сети.
Вектор НС, нiшравленный по какой-либо прямой (например П<>
оси у) и синусоидально изменяющийся во времени, может быть.
F
А
х
Рис.. 3.6 . Распределение ос
новной гармоники НС в про-
•
странстве
••
Рис. 3.7. Замена пульси,рую
щего .магнитного поля дву
мя вращающимися
\Предстщ1лен геометрической суммой двух векторов, равных и ..не
,изменных по величине, вращюощихся с одинаковой скоростью в
.различных направлениях (рис. 3.7).
При условии F1=F2=Fm/2 и а1 = -а2= 1а для любого момента вре
мени можно записать равенство
Fmsinrot =VFf + F~ -2F1 F2 cos2 а=
= V2(Fт/2)2- 2(Fmf2)2cos 2а = FmV(1- cos 2а)/2,
.откуда sin шf= sin а, т. е . а=шt.
Это показывает, что углы между направлением векторов F1 11
F2 'И осью абсцисс а линейно из·меняются во времени, т. е. век
торы F1 и F2 поворачиваются равномерно . НС пульсирующего по
.ля однофазной обмотки машины переменного тока может быть
представлено выражением
Ft; х=Fтsinшtcos(х/т,):тt
!.ИЛИ
Ft; х=0,5Fтsin[шt+(х/т,):тt]+0,5Fтsin[шt- (х/т,):тt].
К. аждое из полученных слагаемых представляет собой синусои
дальную волну НС, перемещающуюся вдоль окружности статора .
·Скорости ·перемещения этих волн (их ·нулевых точек) найдутся из
iВЫражений
шt+(хjт,):тt= О и шt- (х/т,):тt = О.
Откуда
Vпр= x/t=Шт,/rt = 2f1т,; Vобр= x/t=
-
Wт,/:тt = - 2f{т,.
Учитывая, что V=лDn1/60 и т,=лD/2р, где п 1 - число оборо
тов магнитного поля в минуту; D ·- диа ме тр
статора, получим
2рт,п 1/ 6О= ±2f1т.
Отсюда число оборотоп n минуту прямого и обратного магнит -
11юго поля определится вр_1ражением n1пp , or:;p = ±60f1/p, где f1 -·
частота тока ; р - число пар полюсов. Таким образом, НС
1
!Рис. 3.8 . Простейшая
дв у хфазная обмотка:
d-осьфазыВ;2 -осьфа
зыА
пульсирующего магнитного . пол~ однофаз
ной обм,отки может быть 111редставлена в ви
де двух вращающи~ся . с одинаковь~м~ ско
ростями и в проти·воположных нап,равле
ниях НС (прямой и обратной), амплитуды
которых раВIНЫ между со-бой и вдвое мень
ше ам;-тлитуды НС пульсирующего поля, а
скоро -сти вращения их зависят от частоты и
числа пар полюсов машины. .
Для пуска в ход од.нофазных асинхрон
ных двигателей в конденсаторных двигате
лях применяется двухфазная обмотка. Про
стейшая двухфазная обмотка сост-оит из
двух катушек (рис. 3.8), оси которых сме
щены в простра·нстве на 90° (электриче-
58
ских). Если по этим катушкам с одинаковым числом витков про
пустить равные по величине и сдви~нутые ,по фазе на четверть пе
риода синусоидальные токи
iA = lmsinwt, i8 = /msin(wt + -л/2) . Imcosrot ,
то НС этих катушек будут также синусоидальны и · сдвинуты по
фазе на четверть периода, т. е.
. Fл = Fmsinrot
и Fв=Fmcosrot.
.
.
При этом вектор НС Fл · направлен по оси катушки А~Х, а
вектор НС F в . - по оси катушки В-У. В любой момент резуль
тирующая НС найдется как геометрическая сумма НС катушек
А и В Fp=Fл+Fв, т. е . чисJiенное значение результирующей НС
в любой момент___ .,--:=-----,. -- -,"-:,----==-- --
;
F., = VF~+F~
. V(Pmsinrot)2 + (Fmcosrot)2 =Fm.
Следовательно, в любой момент результирующая НС двухфаз
ной обмотки имеет неизменное значение, равное амплитуде НС
одной фазы. Можно записать
tgа=FлlF8 = Fтsinrot/Fтcosrot = tgrot,
откуда а= ,ю,t, т . е. угол между вектором результирующей НС и
осью ординат линейно изменяется во времени и, следовательно .
этот вектор вращается с постоянной скоростью.
Ограничиваясь основной гармоникой, можно определить НС
фазы А:
FА= Fт sinrot cos(x/'t) -л.
НС фазы В сдвинуты по фазе на л/2 относительно НС фазы А
и катушка В-У повернута относительно катушки А-""-Х на л/2 в
пространстве. Следовательно, выражение для НС фазы В имеет
вид
F в= Fт sin (ro t--!- -л/2) cos [(х/-r)-л +-л/2} .
Пульсирующая НС одной фазы можно представить в виде двух
вращающихся в различных направлениях НС , т. е .
FА=0,5Fтsin[rot +(xf't)-л]+ 0,5Fтsin[rot- (x/-r)-л]
и
Fв=0,5Fтsin[rot + (xf-r)-л+ -л} + 0,5Fтsin[rot-(x/-r) n].
Откуда результирующая НС равна
Fp _=
F; [sin(ffit + : -л) + sin(rot _:_ : -л) +
'
+sin(i6t+fri+-л)+sin(ffit~: п)] ·
59
!jJ
F.4
8
Рис. 3.9 . Простейшая трехфазная
обмотка:
1-осьфазыА;2-осьфазыВ;3-
ось фазы С
Так как sinfwt+ (x/t)n}+sinX-
X{wt+ (X/-t)n+л]=O, то результи,
рующая НС равна Fp=Fmsin{(i)t:---
- (x/-t)n], т. е. двухфазная обмот
ка создает вращающееся магнит
ное ·поле, НС которого равна ам
плитуде НС одной фазы, и число
оборотов в минуту n1 ~60f1/p:
Для изменения направления
вращения этого поля необходимо
изменить направление НС одн,ой
из катушек, т. е. надо изменить
направление то:ка в одной из ка
тушек, поменяв местами провод
ники, подключающие ету ,катуш
ку к сети, или поменять местами
проводники, подключающие ка-
тушкиАиВ,ксети.
.
Если через три катушrш (рис.
3.9) лропустить равные по величине и взаимно сдвинутые по фазе
•на 1/3 периода токи, т. е.
iA = lmsinffit,
i8 = Im sin (wt- 2л/3),
ic = {тsin(ffit- 4л/3).
-то и НС этих катушек будет иметь сдвиг по фазе на 1/3 периода.
Ограничиваясь основной гармоникой НС и учитывая смещение
,катушек фаз А, В, С на 2п/3 в пространстве, выражению НС трех
,фаз можно · придать следующий вид:
•
.
х
.
FA = Fmsinffitcos-n,
't
F8 = Fтsin(rot- 23л)cos( : n- 2; ),
Fс=Fтsin(ffit- :л)cos( : n- :л)·
s
Представляя пульсирующую НС каждой фазы в виде двух
tВращающихся в р.азличных . напраJзлениях, получим следующие вы-
(РаЖения: •
••
•
F=-
1- Fтsiп((J)t+~n)+-1
-
Fтsin(rot -
_!__л)
А2
't-
2
't
Fв= -1
- Fms.in (<J}t + -2. ..n - 411:) +-1
-Fmsin(wt _ _!__ n),
•
2
,;
3
2
,;
60
Fс= -
1Fтsin((J)t+~n- Bn)+-1
-
Fтsin(ffit -
_!__ n).
2
't
З
2
.
't
Так как вторые слагаемые одинаковы и сумма трех первых
слагаемых этих выражений равна нулю, т; ·е.
sin(ffit+_!__ n)+sin(ffit+_!___ n- 4n)+sin((J)t+_!__n- Bn)=0
't
't
•
3
't'
3
'
получим для результирующей НС трехфазной обмотки следующее
выр аже ние:
FP = : Fmsin(ffit - : n).
Следовательно, трехфазная обмотка создает вращающееся .маг
нитное поле, НС которого неизменна и равна 3/2 амплитуды НС
одной фазы. Число оборотов в минуту магнитного поля пс=
=60 !1/р.
Вектор результирующей НС, равномерно враща1тсь, перемеща
ется от оси фазы А к оси фазы В и т. д. При этом вектор резуль
тирующей НС совпадает с осью той фазы, ток кс;,Jрой в данный
момент времени максимален.
Дл я изменения направления вращения НС достаточно изме
нить последовательность vстановления максимальных значений
токо в в двух фазах, т. е. ·поменять местами любые два из трех
проводов, подключающих трехфазную обмотку к сети. Если сталь
ные уч астки магнитной цепи не насыщены, то, пренебрегая поте
рями в стали, можно считать, что кривая НС в другом ·масштабе
представляет собой кривую поля машины, т . е. вектор магнитной
индукции поля совпадает по направлению с вектором результи
рующей НС.
Линии магнитной индукции замыкаются по телу статора, во~
душному зазору и телу ротора. Место выхода линий индукции из
статора можно рассматривать как северный полюс, а место входа
их в статор - как южный полюс магнитного поля обмотки ста
тора.
3.5. УСТРОЙСТВО ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО
ДВИГАТЕЛЯ
Как и любая электрическая машина, асинхронная обладает
свой(:твом обратимости, т. е. может быть использована как генерz.
тор, так и двигатель .
В силу ряда существенных недостатков асинхронные генерато
ры практически не применяются, тогда, как асинхронные двигате
ли очень широко распространены. Это объясняется простотой
конструкции, надежностью, хорошими эксплуатационными свойст
вами, невысокой стоимостью. Около 90% общего числа электродви-
61
гателей, выпускаемых промышленностью, составляют асинхронные
двигатели. Они могут быть трехфазными, двухфазными и одно
фазными . Наиболее распространены трехфазные двигат~ли .
Сердечник статора (рис . 3.10) собирается из кольцеобраз
ных пластин электротехнической стали, изолированных друг от
друга лаком, окалиной или тонко й б у
магой для уменьшения потерь от вих
ревых токов . Пластины шта;м'Пуются с
пазами полуза·крытой формрr, равно
мерно расположенными на внутренней
окружности кольца. Пластины с,обира
ютrся в отдель·ные пакеты и ,крепя тс я к
станине двигателя. К стан•ине при
крешшются также боковые щиты с п о
мещенными :на них подшипникам и, на
которые опирается вал ротора . .
В продольных пазах статора ук ла
дывают,ся соответствующим образом
соединенные проводники его обмотки ,
которые образуют трехфазную систе -
му . На щитке машины имеется шесть
Рис. 3.1 10. Статор асинхронной
машины
зажимов , к которым ,присоединяются
начала и концы обмоток ,каждой фазы .
Для подключения обм,оток статора к
трехфазной с ети они могут быть соединены звездой или треугольни
ком (рис . 3.11) , что делает возможным вклюrчение двигателя в сеть
с двумя различными линейными напряжениями. Например, двига -
aJ
, (А) (8) (С)
(Z) (Х) (У)
о-----о--а--о
oJ
.с(А) ,(В)
, (С)
1>(z/' >(х) >(yJ
Рис. З.1:1. Схемы соединения зажимов на щит
ке ,двигателя для включения обмоток статора :
а) звездой ; б) треугольником
тель может работать от сети с напряжением 220 и 127 В или с 380
и 220 В . На щитке машины указаны оба напряжения сети, на кото
рые рассчитан двигатель, т. е . 220/127 В или 380/220 В .
Для более низких напряжений, указанных на щитке, обм о тк и
статора соединяются в треугольник, для более высоких - в зв е з ду .
Сердечник ротора также набирается из стальных пластин, и з о
лированных лаком или тонкой бумагой для уменъшения потерь от
вихревых токов . Пластины штампуются с впадинами и собирают
ся в пакеты, которые крепятся нн , валу машины, образуя цил и ндр
с продольными пазами . В пазы укладываются про'в·одники о бм от-
62
IШ ротора.' в зависимости от тина обмотки асинхроннь~е' машины
могут быть с фазным и короткозамкнутым ротором . Фазная об
мотка ротора выполнена подобно статорной, т . е. проводники со
ответсц~ующим образом соединены между собой, образуя трех
фа з ную .систему. Обмотки трех фаз соединены в звезду. Начала
эти х обмоток подключены к трем контактным медным кольцам,
укрепл еннрIМ на валу ротора . Кольца изощ:~ рованы друг от друга
и от в ала и вращаются вместе с ротором . При вращении колец
повер хности их скользят по угольным или медным щеткам, непо
дви ж но укреш1енным над кольцами . Обмотка ротора может быть
з ам кну та на какое-либо сопротивление или накоротко при помощ и
ука з анных выше щеток .
В пазах ротора (рис . 3.12) укладываются массивные стержн и,
соединенные на торцевых сторонах металлическими кольцами. Час
то ко роткозамкнутая обмот
к а ро то'ра изготовляется из
а люмин ия. Расплавленный
алю мин ий под давлением за
ливается в па:зы ротора.
Дви гател,и с короткозам
кнутым .ротором п1роще и на
де жнее· в эксплуатации и
зна чите ль.но дешевле дв,ига
тел ей с фазным ротором.
Од нако у последних лучшие
п ус ков ые и регулировочные
свойства:
Рис . 3.,112. Ротор асинхронного д вигателя с
коротко з амкн у той обмоткой
В н астоящее время асинхронн·ые двигатели выполняются пре
и м уще ственно с короткозамкнуты м ротором и лишь при больших
мощ ноот·ях и в специальных случаях используется базная обмот
ка ротора.
Существенным недостатком асинхронного двигателя является
отн осит ельно низкий коэффициент мощности (coscp). У асинхрон
ног о дв игателя cos ер при полной нагрузке может достигать з наче
н и й 0,85-.-0,9; при недогр узках днигателя его cos ср резко умень
шается и при холостом ходе состав/1яет 0,2 - 0,3.
Коэ ффициент мощнuсти асинхронного двигателя мал из- за
б ол ь шо го потребления р е активной мощности, которая необходи
м а для во з буждения магнитного по л я . Магнитный поток в асин
х ро нно м • двигателе встречает на сво ем пути воздушный заз о р
между статором и рото ро м, который в большой степени увеличи
в ает магнитн ое сопротивление, а следов ательно, и потребляемую
дви га тел ем реактивную мощность .
••
Для повышения коэффициента мощности асинхронных двиг а
тел ей воздушный з азор дел::1ют во зм ожно меньшим , доводя его у
ма ломо щных двигате л еii (порядка 2+5 кВт) до 0,3 мм . В двига
тел ях большой мощности воздушный з азор vвел ичивают по конст
руктивным соображениям, но все же он не •превышает 2-2,6 м м.
63
3.6 . ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО
ДВИГАТЕЛЯ
•
Трехфазная обмотка статора, при включении ее в сеть пере-
~
менного тока, создает магнитное поле, вращающе~ся со скоростью
n1=60f1/p.
·
Если ротор вращается со скоростью n2, равно_й скорост и вра
щения магнитного поля (n2=n1), т. е. синхронно с полем, то такая
скорость называется синхронной. Если скорость ротора не равна
скорости вращения поля (n2=l=n1) , то такая скорость назыв ается
асинхронной.
В асинхронном двигателе рабочий процесс может протека ть
только rри асинхронной скорости, т. е. при скорости вращени я ро
тора, не равной скорости вращения магнитного поля.
Скорость р·отора может очень незначительно отличаться от
скорости поля, но при : работе двигателя она будет всегда меньше
и
(n2<n1). В этом заrvлючается основное принципиальное отличие
асинхронных м<1шин от синхронных, у которых скорость ротора
всегда равна скорости вращения магнитного поля статора .
Работа асинхронногQ двигателя основана на принципе элект
ромагнитной индукции. Вращающееся магнитное поле, возбуж да е
мое токаМ'и в обмотке ,статора, пересекает лро·водники обмотки ро
тора и индуцирует в ней ЭДС. Если обмотка ротора замкнута на
какое-либо сопротивление или накоротко, то по ней под действием
индуцируемой ЭДС протекает ток. В результате взаимодействия
тока в обмотке ротора с магнитным полем обмотки статор а соз
дается вращающий момент, под действием которого ротор прихо-
дит во вращение.
•
В соответствии с законом Ленца направление всякого инду
цированного тока таково, что он противодействует причине , его
вызвавшей. Поэтому токи в проводах обмотки ротора стремятся
задержать вращающееся поле статора, но не имея возможностh
сделать этого, вращают ротор так,
[
•]С1
что он следует за [IОЛем статора.
N ~ --..... ,Jt,
На р·ис. 3.13 выделена част ь ок-
ружности ротора, на которой нахо
дится оди·н прово~ник его ,обмотки.
Поле статора представлено ;;:евер
ным полюсом N, кото1рый перем е ща
ется в пространстве и вокруг ротора
по часовой стрелке с числом оборо-
РНIС. 3Jll.З. Пр,инцип работы асин- тов п 1 в минуту. Следовательн о, по-
хронного двигателя_
люс N перемещается относительно
проводника обмотки ротора слева
направо, в результате чего в этом проводнике индуцируется ЭДС,
направление которой может быть определено по правилу 1Пра·вой
ру1Ки. Если обмотка ротора замкнута, то под действием ЭДС по
этой обмотке течет ток, предположим, направленный в выбранном
64
нами проводнике также как и ЭДС (указано на рис. 3.13 знаком
точки).
В результате взаимодействия тока в проводнике обмотки рото
ра с магнитным полем возникает сила F, которая перемещает про
водник в направлении, определяемом по правилу левой руки, т. е.
слева направо . Вместе с проводником начинает перемещаться и
ротор.
Если сил у F, действующую на проводник обмот кн ротора, ум
ножить на расс то яние от проводника до оси ротора (плечо прило
жения силы), то получим вращающий момент, созданный током
данного проводника. Так как на роторе помещено большое коли
чество проводников, то сумма произведений сил, действующих на
каждый из проводников, на расстоянии от этих проводников до
оси ротора определяет вращающий момент, развиваемый двига
телем. Под действием вращающего момента ротор приходит в дви,
жение по направлению вращения магнитного поля. Таким обра
зом, для реверсирования двигателя, т. е. для изменения направле
ния вращения ротора, необходимо изменить направление враще•
ния магнитного поля, созданного обмоткой статора .
Вне зависимости от направления вращения ротора его скорость
n2, как уже указывалось, всегда меньше скорости магнитного поля
статора. Если бы эти скорости почему-либо оказались одинаковы
ми, то магнитное поле статора не пересекало бы проводников об~
мотки' ротора и, следовательно, в них не возникали бы токи, т. е.
не было бы вращающего момента.
3.7. РАБОТА НАГРУЖЕННОГО ТРЕХФАЗНОГО
АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
В рабочем режиме ротор двигателя вращается с числом оборо~
тов в минуту n2, меньшим числа оборотов магнитного поля стато
ра, вращ<!ющегося в том же направлении, что и ротор . Поэтом)~
магнитное поле перем~щается относительно вращающегося ротора·
с числом оборотов, равным разности чисел оборотов поля и рото
ра, т . е. n8 =n1--n2, об/мин. Степень отставания ротора от вращаю:
щеrося магнитного поля статора характеризуется величиной сколь-.
жения S. Скольжение представляет собой отношение числа оборо
тов магнитного поля статора относительно вращающегося ротора
к числу оборотов поля статора в 11ространстве, т. е. S = (n1-n2)/n1.=
= п8/п 1 . Эта формула определяет скольжение в относительных еди
ницах. Скольжение может быть также выражено в процентах
s % = {(n1-n2) /n1]· 100.
''.
Если ротор неподвижен (п2 = О), то ско.11ьжение равно 1 или,
100%. Если ротор вращается синхронно с магнитным полем, т, е.,
одинаковой скоростью (n2=n1), то скольжение равно нулю. Таки~
образом, чем больше скорость вращения ротора, тем меньше
ско,1ьжение .
В рабочем режиме аси н хронного двигателя скольжение м~ло;
У современных асинхронных двиriiтелей скольжение при полной
3- 311
65
нагрузке составляет 3-5 %, т. е. ротор вращается с числом оборо
тов, незнач!:lтельно отличающимся от числа оборотов магнитного
поля статора. В двигателях ·небольших мощностей скольжение при
полной нагрузке может достигать 12-15 %.
При холостом ходе, т. е . при отсутствии нагрузки на валу.
скольжение ничтожно мало и может быть принято равным нулю .
Скорость вращения ротора можно определить из следующих со
отношений:
n2= n1- n5 =n1(!- S)=[60f1/p](1-S).
Двигатель будет работать устойчиво с постоянной скоростью
вращения ротора при равновесии моментов, т. е., если вращающий
момент двигателя Мвр будет равен тормозному моменту на валу
двигателя Мтор, который развивает приемник механической энер
rии. Следовательно, можно записать: Мвр=Мтор. Любой нагрузке
машины соответствует определенное число оборотов ротора п2 и
опредt>.,1 снное скольжение S.
Магнитное поле статора вращается относительно ротора с чис
лом оборотоs n1-n2 и индуцирует в его обмотке ЭДС E2s, под дей
ствием которой по замкнутой обмотке ро,тора протекает ток /2 8.
Есмr нагрузка на валу машины увеличилась, т. е. возрос тор
мозной момент, то равновесие моментов будет нарушено, так как
тормозной момент uказался больше вращающего . Это уменьшит
с·корость вращения ротора, а следовательно, увеличит скольже
ние. С увели чением скольжения магнитное поле статора будет пе
ресекать проводники обмотки ротора с большей скоростью и ЭДС
E2s, индуцированная в обмотке ·ротора, возрастает, а в силу этого
увеличится как ток в роторе, так и развиваемый двигателем вра
щающий момент. Увеличение скольжения и тока в роторе будет
шрощ:ходить до значений, при которых вновь наступит равновесие -
мЬментов вращающего и тормозного.
Также изменяется число оборотов ротора и величина вращак,
щего момента при уменьшении нагрузки двигателя. С уменьшени
ем нагрузки на валу двигателя тормuзной момент становится
меньше вращающего, что увеличивает скорость вращения ротора
или уменьшает скольжение. В результате уменьшения ЭДС умень
шается и . .ток в обмотке ротора, а следовательно, и вращающий
момент, I<Ьторый вновь становится равным тормозному моменту.
...
Ма~нитное поле статора пересекает проводники обмотки стато
рq , и ):шдуцирует в ней ЗДС Е1, которая уравновешивает прило
жi~~9 ~.' напряжение сети И1. Если пренебречь падением напряже
юi'я в ' сопро~ивлении статорной обмотки, которое мало по сравне
Jщю с ЭДС, . то между абсолютными значениями приложенного на
ri ряжения и ЭДС обмотки статора можно допустить приближен
ное равенство, т. е. , И1=Е1. Таким образом, при неизменном напря
жении сети будет неизменна и ЭДС обмотки статора. Следова
тельно, магнитный поток в воздушном зазоре машины, так же как
в тра,нсформаторе, при любом изменен,ии нагрузки останется при
мерн~ постоянным.
66
Ток обмотки ротора создает свое магнитное поле, которое на
правлено навстречу магнитному полю, создаваемому током обмот
ки статора . Для того чтобы результирующий магнитный поток в
машине оставался неизменным при любом изменении нагрузки
двигателя, размагничивающее магнитное поле обмотки ротора
должно быть уравновешено магнитным полем обмотки статора .
Поэтому при увеличении тока в обмотке ротора увеличивается и
ток в обмотке статора.
Таким образом, работа асинхронного двигателя при:щипиалыrо'
подобна работе трансформатора, у которого при увеличении тока
во вторичной обмотке увеличивается ток и в первичной обмотке .
3.8 . ВРАЩАЮЩИЙ МОМЕНТ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Вращающий момент асинхронного двигателя создается взаимо
действием вращающегося магнитного поля статора с токами в
проводниках обмотки ротора . Поэтому вращающий момент зави
сит как от амплитуды магнитного потока статора - Фт, так и от то
ка в обмотке ротора f2s . Однако в создании вращающего момента
участвует только активная мощность, потребляемая машиной из
сети. Вследствие этого вращающий момент зависит не от тока в
обмотке ротора f 2s в целом, а толвко от его активной составляю
щей, т. е. /2 cos '\JJ2S, где '\jJ2s - фазный угол между ЭДС и током
в обмотке вращающегося ротора.
Электромагнитная мощноств (в Вт), развиваемая вращающим
ся магнитным полем статора и передаваемая ротору , равна
Р3°= 111⁄2 Е212scos Ч,2s = m2 4,44 Коб, Wif1Фт f2s cosч,2s.
Угловая скороств вращающегося магнитного поля (в рад/с)
Q1 = 2:тс п1/6О = 2:тс f1/p .
Вращающий момент
М0=~= __
Р_ m2 4,44 Коб, W2fiФт 12s COS 'ф2s=
Ql
2 nf1
-v2
=
-2 -рт2 Каб. W2 Фт/2s cosч,2s = CФml2s cosч,2s-
B этих выражениях р - число пар полюсов; m2 - число фаз ~
w2-
число витков; Каб . - коэффициент обмотки ротора ; С '--
конструктивная постоянная для данной машины.
Выше было установлено , что при условии постоянства прило
женного напряжения магнитный п оток, создаваемый обмоткой
статора , остается таr<же приблизителвно постоянным при J1юбом
изменении нагрузки двигателя .
Таким образом, в выражении для вращающегося момента ве
личины С и - Ф постоянны и вращающий момент пропордио.нален
толвко активной составляющей тока в обмотке ротора , т. е-. Мвр- ~
~ 12 8 cos '\jJ 28. Изменение нагрузки (тормозного момента) на . валу
~
~
двигателя, как уже известно, изменяет как скорость вращения ро-
тора, так и скольжение.
.
Увеличение тормозного момента уменьшает скорость вращения
ротора, т . е. увеличивает скольжение. Напротив, при уменьшении
тормозного момента скорость вращения ротора увеличивается, а
скольжение уменьшается. Изменение скольжения изменяет ток в
обмотке ротора и его активную составляющую. С увеличением
скольжения возрастает скорость вращения магнитного поля стато
ра относительно ротора, т. е. увеличивается частота пересечения
магнитными линиями проводников обмотки ротора, что увеличи
вает ЭДС и ток в этой обмотке . Поскольку частота тока в обмот
ке ротора увеличивается, индуктивное сопротивление этой обмот
ки также увеличивается, а cos 1)1 2s уменьшается.
Таким обрJ~ом, при увеличении скольжения ток в обмотке ро
тора увеличивается, а cos 'Ф2s уменьшается. Поэтому с изменением
скольжения активная составляющая тока в обмотке ротора и вра
щающий момент тоже изменяются, но изменение это неравномер
но. При незначительных скольжениях увеличение скольжения не
значительно уменьшает cos 1p2s, так что ток 12s увеличивается в
болышей мере, чем уменьшается cos '\j,2s- В результате увеличивает
ся активная составляющая тока в , обмотке ротора, а следователь
но, и !ilращающий момент машины. При больших скольжениях
увеличение скольжения значительно уменьшает cos 1p2s- Ток f 2s
увеличивается в меньшей степени, чем . уменьшается cos 'Ф2s, а по
этому в данном случае уменьшае1ся как активная составляющая
тока в обмотке ротора. так и вращающий момент.
На рис. 3.14 показана зависимость вращающего момента от
скольЖеНiНI (кривая а). При некотором скольжении. Sm двигатель
/'1
1
~-~---'---
_j__
О
Sm
s~
s
Рис . 3Jl4 . Зависимость вра
щающего момента от скольже-
ния
разв•ивает мю~симальныи момент, ко
торый определяет перегрузочную спо
собность двигателя и обычно ·в два-три
раза превышает номинальный момент.
Установившийся режим работы
двигателя возможен только 1при восхо
дящей ветви зависимости момента от
скольжения, т. е. при изменении сколь
жения в пределах от О до Sm. Работа
двигателя ,на ·нисходящей ветви ука
занной зависимости, т. е. при скольже
нии S>Sm, невозможна, так как здесь
не обеспечивается устойчивое равнове
с;,1е моментов.
Если предположить, что вра-
щающий м-омент был равен тормоз
мозному (Мв=Мт) в точках А и Б, то при случайном нарушении
равновесия моментов в одном случае равновесие моменто.:3 восста
навливается, а в другом нет. Допустим, что вращающии момент
двигателя почему-либо уменьшился (например, нри понижении на.
пряжения сети). Тогда скольжение начнет увеличиваться. Если
68
равновесие моментов было в точке А, то увеличение скольжения
увеличит вращающий момент двигателя и он станет вновь рав
ным тормозном у, т. е . равновесие моментов восстановится. Если
же равновесие моментов было в точке Б, то увеличение скольже
ния уменьшит вращающий момент, который будет оставаться
всегда мен ьше тормозного, т . е. равновесие моментов не восстано
вится и ск орость вращения ротора будет непрерывно уменьшать
ся до по л ной остановки двигателя .
Таки м образом, в точке А машщrа будет работать устойчиво,
а в точке Б устойчивая работа невозможна . Если перегрузить
двигатель , т. е. приложить к его валу тормозной момент, больший
м аксим ал ьного момента, то равновесия моментов не будет и ротоr
двигателя остановится .
Вращающий момент асинхронного двигателя зависит от напря
жения питающей сети. При изменении напряжения в той же мере
изменяется как амплитуда магнитного потока Фт, так и ток в ро
торе l2s при том же скольжении. Так как вращающий момент дви
гателя пропорционален произведению Фml2s, то отсюда следует ,
что вращающий момент пропорционален квадрату напряжения
сети .
Есл и изменить активное сопротивление в роторе (например ,
включить реостат в цепь его фазной обмотки), то изменится как
cos ч,2s, так и зависимость вращающего момента от скольжения.
При увеличении активного сопротивления в роторе максималь
ный момент. оставаясь постоянным по величине, перемещается в
област ь больших скольжений (кривая 6 на рис. 3.14).
3.9 . РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРЕХФАЗНОГО
АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Раб очие харщперистики асинхронного двигателя представля
ют собо й зав исимости числа оборотов ротора n2, вращающего мо
мента Мн, потребляемого тока !1. коэффициента мощности cos <р 1
и кпд 'l'J от пол езной мощности на
валу машины Р2. Эти характери- , n2.t18,11 ; cos ер,, 7
стики (рис. 3.15) снимаются при
естественных условиях работы
двигат еля , т. е. напряжение И1 и
частота т ока сети fI остаются
постоя нными, а изменяют,ся толь
к о наг руз1Ка на валу двигателя.
При изме нени,и нагрузки на
валу двигателя от Р2 =0 до ,н оми
нально го значения Р2=Р2н число
оборотов ротора n2=n1 (1-S) =
__
60.f 1 (l -S) уменьшается ,не-
Р
ос
рр
знач,ительно, так ,как при номи-
2н2
11альной нагрузхе скольжение S Рис. 3.15 . Рабочие характеристикw:
обычно не превышает 3-5 %.
асинхроннGrо двигателя
6!
Вращающий момент, развиваемый двигателем Мв, уравнове
шен тормозным моментом на валу двигателя и моментом, идущи м
на преодоление механических потерь двигателя Мо, т. е.
Мв=Мт+М0=~+М0= Р2 +Mu.
Q2
2л п2
60
При холостом ходе двигателя вращающий момент равен М0 и:
увеличивается с увеличением нагрузки на валу. За счет некоторо.
го уменьшения скорости ротора кривая вращающего момента от
клоняется вверх от прямой.
Коэффициент мощности х хараюеризует соотношение между
активной и полной мощностями , потребляемыми двигателем из се
ти, величина его при синусоидальных напряжениях и токах чис
ленно равна косинусу угла 1<р 1 сдвига фаз тока в обмотке статори
/1 по отношению к напряжению: х = cos 1fP1 = Р1/ V Р21.+ Q;21.
.
При холостом ходе активная мощность Р 1 (расходуется на по
крытие потерь в обмотке и сердечн1ике статора, а такж.е механи
ческих потерь) мала, а реактивная, идущая на возбуждение маг
нитного поля, велика . Поэтому коэффициент мощности при холо
стом ходе мал (порядка 0,08-0,2). С увеличением нагрузки н а,
валу активная мощность Р 1 возрастает, а реактивная мощность.
практически остается постоянной. Поэтому коэффициент мощности
также возрастает, достигая при нагрузке, близкой к номинальной.
наибольших значений (0,75-0 .85) . Дальнейшее увеличение на
грузки сопровождается снижением скорости и существенным рос
том токов в обмотках ротора и статора, что снижает коэффи
циенг мощности из-за увеличения реактивной мощности.
Ток /1 при холостом ходе имеет малую активную и большу ю
реактивную составляющие. Поэтому увеличение активной состав
ляющей тока при малых нагрузках незначительно изменяет пол
ный ток /1 . При больших нагрузках активная составляющая токов
ротора и статора становится больше их реактивных составляющих.•
поэтому изменение токов в роторе и статоре значительно .
Коэффициент полезного действия YJ имеет такую же зависи
мость, что и в трансформаторе. При холостом ходе КПД равен
нулю . Увеличение нагрузки на вал до определенного значения по
вышает КПД до максимального значенщr. Это значение соответ
ствует равенств у постоянных и переменных потерь (постоянные
потери, не зависящие от нагрузки, складываются из механически х
потерь и потерь в стали статора; переменные потери - это поте
ри в обмотка х и добавочные потери). Дальнейшее увеличение на
гр у зки уменьшает КПД.
3.10. ОДНОФАЗНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Однофазные асин_хронные двигатели очень широко применяют
ся при небольших мощностях (до 1-2 кВт) . Такой двигатель от
личается от обычного трехфазного двигателя тем, что, на статор е:
•70
его помещается однофазная обмотка. Поэтому любой трехфазный
а,синхронный двигатель может быть использован в качестве одно
фазного. Ротор однофазного асинхронного двигателя может иметь
фазную или короткозамкнутую обмотку. Помещение на роторе од
нофазной обмотки нежелательно, так как при этом двигатель при
обретает свойство одноосновного включения, т. е. при определен
ных условиях может работать со скоростью, примерно равной по
ловине синхронной, что з;-1ачительно меньше номинальной ско ··
рости.
Особенностью однофазных асинхронных двигателей является
отсутствие начального или пускового момента, т. е . при включе
нии такого двигателя в сеть ротор его будет оставаться неподвиж
ным .
Бели же под действием какой-либо внешней силы вывести ро
тор из состояния покоя, то двигатель будет развивать вращаю
щий момент. Это объясняется тем. что однофазная обмотка ста
тора при включении ее в сеть переменного тока создает пульси
рующее магнитное поле, неподвижное в пространстве и изменяю
щееся во времени с частотой тою-1 сети. Такое магнитное поле мо
жет быть представлено в виде двух вращающихся с одинаковыми
скоростями в противоположных направлениях магнитных полей,
имеющих одинаковые и неизменные амплитуды, меньше в два ра
за амплитуды пульсирующего поля, т. е. Фпр=Фобр=О,5 Фт. Пря
мое и обратное вращающиеся магнитные поля имеют число оборо
тов в минуту, равное n1 =60 f1/p.
При неподвижном роторе прямое и обратное вращающиес$'!
магнитные поля создают в обмотк.е ротора одинаковые ЭДС, под
действием которых протекают одинаковые токи. Поэтому вра
щающие моменты, развиваемые взаимодействием вращающихся
магнитных полей с токами в роторе, о·кажутся равными и проти
воположно направленными, так что результирующий момент ра
вен нулю.
Е~ли с помощью постороннего усилия вращать ротор с неко
торой скоростью n2, то магнитное поле, вращающееся в том же
направлении (прямое), будет иметь число оборотов относительно
ротора
а 11,rагнитное поле, вращающееся в противоположном направлении
(обратное), будет иметь относительно ротора число оборотов
Побр=П1+П2=П1+П1(1- S)=П1(2-S).
Эти магнитные поля, пересекая проводники обмотки ротора,
<:оздают в ней ЭДС. под действием которых в ней протекают токи.
При этом ЭДС Е2пр и ток в роторе I2пр, созданные прямым полем,
имеют частоту меньше частоты тока сети, т. е. f2пp=S ,f1, а ЭДС
Е2 обр и токи ·12 обр в роторе, созданные обратным полем, имеют
частоту больше частоты тока сети, т. е. f2 обр = (2-S) f1.
71
В результате взаимодействия вращающихся прямого и обрат
ного магнитных полей с токами в обмотке ротора создаются про
тивоположно направленные вращающие моменты
Мпр= СФпрf2DP COS 'Ф2DP И Мобр = СФобр /2обр COS 'lj)..обр,
где 'Ф2 пр и 'Фz обр - углы сдвига фаз между токами в роторе и
ЭДС, вызывающими эти токи .
Резу.rrьтирующий вращающий .., момент двигателя опред ел ится
1
разностью мо1ментов, созда -
J
ваемых прямым и обратным
1
полем , т. е. Мр=Мпр-Мобр -
11
При вращении ротора ча-
2r---- ~
11дор
Рис. 3.,16. •В.ращающий момент в зависимо
сти от скольжения для однофазното асин
х,ронного двигателя
стота тока в нем, созданно
го прямым магнитным по
лем, уменьшается, что умень
шает угол сдвига фаз ,j,2 пр и
увеличивает мо 1мент от п,ря
мого поля, тогда ·как момент,
р.азвиваемый обрат.-1ым по
лем /2 обр уменьшается, так
как уменьшается cos 'Ф2 обр за
счет увеличения частоты то
ка в роторе 12 обр, созданного обратным полем . Та·ким образом, при
вращении ротора результирующий момент ,не равен нулю, т. е. дви
гат_ель развивает вращающий момент.
•
Работа однофазного асинхронного двигателя подобна работе
двух одинаковых трехфазных двигателей, соединенных валами и
создающих противоположно направленные моменты. Вращающий
момент, создаваемый прямым полем при изменении скольжения
от Sпр=О (n2=n1 пр) до Sup=2(nz=-n1 пр=n1 обр), определяется
такой же зависимостью, как и в обычном трехфазном двига~;еле
(рис. 3.16). Той же зависимостью представится момент, развивае
мый обратным полем.
Моменты Мпр и Мобр на графике отложены по обе стороны от
горизонтальной оси. так как они направлены встречно. При непо
движном роторе Sпр=Sобр= 1 и Мпр=Мобр, т. е. результирующий
момент не равен ыулю. При этом однофазный двигатель развивает
одинаковый вращающий момент при вращении как в одном, так
и в другом направлении, т. е. направление вращения ротора та
кого двигателя зависит только от направления действия силы, вы
водящей двигатель из неподвижного состояния .
Глава четвертая.
Синхронные машины
4.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО СИНХРОННОГО
rEHEPATOPA
..
В настоящее время электрическая энергия переменного тока в
основном вырабатывается с помощью трехфазных синхронных ге
нераторов .
Принцип действия синхронного генератора основан на исполь
зовании явления электромагнитной индукции . На рис. 4.1 показа
на простейшая тре~фазная обмотка, состоя- ~
щая из трех катушек, сдвинутых на 120°, и
N
:nомеще.нная на ,роторе. Эти три катушки
,
соединяются звездой или треуrольн,иком и
А
подключаются к трем контактным кольцам, у 1 1 z
изол,ирова~нным от вала машины и друг от
11
друга . При в.р,ащении ротора в маmитном
поле неподвижных полюсов в катушках ин
дуцируются пере.менные во времени ЭДС,
равные по амплитуде и сдв,инутые по фазе
на 2n/3. Частота
.f ЭДС, нндуктируемой в
обмо111<ах якоря (якорем называется часть
машины, в 'Которой 1происходит процесс пре
образования энерrи,и, т. е. индуцируется
ЭДС) , зависит от скорости вращения я1ко
ря пи числа пар полюсов р: f=pn/60.
В синхронных генераторах магнитное
поле создается обмоткой возбуждения , по
которой течет постоянный ток. Обмотка яко
s
Рис. 4.'1 1. Принцип дейст
вия ,синхронного генера
тора
ря выполняется распределенной и с укороченным шагом (для
у меньшения высших гармонических в кривой ЭДС).
Нагрузка подключается с помощью неподвижных щеток, ко
торые накладываются на контактные кольца.
Синхронные генераторы выполняются с обмоткой якоря на ро
торе только при сравнительно небольшой мощности (до 15 кВА) и
невысокого напряжения (до 380/220 В).
Нед-остатком генераторов такой конструкции является наличие
с кользящего контакта в цепи большой мощности . Современные
73
синхронные генераторы изготовляются на высокое линейное напря
жение до 16 кВ (иногда и выше). при котором из:оляция контакт
ных колец и щеток весьма сложна. Для устра!-Iения этого недос
татка обмотка якоря помещается на неподвижной части (на ста
торе), а полюсная система с обмоткой возбуждения - на вра
щающейся части машины.
Обмотка возбуждения получает питание через: контактные
кольца . В этом случае скользящий контакт находится в цепи не
большой мощности и напря:жение в цепи обмотки возбуждения не
велико (не более БОО В) .
Обычно обмотки возбуждения получают энергию от возбуди
теля, т. е. генератора постоянного тока параллельного возбужде
ния ; находящегЬся :на однь~,i валу с рабочей машиной. Мощность
возбудителя составляет малую ве:шчину ( 1- 5 % мо:щно'сти син
хронной машины) . При небольшой мощности широко использует
ся питание обмоток возбуждения синхронных машин от обмоток
якоря через выпрямители. За время запуека генер,ато,ра с та1шм
возбуждением при вращении ротора магнитные линии потока ос··
таточного намагничивания пересекают проводники обмотки яко·ря:
и яндуциру'ют в . них ЭДС. Вызванный этой ЭДС ток выпрямите
лем преобразуется в ,постоянный и протекает через обмотку ноз'
бужде~f!Я. Вследстви~ этого магнитное поле генератора и его вов~- •
бужден~е усиливаютс~ до номинальных :вели"Iин.
Статор синхронной машины имеет такое )J(e у стройство, как и1
статор асинхронной машинь1.
В зависимости от устройства · ротора различают две констру1.:
ции синхрощ1ых машин: с явно -выраженными , п с неявно выражен
ными полюсами.
В машинах с относитеJiьно малой е1юростьtо вращения роторы
выполнqются с явно выраженными полюсами. На роторе (рис .
4.2а) равномерно помещаются явно выраженные полюса, <1:оетоя
щие из полюсного сердечника 1, на котором помещается катушкг.
обмотк~ возбуждения 3, удерживаемая полюсным наконечником
2. Такое устройство ротора облегчает выполнение обмотки воз·-
s
N
N
Рис , 4.2. ' Устройство ротора синхр ·онного генератора . а полюсами·:
а) явно выраженными; 6) с не-я,вн о ,выраженными
74
буждения., но при большой скорости вращения не может быть ис
пользовано, так как не обеспечивает нужной механической проч
ности.
Поэтому при большой скорости вращения (выше 1000 об/м)
роторы выполняют с неявно выраженными полюсами (рис. 4.26).
Такой ротор выполнен в виде цилиндра, на части поверхности ко
торого имеются пазы. В пазах укладываются проводники обмотки
sозбуждения, после чего эти пазы заклиниваются и лобовые сое
динения обмотки возбvждения стягиваются стаJiьными бандажами.
В зависимости от ·рода первичного двигателя, которым прино
дится во вращение синхронный генератор, последний называет
ся гидрогенератором (первичный двигатель - гидравлическая
турбина) или турбогенератором (первичный двигатель - паровая
турбина).
Гидрогенераторы - обычно тихоходные явнополюсные машины
•С большим числом полюсов, выполняемые с вертикальным распо
ло:жением вала.
Турбогенераторы - обычно тихоходные неявнополюсные маши
ны, выпоJiняемые в настоящее время с двумя полюсами. Ротор со
временного турбогенератора выполняется из цельной стальной по
ковки. На части поверхности ротор.а вырезаются пазы для разме
щения обмотки возбуждения.
4.2 . РАБОТА НАГРУЖЕННОГО СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
EcJI'И синхронный генератор не нагружен, т. е. работает вхоло
,стую, то тока в обмотках статора нет и магнитное поле в машине
создается НС обмотки возбуждения Fт, Большая часть магнитных
силовых линий этого поля замыкается по магнитной среде через
ротор и статор, образуя основной магнитный поток полюсов Фт,
направленный по оси полюсов !!)Отор.а.
При вращении ротора поток полюсов пересекает проводники
обмотки статора (якоря) и индуцирует в этой обмоп,е ЭДС, ко
торая отстает от создающего ее нотока на л/2.
Действующее значение ЭДС Ео=4,44 КабwfФт, где Каб - об
rм,оточный коэффициент обмотки статора; w - число последоЕа
rельно соединенных витков фазы обмотки статора.
При нагрузке генератора в обмотке статора протекает ток.
Если нагрузка симметрична, то токи в фазах обмотки статора
равны и сдвинуты на 1/3 периода. При этом обмоткой статора бу
дет создаваться вращающееся магнитное поле, НС которого F а не
изменна (при неизменном токе нагрузки) и вращается в простран
,стве с числом оборотов n1=60f/p. Так как частота ЭДС и тока в
статоре f =n р/60, где п - число оборотов ротора или магнитного
поля полюсов в минуту, то п 1 = п, т. е. магнитное поле, создаваемое
токами в обмотке статора, вращается синхронно с матнитным по-
,лем полюсов.
Большая часть магнитных силовых линий
сr,ает.ся через сталь ,статор.а и ротора, образуя
75
поля якоря замы
потот< якоря Фа.
Меньшая часть магнитных силовых линий поля якоря замыкается
вокруг проводников обмотки якоря, образуя поток расстояния
Фsа, который обусловливает индуктивное сопротивление обмотки
якоря. В дальнейшем будем считать, что поток рассеяния не взаи
модействует с полем полюсов, тогда как в действительности неко
которое взаимодействие существует.
Поток якоря, замыкаясь по магнитной цепи машины, воздей
ствует на магнитный поток полюсов, изменяет его величину и рас
пределение в пространстве (это воздействие поля якоря на пол€'
полюсов называется реакцией якоря} . Поэтому магнитный поток
при нагрузке не будет равен магнитному потоку при холостом хо
де. Это обстоятельство влияет на величину ЭДС и напряжение нn
зажимах генератора.
Воздействие поля якоря . на поле полюсов будет различным в
зависимости от характера нагрузки генератора, так как при актив
ном, индуктивном и емкостном токе в якоре магнитные линии по
ля, созданного этим током, различным образом направлены по от
ношению к магнитным линиям поля полюсов.
При вращении ротора (рис. 4.3) максимальная ЭДС Етах ин-
а)о Вт
о)
lmax, Етих
.--т--._
Рис. 4.3. Взаимное расположен,ие магнитных nо.1ей полюсов
и реакции якоря при нагрузке:
•а)
активной; 6) индуктивной; в) емкостной; г) активно-
индуктивной •
76
дуцируется в проводниках, находящихся в рассматриваемый мо
мент времени под серединой по·люсов.
Рассмотрим реакцию якоря при токе, совпадающем по фазе с
ЭДС, т. е. максимум тока 1тах будет в тех же проводниках обмот
ки якоря, что и ЭДС. Направление вектора магнитного поля мно
гофазной обмотки совпадает с осью катушки той фазы,. ток в ко
торой максимален. Поэтому вектор магнитного поля якоря Ва на
правлен по тюперечной оси полюсов (рис. 4.За). Поперечное поле
якоря перераспределяет поток полюсов, усиливая его под одним
краем (сбегающим) и ослабляя под другим краем полюса (набе
гающим).
За счет насыщения стали магнитный поток под одним краем
полюса увеличивается в меньшей степени, чем уменьшается под
другим. Поэтому при увеличении нагрузки несколько уменьшается
результирующее магнитное поле.
Если ток отстает от ЭДС на четверть периода, т. е. ток макси
мален в проводниках, в которых максимум ЭДС был четверть пе
риода назад, то вектор магнитного поля Ва в этом случае бул.ет
направлен по продольной оси полюсов встречно вектор у магнитно
го поля полюсов Вт (рис. 4.36). Поэтому результирующи й магнит
ный поток в этом случае будет меньше магнитн о го потока при хо
лостом ходе .
Если ток опережает ЭДС на л/2, т. е. ток максимален в про
водниках, в которых максимум ЭДС будет через четверть перио
да, то вектор магнитного поля якоря будет направлен по продоль- .
ной оси полюсов согласно с вектором магнитного поля полюсов
(рис . 4.Зв). Поэтому результирующий поток при емкостной нагруз- .
ке б уде т больше магнитного потока при холостом ходе .
На практике чаще всего генератор имеет смешанную активно
индуктивн у10 нагрузку, реже активно-емкостную нагрузку. Поэто
му вектор магнитного поля якоря направлен под некоторым угл ом
'ljJ к вектору магнитного поля полюсов.
В машинах с явно выраженными полюсами воздушный зазор
между статором и ротором под полюсами значительно меньше,
чем в междуполюсном пространстве , т. е. магнитное сопротивле
ние по продольной оси полюсов значительно м еньш е магнитно го
сопротивления по поперечной оси полюсов . Поэтому величина по
ля якоря в такой машине зависит от направления вектора магнит
ного поля якоря в пространстве, т. е. от характера нагрузки .
Пространственный угол между векторами магнитных полеи
якоря и полюсов определяется временным сдвигом между векто
рами ЭДС и тока в обмотке статора. а также числом пар полюсов
машины. Для количественной оценки реакции якоря воздействие
магнитного поля якоря на поле полюсов рассматривается раздель
но по продольной и поперечной ося:11 полюсов.
На рис. 4.Зг показано взаимное расположение векторов маг
нитного поля полюсов Вт и поля якоря Ва, а также продольной
Bad=Ba sin 'ljJ и поперечной Вач=Ва cos 'ljJ составляющих его при
активно-индуктивной нагрузке. Если пренебречь насыщением ста-
77
ли, то результирующее магнитное поле машины при нагрузке оп
ределяется как геометрическая сумма потоков полюсов и якоря по
продольной и поперечной осям, т. е. Bp=Bm+Bad+Baq- При насы
щении стали вместо взаимодействия магнитных полей необходимо
рассматривать взаимодействиЕ: НС, т . е .
F'p=F'm+F'ad+F'aq,
В ма шине с неявно выраженными полюсами воздушный зазор
между ротором и статором одинаков по всей длине окружности
статора, т. е. ма гнитное сопротивление примерно одинаково . По
этому поток якоря не зависит от характера нагрузки и результи
рующий поток при нагрузке (без учета насыщения стали) равен
геометрической сумме потоков полюсов и якоря., т. е. Ер= Вт+ Ёа.
Уравнение равновесия ЭДС ДJIЯ фазы обмотки статора син
хронного генератора с неявно выраженными полюсами может
быть записано в следующем виде:
(dФт dФа dФsa) .
и=-wК06 ----zп-+dГ+dГ - tr
или
И=Е0+Еа+Esa-ir.
Активное сопротивление фазы обмотки статора r очень мало и
последним слагаемым этого уравнения можно пренебречь (ir,;:::;;; О).
ЭДС рассеяния пропорциональна току наг.рузки и отстает от него
по фазе на л/2, т. е. Esa = -iiXs, ( Xs - индуктивное сопротивление
обмотки статора, обуслов,JJенное потоком рассеяния). ЭДС Еа, ин
дуцируемая полем якоря, также пропорционаJ1ьна току (без учета
насыщения стали) и отстает от его на n/2, т. е. Ea=~ilxa (Ха -
и ндуктивное сопротивление, обусловленное потоком якоря) . По
этому уравнение равновесия ЭДС фазы обмотки статора можно
записать в следующем виде:
V=E0 -iixc,
(4.1)
rде Хе= Xs + Ха - синхронное индуктивное сопротивление фазы об
мотки статора, учитывающее потоки рассеяния и якоря .
Механическая мощность Р1, подводимая к синхронному генера
тору от первичного двигателя, преобразуется им в электромаг
нитную Рч,
РФ= Р1-Рмех-Рст-Рв = Р1-Ро,
где Рмех - механические потери в синхронном генераторе на тре·
ние о воздух и в подшипниках ; Р ст - потери мощности в стали
якоря; Рв - потери мощности ъ цепи возбуждения синхронного
rенерат"о,ра; Ро - потери мощности -в генераторе при холостом
ходе .
Полезная . мощность генератора Рг.. отдаваемая им в на~рузку.
меньше · электромагнитной, так юш часть этой мощности теряется
78
в обмотках якоря, обладающих активным сопротивлением . Еслn
пренебречь потерями в обмотках якоря Рм (Рм~Рw),. то можно
считать полезную мощность генератора равной электромагнитной
мощности (Рг;::::;;:Рw), т. е.
тИ1cosер~тЕ01cos,Р =Р,р,
где т - число фаз генератора; Ео, И, 1
-
ЭДС, напряжение и
ток в фазе обмотки якоря; ер -·
угол между векторами И и i;
,р - угол между векторами Ео и i.
Из вектор1-юй диаграммы рис. 4.4, построенной на основании
ур-нш1 (4.1), следует, что
cos ,р = ВС/АВ = И sin 0//хс.
Поэтому электромагнитная мощность генератора с неявно выра
женными полюсами
(4.2)
где 0 - угол между векторами Ео и i.J, т. е. между ося ми магнит
ных полей по люсов и результирующего поля машины._ , . .
Электромагнитный моl\1ент, развиваемый машиной
,!
,.
;
:
Р,р
РФ
ртИ
.
•
мф=(2nп/60) = (2nf/р) = 2nf ХсЕоSIП0.
. (4.3)
При 0 =0 электромагнитн.ая мощность равна ну
лю. В этом случае оси матн,итных полей полюсо1в и
результи,рующего ·поля совпадают и вращаются Ео
синхр онно . ,Ме~ду этими поля1ми _ будет вэаимодей
ствие лишь в осевом направлении и электромагнит
ный момент ,равен нулю.
При увеличении электромагнитной мощност,и {за
счет увеличения тока ,нагрузки или ЭДС) синхрон
ного генератора, работающего на автономную на
грузку, рез ультирующее ·поле ·получит отрица ·тель
ное у,скорение и будет перем:ещаться относительно
поля полюсов .
А
i
[!
Рис. 4.4 . Упро
щенная -вектор
ная диаграмма
синхронно-го ге
нератора с ин
дуктивной на. -
гр узкой
В этом случае оси матн-итных ·полей ,не совпа
дают (0>0), магн-ит,ные линии растяг,иваются и по
является тангенциальная составляющая векто,ра
магнитной индукц,ии. В результ.ате будет создавать
ся электромагнитный момент M\JJ >М 1 , что у~мень
шит скорость вращения генератора. Умень шение
скорости ·вращения увеличит момент .11ервичноr-о
двигателя пр,и одновременном уме,ньшении ЭДС,
индуц•ируемой в обмотках якоря, а •следовательно, электромагнит
ной мощности, электромагн.итного момента и 'У гла 0. Переходный
про'Цесс зако·нчится при некоторо,м з·нач,ении угла 0= ·01, отличном
от нуля, при котором будет иметь равенство .моментов первичного
двигателя и элекrромаг,нитн-ого момента генератора . Равенство мо
ментов М1=М ,р является условием установившегося режима ·рабо-
79
ты генератора (предполагается. что пот~рь при холостом ходе гене
ратора нет, т. е. Р0=О) .
Нормальная работа аппаратуры возможна лишь при незначи
тельном изменении частоты тока в нагрузке. Поэтому при работе
синхронного генератора на нагрузку необходимо, чтобы первич
ный двигатель име!f жесткую скоростную характеристику, т . е.
незначительное изменение скорости вращения вызывало сущест
венное изменение момента М1 на валу двигателя .
.
Всякое изменение момента первичного двигателя изменяет
угол 0, а следовательно, электромагнитный момент и мощность
машины. Устойчивая работа машины возможна лишь в том слу
чае, когда положительным приращениям момента первичного дви
гателя будут соответствовать положительные приращения элект
ромагнитного момента, т. е. dМФ /d0>O.
Так как в соответствии с выражением (4 .3)
то устойчивая работа машины возможна при изменении угла ,0 в
пределах от О до л/2. Номинальной нагрузке машины соответст
вует значение угла 0н~ 25-30°.
•
Отношение максимальной мощности к номинальной определя-
ет перегрузочную способность машины, т. е.
•
11
s1n 2
sin08
Для синхронного генератора с явно выраженными полюсами
уравнение равновесия ЭДС фазы обмотки якоря может быть пред
ставлено как
(J = Ёо- i idxd-ilqXq,
где Xd=Xs+xaa __: _ _ синхронное индуктивное сопротивление от по
токов по продольной оси полюсов; Xq=Xs+Xaq - синхронное ин
дуктивное сопротивление от потоков по поперечной оси полюсов;
la, lq - продольная и поперечная составляющие тока нагрузки.
Поперечное поле реакции якоря встречает на своем пути боль
шое магнитное сопротивление, так как длина воздУ.шного проме
жутка в междуполюсном пространстве велика . Продольное поле
реакции якоря в основном замыкается по стали , встречая неболь
шие воздушные зазоры . Поэтому синхронные индуктивные сопро
тивления от потоков по продольной и поперечной осям полюсов
различны, причем ха>хч, Синхронное сопротивление Xq постоянно
и не зависит от магнитного состояния материала машины. Сопро
тивление ха уменьшается по мере увеличения степени насыщения
стали (так же как и сопротивление Хе · в машинах с неявно выра
женными полюсами) .
80
Выражение для электромагнитной мощности машины с явнu
вы раженными полюсами имеет следующий вид [2] :
р тUЕ•е+mU1(1
1)•20
,j,=--
0 S1П
--
----
SIП .
Xd
2XqXd
Второе слагаемое в выражении для электромагнитной мощно
сти появляется за счет различия магнитных сопротивлений по про
дольной и поперечной осям полюсов . Оно не зависит от Е0 и от
тока возбуждения. Ротор стремится ориентироваться в магнитном
поле так, чтобы представлять собой наи,меньшее магнитное сопро
ти вление, что создает добавочную мощность, которая тем больше,
ч ем больше неравенство магнитных сопротивлений по продольной
и поперечной осям, т . е. чем больше различие между синхронными
р еактивными сопротивлениями XJ и Xq ,
4.3 . ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
Для повышения КПД генераторов и первичных двигателей и
облегчения резервирования станции на электрических станциях
ус танавливают несколько синхронных генераторов, предназначен
н ых для параллельной работы . В зависимости от потребляе;мой
м ощности включается такое количество генераторов, чтобы на-
г р узка ·каж~ого -из них была близ,ка к но- а) ис о) llc D). llc
м:инальной .
В свою очередь, электрические стан
ции объединяются между собой для па
р ал.лель.ной работы на одну о,бщую энер
госистему, ·позволяющую ·наилучшим об-
р азом ,решить задачу проиэ·водства и рас -
цределения электрической энерmи 'В тех -
н ическом и экономическом ,отношениях .
Положим , что си~нхронный генератор
включен на параллельную рабоrу с сетью _
б есконечно большой мощности . Такое
п редположение дает возможность при
н ять напряжение и ча,стоту тока сети пос
о
i
о
ЛЕj
Р,ис. 4.5 . Уравнительные то
ки при изменении тока воз•
буждения синхронного ге-
нератора
т оянными при любых изменен-иях реж1има работы генератора , т. е.
Ис=const и fc =const.
Пусть при включении генератора в сеть были выполнены все
усл овия для параллельного включения (см. § 12.5), т. е. Ег=-Иr:,
ч т о показано на векторной диаграмме рис. 4.5а .
Следовательно, сумма ЭДС генератора и напряжения сети рав
на нулю и ток в обмотке якоря равен нулю, т. е. генератор не на-_
гружен (холостой ход) .
•
Если увеличить ток в озбуждения, то ЭДС (рис. 4.56) будет
бол ьше напряжения сети. Геометрическая сумма ЛЕ = Ег+ Ис не
р а вна нулю, и под действием результирующей ЭДС протекает
уравни.телищй ток i . Ток щ:тречает на своем пути только синхрон-
81
ное реактивное сопротивление генератора Хе, так как акт ивны м
сопротивлением обмотки якоря за малостью можно пренебречь, а
внутреннее сопротивление бесконечно мощной сети равно нулю.
Следовательно, уравнительный ток является чисто · реактивным и
отстает от ЛЕ на л/2, т. е. j =ЛЕ/iхс.
Если уменьшить ток возбуждения, то ЭДС генер~тора (рис.
4.5в) окажется меньше напряжения сети и вектор -ЛЕ будет сов
падать с вектором напряжения сети. В этом случае уравни тельный
ток опережает ЭДС генератора на л_/2.
Таким образом, изменение тока возбуждения синхронного ге
нератора при его параллельной работе с мощной сетью меняет ре
активные ток и мо щность , но актинные мощность и составляющая
тока якоря остаются неизменными.
Зависимость тока в обмотках якоря от тока возбуждения, при
неизменном напряжении сети и н.еизменной активной мощности ,
вырабатываемой генератором, имеет вид И-образной характерис
тики. При электромагнитной мо щности, равной нулю (Pii, =0) ,
уменьшение тока возбуждения от значения, соответствующего ра-
Рис. 4J6. И-образные кривь1е
синхронного генератора.
о)
о
Рис. 4:7. Урав
нительные ток и·
при . из_ менении
у_гла 0
венству Ег= 1 Ис до нуля, вызывает увеличение тока в обмотка:'\.
якоря от нуля до максимального знс.:чения, равного (Ис-Еост)/хе
(рис. 4.6). При этом ток я1<Оря носит ем1\:остный характер по отно
шению к генератору и индуктивный по отношению к сети.
Увеличение тока возбуждения от значе ния , соответствующего
равенству Ег= Ис, та~,же увеличивает ток якоря. При этом он но
сит индуктивный характер по отношению к генератору и емкост
ный по отношению к сети.
Для изменения активной мощности синхронного генератора
нужно изменить у гол 0, воздействуя на момент первичного двига
теля Пусть генератор включен в сеть так, что его ЭДС равна и
противоположна напряжению сети (рис. 4.7а), т. е. Ег=-Ис,
0=0.
Если увеличить момент первичного двигателя, то ротор полу
чает некоторое уско рение и его поле перемещается относительно
82
р,езультирующего. Силовые линии магнитного поля в воздушном
зазоре растягиваются, т. е.. растет электромагнитный тормозной
момент М,р. При восстановлении равновесия моментов первичного
двигателя и тормозного генератора магнитные поля вновь стано
вятся неподвижными друг относительно друга, но сдвигаются на
угол 0. Вектор ЭДС обмотки якоря (рис, 4.76) опережает началь
ное значение на угол +0. Геометрическая сумма ЭДС генератора
и напряжения сети не равна нулю, т. е. появилась результирующая
ЭДС ЛЕ, под действием которой протекает уравнительный ток i,
отстающий от ,ЛЕ на л/2. ВектЬр тока якоря почти совпадает с
вектором ЭДС, т. е. машина вырабатывает электрическую энер
гию (PIJ) >0).
Из выражения (4 .2) следует, что при постоянном значении
электромагнитной мощности РФ =Р ,р1 >0 Ео sin 0 также неизмен
но. Поэтому изменение тока во::~буждения, при неизменной элект
ромагнитной мощности, вырабатываемой генератором, изменяет
угол •0. Уменьшение тока возбуждения уменьшает Е0 и угол 0 уве
личивается. Так как устойчивая работа машины возможна лишi,
при изменении угла 0 от О до л/2, то ток возбуждения можно
уменьшать до некоторого критического значения Iв 1;р, при котором
угол 0 р~вен л/2. При токе возбуждения, меньшем критического,
генератор не может развить нужного электромагнитного момента,
который бы уравновесил вращающий момент первичного двигате
ля, скорость вращения непрерывно увеличивается, и генератор вы
ходит из синхронизма. Увеличение электромагнитной мощности
увеличивает критические значения тока возбуждения (рис. 4.6).
При увеличении электромагнитной мощности машины увеличи
вается активная составляющая тока якоря, т. е. И_-образные ха
рактеристики смещаются вверх. а их минимумы смещаются впра
во (рис. 4.6), в область больших токов возбуждения. Это объяс
няется тем, что при увеличении нагрузки генератора, т. е. при
увеличении тока якоря, увеличиы\lотся потоки якоря и рассеяния.
Для создания неизменных фазных сдвигов, соответствующих ми
нимуму И-образной характеристики (cos ер= 1), в машине нужны
неизl\l!енные магнитные условия. Поэтому для компенсации реак
ции якоря и пото1<а рассеяния, при увеличении нагрузки надо уве
личивать и поток полюсов, т. е. увеличивать ток возбуждения.
Обычно синхронные генераторы возбуждаются так, что отдают
в систему помимо активной мощности реактивную мощность ин
дуктивного характера, необходимую для работы асинхронных дви
гателей, трансформаторов и других электромагнитных аппаратов,
т. е. работают на правой ветви И-образной характеристики.
4.4. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СИНХРОННОГО
ДВИГАТЕЛЯ
Синхронный двигатель не имеет принципиальных конструктив
ных отличий от синхронного генератора. На статоре двигателя по
мещается трехфазная обмотка, при nключенни которой в сеть
83
трехфазного переменного тока будет создано вращающееся маг
нитное поле, число оборотов в минуту которого n1=60 f1/P.
На роторе двигателя помещена обмотка возбуждения, котору ю
включают в сеть постоянного тока. Ток возбуждения создает маг
нитный поток полюсов. Вращающееся магнитное поле, созданное
токами обмотки статора, увлекает за собою полюсы ротора. При
этом ротор может вращаться только с синхронной скоростью, т. е .
.со
скоростью, равной скорости вращения поля статора. Таким об
разом, скорость синхронного двигателя строго постоянна, если не
изменна частота тока питающей сети.
Предположим, что в сеть большой мощности включен синхрон
ный генератор так, что выполнены все необходимые для этого ус
ловия, т. е. тока при включении генератора нет, следовательно ,
Ёг= Иг=-,Ис (рис . 4.8а). В этом случае оси магнитных полей ро
а)
Р,ис.
oJ
.
t
'- Er
4.S. Векторные дна-граммы
1при:
а) Н=О; б) 0<0
тора 'И статора совпадают , (угол
0=0), а электромагнитный мо
мент ,и электромагнитная мощ
но:сть .машины рав~ны ~нулю.
Если отключить первичный
;п.вигатель, то за счет потерь в
машине ротор rюлучи'!' отрица
тельное ускорение и поле ротора
(Фт) сместится в сторону отста
!Ва1ния относительно поля статора
(Фр) на угол 0. Вращающееся
поле статора увлекает ва собою
ротор и машина развиnает вра
щающий момент. При этом век
торы Ег. и -Ис не совпадают и в
цепи машины возникает уравни
т ел ьны й ток . Бго вектор п очти совпадает с вектором напряже ния
сети, т . е . машина является потребителем электрической энергии
(рис. 4.86) . При увеличении нагрузки на валу синхронного двига
теля будет увелич,иваться и угол 0, а значит, и т-ок •в статоре, и
вращающий момент.
Достоинство синхронных двигателей в том, что они могут пре д
ставлять собою емкостную нагрузку для сети. Такой двигатель п о
вышает cos ер всего предприятия, компенсируя реактивную мо щ
ность других приемников энергии. Также достоинством синхрон
ных двигателей является меньшая, чем у асинхронных, чувстви
тельность к изменению напряжения питающей сети . У синхронных
двигателей вращающий момент пропорционален напряжению сет и
в первой степени, тогда как у асинхронных - квадрату напря
жения.
Синхронные двигатели выполняют преимущественно с явно вы
раженными полюсами и работают они в нормальном режиме при
опережающем cos ср=О,8. Синхронные двигатели возбуждают от
возбудителя или от сети переменного тока через выпрямители.
84
Существенным недостатком синхронных двигателей является
отсутствие у них пускового момента. Для обеспечения пускового
момента они снабжаются специальной обмоткой (пусковой), вы
полненной так же, как и короткозамкнутая обмотка асинхронного
двигате.г,я.
4.5. РАБОТА НАГРУЖЕННОГО СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
В установившемся режиме ротор синхронного двигателя вра
щается со скоростью п, равной скорости вращения магнитного
поля.
Установившийся режим работы синхронного двигателя обеспе
чивается при равенстве электромагнитного (вращающего) момен
та Мвр, развиваемого двигателем тормозному моменту на валу
Мтор, равного сумме момента нагрузки Мн и момента холостого хо
да Мо, обусловленного потерями в двигателе при холостом ходе,
т. е.
Мвр=Мн+М0=Мтор•
Вращающий момент синхронного двигателя с явно выражен
ными полюсами определяется следующим выражением:
Мвр = __!!!!! _
.. !!_ Е0 sin 0 + __!!!Е__ и2 (-1
-
-
-
1-)sin20,
2nf Ха
2nf2Xq
Xd
где т - число фаз обмотки статора; f - частота тока питающей
сети; р - число пар полюсов машины; Xd и Xq -
синхронные ре
акт1-1вные сопротивления обмотки статора от потоков по продоль
ной и поперечной осям; U - напряжение (фазное), подведенное
к обм о тке статора; 18 - угол между осями результирующего ма г
ни т ного поток а и · потока nолюсов.
С увеличением момента нагрузки Мн на валу двигател я т ор
м озной м омент становится больше вращающего. Поэтому ротор, а
следовательно, поле полюсов получит отрицательное ускор е ние и
начнет пере м ешаться относитеJiьно поля статора, что увеличи т
угол 8 и вращающий момент. Угол 0 будет изменяться до тех пор ,
пока вращающий м омент не станет равным тормозному.
Устойчивая работа синхронного двигателя возможна при
dMnp /d8>0 , _т. е. при изменении угла 8 от О до некоторого крити
·ческого значения 8и, соответствующего максимальному значению
вращающего момента. Угол 8и равен примерно 70°. Да.r~ьнейший
рост нагрузки (угла '8) уменьшает вращающий момент, что ведет
к «выпаданию» двигателя из синхронизма и к его остановке.
Отношение максимального момента к номинальному называет
ся перегрузочной способностью. Обычно перегрузочная способ
ность синхронных двигателей Ммnис/Мпом = 2-3 .
Тлава пятая.
Электрические машины постоянного тока
5.1. УСТРО.ИСТВО МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Электрическая машина постоянного тока состоит из неподвиж
• ной части, называемой статором и в-ращающейся части, называе
.
мой якорем. Статор (рис. 5.la) представляет собой цилиндричес-
1 хую станину 1, на · внутренней поверхности которой при помощи
2
1 Рис. 5. 1. Машина постоянного тока:
а) устройство; 6) главный полюс
болтов уюреплены главные полю
сы 2 и дополнительные полюсы 3.
-Ста'Н'ина являющаяся в машинах
по.стоя,нного то·ка не толыко меха
нической основой конструкци1и, но
и магнитопроводом, отливается
из стали .
:Главный .полюс (рис. 5.16)
представляет собой электромаг
нит, создающий магнитный поток.
Он .с,остоит из сердечн,ика 4, ка
тушки возбуждения 5 и ·полюсно
:го наконечника 6. В машинах не-
,большой мощности сердечники главных полюсuв выполняются ли
тыми, а полюсные наконечники наf5ираются из отдельных пластин
электротехнической стали. В машинах средней и большой мощ
· ности сердечники главнвrх полюсов и полюсные наконечники вы
полняются как одно целое из отдельных листов электротехничес
·кой стали, что облегчает выполнение полюса, а также уменьшает
· потери энергии от вихревых токов в полюсных наконечниках.
Полюсной наконечник удерживает катушку возбуждения на
·полюсе и обеспечивает равно ме рное рдспределение магнитного по
ля под полюсом. Полюсному наконечнику п р идают такую форму,
· при которой воздушный зазор между полюсом и якорем одинаков
по всеf; длине полюс н ой дуги . Катушки возбуждения всех главных
·полю с ов соединяются последовательно, образуя обмотку вьзбуж
дения . Катушка возбуждения вьш олняется из медного изолирован
•ного провода . Добавочные полюсы устанавливаются в средних
точках между главными полюсами и предста вл яют собой сер де ч-
1 нию1 . с помещенными на них I<атушками. В машинах малой и сред-
85
ней мощности к торцам стRнины прикреплены подшипниковые щи
ты с шариковыми или роликовыми подшипниками, в которых вра
щается вал якоря. В машинах большой мощности подшипники:
обычно выносят на отдельные стояки .
Якорь машины постоянного тока (рис. 5.2) состошг из сердеч
ника 1, обмотки 2, коллектора 8 и нала 4. Сердечник якоря :~ред~
ставляет ,собой цил1индр, соб,ранный
для уменьшения ~потерь от . вихре
вых токов ·из изолированных листов
электротехнической стали толщиной "'""" '" .... .. .. ...
0,35 ил.и 0,5 мм . На 1внешней поверх
ности сердеч1ника якоря имеются ла-
зы, которые обычно выполняются
t21J
4
лод некоторым углом к оси цил,инд- Рис . 5.iZ. 5!корь мапiины посто ян -
ра для уменьшения пульсации маг -
нога тока
нитного 'Поля в воздушном зазоре .
В машинах ,средней мощноqти ·пазы делают о:nкрь.щъ1миL В маши1--
нах малой мощнос;ти - полуза,крытыми.
.
Обмотkа якоря : выполняеrгся ИЗ медного изолированного · прово
да круглого или прямоугольного поперечног@ сечения 11 состоит ~ и з
секций, изготавливаемых на ' особых шаблонах . Секuии могут быть.
одновитковыми и l\Шоговигковы111и. Активные стороны секций по
мещаются в пазах якоря и закрепJiяются , пр1I помощи - слециаль
ных деревянных клиньев. Лобовые части се1щий закрепляются при
помощи бандажей из стальной проволоки. Вс_е секции обмотки,
якоря соединяются между собой последовательно, образуя замк
нутую цепь. Конец одной секции . и начало другой, следующих од
на за другой по схеме обмотки, присоединяются к одной коллек
торной пластине. ' Число секций независимо от с х емы обмотки всег-
да равно числу коллекторных пластин.
•
'
В проводниках обмотки машины постояr-шого тока при их вра
щении в магнитном поле индуцируются переменные ЭДС. Для пре
образования переменных ЭДС в постоя1-шую- применяется коллек
тор, являющийся механическим выпрямителем . Простейший кол
лектор представляет собой медное кольцо· (рис. 5 . За), разделен
ное на две равные части Kl и К2, называемые коллекторными пл<1-
стинами. Эти плс1стины, изолированные как друг от друга , так и
от вала м ашины, жестко укре11лены нс1. валу и вращаются в м есте
с витком. На коллекторе помещаются неподвижные щетки Щ1 и,
Щ2, на которых ЭДС не будет менять знака (кривая ещ на рис .
5 . Зв), так как каждая из щеток в любой момент времени соприка
сается с коллекторной пластиной, соединенной с а ктивным прово д
нико м , находящимся под полюсом определенной полярности;
Однако ЭДС на зажимах такой простейшей машины будет
иметь большую пульсацию . _Для ее у меньшения следует увеличптв
чис,110 коллекторных пластин . EcJJи в магнитно м поле полюсов по
местить два витка (рис. 5.4а), оси которых сдвинуты на 90° в про
странстве, и концы этих витков соединить с четырьмя коллектор ·
ными пластинами, то при вращении витков эдс: . индуцируемы<:::
87
в ни х , окажутся сдвинуты по фазе на л/2. Если щетки поместить
так , чтобы они соприкасались с витком, ЭДС в котором имеет
наибольшее в данный момент значение (под центрами полюсов),
то на зажимах машины будет получена ЭДС (рис. 5.4в), пульсn-
о)
t'W'
Рис . 5.3. Коллектор:
а) устройство; 6) и в) кривые изменения ЭДС в витке и на щет
ках <:оотвеrственно
цJi
Рис. 5.4 . Коллектор с четырьмя пластинами:
а) устройство; 6) кривые изменения ЭДС в витках
и на щетках соответственно
ция которой много меньше, чем при двух коллекторных пласти
нах. При дальнейшем увеличении числа коллекторных пластин
пульсация ЭДС уменьшается и при 16 пластинах на пару полюсов
амплитуда первой гармоники переменной составляющей становит
ся меньше 1%.
Коллектор представляет собой цилиндр, состоящий из отдель
ных пластин. Коллекторные пластины изготавливаются из твердо
тянутой меди и изолируются между собой и от корпуса проклад
ками из миканита.
88
Для крепления на втулке коллекторным пластинам 1 (рис. 5.5)
придают форму «ласточкина хвоста», который зажимается между
выступом на ·втулке 3 и нажимным кольцом 2, имеющим форму со
ответствующую фор ·ме пластины .
Нажимное кольцо крепится к втулке fl
гайкой 4 (или болтами) . Коллектор
изолируется от корпуса машины 5
изоляционными прокладками 5.
Концы секций обмо11ки припаивают-
ся к выступам на коллекторных пла
стинах, ,называемым «петушками» 6.
Коллектор являет,ся констру~ктивно
наиболее сложной ,и наиболее ответ
ственной ча,стью машины. Его по
верхно,сть должна быть с11рого ци- Рис. 5.5. Устройство коллектора
линдрической во избежание биения
и искрения щеток .
2
4
J
Обмотки якоря соединяются с внешней цепью скользящим кон
тактом коллектора с неподвижными щетками. lЦетки _могут быть
графитными, угольно-графитными или бронза-графитными. В ма
шинах высокого напряжения применяются графитные щетки , с
большим переходным сопротивлением между щеткой и коллекто
ром, в машинах низкого напряжения - бронза-графитные щетки.
Щетки располагают в щеткодержателях и прижимают к коллек
тору пружинами. Щеткодержатели укрепляются на щеточных бол
тах - пальцах, закрепленных на траверсе. I.Цеточные пальцы изо
лируются от траверсы изоляционными шайбами и втулками.
Число щеткодержателей обычно . равно числу полюсов. Траверса
устанавливается на подшипниковом щите в машинах малой и
средней мощности или прикрепляется к станине в машинах боль
ших мощностей. Траверсу можно поворачивать и эти м изменять
положение щеток относительно полюсов.
Обычно траверса устанавливается в таком положении , пр и ко
тором расположение щеток в пространстве совпадае т с расп ол о
жением средних точек главных полюсов .
5.2 . ОБМОТКИ ЯКОРЕЙ МАШИН
ПОСТОЯННОГО ТОКА
Как было показано выше, обмотки якорей машин постоянного
тока изготовляются из изолированных медных провод ов, а в маши
нах больших мощностей - из шин прямоугольног о поперечного
сечения и выполняются замкнутыми. При изготовлении обмотки
из шин прямоугольного поперечного сечения они выполняю rся
стержневыми, и каждая секция может состоять из двух активных
проводов (одновитковая секция) . Из изолированного медного
провода секции обмоток изготовляются в випе катушек с опреде
ленным числом витков (многовитковые секции).
89
Процесс изготовления обмоток может быть ручным и шаблон
:ным. В первом случае секции обмоток наматываются на сердеч
'Нике якоря вручную. Во втором случае секции обмоток наматы
.ваются на специальных шаблонах, изолируются и в готовом ви;1_е
укладываются на якоре так , что аr<тr1вные части секций распола
гаются в пазах сердечника якоря, а лобовые соединения на торце
:вых частях якоря .
Для машин постоянного т-;,ка особенно удобны шаблонные
двухслойные обмотки, у которых в пазах якоря активные части
,с екций размещаются в два слоя. Каждая секция обмотки состопт
: из двух активных сторон, отстоящих др у г от друга на расстояш:н,
, близком к полюсному делению т, т. е . расстоянию между середи
:нами соседних ра:зноименных полюсов. При таком расстоянии меж
ду активными проводниками (шаr·е обмотки) ЭДС , индуцирован
:ные в них, будут направлены в одну сторону, и ЭДС секции будет
·иметь наибольшее значение . Одна активная часть секции находит
с я в верхнем слое паза, другая -- в нижнем слое паза. При изо
,бражении развернутых схем обмоток <1ктивные стороны, лежащие
в верхнем слое паза, изображаются сплошной линией, а стороны
нижнего слоя - пунктирной. Конuы секции соединяются как с
другими секциями обмотки, так и с коллекторными пластинами.
Секции, образующие обмотку. соединяются между собой так,
чтобы индуцированные в ни;,; ЭДС были направлены согласно.
Для этого начальные (или конечные) проводники последовательно
соединенных секций должны находиться в любой момент под по
люсами одинаковой полярности.
В зависимости от порядка соединения секций друг с другом
обмотки могут быть параллею,ными (петлевыми) и последова
72
.. ... .... .
..._ ..... i)
'1
1
1
1
1
1
1
)!)
,,,,,
,,,,
'
,,,,,
,,,,,
'V
,,,,,
....
2
Рис.
Развернутая
схема простой парал.
лельной обмо -тки
тельными ,(волновым,и) . На рис. 5.6 показа
·на (толстой линией) одновитковая секция
параллельной обlмотк-и, с,остоящая из ак
тивной части верхнето слоя 'Паза 1 и нижне
го слоя паза 1+ У1, В этих обмотках после
довательно соединяют,ся между собой сек
ци,и, начаJ1ь,ные (или конечные) а·ктив1J-Iые
стороны кото,рых находятся под одним по
люсом. Та]{IИМ образом, секция параллель
ной обмотки находится между двумя сосед
ними колле~ктор ·ными пластинами (1 и 2),
причем в мнотовитковых секция ·х к пласти
не J пр·исоединяе'!'ся начало юервого витка,
а к пласт,ине 2 - конец последнего витка,
соеди1няемый ,с ,началом следующей секции.
Любая коллекторная пластина (например,
1) соединяется с двумя актинными проводами, ,в каждом из ~кото
рых ,протекает ток одной параллельной ветви обмотки i a, так что
между двумя щетками различной полярности обмо'!'ка образует
две •параллельные ветви.
90
При параллельных обм@тках число щеток должно быть всеrд:~,·
равно числу полюсов 2 р и, следовательно, число параллельных.
ветвей 2 а в этих обмотках равно числу полюсов, т. е. 2 а .=
=2р(а=р) .
При боль шом числе поillюсов параллельная обмотка образует
много параллельных ветвей, что дает возможность уменьшить ток
и поперечное сечение провода обмотки.
В последовательных обмотках начальные (или конечные) ак
тивные части соединяемых последовательно секций находятся под
разными полюсами одинаковой полярности. На рис. 5.7 показаны.,
Рис. 5.7 . Развернута.я схема простой последовательной об
мотки
две секции последовательной одновитковой обмотки. Последова·~
тельные обмотки (простые) образуют только две параллельные·
ветви при любом числе полюсов. Поэтому при такой обмотке по
следовательно соединяется между щетками различной полярности
большое число активных проводов, что целесообразно для машин
высокого напряжения и относительно небольших токов.
Щетки на коллекторе должны быть установлены так, чтобы во,
всех проводниках между щетками ЭДС имела одинаковое направ
ление. В этом случае ЭДС машины будет максимальной.
5.3 . ЭДС МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
В проводнике, перемещающемся в магнитном поле в направ
лении, перпендикулярном направлению магнитных линий этого•
поля, создается ЭДС
е'х = Bxlv,
где Вх - значение магнитной индукции в точке, где в данный мо-
мент находится проводник; l - длина проводника; v - скорость .
перемещения проводника.
На якоре машины укладывается большое число проводников ,.
которое о бозначим буквой N. Если щетки расположены на физи
ческой нейтрали, т. е. линии, проходящей через точки окружности.
якоря, где магнитная индукция равна нулю, то ЭДС одной парал
лельной ветви равна сумме ЭДС активных сторон проводников,
этой ветви. В каждой параллельной ветви обмотки будет последо-
вательно включено N/2 а проводников.
•
91
Таким образом, ЭДС машины
N/2a
N/2a
Е= ~ех = L,Bzlv= B(N/2a)lv,
x~I
х-1
где В - среднее значение магнитной индукции на полюсном де
лении.
Скорость перемещения проводников в магнитном поле
V = 2р 't (п/60),
где 2 р - число полюсов машины; т
-
полюсное деление; п -
число оборотов якоря машины в минуту.
Имея . в виду, что произведение среднего значения магнитной
индукции В на осевую длину полюса l и на полюсное деление
представляет собой магнитный поток одного полюса Ф (Вlт=Ф) ,
получим для ЭДС машины следующее выражение:
Е = ...Е!!_пФ.
(5.1)
60а
Для каждой машины величину р, N и а постоянны, так что от
ношение pN =С представляет собой величину, постоянную для
60а
данной машины. Следовательно, ЭДС машины постоянного тока
Е=СпФ.
(5.2)
Из этого выражения следует, что для изменения ЭДС (или на
пряжения) машины необходимо изменить число оборотов якоря
или магнитный поток полюсов.
5.4 . МАГНИТНОЕ ПОЛЕ НАГРУЖЕННОЙ МАШИНЫ
ПОСТОЯННОГО ТОКА
При холостом ходе машины тока в якоре нет и магнитное по
ле создается НС полюсов. Это магнитное поле симметрично отно
сительно оси полюсов (рис. 5.8а) и распределяется равномерно в
воздушном зазоре. Положим, что щетки установлены на геометр и
ческой нейтра .11и, т . е. на линии, проходящей через цен тр и пер
пендикулярной оси полюсов.
При нагрузке машины в обмотке якоря протекает ток, который
создает свое ма гнитное поле . Поле якоря, воздействуя на магнит
ное поле полюсов, изменяет и искажает его. При нагрузке маши
ны по магнитной цепи замкнется результирующий магнитный по
ток Фр, создаваемый совместным действием НС полюсов и якоря .
Результирующий магнитный поток Фр не равен потоку полю
сов Фт, созданному НС обмотки возбуждения при холостом ходе.
Воздействие поля, созданного током в якоре при нагрузке маши
ны, на магнитное поле полюсов называется реакцией якоря.
Если по проводникам обмотки якоря невозбуждаемой машины
пропустить от постороннего источника такой ток, который имел бы
92
место при нагрузке машины, то будет создано магнитное поле
якоря (рис. 5.86). Это пoJie замыкается поперек оси полюсов и
называется поперечным полем реакции якоря.
Намагничивающая сила якоря под одним краем полюса (под
набегающим для генератора и под сбегающим для двигателя) на
правлена встречно НС полюсов, а под другим краем полюса (под
сбегающим для генератора и под набегающим для двигателя) -
о)
А
А
s-
/
s
'\
\
Рис. 5.8 . Магнитное по
ле машины постоянного
'!'Ока:
а) от тока возбуждения;
б) -от тсжа в якоре; в)
резулъ-гирующее поле при
нагрузке
согласно с НС полюсов. Следовательно, под одним краем полюса
уменьшается, а под другим увеличивается магнитная индукция.
Таким образом, для нагруженной машины результирующее
м агнитное поле будет несимметрично относительно оси полюсов
(рис . 5.8в), т. .е. поперечное поле · реакции якоря перераспределяет
магнитное поле полюсов , ослабляя его под одним краем и усили
вая под другим краем полюса. Поле реакции якоря также сме
щает физическую нейтраль , т. е . линию, проходящую через центр
якоря и перпендикулярную оси результирующего магнитного поля .
За счет насыщения стали увеличение магнитного потока под
одним краем полюса будет меньшим, чем уменьшение магнитного
потока под другим. Поэтому результирующий магнитный поток
при нагрузке окажется меньше магнитного потока полюсов, т. е.
магнитного потока при холостом ходе.
Изменение магнитного потока машины приводит в геыераторах
к изменению как ЭДС, так и напряжения на зажимах машины .
•93
.Кроме того, реакция якоря увеличивает напряжение между смеж
ными коллекторными пластинами, что ухудшает коммутацию
тока.
Если, например, в генераторе при неизменном токе возбужде
ния увеличится нагрузка (увеличится ток в якоре), то за счет
размагничивающего действия поля реакции якоря магнитный по
ток машины уменьшается, т. •е. уменьшается как ЭДС, так и на
пряжение на зажимах генератора.
Поэтому, ес,'lи необходимо постоянство ЭДС или напряжения
на зажимах генератора, при увеличении нагрузки машины увели
чивают и ток возбуждения с тем, чтобы рост магнитного потока
полюсов компенсировал размагничивающее действие реакцпп
якоря.
5.5 . .КОММУТАЦИЯ ТО.КА
.Коммутацией тока называется процесс изменения направления
тока в секциях обмотки якоря при переключении их из одной па
раллельной ветви в другую.
При вращении якоря машины коллекторные пластины пооче
редно соприкасаются со щетками, так что в определенные проме
жутки времени секции или несколько секций оказываются замк
нутыми относительно небоJiьшим сопротивлением переходных кон
тактов между щеткой и коллектором. На рис. 5.9 показана секци я
1
о)1
§)1
ilq
'о
Рис. 5.9 . Коммутируемая сеюция пр.и ком.мутации:
а) в начале; 6) в процессе; в) по окончании про
цесса (1- направление вращения якоря)
простой параллельной обмотки. В секции создается ток одной па
раллельной ветви ,ia=la./2a, где 2а - число параллельных ветвей
обмотки.
В момент, соответствующий началу коммутации, щетка сопри
касается с коллекторной пластиной 1, соединенной с двумя прово
дами обмотки, ток в каждом из которых равен току одной парал~
94;
Jlелыюй ветви (рис. 5.9а) - ia . Таким образом, в коллекторной
пластине и щетке будет ток, равный сумме токов двух параллель
ных ветвей, т . е. 2 ia. В этот момент в выделенной нами секции
ток направлен против часовой стрелки и равен ia .
В дальнейшем при вращении якоря щетка будет соприкасать
ся с коллекторными пластинами 1 и 2, замыкая выделенную на
ми секцию (рис. 5.96). В определенный момент щетка полностью
перейдет на коллекторную нластину 2 и ток в секции изменит на
правление на обратное (рис. 5.9в), т . е. секция окажется переклю
ченной из одной параллельной ветви в другую. Время переключе-
1-1ия коммутируемой секции из одной ш1.раллельной ветви в другую ,
или время перехода щетки с одной коллекторной пластины на дру
:гу ю, называется периодом коммутации.
Период коммутации Тк сравнительно мал, он определяет вре
мя, в течение которого секция замкнута щеткой накоротко . За вре
мя Тк ток в секции обмотки якоря i изменияется на 2 ia (от + ia до
-ia) - При этом в короткозамкнутой секции создаются следующие
ЭДС .
1. Электродвижущая сила самоиндукции, вызванная измене
di
нием тока е5 = - L -, где L - индуктивность секции .
dt
2. Практически ширина щетки больше ширины коллекторной
пластины в несколько раз и щетка замыкает несколько секций, в
1юторых процесс коммутации протекает одновременно с некото
рым сдвигом во времени. Кроме этого, процесс коммутации про
текает одновременно под всеми щетками, помещенными на кол
лекторе. Поэтому помимо ЭДС самоиндукции в короткозамкнутой
или коммутируемой секции создается ЭДС взаимоиндукции
di
ем = - 1: М _к, где М - взаимная индуктивность одновременно
dt
G<оммутируемых секций; i1, -
токи в этих секциях .
3. Активные стороны коммутируемых секций :находятся в зоне
в нешнего магнит~-iого поля и в них индуцируется ЭДС ev = 2 ВкlХ
Х Vwк, где Вк - среднее значение магнитной индукции в зоне
коммутации; l - длина активных проводов; V - скорость пере
мещения активных проводников в магнитном поле; W1,
-
число
в итков секций обмотки якоря.
ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции согласно закону Ленца
стремятся поддержать прохождение тока ,i в коммутируемой сек
ции в направлении, которое имел ток до момента коммутации, т. е.
з адержать его изменение .
Если щетки касаются коллекторных пластин, соединенных с
се кция ми, активные стороны которых расположены в данный мо
м ент на геометрической нейтрали (щетки установлены на геомет
рической нейтрали), то, при отсутствии дополнительных полюсов,
ЭДС вращения со здается магнитным полем .о бмотки якоря и сов
падает по направлению с ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции.
В этом сл у чае полная ЭДС коммутируемой секции, равная
сумме ЭДС са м оиндукции, RЗаимоиндукции и вращения, вызывс1ет
95
замедленное изменение тока, т. е. замедленную коммутацию
(рис . 5.10). При замедленной коммутации увеличивается пл от
ность тока под сбегающим 1,раем и уменьшается под набегающи м
краем щетки. Увеличе н ие плотности тока под сбегающ им кpae ':li
щетки является прич ин ой искрения, которо е особенно и нтен си внu
тк.
-в ·М1Оме~нт раз·мыкан.ия щеткой ,сек
ции ,о·б:мютки. Чр,ез мер,ная плот нос ть
11ока при 1нали чи.и разност.и потен
t
Рис. 5.10. Изменение тока ком
мутируемой секции при замедлен
ной ко,ммута.ции
I.Lиалов ,межд у щеткой и коллекто -
р1ом ,П1рИ1Б'ОДИТ ·к ,во.зн ик нов,ению ду
го в ого :р:аз.ряда, .который .ио,низ•ирует
то·нчайш,ие сл·О'И ·ВIОЗд у ха, находяще
гося ,между щет1юй ,и ,1юлле,ктором,
и ·ин'!'енсифиц.ир ует р,аз,ряд. Дуга
·может перейти 1к щетке д,ругой по
ля·рности, ·раз,вив ]{ру1~01вой ого1Нь 1на
-коллектор,е, что вызовет его повре-
ЖДеlН1И1е .
Искрение щеток может быть вызвано также рядом других при
чин, как-то: неровной поверхностью коллектора, вибрацией щеток,
загрязнением поверхности коллектора и др .
Даже незначительное искрение щеток является нежелатель
ным, так как увеличивает износ щеток и коллектора и повышает
нагрев последнего за счет увеличения переходного сопротивления
между щеткой и коллектором .
Для улучшения коммутации необходимо уменьши,ть ток корот
кого замыкания, что можно обеспечить увеличением сопротивле
ния короткозамкнутой цепи, уменьшением ЭДС самоиндукции е8 и
взаимоиндукции ем и созданием в коммутируемой секции такой
ЭДС от внешнего поля ev, которая компенсирует ЭДС самоиндук
ции и взаимоиндукции, т. е. ev = -(es+eм).
Для увеличения переходного сопротивления применяют графи
товые, угольные и слоистые щетки. ЭДС самоиндукции уменьша
ют неглубокими открытыми Jiазами.
Более целесообразно не конструктивное уменьшение ЭДС са
моиндукции и взаимоиндукции , а их 1<омпе1-1сация. Для этого в
зоне коммутации, в которой находятся активные стороны коммути
руемых секций, необходимо создать такое внешнее магнитное по
ле, при котором индуктируемая в секции ЭДС вращения ev ком
пенсировала бы ЭДС самоиндукции es и взаимоиндукции ет,
ev-es-eм. Для создания внешнего магнитного лоля в зоне ком
мутации применяют дополнительные полюсы, которые устанавли
вают в нейтральной зоне .
В настоящее время почти все ·машины ·постоянного тока изго
тавливаются с дополнительными 11олюсами, так как при их наш-!
чии можно увеличить токовые нагрузки, т . е. уменьшить как мас
су, так и стоимость машины.
Обмотка возбvждения дололнител ь ных полюсов соединяется
последовательно ·с обмоткой якоря для того, чтобы ЭДС самоив-
96
дукции и взаимоиндукция были компенсированы при любо й на •
грузке машины . Для этого же магнитная система дополнительн ых
полюсов ,не насыщена (магнитная индукция в сердечнике дополн и
тельного полюса Ви=О, 6-0, 8 Т), что возможно при создан ии
с равнительно больших воздушных промежутков между сердечн и
ком якоря и дополнительным полюсом. Реактивная ЭДС (er=es+
+ем) пропорциональна току в якоре . При ненасыщенной магнит
ной цепи дополнительных полюсов и при последовательном соеди
нении и х обмоток с обмоткой якоря ЭДС вращения будет та кже
пропорциональна току в якоре, т. е. компенсация ЭДС (ev=-er)
б удет происходить при любой нагрузке машины.
Полярность дополнительного полюса в генераторе должн а с о
ответствовать полярности следующего за ним в направлени и в р а
щения якоря главного полюса. В двигателе полярность доп олн и
тельного полюса должна соответствовать полярности предыдуще го
по направлению вращения якоря главного полюса . Число витков
обмотки дополнительных полюсов выбирается таким, чтобы ее НС
имела некоторый избыток по сравнению с НС поперечной реакци и
якоря для создания коммутирующего магнитного поля.
Внешнее магнитное поле в зоне коммутации может быть с о з
дано смещением щеток с геометрической нейтрали . Однако такой
способ улучшения коммутации практически не применяется, т а к
как при изменениях нагрузки машины нужно менять и положение
щеток на коллекторе .
5.6 . ГЕН ЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА
При вращении якоря машины постоянного тока в магнитно м
поле полюсов в проводниках его об м отки будет индуцирована
ЭДС (рис. 5.11), направление 1юторой определяется правило м
·шрав1ой р•у~ки . Для •в,ращен.ия я11юря и,опю11Iьэует
ся ,ыа:кой-либо л~е:р,в:ичный д,вигатель, разви
вающий вращающий момент М1 . Если якорь
вращается с числом оборотов в минуту п, то в
его обмотке индуцируется ЭДС Е= СпФ.
Бсл ,и ,обмотку як,01ря через щет,~ш за,мкнуть
на :ка,юой-JJ1И,бю, :п1ри,емник э1нер1г,и.и (,солроти~вле -
1-1,и,е ,нагрузки), 'ГО через этот ·приемниrк и об
мо11ку я·ко,ря будет ,протекать 'Го•к / а, кю11орый
в о,6,мотые я,коря по 1нал,ра.вл,ению 001в;пада•ет с
ЭДС. В рез ультат,е вза1им,одейегвия этою 'ГО
~ка 1с магнитным 1полем л:олюс-01в '6уμJ,ет с,о,зда1н
элект,ром,агнит,ный ,м1омент МФ . направл•е:ние
ко'Го:рюго ош·рещеляется 1Прав,ило,м левой рук1и .
Та1шм образ1ом, развиваемый маши~но,й эл,ек
'Гро,магни'Гный 1мо1м1е.нт я,вля·ется то·рмоз1ным ,
налра,вл,е:н;ным · встречню на:пра 1вл-е~н1ию враще-
rн
Рис . 5.Ы. Генератор
постоян!iо,го тока
1н:ия як,о,ря ·маши1ны, так что для :в,р,аще1Ния :после,д;не,nо 1перв,ичны й
iЩв,игатель долж,ен раз1в,ивать в1ращающнй мо·мент М1, д:остаrо,чны й
4-311
97
для пре,одол,енюr эл ектромаг,нитн:0110 то,рмоз но r~о • мо:v1ента, ,следо
ва1'€льню , ,ма ш И1на :п-отр ,ебляет 'М·ех а~ническ ую э·~ерг:~,-:: .
Если мом ен ты ра вны, т . е. М 1 =М,р, скорость вращения якuр)i
машины постоянна. При нарушt::нии равновесия моментов числ(J
оборотов яко ря начнет изменяться. Если поч ему - либо моме нт пер
вичного двигателя М 1 уменьшается, т . е. стано вится меньше элект
ромагн итного момента генератора ( М 1 <М ,р), то число оборотов
якоря машины также уменьшается. При • этом будет уменьшаться
как ЭДС, так и ток в обмотке якоря, что . уме ньшит тормозной
эл,ектрома гнитный момен т генератора. При увеличении момента
nервичного двигателя (М1>М ip) число оборотов якоря, а также
ЭДС · и ток в ег·о обмотке будут увеличиваться, что вызывает уве
лич е ние тормозного электромагнитного момента.
При нарушении равновесия моме нтов число оборотов якоря
ЭДС и ток в его обмотке претерпевают изменения до восстановле
ния равновесия моментов, т. е. пока электромагнитный момент
ген ератора не станет равным вращающему моменту первичного
двигат еля.
Таким образом, любое изменение момента первичного двига
теля, т. е. потребляемой генератором мощности, вызывает соответ
ствующее изменение как электромагнитного момента генератора,
так и вы рабатываемой им мощности. При изменени ях нагрузки
генератора также потребуется соответствующее изменение момен
та первичного двигателя для поддержания постоянства числа обо-
ротов якоря генератора.
.
Ток обмотки якоря 1а, протекающий при нагрузке генератора,
встречает на своем пути соп ротивлен ие внешней нагр узк и Гн, со-
11ротивление обмотки якоря Гоо и сопротивление переходных кон
тактов между щетка ми и кол лектором rщ. Обозначи м через Га
внутреннее с о против .1е ние ма шины , представляющее со б ой сумму
сопротивлений обмотки якоря и щеточ н ы х контактов (rоб+rщ),
тогда гок в якоре
(5.3)
Сопротивление rщ непостоянно и зависит от величины и направ
..1ени я
тока, состояния коллектора, силы нажатия щеток на кол
ле1стор, ' скорости вращения. Падение напряж ения в щеточных кон
тактах о·стается прим ерно неизменным при изменениях нагрузки
(принимается равным двум вольтам на пару у гольных и графит
ных щеток). Поэто му в выражени и (5.3) внутреннее сопротивле
ние ма шины также не являе·гся величиной постоянной при изме-
1iении нагрузки генерат о ра.
Так как Iarн = И, где И - напряжение IIa зажимах нагружен
,юrо гене ратора, то из (5.3) получим следующ е е уравнение равнп
вrси я. ;;ЭДС для генератора: .
И~·Е-lara,
(5.4)
Из уравнения . равновесия: ЭДС Jiегко получить уравнен ие мощ
i1остей, 1:. е: Ula=El"-120:ra или Р2 =Р ,р -Роб, где Р2 - полезная
98
мощность . генератора, отдаваемая потребителю электрическо й
энергrrи; РФ - внутренняя или электромагнитная мощность гене~,
ратора, преобразованная им в электрическую; Раб - мощность п~ ·
терь в обмотке якоря и щеточных контактах.
При холостом ходе генератора электромагнитная мощность:
равна нулю (РФ =0), но для вращения якоря ма шины первичный
двига тель должен затратить некоторую мощность Ро, расходуе
мую на покрытие потерь холостого хода. Мощность Р0 складываеrr
ся из потерь механических на трение в подшипниках и трение о
воздух вращающихся частей машины Рмех и из потерь в стали на
гистерезис и вихревые токи Рст В генераторах с самовозбуждени
ем Р 0 включает так же мощность, затраченную на создание маг
нитного потока, т. е. на возбуждение машины .
При нагрузке генератора первичный двигатель затрачивае,т
мо щность Р1, равную Р1 =РФ +Ре. Электромагнитный момент ма
шiшы равен Mw =Pw/Q, где Q=2nn/60, рад/с - угловая ско,рость
якоря; так как Pw =Ela и Е={(Nр)/(60а)]пФ, то элект)!Jомагни т
ный момент машины
МФ= [(рN)/(2nа)]Ф/а•
(5.5)
Так как величины а, D и ,N постоянны для данной машины , то
дробь (pN)/(2na) =К представляет собой некоторый постоянны й
для данной машины коэффициент и электромагнитный момент
Mw = КФiа,
(5.5)
т. е. электромагни тн ый момент машины nропорционаден п_р_щ1з- ,
ведению тока в якоре на м агнитный поток полюсов.
5.7 . ВОЗБУЖJIЕНИЕ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА
Генераторы постоянного тока могут · быть выполнены с магнит
ным и электромагнитным возбуждением. Для создания магнитн о- ·
го потока в генераторах пе~ □ ог о типа используются постоянны е
магниты, а в генераторах второго типа - электромагниты . При
ыенение постоянных магнитов для возбуждения машин крайне
ограничено и возможно лишь для маломощных машин. Таким об
разом, электромагнитное возбуждение является наиболее ~ широко
используемым способом создания магнитного потока. При этом
магнитный поток создается током, 11рот екающим по обмотке воз
буждения .
В зависимости от способi:l питания обмотки возбуждения гене
раторы постоянного тока могут быть с независимым возбуждением;
и с самовозбv:ж:дением .
При неза·висимом возбуждении (рис. 5 .1 2а) обмотку возбуж
дения включают в сеть независимого источника э·нергии посто
янного тока. Для регулирования тока возбуждения /в в цепи об
мотки включено сопротивление rp . При таком воз_бу.ждени.и rок
/в не зависит от тока в якоре /и·
99
Недостатком таких генераторов является необходимость до
полнительного источника энергии. Поэтому генераторы независи
мого возбуждения применяются только в машинах высоких напря
жений, у которых питание обмотки возбуждения от цепи якоря
недопустимо по конструктивным соображениям.
О)гг+
V1t
'н
Гн
Рис. 5. 1
·2 . Генератор
а) независимом; 6)
постоянного тока пр,и возбуждении:
параллельном; в) последовательном ;
г) смешанном
Генераторы с самовозбуждением применяются наиболее широ
ко и в зависимости от включения обмотки возбуждения (рис.
5.126, в, г) обладают тремя типами возбуждения. У генераторов
параллельного возбуждения ток мал (несколько процентов номи
нал ьного тока якоря) и число витков обмотки возбуждения велп
ко. При последовательном возбуждении ток возбуждения равен
току якоря и число витков обмотки возбуждения мало. При сме
шанном возбуждении на полюсах генератора помещается две об
мотки возбуждения - паралле льна я и последовательная.
Процессы самовозбуждения генераторов постоянного тока
идентичн ы при любой схеме возбуждения. Рассмотрим процесс
самовозбу ждения генератора параллельного возбуждения (рис.
5.126), получившего наиболее широкое применение .
Первичный двигатель вращает якорь генератора, магнитная
цепь (ярмо и сердечники полюсов) которого имеет небольшой ос
таточный магнитный поток Фаст- Этим магнитным потоком в об
мотке вращающегося якоря индуцируется ЭДС Еаст, составляю
щая несколько процентов номинального напряжения машины. Под
действием ЭДС Еаст в замкнутой цепи, состоящей из якоря и об
мотки возбуждения, протекает ток Iв. Намагничивающая сила об
мотки воз.буждения Iвwв (wв - число витков) направлена соглас-
11ю с потоком остаточного магнетизма, увел ичивает маг нитный по
ток машины Фт, а значит, как ЭДС в обмотке якоря Е, так и ток
в обмотке возб,,ждения / 13· Увеличение последнего вызывает даль
нейшее увеличе'ние Фт, что, в свою очередь, увеличивает Е и / в•
За счет насыщения стал и магни тной цепи ма шины процесс са
мовозбуждения ограничен определенным напряжением, зависящим
100
от скорости вращения якоря машины и сопротивления цепи обмот
ки возбуждения. Таким образом, в процессе самовозбуждения ге
нератора ток в обмотке возбуждения постепенно увеличивается до
установившегося значения ! вл (рис. 5.13). Увеличение тока воз
буждения увеличивает ЭДС в якоре ('кри-
вая 1). Напряжение на зажимах генера
тора можно определить произ.ведением
величин тока возбуждения и со противле
ния цепи возбуждения rв (сумма сопро
тивления обмотки возбуждения и регули -
ровочно го реостата), т. е. lвrв=,И. Следо
вательно, при неизме нном ,rв зависимость
И от lв представляет собой прямую ли
нию (прямая 2).
E,U
z
1
При lв<fвА Е> И, т. е. ЭДС в обмот
к е якоря не уравновешена паден·ием на-
пряжения в сопротивлении цепи возбуж- О
f!Jc
I!JA lв
дения и ток возбуждения увеличивается. Рис. 5.!З. Зависимость ЭДС
Ток I в не может оказаться больше и напряжения генератора
lвл, так как при этом ЭДС, индуцирован- от тока возбуждения
ная в обмотке якоря, окажется меньше
падения напряжения (Е <lвrв), что невозможно. Таким I образом
точка А характеризует установившийся режим работы машины и
в озбуждение ее происход•ит до напряжения, соответствующего
точке А.
При изменении скорости вращения или сопротивления цепи
1Возбуждения будет изменяться и напряжение, до которого воз
буждается машина . При увеличении скорости вращения якоря
машины также увеличится ЭДС и напряжение машины.
Угол наклона а зависимости И от Iв определяется сопротивле-
1нием цепи возбуждения, так как tga=K(U/fв)=Krв, где К - ко
эффициент пропорциональности, зависящий от выбранного мас
ш таба для напряжения и тока возбуждения.
При увеличении rн (увеличивается Гр) зависимость И=f(/в)
пойдет под большим углом к горизонтальной оси и напряжение на
заж имах генератора уме ньшится. Дальнейшее увеличение сопро
тивления rв также понижает напряжение. При некотором критиче
-ском сопротивлении rв r,p зависимость И =t(! в) пересекает зависи
мость Е в точке С, т . е . практически машина не возбуждается .
Однако самовозбуждение генератора не всегда возможно и бу
дет происходить лишь при следующих определенных условиях:
1. Наличие поля остаточного магнетизма . Без этого поля не
-будет создаваться ЭДС Еаст, под действием которой в обмотке
в озбуждения возникает ток. Если машина размагничена и не имеет
~ста.точного на ма гничивания, то по обмотке возбуждения надо
пропустить постоянный ток от какого - либо постороннего источни
ка электрической энергии. После отключения обмотки возбужде
.н ия машина будет иметь вновь остаточный магнитный поток.
101
2. Обмотка~озбуждения должна быть включена согласно с
полем остаточного магнетизма, т. е. так , чтобы НС этой обмотки
увеличивала поле остаточного магнетизма. При встречном вклю
чении обмотки возбуждения ее намагничивающая сила будет
уменьшать остаточный магнитный поток и при длительной рабо_те
может полностью размагнитить машину. Если обмотка возбужде
ния оказалась включенной встречно, то необходимо изменить !-fа
правление тока в ней.
3. Сопротивление цепи обмотки возбуждения должно быть
меньше критического ( rn < rв нр), т. е. такого сопротивления, при
котором самовозбуждение генератора невоз можно .
4. Сопротивление внешней нагрузки rн .должно быть велико.
При малом rн ток Iв будет также мал и самовозбуждения не
будет.
5.8 . ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРА
ПОСТОЯННОГО ТОКА
Характеристики генератора определяют его рабочие свойства
и представляют зависимости между основными величинами, кото
рыми являются ЭДС в обмотке якоря Е, напряжение на его за
жимах И, ток в якоре Ia, ток возбуждения Iв и число оборотов
якоря п.
Характеристики представляют собой зависимости между дву
мя из указанных основных величин при неизменных остальных.
Эти зависимости различны для различных генераторов.
Все характеристики машины снимаются при постоянном чис лt~
оборотов якоря машины (n =const). При изменении скорости вра
щения якоря машины все характеристики генератора изменяются
существенно.
Характеристика холостого хода генератора представляет собо й
зависимость между ЭДС в якоре и током возбуждения E = f(Iв),
снятую без нагрузки (Iн= О) и при постоянном числе оборотов
(n =const).
Для генераторов независимого возбуждения без нагрузки (хо
лос·юй ход) ток в якоре равен нулю (Ia=O). Так как ЭДС, соз
данная в обмотке якоря, равна Е= СпФ, то при n =const ЭДС
окажется прямо пропорциональной магнитному потоку. Поэтому
в измененном масштабе характеристика холостого хода предстаn
ляет магнитную характеристику машины.
При lв =О магнитная цепь машины (главным образом, ярмо )
имеет некоторый остаточный магнитный поток Фаст, iшторый ин
дуцирует в обмотке якоря ЭДС Еаст (рис. 5.14а). Эта ~ЭДС со
ставляет несколько процентов (2 --- 5 %) номинального напряжения
машины. С увеличением тока в обмотке возбуждения увеличивают
ся как магнитный поток, так и ЭДС, индуцированная в обмотке
якоря (кривая 1). EcJiи после снятия восходящей ветви этой за
висимости до точки а начать постепенно уменьшать ток возбу:ж
дения Iв, то ЭДС также начнет уменьшаться, но за счет намагни-
102
чивания стали нисходящая ветвь (кривая 2) пойдет несколько
выше восходящей ветви этой характеристики. Изменяя fв не толь
ко по величине, но и по направлению, можно снять весь цикл пе
ремагничивания стали машины. Практически восходящая и нис
ходящая ветви магнитной характеристики имеют 1,райне незначи
тельное расхождение и за основную характеристику принимается
средняя зависимость (кривая 3).
На рис. 5. 146 показаны характеристики холостого хода, снятые
при различных скоростях вращения якоря генератора. Кривая 1
соответствует вращению якоря машины с номинальной скоро·
стью nн, указанной в паспорте генератора. Для всех м аши н нор-
о)Е
!23
о
ig
Рис. 5.14. Характеристика холостого хода генератора
независимого возбуждения:
а) при перемагнич,ивании стали; 6) при изменении · ско-
рости вращения якоря
мального типа точка номинального напряжения (точка А) нахо
дится на перегибе маг нитной характеристики, что соответств ует
о птима льным рабочим и регулировочным свойствам генератора.
Выбор точки номинально го напряжения на линейном участке
ма гнитной характеристики (точка А') приводит . к резким измене
ниям напряжения на зажимах генератора при изменениях нагруз·
ки, так как незначите.1ьные изменения намагничивающей силы вы
зывают резкие изменения ЭДС. Выбор этой точки на полого м
уч астке магнитной характеристики (точка А 11 ) ограничивает воз
мо жность регулирования напряжения на зажимах генератора,
потому что дл я измен ения ЭДС требуются очень большие измене
ния то ка возб vжден ия.
При изменении скорости вращения якоря генератора изменит
свое положение характеристика холостого хода, так как ЭДС про
порциональна скорости. При п'>п характеристика холостого хода
пойдет выше (кривая 2), а при п 11 <nн - ниже (кривая 3), чем
при номинальной скорости. Следовательно, при изменении скоро
сти вращения якоря точка номинального напряжения окажется
на линейном (точка В) или на пологом (точка С) участке магнит
ной характеристики, что изменит все характеристики генератора.
Поэтому первичный двигатель для вращения якоря генератора
103
надо выбирать таким, чтобы его скорость была близка к номи
нальной скорости генератора.
Для генераторов параллельного возбуждения при холостом х о
де ток в якоре равен току возбуждения (!а=lв) , который состав
ляет несколько процентов номинального тока генератора. Поэто
му напряжение на зажимах машины при холостом ходе будет при
мерно равным ЭДС и характеристика холостого хода этого гене
ратора практически совпадает с характеристикой генератора не
зависимого возбуждения . Однако весь цикл перемагничивания в
генераторах параллельного возбуждения снять нельзя, так как при
изменении направления тока в обмотке возбуждения магнитны й
поток ее будет направлен встречно потоку остаточного магнетизма
и самовозбуждение генератора окажется невозможным .
Для генератора последовательного возбуждения характеристи
ка холостого хода смысла не имеет, так как при холостом ходе в
якоре и обмотке возбуждения ток равен нулю и характеристика
может быть снята только по схеме независимого возбуждения.
Для этого об м отка возбуждения генератора должна быть включе
на в сеть какого-либо независимого источника тока.
Для генераторов смешанного возбуждения характеристика хо
лостого хода совпадае1 с характеристикой генератора параллель
ного возбуждения.
Характеристика короткого замыкания представляет собой за
висимость тока в якоре от тока возбуждения /а= f (!в) при корот
ком замыкании ( И =0) и постоянном числе оборотов (n=const).
В генераторах независимого возбуждения при снятии этой харак
теристики обмотка якоря замкнута накоротко (на амперметр), а
в обмотке возбуждения протекает малый ток, при котором в яко
ре ток не превышает номинального значения . Если ток возбужде
ния мал и машина не насыщена, характеристика короткого замы
кания представляет прямую линию (рис. 5.15) . Из - за наличи я
остаточного магнетизма эта характеристика идет не из начала ко
ординат.
fa
о
lg
Рис. 5, 15. Характери
стика короткого за
мыкания
генератора
независимого возбуж-
дения
104
и
Рис. 5.16. Внешние характеристики
генератора независимо-го возбужде
ви:n
Для генераторов с самовозбуждением всех типов эта характе
ристика не может быть снята. Поэтому для генераторов с само
возбужденцем характеристика короткого замыкания снимается по
схеме независимого возбуждения, для чего обмотка возбуждения
должна быть включена в сеть постороннего источника тока. Ха
рактеристики холостого хода и короткого замыкания дают возмож
ность определить рабочие свойства генератора без испытания его
под нагрузкой. По этим характеристикам могут быть построены
все характеристики генератора .
Внешняя характеристика представляет собой зависимость на
пряжения на зажимах генератора от тока нагрузки U=f(la). Эта
характеристика соответствует естествею1:ь1м условиям работы ма
шины, т. е. машина нерегулируема (rв=const), и снимается при
неизменном числе оборотов (n=const).
Рассмотрим рис. 5.16. Кривая а представляет собой внешнюю
характеристику, снятую при понижении напряжения. Для снятия
этой характеристики устанавливается такой ток в обмотке воз
буждения, чтобы при холостом ходе генератора напряжение на его
зажимах было равно номинальному. Затем нагрузка генератора
увеличивается. при неизменном токе в обмотке возбуждения.
С увеличением нагрузки (тока в якоре генератора la) увеличива
ется как падение напряжения в сопротивлении его обмотки, так и
размагничивающее действие реакции я_коря, ~по снижает напря
жение. При изменении нагрузки от нуля до номинальной напр?.
жение на зажимах генератора уменьшится на величину ЛИпн-
При снятии характеристики на повышение напряжения (кри
вая 6) устанавливается такой ток возбуждения, чтобы при номи
нальной нагрузке генератора напряжение на его зажимах было
равно номинальному, затем нагрузка генератора уменьшается .
При уменьшении нагрузки (тока в якоре) также умень
шается как падение напряжения в сопротивлении обмотки якоря,
так и размагничивающее действие реакции якоря, что вызывает
повышение напряжения. При изменении нагрузки от номинальной
до О напряжение на зажимах генератора увеличится на величину
ЛИпв- За счет насыщения стали повышение напряжения будет
меньше, чем понижение (ЛИп}j< ЛИпн), так как размагничиваю
щее действие реакции якоря будет сказываться тем сильнее, чем
меньше степень насыщения стали машины.
Нагрузочные свойства генератора оцениваются процентным по
вышением напряжения ЛU% = {(Uo-ИN)/1 UN]l00, где Ин - номи
нальное напряжение генератора; Ио - напряжение, которое уста
навливается при отключении нагрузки (/н=О).
В генераторах независимого возбуждения увеличение нагруз
ки снижает напряжение за счет падения напряжения в сопротив
лении машины и реакции якоря _(кривая 1 на рис. 5.17). В гене
раторах параллельного возбуждения при уменьшении напряже
ния также уменьшается ток возбуждения и, следовательно, маг
нитный поток и напряжение. Следовательно, при увеличении на
грузки напряжение на зажимах генератора этого типа уменьшает-
105
ся в большей мере (кривая 2), че м в генераторах не з ависи м ого
возбуждения .
Уменьшение внешнего сопротивления нагрузки вызывает уве
личение тока до некоторого значения fм, не превышающего номи
нальный ток более чем в 2-2,5 раза . При дальнейшем уменьше
нии внешнего сопротивления ток уменьшается и при коротком за
мыкании будет значительно меньше номинального (Iк <f н ) .
Рис. l'>Jll7. Внешние характеристи
ки генератора параллельного воз
буждения
и
/
/.
/,
/J
Еаст
о
/
/
/
/
tL
у----т
/
1
/
1
о
Рис. 5.1!,8. Внешняя харак
теристика генератора по
следовательного возбужде-
ния
Уменьшение сопротивления нагрузки уменьшит ток возбуждения ,
т. е. напряжение генератора . ' Если ток возбуждения уменьшилс я
настолько, что машина оказалась размагниченной , то еде у мень
шится в большей степени, чeri1 сопротивление нагрузки, чт о вызы
вает уменьшение тока в якоре.
При коротком замыкании генератора параллельного возбужде
ния ток возбуждения равен нулю и обмотка возбуждения не соз
дает магнитного потока. Поэтому в обмотке якоря будет ЭДС
только от остаточного магнитного потока Еост, имеющая малое
значение, и, следовательно, ток короткого замыкания fн будет так
же мал . Внешняя характеристика на повышение напряжения у
генератора параллельного возбуждения (кривая 3) подобна та
кой же характеристике генератора независимого возбуждения.
Генераторы параллельного возбуждения при м еняются наибо
лее широко. Их недостатком является сравнительно большое и з
менение напряжения при изменении нагрузки . Поэтому, если при~
емник энергии требует постоянства напряжения при изменении на
грузки генератора, автоматически меняется и ток в обмотке во з
буждения, изменяя как магнитный поток, так и ЭДС в 00мотке
якоря так, чтобы обеспечить постоянство напряжения. Для изме
нения тока в обмотке возбуждения включается регулируе мо е со
противление.
106
Для генератора последовательного возбуждения внешняя ха
рактеристика показана на рис. 5.18. В генераторах этого типа то~,
возбуждения равен току якоря и при холостом ходе в обмотке
якоря будет создана ЭДС за счет остаточного магнетизма Еос 7 .
С увеличением нагрузки также увеличится ток в обмотке возбуж
дения, что вызывает увеличение ЭДС (кривая а). Напряжение на
зажим ах нагруженного генератора меньше ЭДС . за счет падения
напряжения в сопротивлении машины и реакции якоря (кривая б).
Таким образом, у генераторов последовательного возбуждени5!
напряжение резко меняется с изменением нагрузки, в силу чего
их применение ограничено
В генераторах смешанного возбуждения возможно согласное и
встречное включение последовательной и параллельной обмоток.
При согласном включении обмоток возбуждения результирующая
НС, создающая магнитный поток, равна сумме НС последова
тельной и параллельной обмоток, а при встречном включении -
разности этих НС.
5.9 . ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
При включении двигателя постоянного тока в сеть под дейст
вием приложенного напряжения будет протекать ток как в обмот
ке якоря, так и в обмотке возбуждения. Ток возбуждения создает
магнитный поток полюсов. В результате взаимодей -
ствия тока в проводниках обмотки якоря с магнит- Х I
ным полем полюсов создается вращающий момент
и якорь машины приходит во вращение. Таким об
разом, электрическая энергия, полученная машиной
из сети источника энергии, преобразовывается в ме
ханическую.
Положим, что генератор параллельного возбуж
дения работает на сеть большой мощности (рис.
5.19). Нагрузка генератора определяется из следую
щего выражения:
1а = (Е - Uc)fra,
(5.7)
где/" -
ток в обмотке якоря; Га - сопротивление Рис. 5.19. Схема
цепи этой обмотки; Е - ЭДС, индуцируемая в этой
же обмотке; •Ис - напряжение сети.
Направление ЭДС и тока в активных проводах
якоря показано на схеме (5.20а). Машина развива
ет электромагнитный момент МФ, являющийся тор
включения ге
нератора
па
раллельного
возбуждения в
мощную сеть
мозным, т. е. потребляет механическую энергию и вырабатывает
электрическую. Если регулировочным сопротивлением уменьшить
ток возбуждения, то уменьшится как магнитный поток, так и ЭДС
в обмотке якоря, а значит, и нагрузка генератора. Изменяя сопро
тивление регулировочного реостата, можно сделать ток возбужде
ния таким /во, при котором ЭДС в обмотке якоря равна напряже-
107
нию сети , а ток в якоре равен нулю, т . е . генератор работает в х оло
стую .
Если ток возбуждения меньше тока , соответствующего режиму
холостого хода генератора (lн <fво), то ЭДС обмотки якоря будет
меньше напряжения сети и ток в якоре изменит направл е ние н а
обратное (рис . 5.216) , что видно из (5.7) . При изменении направ
ления тока в проводниках обмотки якоря также из м енится направ -
Рис. 5.20 . Работа :
а) генератора; 6) двигате ля постоянного тока
ление электромагнитного момента м;; , ра,звиваемого машино й
т . е . момент станет вращающим . Таким образом, машина , потреб
ляя электрическую энергию, вырабатывает механическую энергию ,
т. е . работает двигателем.
Если отключить первичный двигатель, то якорь машины б удет
продолжать вращаться под действием развиваемого электромаг
нитного момента МФ . При вращении якоря в проводниках его об
мотки создается ЭДС, направление которой противоположно на
правлению тока. Поэтому ее называют противоэдс или обратной
ЭДС .
-
Противоэдс играет роль регулятора потребляемой мощности ,
т. е. изменение потребляемого тока происходит вследствие измене
ния противоэдс, равной
Е=СпФ.
Вращающий момент, развиваемый двигателем
МФ= КФiа.
(5 .8)
(5.9 )
В этих выражениях С и К - постоянные конструктивные ко
эффициенты.
Приложенное напряжение уравновешено противоэдс и падени
ем напряжения в сопротивлении обмотки якоря и щеточны х кон
тактов . Поэтому для двигателя уравнение равновесия эдс примет
вид
И=E+Iar~,
108
(5.10)
Ток в обмотке якоря
Из ф-л (Б . 8) и (5 .10) находим число оборотов якоря двига
теля
.
(5.12)
Условием установившегося режима работы двигателя является
равенство вращающего и тормозного моментов. Если вращающий
момент, развиваемый двигателем М ,р, уравновешен тормозным на
валу Мт, то скорость вращения якоря остается постоянной . При
нарушении равновесия моментов появляется дополнительный мо
мент, создающий положительно~ или отрицательное ускорение
вращения якоря.
Если увеличить нагрузку (тормозной момент на валу двигате
ля Мт), то равновесие моментов нарушится (M,i, <Мт) и скорость
вращения якоря начнет уменьшаться. При уменьшении скорости
вращения якоря уменьшается также противоэдс, т. е. увеличивают
ся как ток в якоре, так и вращающий момент двигателя . Измене
ние скорости вращения, противоэдс и тока в якоре происходит до
восстановления равновесия моментов, т. е. до т ех пор, пока вра
щающий момент не окажется вновь равным тормозному моменту .
Если равнов е сие моментов не восст а навливается и тормозной мо
мент остается всегда больше вращающего момента (Мт>М~р ),
т о скорость вращения уменьшается- непрерывно до остановки дви
гателя. Такие ситуации возникают при больших тормозных мо
ментах на валу и значительных понижениях напряжения сети .
При уменьшении нагрузки на валу двигателя (М1Р >Мт) ско
р о сть вращения якоря начнет увеличиваться, что увеличит проти
воэдс в его обмотке . Ток в обмотке якоря начнет уменьшаться ,
у меньшая вращающий момент двигателя. Скорость, противоэдс и
ток в якоре будут изменяться также до восстановления равнове
сия моментов ( М ,р = Мт).
Однако в двигателях постоянного тока сравнительно часто соз
даются условия, при которых равновесие моментов не восстанаfl
ливается при любом изменении скорости, так что вращающий
момент всегда остается больше тормозного момента на валу дви
гателя ( М ,р >Мт) , В таких случаях скорость вращения якоря не
прерывно увеличивается, теоретически стремясь к бесконечности.
Значительное превышение номинальной скорости может разру
шить машину . Такой аварийный режим называется «разносом»
двигателя .
Направление вращения якоря двигателя зависит от полярности
по л юсов и от направления тока в проводниках обмотки якор~
Таким образом, для реверсир0вания двигателя, т. е. для изменения
напра;зления вращения якоря нужно изменить полярность- полю
сов переключением обмотки возбуждения , или изменить направ
ление тока в обмотке якоря. Обмотка возбуждения обладает зна-
109
чительной индуктивностью и переключение ее нежелательно. По
этому обычно реверсирование двигателей постоянного тока осу
ществляется переЕmоче1111е l\'1 uбмотки якоря.
5.10. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Рабочие свойства двигателей онределяются их рабочими ха
·рактеристиками, представляющими собой зависимости числа обо
ротов п, вращающего момента М Ф, потребляемого тока /1, мощ -
•rюtти Pr и КПД 'У] от полезной мощности на валу Р2.
•. Эти зависимости соответствуют естественным условиям работы
двигателя, т. е. машина не регулируется и напряжение сети остает
ея постоянным. Так как при изменении полезной мощн ости Р2
(т. е. нагрузки на валу) изменяется также и ток в якоре машины,
то рабочие характе_ристики часто строятся в зависимости от токэ.
nякоре.
' . Схема двигателя параллельного возбуждения :изображена на
рис. 5.19, а его характеристики - на рис. 5.21.
nH't '
Число оборотов двигателя n=
= (Uc - Iara)/(CФ). С увеличением на
грузки на валу двигателя увеличивает
п ся также и ток в якоре, т. е. падение
/,
U 1·;
_lн la
напряжения в сопротивлении обмотки
якоря. Так как ток возбуждения ос 0
тается неизменным (машина нерегули
руема), то магнитный поток также ос
тается постоянным. Однако при уве
личении тока в якоре увеличивается
размагничивающее действие потока
реакции якоря и магнитный поток Ф
несколько уменьшается. Увеличение
падения напряжения в сопротивлении
якоря уменьшает ,скорость, а уменьше-
Рис. 5.211 . Характеристики дви
гателя параллельного возбуж
щения
ние Ф увеличивает ее. Обычно измене
nи я падения напряжения влияют на скорость в несколько большей
степени, чем реакция якоря, т·ак что с увеличением тока в якоре
скор ость уменьшается. Изменение скорости у двигателя етого ти
па незначительно и не превышает 5 % п ри изменении на г рузки от
нуля д:о - ном и нальной, т. е. двигатели параллельного возбуждения
имею т жесткую скор ·ьстную характеристику.
При неизменном магнитном потоке зависимость электромагнит
ног о момента от тока в якоре представится прямой линией. Но за
tчет реакции якоря с увеличением нагрузки несколько уменьшит
ея магнитный поток и зависимость электромагнитного м о мента
пойдет несколько ниже прямой линии .
Схема дви г ателя последовательного возбуждения показана но.
рис. 5.22а. Пусковой реостат этого двигателя имеет только дв а за
жима, так как обмотка возбуждения и якорь образуют одну по -
110
следовательную цепь. Ха ра ктеристики двигателя изображены нз
рис. 5.226.
Число оборотов двигателя последовательного возбуждения n. =
= {Иc-Ia(ra+rc)]/(CФ), где rc ·-
сопротивление последощ1тель
ной обмотки возбvждения .
в двигателе последоватеJIЬНОI'U возбуждения магнитный поток
не остается постоянным, а резко изменяется с изменением нагруз
а;
,11
ЛР
о) м,,п
1
\1
\I
lamiп
Рис. Ы212. Двигатель последовательного возбужде-
ния:
а) схема включения; 6) характер,истики
ки, что значительно изменяет скорость. Так как падение напряж е~
ния в сопротивлении якоря и обмотке возбуждения очень м.ало .и
сравнении с приложенным напряжением, то числ о оборотов п,::;;
~ Ис/(СФ). Fсли пренебречь насыщением стали, то можно счи,
та ть магнитный поток пропорциональным току в обмотк е возбуж
дения, который равен току в якоре, т. е. Ф=С'lв = С'lа, где С' -
постоянная величина. Так как напряжение сети постоянно, то чиr,
ло оборото в
п = C"/la,
где постоянная С''= Ис / СС'.
Это выр а же ние показывает, что у двигателя послед овате льн ог(!.
возбуждения чис ло оборотов резко уменьшается с у величени ем
нагрузки, т . е. двигате ль имеет мягкую скоростную ха рактери сти
ку, близкую к гиперболе. С уменьшением нагрузки скорость дви
гателя увеличивается. При холостом ходе (fa=O) скорость двига
теля беспредельно возрастает, т. е . двигатель идет в «разнос».
Таким о б разо м, характерным свойство м двигателей последов а
тельного воз бужде ния является недопустимость сброса нагрузк и,
т. е. работы вхолостую или при малых нагрузках. Двигатель имеет
минимально допустимую нагрузку, составляющую 25 - 30% номн
налыrой. При нагрузке меньше минимально допустимой скорост[,,
двигателя резко увеличивается, что может вызвать его разруше-
111
ние. Поэтому, если возможны сбросы или резкие уменьшения на
грузок, использование двигателей последовательного возбуждения
недопустимо.
В двигателях очень малых мощностей сброс нагрузки не вызы
вает «разноса», так как механические потери двигателя будут яв
ляться достаточно большой нагрузкой для него.
Вращающий момент двигателя последовательного возбужл.е
ния, учитывая пропорциональную зависимость между магнитным
потоком и током в $!Коре (Ф,,,_,fа), можно определить из следую
щего выражения: M<i-' =КФ1а~К'f2а, где К'=КС', т. е. вращающий
момент пропорционален квадрату тока и зависимость момента
представится параболой. Однако при больших токах сказывается
насыщение стали и завлсимость момента приближается к прямой
линии . Таким образом, двигатели этого типа развивают большие
вращающие моменты при малых оборотах. что существенно при
пуске больших инерционных масс и перегрузках. Эти двигатели
широко используются в транспортных и подъемных устройствах.
При смешанном в9збуждении возможно как согласное, так и
встречное включение обмоток возбуждения. Двигатели со встреч
ным включением обмоток не нашли широкого применения из - за
плохих пусковых свойств и неустойчиsой работы.
Скоростные характеристики двигателей смешанного возбужде
ния занимают промежуточное по.тrожение между характеристика
ми двигателей параллельного и последовательного возбуждения .
С увеличением тока в якоре число оборотов якоря уменьшается в
большей мере, чем для двигателей параллельного возбуждения ЗJ
счет увеличения магнитного потока, вызываемого увеличением то
ка в последовательной обмотке возбуждения. При холостом ходе
двигатель смешанного возбуждения не идет в «разнос», так как
магнитный поток не уменьшается до нуля за счет наличия парал
лельной обмотки возбуждения.
При увеличении нагрузки в двигателях смешанного возбужде
ния vвеличивается магнитный поток и вращающий момент возрас
тает ·в большей мере, чем в двигателях параллельного возбужде
ния, но в меньшей мере, чем в двигателях последовательного воз
буждения.
Глава шестая.
Выпрямители
6.1 . НАЗНАЧЕНИЕ И УСТРОЙСТВО
Выпрямительным устройством, или выпрямителем, называется
статический преобразователь переменного тока в постоянный. Вы
прямители широко применяются для питания устройств проводной
связи, радиосвязи, телевидения, электронных устройств автомати
ческого управ.r~ения и т. _д .
Выпрямитель в общем виде обычно состоит из трех основных
звеньев (рис. 6.1).
Трансформатор преобразует напряжение сети переменного то
к а в такое, которое необходимо для получения заданного напря
жения на выходе выпрямителя .
Кроме того, трансформатор необ
ходим для гальванической раз
вязки нагрузки выпрямителя и
питающей сети. в противном слу- Рис. 6 .1:. Структурная схема выпря-
,мителя:
чае выходной зажим выпрямите- / - трансформатор; 2 - вентильное звено;
л я не мог бы быть соединен скор- з - сглаживающий Фильтр; 4 - нагрузка
пусом устройства или заземлен,
так как все выпрямители, питаемые данной сетью, оказались бы
электрически связанными между собой и влияли бы один на
другой .
Вентильное звено преобразует переменный ток в постоянный.
Количество яентилей звена зависит от схемы выпрямления.
Сглаживающий фильтр ослабляет пульсации, т. е. уменьшает
переменн у ю составляющу10 выпрям л енного напряжения . Сглажи
вающий фильтр чаще всего состоит из индуктивностей и емкос
тей , соединяемых по определенной схеме.
Помимо элементов, показанных на рис . 6.1, выпрямитель :'\10 ·
жет содержать стабилизатор напряжения (или тока), который с
определенной степенью точности поддерживает напряжение (или
ток) постоянным при изменениях напряжения питающей сети и со
противления нагрузки. Выпрямитель может также содержать ре
гуляторы напряжения, _ устройства контроля, коммутации, защиты
и др.
113
6.2 . ВЕНТИЛИ И ИХ ПАРАМЕТРЫ
Вентилем называется прибор, обладающий: высокой проводи
мостью (малым сопротив ле нием) для тока одного (прямого) на
правления и малой про Еодимо стью (большим сопротивление~~ )
для тока противопо лож ного (обратного) направления . У ид е а л ь -
ного вент иля сопротивление в прямом (прово -
L \ дящем) направлении равно нулю, а в обрат-
ном (непроводящем) направ л ении бес ко нечн о
велико . Вольтамперная характеристика (ВАХ )
идеального вентиля изображена на рис. 6.2 .
Реа л ьный вентиль обладает некотор ым со
противлением в прямом направлении и его об
ратное сопротивление не бесконечно велики,
--------~ -- т .
е. ВАХ отлична от идеальной .
, J1 Вентили могут быть разделены на ионны е
Рис. 6.2 . ВАХ идеаль- и электронные (кенотроны и полупроводник о -
ного вентиля
вые) , на неуправляемые и управляемые. К
ионным вентилям относятся газотроны , тир а
троны, ртутные вентили , игнитроны и экситроны. К электронны ,11
вентилям относятся кенотроны и полупроводниковые вентили .
В настоящее время наиболее широко применяются полупров ол·
никовые вентили - селеновые, германиевые и кремниевые .
Вольтамперные характеристики полупроводниковых вентиле й
(рис . 6.3, 6.4) снимаются в схеме однополупериодного выпрям ле
ния при чисто активной нагрузке . Такие характеристики получил и
название классификационных. Классификационные ВАХ отлича
ются от статических характеристик, полученных при постоянно м
токе . Для сравнитель но гр уб ы х расчетов м ожно пользоватьс я
Рис . 6.3. ВАХ селеново
го вентиля
u ofip
Uаор . доп
Ри-с. 6.<4. ВАХ германиевого и
кремниевого вентиле й
классификационными ха рактеристиками, учитывая, что пр ямое па
дение напряжения ~Ипр, полученное по этим характеристикам, со
ставляет 0,5-0,6 вели чины Ипр, полученной по статической ха р а1,
теристике при одина ковых токах.
114
С точки зрения применения полупроводниковых неуправляе
м ых вентилей в выпрямителях важны их следующие эксплуатаuи
онные параметры :
1. Номинальный рабочий ток /,,р доr: представляет собой сред
не е значение выпрямленного синусоидального тока частотой 50 Гц,
протекающего через вентиль при его работе в однополупериодной
схеме на активн у ю нагрузку при номинальных для данного венти
ля условиях охлаждения и температуре электронно-дырочного пе
рех од а, не превышающей предельного значения.
2. Наибольшее допустимое обратное напряжение (амплитуда)
Ио б р доп, которое вентиль может выдержать длительно. Величина
И о бр доп определяется из классификационных характеристик. Для
селеновых вентилей указывается действующее значение допусти
м ого обратного напряжения.
3. Прямое падение напряжения на вентиле Ипр. Необходимо
у читывать, что величина Ипр, определенная иg классификационных
характеристик, составляет 0,5 - 0,6 от величины Ипр, полученной по
статическим хара.l(теристикам при том же токе.
4. Динамическое сопротивление вентиля rд = dиnp
dt
5. Обратный ток lor, 1, -
величина тока . проходящего через вен
тиль в обратном направлении при п рило;,кении к нему обратного
напряжения.
,,i
6. Максимальная мощность, кото р ая мож ет быть рассеяна
вентилем - Рв доп-
Селеновые вентили промышленность в ыпускает в виде серий' -
А,Г,Е,ФиЯ.
В вентилях серии А одним электродом сл уж ит алюминиевая
пластина, на ксторую нанесен слой селена. Другой электрод пред
ст авляет собой катодный сплав. нанесенный на селен разбрызги
ва нием . Вентили данной серии допускают работу при температуре
окружающей среды до + 75° .
В вентилях серии Г основанием также служит алюминиевая
пластина, а вторым электродом алюминиевая фольга, впрессован
на я в селен.
Вентили серии Г имеют большую, по сравнению
стаб ильность параметров и допускают работу при
окружающей среды до + 80°.
с серией А,
температуре
Вентили серии Е предназначены для работы при повышенных
темп ературах ДО + J25°C.
Вентили серии Ф выполняются на тонкой основе (фольге), э.
ве нтили серии Я допускают работу с удвоенной плотностью тока.
Селеновые выпрямители комплектуются из вентилей, включае
м ых параллельно и последовательно. Они выпускаются на номи
нал ьные токи от нескольких миллиампер до сотен ампер и на об
ратные напряжения от нескольких десятков вольт до нескольких
кил овольт.
В зависимости от вели ч ины тока и обратного напряжения селе
н овые выпрямители имеют различные конструкции . Выпрямители,
115
рассчитанные на большие токи, выполняются в виде столбов, соб
ранных из отдельных вентилей с пластинчатыми радиаторами. Се
леновые выпряА~ители на средние токи (до нескольких ампер) час
то имеют закрытую конструкцию, отличающуюся повышенной ме
ханической прочностью. Высоковольтные селеновые выпря,и ител и
.выполняют в трубчатых корпусах на токи до 50 мА.
Селеновые вентили делятся на классы, в зависимости от вели
чины обратного напряжения. Селеновые вентили разбиты на шесть
классов (В, Г, д, Е, И, К).
Так, вентили класса В имеют обратное напряжение 20 В, Г -
25В,Д- 30В,Е- 35В,И- 40В,К- 45В.
Как видно из рис. 6.3, обратные ветви БАХ селеновых венти
лей существенно отличаются от характеристик кремниевы х и гер
маниевых вентилей отсутствием резко выраженного участка про
боя.
Селеновые вентили обладают рядом недостатков. Так, при их
длительном хранении уменьшаетсн сопротивление запорного слоя
и, как следствие, резко уве.JJичивается обратный ток. Селеновые
вентили подвержены старению: в результате с течением времени
увеличивается прямое падение напряжения на вентиле. Это сни
жает выпрямленное напряжение, и КПД выпря ми тельного устрой
ства, увеличивает мощность, рассеивае му ю на вентиле. Старе
ние - процесс необратимый и ускоряется с ростом температуры .
К достоинствам селеновых вентилей следует отнести: высокую
эксплуатационную надежность; самовосстановление электрической
прочности при пробое и высокую перегрузочную способность, ко
торая значительно выше, чем у кремниевых и германиевых вен
тилей.
Достоинством германиевых и кремниевых вентилей является
большая допустимая плотность тока нри малом падении напряже
ния в прямом направлении. В сочетании с большими допустимыми
,обратными напряжениями возможно создание весьма совершен
ных силовых диодов, пригодных для преобразования больших то
ков, при высоких значениях напряжения преобразования.
Сравнивая германиевые и кремниевые вентили, необходимо от
метить следующее различие в их параметрах: обратный ток крем
ниевых вентилей на один-два порядка м еньше, чем германиевых ;
допустимое обратное напряжение кремниевых вентилей выше, че м
германиевых; интервал допустимых рабочих температур кремние
вых вентилей составляет -60--ё- + 125°С, а германиевых -60 ~ -
-ё- + 70°С; прямое падение напряжения кремниевых вентилей в
два-три раза больше, чем германиевых; предельная рабочая час
тота кремниевых вентилей выше .
Германиевые вентили применяются в основном в низковольт
ных выпрямительных устройствах.
В ыощных выпрямительных установках, особенно при повы
шенной температуре, применяются кремниевые вентили. Неуправ
ляемые кремниевые вентили выпускаются на то1ш до 1000 А, при
допустимых обратных напряжениях до 1000 В.
1,16
В настоящее время широко применяются так называемые «ла
винные» кремниевые вентили (типов ВКДЛ - кремниевые, диф
фузионные, лавинные и ВКД,ЛВ - с водяным охлаждением) _
Данные вентили способны выдерживать кратковременные обрат
ные перенапряжения, благодаря чему не нужна защита этих вен
тилей ат пробоя .
В регулируемых выпрямителях получили распространение так
называемые кремниевые управляемые вентили - тиристоры . Ти
ристором называется трехэлектродный прибор с четырехслойной,
полупроводниковой структурой. Рассмотрим рис . 6.5, крайние р И!
а)
I
о)
+
р"п
f(
~к
+
А
Рис . i6.5 . Т1!р,истор:
а) структура; 6) ,условные о·бозначения
(А- анод, К
-
катод, УЭ- управляющий электрод)
п области называются соответственно анодом и катодом, внутрен -·
няя р-область - управляющим электродом .
На рис. 6.6 изображена ВАХ тиристора при двухэлектродном
включении. Структуру тирисгора можно представить в виде двух
lпр
fвык
Uamax
Рис. 6.6. БАХ тиристора при двухэлект
,родном включении
тран:;исторов 1 и 2 типов р-п-р R'
п-р-п (рис. 6.7). База первого
транзистора соединена с коллек -•
тором второго, а база второго- ·
с коллектором первоr · о .
J1i/(
Рис. 6.7 . Эквивалентная схема
тиристора
Если в цепи базы транзистора 2 ток увеличился на величину
Л/ в2, то токи коллекторов транзисторов 2 и 1 получат приращения , _
равные соответственно Лlс2= •а2ЛIВ2/(l-а2), Л/c1= l[a2/(l-a2)]X
Х(а1/ ( l-a1) ]Л/в2, где а1 и а2 - коэффициенты усиления по току.
транзисторов 1 и 2 в схеме с общей базой .
Коэффициент усиления по току кремниевого транзистора а..
всегда меньше единицы и не является постоянной величиной. При ,
увеличении тока эмиттера а возрастает.
При любом положительном напряжении на аноде тиристора ,..
меньшем .Иа тах (см. рис. 6.6), величина тока эмиттера каждоrа"
117
транзистора такова, что сумма (a1 +a~)<l. При этом сопротив
ление тиристора велико и определяется главным образом вели~
чиной обратного сопротивления среднего р-п-перехода Il (рис.
6.5), который оказывается включенным в непроводящем направ
лении. Два других р-п-перехода ( I и II!) (см. рис. 6.5) включены
в прямом направлении и незначительно влияют на величину со
противления тиристора . Через р-п-переход Il протекает незначи
тельный ток утечки IУ'г (область 1 ВАХ, рис. 6.6). Тиристор вы
ключен (закрыт). При Ua= Иа тах току утечки lут соответствует
сумма ar + ar r > 1. Тиристор открывается . В области проводимо
сти (участок 2 ВАХ, рис. 6.6) (а1 + а2 ) > l, и ток через тиристор
ограничивается лишь сопротивлением нагрузки. Сопротивление
тиристора приблизительно равно сопротивлению полупроводнико
вого диода в прямом направлении. Динамическое сопротивление
тиристора в области 3 отрицательно (du/di<O), и работа прибора
, неустойчива. Область 4 БАХ соответствует запиранию тиристора
при обратном анодном напряжении.
Если приложить к управляющему электроду тиристора неболь
шой положительный потенциал относительно катода, то ток lут
увеличится до значения, соответствующего (а 1 + а,2 ) > 1, и прибор
включается при меньшем анодном напряжении.
После включения тиристора транзисторы, составляющие его
полупроводниковую структуру, поддерживают друг друга в со
стоянии насыщения за счет положитеJiьной обратной связи . В от
личие от транзисторов, для сохранения состояния проводимости
тиристоров нет необходимости постоянно подавать сигнал на его
управляющий электрод . Тиристор после включения теряет управ
ляемость. Тиристор закрывается, если его анодный ток станет
меньше величины, равной f вык-
Из характеристик рис. 6.8 вщщо, что при увеличении тока уп
равления уменьшается пробивное напряжение тиристора, а · при
достаточно большом токе уп-
Lпр
равления характеристика тири
стора подобна характеристике
неуправляемого вентиля.
Тиристоры выпускаются на
токи до нескольких сотен ам
пер и на допустимые обратные
напряжения до 1000 В. Тири
сторы в отличие от обычных
LLnp вентилей характеризуются ря-
дом дополнительных парамет
ров. К таким параметрам отно
Рис. 6.8 . БАХ тиристора пр,n различных сятся: время включения iвкл и
токах управления
время восстановления управ-
.
ляемости .fвос тиристора, ток
удержания тиристора при остутствии управляющего сигнала fвкл и
амплитуда тока управления lутах·
•
118
В переходных режимах на величине напряжения пробоя тири
стора значительно сказывается скорость нарастания прямого на
пряжения duпp/dt. С увеличением duпp/dt напряжение пробоя тири
стора уменьшается, и при большой величине duпp/dt тиристор мо
жет открыться при токе управления, равном нулю . Поэтому
duпp/dt не должна превышать определенной величины для данно го
типа тиристора.
При больших токах нагрузки иногда вентили включают парал
лельно, так как допустимые средние значения тока вентиля ока
зываются недостаточными.
При параллельном включении вентилей, из-за несовпадения и х
ВАХ, токи в них распределяются неравномерно (рис. 6.9, кри
вые 1, 2).
О)
о) lпр
д, дz
д2
!
!~Р.1
д,
Az
]~р 1
I'hμz---
R
lпр_2 - --
R
Рис. 6.9 . Параллельное включение маломощных венти
лей :
а) схе:ма ; б) характеристика
Для выравнивания токов при параллельном включении венти
лей в маломощных выпрямителях последовательно с ними вклю
чают одинаковые по величине резисторы (рис . 6.9) . Их включение
позволяет уменьшить разность токов в параллельно включенны х
вентилях (рис. 6.9 , кривые 3, 4). При параллельном включен ии
вентилей в мощных выпрямителях такой способ неприемле м из- за
больших потерь в резистора х . В этом случае применяют сп е циа л ь
ные токовыравнивающие реакторы ( рис . 6.1 О).
Токовыравнивающие реа кторы, в простейше м случае, имеют
две обмотки и общий магнитопровод . Под действием токов вен ти
лей, протекающих по обмоткам w1 , W2, в ни х наводятся ЭДС , при
чем ЭДС в обмотках и м еет такой з нак, что ток в одном из венти
лей уменьшается , а в друго м увеличивается. В результате ра з
ность токов в вентиля х , включенных параллельно, уменьшается .
При больших обратны х напряжениях в сх емах выпрямлени я
вентили включают последоват ельно . Из-за несовпадения обратны х
ветвей ВАХ обратные н апряжения на вентилях распределяю тс я
неравномерно.
119
Для выравнивания напряжений, в маломощных выпрямит_елях,
пос ледовательно включенные вентили шунтируются резисторами
( рис . 6.11), величина сопротивлений которых в несколько раз
м еньше обратного сопротивления вентиля .
Рис. 6J!IO. Параллельное
включение мощных вен- .
тилей
д,
дz
"Т" Сщ
д1
Rш
Rш
Сш
Rш
д2
Rш
Рис. 6.11 и 6.1 2. Последовательное вклю
чение вентилей
ДJiя выпрямителей большой мощности этот способ выравнива
'НИЯ обратных напряжений не пригоден из-за больших потерь в
р езисторах . Поэтому для мощных выпрямительных устройств при
меняют реактивные делители напряжения (рис. 6.12).
6.3. РЕЖИМЫ РАБОТЫ И ПАРАМЕТРЫ
Режим работы выпрямителя в значительной степени зависит от
характера его нагрузки . Различают следующие режимы работы
,выпрямителя: на активную нагрузку, на нагрузку емкостного ха
,р актера, на противоэдс, на индуктивную нагрузку, на нагрузку,
-состоящую из L, С и R..
Идеальная активная нагрузка выпрямителя относительно ред
•к а и характерна лишь для цепей, не требующих ограничения пере
менной составляющей выпрямленного напряжения .
Емкостная нагрузка характерна для выrtрямителей малой мощ
• ности. ·Емкость устанавливается на выходе выпрямителя парал
. лельно нагрузке, дJiя уменьшения переменной составляющей вы
прямленного напряжения. Реакция нагрузки на выпрямитель бу
.дет определяться емкостью, сопротивление которой для перемен
··ной составляющей много меньше сопротивления нагрузки .
Режим работы выпрямителя на нротивоэдс является характер
·ным при заряде аккумуляторных батарей или при питании двига-
•телей постоянного тока.
Если фильтр выпрямителя начинается с достаточно большой
,индуктивнос ти , то принято считать, что нагрузка выпрямителя ин
дуктивная. На индуктивную нагрузку в основном работают выпря-
1мите.1Iи средней и большой мощности.
120
В независимости от режима работы выпрямитель характери
зуется: выходными параметрами; параметрами, характеризующи
ми режим работы вентиля и параметрами трансформатора.
К: выходным параметрам выпрямителя относятся: среднее зна
чение выпрямленного напряжения Ио; среднее значение выпрям
ленного тока - /о; коэффициент пульсации выпрямленного напря
жения Кпн= ИонтJИо 1) ; частота основной гармоники выпрямлен
ного напряжения fпi: внешняя характеристика выпрямителя - за
висимость выходного напряжения выпрямителя И0 от тока на
грузки Io при неизменном напряжении на входе выпрямителя.
По этой характеристике можно определить номинальное зна
чение выходного напряжения выпрямителя и его внутреннее сопро
тивление по постоянному току .
Вентили в схемах выпрямления характеризуются следующими
параметрами: средним значением тока вентиля /ер; действующим
значением тока вентиля Iв; амплитудой тока в вентиле Iвт; ампли
тудой обратного напряжения Иобр т: средней мощностью, рассеи
ваемой вентилем за период Рв,
По этим параметрам в . схемах выпрямления выбирают венти
ли. Величины указанных параметров не должны превышать пре
дельно допустимых значений, указанных в паспортных данных
для выбранных типов вентилей .
Для трансформаторов, работающих в схемах выпрямления .
определяются следующие параметры:
действующие значения напряжения И2 и тока / 2 вторичной об
мотки; действующие значения напряжения И1 и тока /1 п ервичной
обмотки; полная мощность вторичной обмотки S2; п олная мощ
ность первичной обмотки S1; полная или габаритная мощность
трансформатора Sтр= (S1 +S2)12; коэффи циент использования вто
ричной обмотки трансформатора K2 = Po/S2, где Ро - выходная
мощность выпрямителя; коэффициент использования первичной
обмотки трансформатора К1 =Po/S1; коэффициент использования
трансформатора Ктр = Ро/Sтр-
Величины параметров вентилей и трансформатора зависят как
от схемы выпрямле н ия, так и от режима работы вы п рямителя.
6.4. РАБОТА НА АК:ТИВНУЮ НАГРУЗКУ
Случай чисто активной нагрузки выпрямителя относительно
редок и характерен лишь при питании цепей, не требующих огра-
1 ) Ко~ффициентом пульсации называется отношение амплитуды k-ой гармо
ники выпрямленного напряжения Иок m к среднему значению выпрямленного на
пряжения Ио.
Коэффициент пульсации может измеряться в процентах по отношению к на
пряжению И 0 . Обычно в вы п рямителях интересуются коэффициентом п ульсации
п о первой гармонике выпрямленно го напряжения, так как она имеет наибольшую
а мплитуду и наименьшую частоту.
При питании аппаратуры связи пульсация измеряется в псофометрических и
с р еднеквадратичных величинах .
121
ничения переменной составляющей в кривой в ы прямленного на
пряжения (цепи сигнализации, контроля, защиты и т. д.).
Выпрямитель (рис. 6.13) состоит из трансформатора, имею ще
го т-фазную вторичную обмотку (на схеме показан частный слу
чай трехфазной обмотки, соединенной в звезду). Свободные за -
ж1в1ы обмоток подключены к ано - а,1 111 •
дам вентилей. Катоды всех вентилей
с оединены в общу ю точку, образую
щую положительный полюс на вы
ходе выr;рямителя. Отрицате л ьны ы
полюсом является нулевая точка
вторичных обмr;го,; , рансформатора.
Для упрощения будем считать
вентили и трансформа·1'ОР идеальны
ми, т. е. соnротивленеи вентиля в
прямом направлении равно нулю, а
в обратном - бесконечно велико и
трансформатор не имеет ни актив
ных, ни реактивных сопротивлений .
+
Рис . 6:liЗ. Трехфазный выпря
митель, нагруженный на ак
тивное сопротивление
J;
с
а
гJ
I
I u}f
1
1
- ! - - -1-+4-- .....;._ -
_;.~
1
1
/
1 ы"t
!Jыt,ыlz ц1/J
•щ5
Рис. 6Jlt4. Напряжения и токи
в трехфазной -схеме выпрямле-
ния:
а) фазные напряжения вторич
ных обмоток; 6) выпрямлен
ные напряжение и ток; в) ток
в фаз,е в·юричной обмотки
трансформатора; г) ток в фа
зе первичной обмотки; д) об
ратное напряжение на вентиле
При включении первичных обмоток в сеть переменного тока в
фазах вторичных обмоток индуктируются ЭДС Иа, иь, Ис, сдвину
тые по фазе на 2n/rm (в трехфазной схеме на 2n/3, см. рис. 6.14а).
Выбрав произвольно момент t1, видим, что ЭДС фазы а наиболее
положительна и анод ве н тиля 1 и меет наиболее выс о кий потенци
.ал. Следовательно, ве нт иль 1 открыт и п од действием ЭДС Иа бу-
дет протекать ток от точки а фазы вторичной обмотки, через вен
тиль 1, сопротивление нагрузки Rн к нулевой точке вторичных об
моток трансформатора. Напряжение на нагрузке равно мгновен
ному значению ЭДС Ua, так как падение напряжения в идеально м
выпрямителе (в трансформаторе и вентиле) равно нулю. В момент
f1 напряжение фазы :Ь также положительно , но меньше, чем иа .
Поэтому потенциал анода вентиля 2 ниже, чем потенциал его ка
тода и, следовательно, вентиль 2 будет закрыт.
Таким образом, в течение части периода 2л/m ЭДС в фазе а
имеет наиболее положительное значение и вентиль 1 остается dт
крытым. Начиная с момента t2, наибольшее положительное зна
чение приобретает ЭДС фазы Ь иь, вследствие чего открывается
вентиль 2 и вступает в работу фаза Ь . Начиная с м омента t3, всту
паетвработуфазасит.д.
Напряжение на выходе выпрямителя и0 в любой момент равн о
мгновенному значению ЭДС фазы вторичной обмотки, в которой
вентиль открыт и, следовательно, выпрямленное напряжение и(}
представится кривой огибающей зависимости ЭДС вторичных об
моток (рис. 6.146). Так как ток в нагрузке равен отношению вы
прямленного напряжения к сопротивлению на г рузки, т . е. i0 =
=ио/Rн, то в ином масштабе кривая u0 представляет собой rсривую
тока iQ.
Таким образом, в идеальном выпрямителе, нагруженном на
активное сопротивление, каждая фаза вторичной обмотки транс
форматора работает один раз за период в течение части период а
2л/т, причем ток в работающей фазе равен то ку нагрузки. Пп
этому ток в фазе а вторичной обмотки (рис. 6.14в) имеет форму
прямоугольника с основанием 2л/m и ограниченного сверху отрез
ком синусоиды. Токи в фазах Ь и с изобразятся подобными r<ривы
ми, сдвинутыми по фазе относительно кривой тока фазы а на
2л/т и 2 (2л/т) соответственно.
Выбрав начало отсчета времени в момент, соответствующий
амплитуде напряжения в фазе вторичной обмотки И2т, в интерва
ле шt = ±л/т выпрямленное напряжение и0 = , И2т cos wt. Его по
стоянная составляющая (среднее значение)
+п!т
n/m
Ио = .!!1:. _
sUodwt = .!!! _ _ _ rИ2mCOSwtdwt = ~И2rnsin~.
2л
л.)
л
т
(6.1)
-
n/m
О
Из (6 . 1) получим выражение, связывающее действующее зн11 -
чение напряжения фазы вторичной обмотки И2 со средним значе
нием выпрямленного напряжения Ио:
(6.2)
Кривая выпрямленного напря:жения помимо постоянной состав
ляющей содержит также переменную составляющую. Так как пе
риод изменения кривой и0 в т раз меньше периода изменения то
ка питающей сети, то частота первой гармоники переменной со-
123
ставляющей в т раз больше частоты т ока питающей сети, т . с.
fп1=mfc.
Гармонический ряд для кривой u0 имеет следующий вид:
Uo =Ио+ Ио1т cos mrot + Ио2тСОS 2mrot + ... +uokmcoskmrot + ... ,
где Ио1т, Иоzт - амплитуда первой, второй и т. д. гармоник; w -
угловая ч~сгота тока питающей сети.
В силу симметрии кривой и0 относительно оси ординат членов
с синусами в гармоническом ряде нет. Амплитуда 1k-гой гармони
ческоii переменной составляющей
n/m
n/m
Иоkт= : JU0coskmrotdrot= 2
: JИzmcosrotcoskmrotdrot=
- n/m
о
ти.
:rt
2
и
=--2mS!П------=
о -----
:rt
ni (km)2- 1
(km)2 - 1
2
(6.3)
Это выражение справедливо при т~2.
В реальном выпрямителе сопротивление вентиля в прямом на
правлении не равно нулю и обмотки трансформатора обладают
как индуктивным, так и активным сопротивлениями. Вследствие
этого выпрямленное напряжение при нагрузке будет меньше на
пряжения при холостом ходе.
Содержание переменной составляющей в кривой выпрямлен
ного напряжения определяется коэффициентом пульсации
Кпк = Иоkт/И0 = 2/[(km)2 - IJ.
На практике переменная составляющая или пульсация напря
жения оценивается по первой гармонике, имеющей наибольшую
амплитуду и низшую частоту . ДJrя первой гармоники (k= 1) пуль
с ация равна Кп1=2/(т 2-1).
Как видно из рис. 6.14в, каждая фаза вторичной обмотки
тра нсформатора и каждый вентиль в однотакт ны х схемах работа
ю т один раз за период в течение его части 2л /т . Среднее значе
ние тока в обмотке трансформатора и через вентиль в т раз мень
ше тока нагрузки, т . е. fcp=lo/m.
Действующее значение тока вторичной о бм отки и вентиля
fв=12= -.
/ 21л jtm i~drot = -.
/ ~]:nu2mCOS(J)f)2 drot =
JI -n/m
VО
Г n/m
= 12mу -;-J1+2~sшt
/vl
1.2:rt
d(J)t= 2т
-
+--SIП
.-
,
2m
4л
т
(6.4)
где 12m - амплитуда тока вторичной обмотки 12т=И2т!Rн=--=
= (Ио/1R11) (л/т sin n/m) =lо(л /т sin n/m).
В двухтактн ых (м остовы х) схема х выпрямления длительность
работы фазы в два раза больше, ч ем длительность работы венти-
124
.ля_и действующее значение тока вторичной обмотки равно:
11 2/в, где I в -- ток вентиля, определяемый (6.4).
Максимальная величина обратного напряжения, прикладывае
мого к вентилю, зависит от схемы выпрямления.
На рис. 6.14д изображена кривая обратного напряжения на
вентиле 1, для схемы рис. 6.13. Кривая обратного напряжения
представляет собой разность двух синусоидальных фазных на
пряжений. Максимальная величина обратного напряжения равна
амплитуде Jшнейного напряжения на зажимах вторичной обмотки
Иобр = Vз'И2т = vзv2и2.
Линейное напряжение первичной обмотки U 1 л отличается от
линейного напряжения вторичной обмотки трансформатора И2л в
коэффициент трансформации п. т . е. И1.rr= И2лn. Отсюда легко
определить соотношение между фазными з начения ми напряжений
вторичной и первичной обмоток для различных схем соединения
последних. Соотношение между токами в фазах первичных и вто
ричных обмоток зависит не только от коэффициента трансформа
ции и схемы соединения первичных обмоток, но и от числа фаз
первичных т1 и вторичных т2 обмоток.
Для определения формы кривой тока первичной обмотки i1
для схемы рис. 6. 13 воспользуемся уравнением токов первичной
обмотки и уравнением для намагничиваю щи х сил в трансформа
торе. В интервале времени, когда работает вентиль 1 фазы а, то
ки в фазах первичной обмотки связаны соотношением
i1A- i18- i1C=0.
(6.5)
Рассмотрев два магнитных контура, один из которых включает
,стержни сердечников I и I!, а другой - стержни I I и / / /, запишем
уравнение равновесия намагничивающих сил, током холостого хо
да трансформатора при этом пренебрегаем:
i_IAW1- i_шw1-=i2aW2 = О,}
_
(6.6)
l1cW1 -tшW1 - о.
Разделив у р-ние (6.6) на число витков первичной обмотки и
учитывая (6.5), получим систему уравнений для токов в транс
форматоре :
.
i1A~ilB~i:= 0,\
tlA- tlB--t2li- О,
i!C-i!B = О,
(6.7)
ток вторичной обмотки, приведенный к пер-
.вичной.
Из у р-ний (6.7) получим
.
.
1.,
tlB= l!C= 3 t2a•
125
.
2.,
llA= -
t2a·
3
(6.8)
Из (6.8) видно , что первичная обмотка фаз ы А пропускает в
положительном напр авлении 2/3 приведенного тока вторичной об
мотки, токи в фазах В и С в этом интервале времени имеют отри
цательное направление и равны 1/3 приведенного тока вторичной
обмотки. На рис. (6.14г) и з ображена кривая тока 1i 1 л. Кривые то
ков в фазах В и С пер в ичн ой обмотки имеют такую же форму и
сдвинуты по фазе относит ел ьно тока i1л на 2л/3 и 4л/3 соответ
стве нно .
Действующее значение тока в фазе первичной обмотки для схе
мы рис. 6.13 мож н о определить из следующего в ыражения :
!,={
-
1 2fi2dшt=~ v _J__[~(..!_!)2 1 2~(-1 J)2
]=
А
2л.) 1
Ws
2л:33оj
33о
о
(6.9)
В выражении (6 .9) для упрощения п ульсация тока не учиты
вала с ь.
Полезная мощность выпрямителя, отдаваемая им в нагр узку ,
равна прои зведению выпрямленного напряжения на ток (средние
значения), т. е. Ро= : Иоlь.
Мощность, на которую должны быть рассчитаны трансформа
тор и вентили, определяется не только постоя нной, но и перемен
ной составляющей тока и напряжения. Эта мощност ь, называеl\~ а я
габа рит ной , больше полезной и определ яется действующими зна
че ниями напря:жения и тока, т. е.
S2 = mP2I2; S1 = тiU1I1;Sтр= 0,5(S1+S2),
где S2, S1, Sтр - габаритные мо щности соответс тве нно вторично й ,
пе рвичной обмотки и трансформатора в вольт- ампер ах .
Б однотактных схемах выпрямления габаритн ая мощность
вторичных обмоток больше, чем первичны х (S2>S1) вследстви е
нали чия постоянно й составляющей в кривой тока вторичной об
мотки (при т1 = т2) или худшего использования вторичных обl\,О
ток при (m2>m1).
В однотактных схемах выпрямления возникает вынужденное
на магничивание трансф о рма то ра.
В рассматривае мой схеме однотактного трехфазного выпря ми
теля для каждого из стержней трансформаторов характерен ра з
баланс НС . В рабочем интервале фазы а на стержень данной фа
зы действ ует намагничивающая сила izaW2- i1л W1 = l/3fa'{J!Jz, на
правление которой совпадает с направлением тока i2a. В стержн ях
фаз В и С в том же направлении действуют несбалансированные
намагничивающие силы, обусловленные токами iш, i1c (i11з=low2 /3 ,
i1c=low2/3) .
Данные НС со зд ают поток вынужденного намагничивания, ко
торый замыкается через окружающее трансформатор пространст
во . Если трансфор мат ор Иl\~ еет кожух из магнитного материала,
120
поток вынужденного намагничивания может достичь большой ве
.1ичины и вызвать насыщение сердечника, что, в свою очередь, уJ3е
.rrичит ток холостого хода трансформатора. Наличие вынужденного
н амагничивания также увеличивает потери в стали трансформато
ра и снижает КПД всего устройства.
Для \'меш,шенш1 насыщения сердечни1«.1 трансформатора у,1е
л ичивают сечение <.:еμ.'lечников, т. е. растет масса как трансфор
мат ора, так и всего устройства.
6.5. РАБОТА НА НАГРУЗКУ ЕМКОСТНОГО ХАРАКТЕРА
При работе выпрямителя (на примере схемы двухфазного вы
прямителя) на нагрузку, шунтированную емкостью (рис. 6.15),
реакция нагрузки на выпрямитель будет определяться конденса-
тором, так как его сопротивле-
д
ние для переменной составляю-
...--
·--11w'-----------,
+ LLo
щей тока мало. Напряжение на
Т,
--:--
обкладках конденсаторов рав- J/1
1
tь
но напряжению на нагрузке
u21
(ис =ио), так как они соедине-
.,._____-+-__.__
_.
ны параллельно.
и22
Очевидно, что вентили,
д2
Q '-----'
.!iJ,S,---'
в ключ е нные в фазах вторичных
о бмоток , будут пропускать ток,
есл и пот е нциал на аноде вен
тиля в ыше, чем катода. Если
вентили идеальные, т. е. не об-
Рис. 6.15 . Схема двухфазного выпрями
теля, работающего на емкостную на
грузку
лада ют сопротивлением в прямом направлении, то падение напря
же ния на вентиле равно нулю, т. е. при открытом вентиле.
Ua = ис = И2 = И2msin(t +1:}ffi = И2mSiПffit'.
Таким об раз ом, при открытом вентиле выпрямленное напряже
ние Ио представится отрезком син усоиды (участ9к а-6) ЭДС вто
р и чной об~rо тю1 ( рис . 6.16).
\
\
\
\
\
о
t
G)
Рис. 6.16. Из.менения ·выпря,мленного напряжения ио
и тока в вентиле iв.
!~7
Ток, протекающий через вентиль, iв может быть представлен
суммой токов заряда конденсатора ic и тока нагрузки io, т . е.
.
.
.
ио
duc
и2
du2
U2m .
,
,
lв=lo+ lc= Rн +СсfГ=~+Сdt=RнSlП(1)t +(1)CU2mCOSWt=
~и2тV(R~/ +(т(1) С)2sin(rot' +'Ф),
где 'tj,=arctg(l/RнwC).
Следовательно, ток через вентиль iв представляет синусоидаль
ный импульс длительности 20 с амплитудой, зависящей от пара
метров цепи нагрузки ,Rн и С.
Начиная с момента времени, соответствующего точке 6 на рис.
6.16, напряжение вторичной обмотки и2 становится меньше, чем
напряжение на конденсаторе , т . е. анод вентиля оказывается под
потенuиалом, меньшим потенциала катода. Следовательно, вен
тиль закрывается (iв =О), т. е.
.
.
и0
duc
io+tc=Rн +СсiГ =0,
t
и-RHC
откуда Ио= ~ 2me
При выводе этого выражения принято, что в момент запирания
вентиля конденсатор заряжается до наибольшего возможного на
пряжения, равного амплитуде ЭДС вторичной обмотки трансфор
матора. Кривая вы прямленного напряжения при · этом (участок
6-в) представляет собой отрезок экспоненты, соответствующий
напряжению на конденсаторе при его разряде на нагрузку.
В точке в открывается вентиль, включенный во вторую фазу
вторичной обмотки трансформатора, и конденсатор вновь заря
жается до И2,т,•
Таким образом, при работе выпрямителя на емкостную нагруз
ку каждая фаза вторичной обмотки работает один раз за период в
течение части периода, характеризуемой углом отсечки '0. Выпрям
ленное напряжение и ток через нентиль зависят от параметров це
пи нагрузки Rн и С.
Увеличение нагр узки выпрямителя, т. е. уменьшение сопротив
ления Rн вызывает уменьшение среднего значения выпрямленного
напряжения Ио, так как разряд конденсатора будет быстрее
(участок 6-в кривой иu пойдет ниже). При этом увеличится пуль
сация выпрямленного напряжения, длительность работы фазы
(угол отсечки '0) и амплитуда то•rа через вентиль.
Увеличение емкости конденсатора приведет к увеличению вы
прямленного напряжения (участок 6-в кривой ио пойдет выше),
снизится пульсация напряжения, уменьшится длительность рабо
ты фазы (угол отсечки 0) и увеличитсн амплитуда тока через вен
тиль. Так как с увеличением амплитуды тока через вентиль дей
ствующее значение тока также увеJiичивается при неизменном
среднем значении (нагрузка неизменна), то существенное увели-
128
чение ем1кости •конденсатора может •ВЬ11з1вать НЕЩО1Пусти1мый нагрев
ка1к 1Ве1нт.иля, так 1и обмоток 11рансфО1рматора .
В реа,льном ВЬ!lп-рямителе за счет 1Па1ден:ия ,нашр.яжения ,в со'Про
ти1влении :вентиля и обмо'!iок транrофор1матю-ра кри1вая 'Вы1пря,млен
ноr10 на~пряDКени,я ~пойдет ниже !Кривой рис. 6.16.
При 1пр ,ое1ктиро1вани~и ·'ВЫ1пря1м.ителей, работающих на емк,остную
на,груз1юу , наи1более широко исшолызуется графо-аналити1ч еокий ме-
11од, пюз:воляющий легко 01пределить ,все 1пар,амеТ1ры ,вьщрямит:еля ,
ка 1к фу1Нiщии ~1гла отсеч1ки или за'В'Иси1мой от него величины .
Рас1е1мотрим выво~ выражен·ий ,для осно1в1ных 1Пара1метро1в 1вы
~пря1мителя (рис. 6.17).
ш
с
т+
Рис . 6.17. Схема трех
фазного
выпрямителя,
работающего на ем-кост-
ную наrруз•ку
Ри·с. 6.18 . Напряжения и то ки
в тр ехфазн ой схеме, работаю
щей на ем~костную нагрузху
ПрrИ о•пределени:и ,основных ·па1ра1м,етров :пр •инимаем ,следующие
до1пущения:
1. ВЫ1прямленное на1пряже·ние ,ра1вно на1пряжению на зажима х
;~юнден1сатора ( И0 = И с) и 1неи.з1менно ,во ,времени ('рИiс. 6.18). Э110
у1проще.ние mов 1волило и,оключить ем11юсть из всех расчетных соот
ношений .
2. Прямое ,сопротивление вентиля не;из,менно, а обратное
--
бе,сконечно велиrк,6.
3. Тра·н сформат,ор обладает тольк,о акт.ивным •соm·ро:11ивлением,
а и•н,цуктив1ное сО1протиrвление его ра1в,но нулю.
4. На~пряжение питающей ,сети имеет неи,с~каженную син~о
идальную фор 1му и iB!ce эл ,ементы схемы ·.выпря1мителя с11ро1го сим
метричны.
Ток в фазе и через вен11иль ,протекает в ча1сть пер.иощ_а (-0 ~
~ wt~ +0), 1югда на:пряжение в фа:зе вюричной обМ'о11ки больше
выпрямле-нно1го (иz~из), и ра·в,ен
i2= 1iв= (u2-Ио)/rф~ (И2mrCOS wt_,_Uo)/rф,
(6.9)
где Гф= Гпр+ ,rтр - со,п1рот,и1вление фа'Зы 1выпря,м,ителя; Гпр - -солро
ти1влешие вентиля 1В лря ,м-о,м на1Правлении; Гтр - аrкт.иrвное еО1про
тивле,ние обмото:к трансфор~матора, п:ри1веденное :.1ю в11оричной о1б~
11ю тке .
5-3·11
1129
Та,к 1Ка,к при ffit = ±8 U2= Ио, 10 Ио=1И2тсоs 8 и то·к через вен
тиль
i2=iв= (И2тlrФ) (cos ffii--lC:OS 8).
Постюянная соста1вля1Ющая то·ка 1Н,а,груз1ки
е
•
•
тsи
mU
mU
18= -
~ (cosffit-cos8)dffit = --
0 (tg8-8) = -
-
0А,
2,i;
Гф
Л: Гф
Л: Гф
-0
(6.10)
(6.11)
rде А =tg 8-8 -расчетный параметр, за;в•исящий от угла 011се;ч
жи .и О1пределяемый слесЦующим выражением: А = •l0nrФf.U0m.
Вел1ичины Ио ,и Io задаются 1в ~начале расчета, т 10:пределяет
ея :выбором схемы вьшря!мления, а 'Ф iПред:варительно (ориентиро-
1юч1Но ) Оln:реде.'1яетс-я в зависимости от Ио, Io, т и ти:па ,вентилей.
Так как в:се величины, характе ризующие работу ~выпрямителя
(дейс11вующее значение нашряtЖения :и 'ГОIКа •втор·н•ч1ной обмотки,
:r аlбаритная мощность трансформатора, сре~днее, действующе-е и
ам1плитудное значение тока 1в вентиле, обратное наiПряжение на
.нем, шульса:ция •вьюпря1 мленн, ого -на 1пряжения и 1В'НеШН61Я характер .и
стИ1ка 1выпря1мителя), зависят от у,гла отс,е1Ч1Ки 8, то он·и также за
висят от расчетного :па,раметра А, являющеnося фун1кцией угла
ОТ'Сеt!IКИ.
Дейс11вующее з1Начение нашряжения вторичной о~бмо"гки
И2= , И2т/V2= : Ио/V21соs 8=ВИо.
Та1к ;Ка1к ,ковффициент В ,я,вляется фунwц.ией угла О'Гсечrки 8, то
он м,ожет быть выражен в за1ви1си:мос11и от раочетно,г,о ~параметра А
(рис. 6.,19).
Дейс11вующее значение тока вторичной обмотки тра,нсформа
тора .
в
13J •
ц
-
t'
D,7~~;---;; -;;- - ;; -;; --~~-- -= -=c--:l-: -_ _J
ОOO,ZO,J0,40,50,8А
Рис. 6.19. Зависимость па•раметра В от
параметра А и угла ер
130
[}
2,8
1,81---~~,:,,,.,,o;;f;'"-l-~,,.._- F""-'1
1,51----1 . ..-. J. .. . .,. .--1. . . --';.:;::,,-. . , _.. ___.
О ..._0,1 о,г о,з 0,4 .О,
,
.4
Рис. 6.20. Зависимость параметра Д
от параметра А и угла ер
12 = {-1-2sп i~d(J)t = {
-
1-s
0
(u 2m) 2 (COS(J)t-cos0)2d(J)t -
2л:
2л: т
'Ф
о
-е
fo -Vл[6(I+O,5cos26)-0,75sin26]
=!...'J...D.
=т
sin6-0cos0
т
-(6.12,
.За1ви,симость ~оэlффи~циента D= :f(A ) mри1Ведена на рис. 6.20,
rще этой кри1вой :соответс11вует за1виеимость 1при ср=О.
Для дiвухта1ктных схем ВЬ11П1рямления (мо,сто,вых од,юфазной и
трехфа:з,ной, схем удвоения и умнож,ения ,на,пряжения) действую-
щее значение тока вторичной о6м,отки в V2раз больше, че,м :В
однота,ктных, т. е. 12= "V2,(!0/m)D.
_
Дейо1вующее значение ·юка ·первичной о,б,м·от.ки 01прещеляется
различными соотн,ошения'М'И в зависимюсти от схемы ~выпрямления.
В двухта.ктных схемах ,вьnпря,мления (мо,ст,01Вой ОЩ'нофаiЗной и трех
фавной, :в схеме у:д1воения ,на1пряжения) то'к ,пер ·в.ичной обмотки
отличает1ся от то1ка В'I'орич~н,ой ·О1бм,011ки ,в 'Коэффициент транефор
:мации п, т . е. 11 =12/п, ,nде n='W1f.w2.
, в однотаiктных схемах выпрямления, у которых число фаз 1вто
ри1чной обмотпш равно числ:у фаз ~первичной (одно:полуiПериодна·я
схема и трехфаз·ная с вы1водо1м нулев,ой точки), во вторичной о:б.
мотке 11ран,с,форматора ток ~протекает ,в ,одном ,направлении и по
мимо ~переменной составляющей содерж ит постоянную, кото,рой в
!Кр:и~вой тока :пер'в·ичной о,бмо11ки нет. Поэтому действу юще е значе
ние то1ка первичной о:бмоТ\КИ
В оtднота,ктных схемах ВЬ!lпря,мления, у которых число фа,з iвro.
ричной обиотки вдвое больше, чем число фаз перви,чной обмо11Ки
((Д'В,УХ1Полу1пери,одная с вы1вод:о•м средней точки, ше1стифаз,на,Я с вы
водом нулев,ой ТОЧIКИ), число ИМiПiУЛЬСОIВ тока В mер1ничной об,МОIГ·
,ке ~двое больше числа .имлуль'сов то:ка вторич,ной об,м,от~ки и, еле.
до1ватель'но, дейс11вующее значение тока iПервичной о~бмотки 'В
V2 раза боль,ше привещен.ного 'юка 'Бт,оричной обмотки, т. е.
11=,(1/п)12VQ= (1/п) (/о/т)DV 2-:
Габаритная мощность первичной, вторичной о,б,м,от,ок л трап_<;,
фор1м а т,ора
S1=m1И 1 1 1 ; S2=m2И2l2; Sтp=0,5(S1+S2),
Для ,всех схем выпрямления среднее зна1чение TOIKa вент~~я
lcp = l 0/m, а дейс'flвующее значен, ие тока вентиля 01пределяется 11Вljl
ражением (6 .12) .
Амmлитущу юка через вентиль оmределим из (6.Ю) и (6.11).
-полагая (J)t = O, т. е.
/
!о n(1- cos0)
вт zs:-;;;- sine-ec,)s0
= _!_о__ F,
т
5*
131
F
10
30
где F - 1пара1ме11р, за1впсящий
от у.гла О'Гсечrки 8 ·и являющий
ся фун1к,цией раочетно,го ·пара
метра А (рис. 6.21).
Бели 1В схеме :вьnпряrмле:ния
ма:ксиrмальное знач,ение то1ка
оrка:залоrсь боль:ше до1пу~стимо1г-о
для ,вЫ1бранно1г.о тИlпа ,вентиля,
то нео~бхо ·димо ,выбрать 1вен
тиль ·с большей що,пусти.м1ой
а·м1плиrудой ТОIКа или ВIКЛЮ
члть ~параллельно неюколыко
вен-тилей.
Наи:большее обратное на
Рис. 6.21 . За.вишмость пара - ,пря~ение, 1юто-рое может быть
метра F от параметра А ~приложен-о к 'Ве'Нтилю, зависит
0,1
0,4 0.5 А
и угла <р
от схемы вы1пр,ямле:ния. Для
одноrполушериод:ной и д1в,ух1Полrушериод,ной с ,выво1дом нулеrвой точки
схем rвы1прямления
При сбросе на;гр,узки ·выпрямленное 1на1пряжение 'по·вышается до
а,м,плитуР. Ы на1пря:жен,ия вториrч,н,о й обм,01жи Ио= И2т и Иобрт=
=2 И2т=2V2 В Ио. В ·однофа1зных мостовых схемах ,вы1пря1млени.я
(схема Г.реца и схема Латура) Иобр т= V2И2т= 1,41 ИоВ.
В трехфазной схеме 1вы1пря~мления rве.нтиль находится лод об
ратным .на1пряжением, раrв ным а1м1плитуде линеЙIНОГ·О нашряжени~я,
т. е. Иоорт= V3V2 И2=2,44 В Ио, ,в тре~фаз•ной мо•сто,вой ,схе
ме - Иобрт= 1,22 ИоВ. В схемах ум,ноженля на,пряжения вентили
нах·оlдят-ся 1по:д обратным на1пря,жение1м, раиным у1двоенно1м1у з,на,че
нию ам плитуд ы напряжения вторичной обмотки, т. е. Иобрт=
=2 И2m=2 Иохх !N, где Иохх - вьnпря1мленное наш ряжение при хо
лостом х,оде; N - число стушеней: на:пряжения.
Для rпереме,нной состаrвляющей вЬ!lпряrмлен·ншо наm.ря,жения на
выхо,де ,выпрямителя имеют,ся 1д1ве ~параллельные ветви (,ко.н'денса
т-ор и на,гр уз1ка), ,причем для ,пер в.ой гармюни1ки 1переменн-ой: ,состаiв
ляющей емrкостн.ое соrпр-отивление ,ко,щ:r.енк:атора мно,го !Меньше со-
1проти,вления нагр уз,ки (хе = 11/ m,(!)C « 1Rн). Поэтоrм~у 1пер -еменная со
ста ·вляющая тока зам .кнетс я в основно м через конденса1'ор, ·и ам
пли11уду ~пульсации выпряrмленноrго на~пря~жения можно 01п .ределить
ло а1м1плитуде ,перв~ой гармонИlки rперемен.н.ой: составляющей: то1ка
(/01 m), т. е. Иo,m=lo1тXc=fo 1 т/mr(t)C, та1к каrК для высших гармо-ниrк
со1противле-ние конденсатора еще меньше, чем для ,первюй.
Через ко:н1ден•сатор за о:ди1н ,период из1мене1Н·ия тока rпитающей
сети ,прохо,дит m И!м1пуль,сов тоrка длит~льно,стью 218, следовательно,
амrплиту,да лер ·вой -гармоники то,ка
132
8
8
101m = !!!__Si2 cosтсоtdсоt = --'l!!!_ И2т j'(cosсоt- cos 8).
п
п
~
-
8
-8
По1дсгави1в зна1чения И2т из (6.11) и .выражая еrм1косгь конде1н
сагора С в ,мИlкрофарадах, 1после ингеrгрир,01вания и !ПОР.сганов1Ки
амшлигуды первой гарrмони,ки то,ка ошре,дели,м а,мшлигуд,у т;ульса
ции нашряжения:
и _ Ио (sinm0cos0-mcosm0sin 0)106
Qlm -
ГфС
п2т(m2 - 1)fcos0
где Н -,коэффициент, за,висящий каrк от у1гла
раrсче11ногю лара1метра А (~рис. 6.22-6.2'5).
_
ИоН
-
ГфС '
от,сеч1ки 8, гаlК и ,от
(H1)5U·- - - - - ~- ~ -~ - .., ..:. .(t!t)~;fl
1200 L-----1 ---1 ----+---+---+-+-,<+! ШJ
J1ОО 1----1- - - --+ - -- -+- -t - - -- - -,<tr,f------j
! О00 L----+-----+----+--1--,1-+-.д.--- /2S
900l----1- -- - -+--- -+- --- -- -JW -..'r-+-- ----i
800l---+---l----+~~f---+----1100
5001-------+---+--.ЧЬ.~-f------+-----/ 7S
SOOl-----+- --l'~~+---
-1 -----+-
---,
4001----i- -- - --,~'-------+ --t- --+- - -- -I 50
JOOl---+.Ul-_,._---+--t---+-----1
200L--------1----+--+---+----I25'
100 1-- . ,--1- ----+- -+---+---+-~
IL., .._
__J, __
__,.1,___.___-'-----'--,-----' (J
0
0,1 0,Z 0,3 О,!+ 0,5 А
-
Ри с . 6.22. Завис имость параметра Н от параметра А и угла ер
для т=l и частот сети 50 и 400 Гц
К:1оэффициенг лулысации /(п1 = · Ио1т/,Ио=Н/rФС . Зада,вшись
mульса:цией на 1пря~кения (Кп 1 =0,1--:---О,15 шри f=БО Гц и Кп=О,05--:--
-- :---0,1 шри f=400 Гц) и 01пределИiв шо ,графи1юу Н, мо,жно найти ем
кость 1конден:сагора, 1необх,о,,щмую для 1Получения за,данн,ой ,пуль
сации, т . е. C=I-f/ Kп1rф .
Внешняя характери 1стика ,выпрямителя (~ Ио =rfr(/0)) 1при И1 =
=const ,поз'воля ,ет определить изменение 'ВЫ1прямленно .го ·на:пря,же
:ни.я ЛИо, вызванн·ое из·менением тока наrгр ~з1ки, нашряжение холо
сто1го хода Иохх, то~к корот,ко~rо замыкания 10,; 3 и в ,нутреннее со~про
тквление выпря N!'ителя r0
.
Тшк ~как U0/1 U2m=CIQS 8 и /0/1(И2т/r0) =
133
(112\00 (lfJ)so
B00t---+- -1- --+--1-- -+--- ---- .' l, ---, ,, c .. ,
700 t----+-1 ---+ -~I ----A '-.. -<- --i .. . ,, ,_ _ ---I
б00t---+--t---t-~F-cF~,<C-j----1
500t-----+ - -l- -__ _, .._ _' -,,L-+ --- --t- ---l
400t----+- --i7 "9t'# '-- j,1 "--- --- + --- --t -~
J00 f----+ - ~ ~ LJ------t -+- - - --t~ ~
200t---~;s,<-+7""'-+---+- +------+-------1
о
100
75
.
5!l
25
400
350
300
250
zoo
150
10(]
5(]
'1' =75°
о, z !l,J !l,4 !l,5
А
Рис. 6 23. Зависи,мость параметра Н
от параметра А и угла q> для m= 2
частот сети 50 и 400 Гц
Рис. 6.24. Зависимость параме'I'ра Н О'У
параметра А и угла q> для m=З ча
стот сети 50 и 400 Гц
1
1
о·V
4ч
1
!/v
i/
15• 5,5
,,у
/
/
1
v,r
1
1
36
4,5
!/ 1 !..,,./"
/ Yii
30
1
28
3,5
//i11
-
1..- --
1
//
..,,~
1
-
45°
1
20
2,5
!/// _,--f
1
/1/ /
~
-
-
60"
-
12
1,5
V; %::::-
-
'f' =75•1
,,,
1
1
4
fJ,J
О О,0!2б
0,053
О,!!3 r А
Рис . 6.25. Зависимость параметра Н
от параметра А и угла ер для m=б
и ча,стот сети 50 и 400 Гц
=sin0-'8cos0= v, то зави tи-
1мость oos 0=f(v) в о·пр еделен
но1м ,м асшта!бе mре~дставляет
внешнюю ха,ра11перистику .вы
!Пря.мителя (1рис . 6.,26) .
При холо:сто1м х,о.це 10 =0 и
Ио = iИохх = И2т, при 1ко-ро11к,ом
за1мьпкании Иа=О и fонз=
=m( , И2т/nrв).
Внутреннее соrпротивление
вЬ!lпрямителя мо1жно о•преще
лить и:з внешней хар актери
стики
ВЬ11пря1мителя
Го=
= ЛИ0/rЛ/ 0 , 1кшlZJ, 1Вьnпрямител я
1'] = •Ио/0100/ (Иоfо + ЛРтр +
+ЛРв) , ·nд е • Ио и /о-lНОМИ
нальное ·з,начение выпрямлен
·ног-о наrnря.жения
и
тока;
ЛРтр - ~потери rв трансфорrма
-горе; ЛРв -!Потери ,в ~вентиля х.
В ,кенотронных 1вы1прямителях мощность ~потерь в ,вентиле в'ключает
таюже и м•ощность, расходуемую на ,питание накала (1 Инакlнак )
вентилей. Потери в .вентиле от пря1мю1го тоrка ,ЛРв~О,5D2/ср1 Uпр,
Со•противл:::ли-е фазы вЫ1пря1м ителя, скла.цывающее~ся и:з прямо
го сапроти.вления вентиля и а1ктивно1го соrпротивления ,об,мотак
трансформатора (rФ = Гпр = Гтр) ~влияет ,на юпд, стабилыноеть 1вы
пря1мленното нашр ,яжения и дру~гие 'Jшраметры схемы выпрямле-
134
ния. При неизменных соsв
параметрах цепи нагруз-
1,ог----.--.----~-~--~-~
ки (Rн и С) у~величени е
rФ у~величит у~гол отсеч~ки 11,g
е, понизит 1выпрямле1Нное
на1пряжение и elГ'J пуль- О, 9
са1цию и уменьшит ам- о,? 1-------'lr-P'~ ...., ,.~~ .-+ --- +- - -+ -- - - - - -i
плитуду 1'0iKa через вен-
тиль.
qб 1----+-4.c---.:k-----"......=~-...==,,.._.~-+-------i
Помимо а1ктивного со
противле,н,ия фазы rФ ~вы
прямитель ,обладает ин
дуктИlвным
сопротивле
нием о·бiм·о·юк трансфор
матора
(Хк=Х2+х'1 =
0,5'--,- -'---'--....,.__--- 1,;,-_ ~_;;:,o,..:,:,...,;::i...___,
О o,oz
0,05 J0,08 0,10 !0
Рис . 6.26 . Обобщенные внешние характери
стики выпрямителя, работающего на ем
костную нагрузку
=х2+х1 /п2 ), обусловленным
пото1ка1ми рас-сеяния.
о
r,
я
ВТе1
/.,..
а1•
._,
ILs =U
1
1
l
1
1
lf. _в
z
ыt
1
'
1
При ,ра·боте вьuпрямителя
на на1грузку ем,костно,го харак
тера в случае отсутствия и1н
дуктивн01стей рассеяния об1м1O
то1к тран·сформатора (Ls=O)
р а1бота вентилей 1происхощит с
отсечкой (рис. 6.27) и ток ,в
фа1зе ,в торич·ной ,обмо11ки тран
сформатора (крИ1вая ,i2 1при
L8 , = О) имеет форму синусо•и
дально:rо шм1Пульса щлитель·но
стью 210. При нал·ичии инду~к
ти1вности ,ра1ссе,я1ния то,к в фа
зе ,вторичной о.бм,отки транс
формат~ора, таlК же i!ШК и 1в слу
чае Ls= О, воэни,кает в мю
мен·т ра1вен:с11ва ~де ·вторич1ной
,O1бм.011к,и и вЬ11пря,мленно1Го на
.пря!Жения (и2 = 1Ио), т. е. wt=
Рис. 6.2 7. Напряжения и токи в вы
пря,мителе, работающем на емкость,
при учете индуктивности рассеяния
обмоток трансформато,ра
=rr,/2-0 . Нарастание Т<Жа ,в этом случае за,медляется вследствие
Ldi
•
эдс самои·нt:tу~кции es= -
s dt 1пре.пят:ств,ующеи И!зменением то-
ка. В момент wt = n /2+0 то,к i2 не у меньшается до О, так как :при
его у-меньшении в,озни,кае т эщс са·м-оин~укщии, -на1Пра·вле1нная сот
.ла1сно с эдс ,вторичной обмотки и2, ,в рез'ультате че['О длительность
ра1боты фазы увеличивает,ся и с•оста1в,ляет 20+ ~ -
Инду~кти,вность
ра-ссеяния из'меняет таКJЖе формiу' и:м1Луль-са тоiКа и у,менышает его
а,м1плитуду .
Изменение то1Ка через ~вентиль во ,времени о,пределяете,я из сле
дующего ура ·внения:
L5,d;; +iв:rФ =И2тsin(t + -r) (!)-V0,
135
решение которого имеет следующий вид:
•
•
ИO{[cosер •(t ) l]1[cosер •(
L2=LD=-
--
SIП (!) -ер -
1 --srn ср-
rф cos0
cos 0
л:\
-
(wt- f+е)ctg(J)}
-
2 +ej+i]e
,
ОТК'уда
тИо{cosер
•
10 = -- --(cos(~ -
ер) - sш (8 +ер)]+
2лrф cos0
+ (~-
; +е) +[:i0::siп(ep-f +е) + 1]
[ -(/3- . .:: ..+e)ctg(J) ]}
Хе
2
-
1 =тИоА,
л: rф
w Ls,
где ер= arc tg --•
rф
При ·малых у1глах ер (ер:::;; 1 1 '5 ° ) инду,ктив·ности рассеяния обмо
ТОIК тран·сформатО'ра незначительно влияют на ~параметры выпря
мителя и ими ·можно лреrнебречь. Влия·ние инду~ктивно ,ст-и рассея
,ния ,проя.вляет,ся в 1высо;ко1в, ольтных вЫ1пря 1мителях теrм сильнее ,
чем больше их м•ощность, 1в ,вы,прямитеЛ1ях 1с вентиля,ми, И'меющи.ми
малое сО1противление в ;прямо:м на1пра1влении (германиевые ·и крем
ниевые), !При ,повышенных ча:стотах (400 Гц и выше). Поэтому в
вЬ!lпрямителях небольшой мощности, работающих .от сети с час
готюй тока 50 Лц, о-быч,но индуктив·но.сти рассеяния не у,читываются .
При t,J.остаточно большой мощности или .при работе от сети с ло
выше,нной частотой ,пренебрежени-е индуктивностью ра:ссеяния 1при
во:дит ,к ·суще•с11венным оши6ка1м.
Если лри отсутст.вии индукти,в·ностей рассеяния расчетный
,па,ра1метр А является фунпщией ·юлыю угла отсечки А=
= ,f(8), то ,при наличии инду1ктwв•ности ра:ссеяния (Ls,=f: 10) 1этот ~па
раметр станоrвится за'виснмым не только от у1гла отсеч1ки, но и от
у;гла ер. Поэто·му rвсе коэ,ффи1Циенты В, D, F, Н, апределяющие со
отношения для на,пряже,ний и го:ко·в о'6м-ото:к тра ,нсфор1:матора и
,вентиля.,, а та 1кже ~пульсации напряжения стаиовят;ся зависимыми
не толыко от ра-счетного ,пара,метра А, но и от у.гла ер. Зависимо
спr ,к,оэффициеrнта В, D, F от шараметра А для ра1зличных значений
у,гла ер ,приведены на рис. 6.19-6.2 1, а зависи:м•О'сти ,коэффи
циента Н при частоте тО1ка сети 50 и 400 Лц для ~различного ·чи,сл а
фаз - ,на рис. 6.22-6.25. .На рис. 6. ,26 :прнвещена обобщен
ная ·вт,ешня-я характеристика выпрямителя ,при раэличных у,глах
ер. Если на выхо,де ~выпрямителя 1нключен и,сточни1к э~с. то выпря
митель работает шодо,бно случаю на,груз,ки еrмкостнО1го характера "
1(36
6.6 . РАБОТА НА НАГРУЗКУ ИНДУКТИВНОГО ХАРА1КТЕРА
При работе многофазного (на примере трехфазной схемы) од
нотактного выпрямителя на нагрузку R.н, последовательно с кото
рой включен дроссель (рис. 6.28а) с достаточно большой индук-
li.)
о)ио;
ш-
2ff/m
(,}С ,
l~,t2
~
о
2л/т
u.Jt
Рис. 6.28 . Трехфазное выпрямление :при работе на индуктивную на
грузку:
а) схема; 6) изменение выпрямленного напряжения
тивностью (mwL»Rн), ·реакция нагрузки на ·выпрямитель будет
определяться этой индуктивностью. Если принять индуктивность
дросселя бесконечно большой (.L-+oo), то любое приращение то
ка в дросселе будет индуктировать в его обмотке бесконечно
большую эдс самоиндукции ( е 5 = - L ~to) , препятствующую из
менениям тока. Следовательно, ток как в дросселе, так и в наг
рузке i0 не может претерпевать изменений во времени .
При идеальных вентилях ( •Гпр=О и Гобр= оо) и трансформаторе
(rтр=О и Хтр=О) выпрямленное напряжение u0, как и при работе
на активную нагрузку, имеет форму огибающей зависимостей эдс
в фазах вторичных обмоток трансформатора (рис. 6.286) и может
быть представлено гармоническим рядом
и() = и~+ и~= Ио + Ио1111Соsтшt + Ио2111Соs2тшt +
· · ·+ИоkтCOSkm(J)t+...
Так как ток в нагрузке -i 0 не претерпевает изменений во вре
мени (при Rп= coпst), то и напряжение на нагрузке постоянно и
равно
И0 = И2111 (m/л) siп (n/m).
Очевидно, что при бесконечно большой индуктивности дрос
селя переменная составляющая кривой выпрямленного напряже
ния будет приложена к зажимам дросселя. Так же как и при ак
тивной нагрузке коэффициент пульсации Кпн= И01,т/Ио=
= 2/I (km) 2- 1].
137
Частота основной гармоники вы п рямленного напряжения (ча
стота пульсации) равна mf с•
Каждая фаза вторичной обмотки трансформатора работает в
течение периода один ·· раз и длительность работы фазы состав
ляет 1/т часть периода. В любой момент работает только одна
фаза, имеющая наибольшее положительное напряжение . При
этом ток в фазе вторичной обмотки трансформатора и в венти
ле неизменен и равен току нагрузки / 0, т . е . ток в фазе вторично й
обмотки может быть изображен прямоугольником с высотой 10 и
основанием 2n/m.
Среднее значение тока в вентиле и в фазе вторичной об м отк и
трансформатора fcp= l o/m и действующее значение тока
-. r Zn/m
/в=/2= V 2~ I!5drot = fo!Vm•
Таким образом, коэффициент формы кривой тока вторичной
обмотки трансформатора при работе выпрямителя на нагрузку
индуктивного характера к1 = f2/Iер= Vm . Это выражение показы
вает, что с увеличением числа фаз выпрямления действующее зна
чение тока вторичной обмотки трансформатора возрастает при не
изменном среднем значении, так как при этом сокращается вре
мя работы каждой фазы и содержание высших гармонических
в кривой тока увеличивается . Вследствие этого ухудшается ис
пользование трансформатора и его габаритная (расчетная) мощ
ность увеличивается с увеличением числа фаз выпрямления .
Габаритная мощность вторичной обмотки трансформатора
S
и
n
Ио
10
2,22
2=т2212=т2-
_
-
_
___;:_
-
--
'----- Ро,
-v 2m
.
n
-Vm -v-
n
sin -
msin -
m
т
так как в однотактных схемах m2=m .
Ток в фазе первичной обмотки трансформатора зависит от схе
мы соединения обмоток и от числа фаз вторичной и первичной
обмоток . При одинаковых числах фаз первичной и вторично й об
моток (m1= 1m2) действующее значение тока фазы первичной об
мотки
1 ~---
1у/5 15
1/о
l1=-
V12-12 = -
---= -
-
V m-1
.
п
2
ерп
тm2
пт
Если число фаз вторичных обмоток больше числа фаз первич
ных обмоток (m2>m1) в 2, 3 и т. д. раза, то в каждой фазе пер
вичной обмотки будет т2/т 1 импульсов тока з а период и дейст
вующее значение
11 = (1/п) У m~/m 1 12 = (1/п) (!of"Vfni).
138
В случае ( m2 = mi) габаритная мощность первичной обмотки
трансформатора
S1= тР111 = 2,22 [Vт - 1/(т sin n/m)]Р0,
а в случае m2>m1
S1 = 2,22 [Vm1/(m2sin n/m2)1Р0 .
Габаритная мощность первичных обмоток меньше, чем вто
ричных, так как при m2=m1 кривая тока первичной обмотки не
содержит постоянной составляющей, а при m 2 >m1 лучше исполь
зуются первичные обмотки.
Габаритная мощность трансформатора Sтр = О,5 (S 1 +S2 ). Ре
альный выпрямитель обладает внутренним активным сопротивле
нием Гф = Гпр+rтр и индуктивностью рассеяния Ls' обмоток транс
форматора (рис. 6.29), которые влияют на работу выпрямителя,
ш
J
Рис. 6,29. Схема трех
фазного ,выпрямите
ля, работающего на
индуктивную нагрузку
llrp
ь
uJt
Ри,с, ,6.130. Временные диаграммы
выпря,Мленных на,пряжения и то
ков в фазах вторичных обмоток
многофазного выпря.мителя при
учете внутреннего активного со-
про,тивления
изменяя как величину, так и форму кривой выпрямленного нап
ряжения и тока вентиля. Сопротивление выпрямителя Гф, рабо
тающего на нагрузку индуктивного характера, так же как и при
любом характере нагрузки, снижает выпрямленное напряжение за
139
счет падения напряжения в этом сопротивлении. Кроме того в
многофазных схемах выпрямления (при m>2) за счет внутрен
него сопротивления 'Ф возникает перекрытие фаз, т. е. их одно
временная работа (Р'ИС. 6.30) . Положительные значения ЭДС в фа
зах вторичных обмоток оказываются больше выпрямленного на
пряжения uo, перекрывая друг друга в интервале -(л/2__:._л/т) ~
~
wt~ + (лl2+л/т) и в течение некоторой части периода, соот
ветствующей углу перекрытия фаз у, две фазы а и Ь вторичных
обмоток трансформатора работают одновременно. В фазе а, за
канчивающ"й работу, ток ia уменьшается за время перекрытия
фаз от значения /,1 до О, а в фазе ,Ь, вступающей в работу - уве
личивается от О до 10, причем сумма токов двух фаз равна току
нагр узки Оа = iь =!о), кото рый при бесконечн о бол ьшо й индуктив
ности на выходе выпрямителя неизменен.
При выriранном начале отсчета времени, р-ис. 6.30 ЭДС в фазах
а и в определяется следующими выражениями:
Иа= И2тcos(wt+л/m) и Иь= И2тcos(wt- -л/т).
Так 1,ак вентили в фазах а и в открыты, то напряжение на
выходе выпрямителя в течение части периода , соответствующей
углу пер е крытия у , равно :
И0= Иа - iвrФ = И2тCOS(соt+-л/т)-iвrф И
Ио= Иь - i8rф = И2т cos (w t- л/m)- i8rф,
ОТI<уда
И0 = 0,5 (иа +иь)- О,5!0rФ = И2тсоs-л/тcos со t - О,5!0rф,
Угол перекрытия фаз мож е т быть определен из условия uJf=
= ±-у/2, когда ЭДС фазы а, заканчивающей работ у ( или фазы Ь ,
nступающей в работ у ) , равна н апряжению на фазе Ь (или на фа
зеа),т.е.
И"/.m cos (у/2 + -л/т) = И_т cos (у/2 - -л/m)
-
/0rф,
откуда
Iо'Ф
siпу/2= - ---
л
2U2msin-
m
Выпрямленное напряжение при наличии перекрытия фаз
И0 = U0,, -I0rФ(1-my/8-л),
(6.13
где Иохх - выпрямленное напряжение при холостом ходе .
При небольших углах перекрытия (-у<30 ° или -у<л / 6) вычи
таемое в скобке выражения (6.13) очень мало (ту/ 8л) и напря
жение на выходе выпрямителя Иo= i Иoxx- l(jr ф.
При работе реального м ногофазного выпрямителя на чисто ак
тивную нагрузку за счет внутреннего сопротивления выпрямителя
также возникает перекрытие фаз, искажающее форму кривой вы
прямленного напряжения.
140
Индуктивности рассеяния Ls обмоток трансформатора в мно
гофазных выпрямителях также вызывают перекрытие фаз при на
грузке как индуктивной, так и активной.
Индуктивности рассеяния обмоток трансформатора Ls пре
пятствуют изменениям тока в фазах вторичной обмотки, так как
при любом изменении тока в них возникает ЭДС са м оин дук ции,
препятствующая этим изменениям.
Поэтому в момент переключения нагрузки с одной фазы на
другую ток не может мгновенно изменяться от 10 до О в фазе а,
заканчивающей работу, и от О
до / 0 в фазе в, вступающей в
работу (рис. 6.31) . Таким об
разом, в течение некоторой ча
сти периода, соответствующей
углу перекрытия, две фазы ра
ботают одновременно, причем
в фазе а ток постепенно умень
шаетсядоО,авфазев- уве
личивается до / 0. При большем
числе фаз выпрямления и боль
ших нагрузках возможна одно
временная работа более чем
двух фаз. Вполне понятно, что
в однофазной мостовой схеме
выпрямления, где вторичная
обмотка однофазная, перекры
тия фаз нет.
За время перекрытия в
каждой фазе действует ЭДС
втори ч ной обмотки тра·нсфор
матора и ЭДС рассеяния е8, ко
торая в фазе а, прекращающей
работу, направлена согласно с
а) llrp,ilo
oJ i2
ia
llr
t,J !;
Рис. 16.31. ,I(,ривые в ,фазах вторичных
обмоток трансформатора с учетом
влияния мх индуктивных сопротив-
лений:
а) выпрямленного напряжения; 6)
тока
током, а в фазе в, вступающей в работу, встречно току . Напряже
ние на выходе выпрямителя при перекрытии фаз равно алгебраи
ческой сумме ЭДС фазы вторичной обмотки и ЭДС рассеяния ,
т. е.
_
1
_
Ldi11_
L diь
Ио- ИаТеSa- Иа
-
S--Иь
-
S
dt
dt
(6.14)
При бесконечно большой индуктивности дросселя на выходе
выпрямителя L-+oo ток в нагрузке неизменен во времени ( 10=
= const) и при одновременной работе фаз сумма токов их по
стоянна (ia+iь = fo=const), т. е. уменьшение тока ia за некоrорое
•
С
dia +
время вызывает равное увеличение тока ~ь. ледовательно , dt
+diь __ Оили dia
diь
(б)
dt
-
=-
- и ур - ние .14 примет следующий вид:
dt
dt
141
L diь
L diь
и0=Иа+ 5-
=Иь-
-
dt
5dt'
(6.15)
откуда Ио = •О,S(иа+иь).
Таким образом, до начала коммутации был открыт вентиль 1
н выпрямленное напряжение и0 определялось ЭДС фазы а
(рис. 6.31). По окончании процесса коммутации (,wt=-y) открыт
толь·ко вентиль 2 и напряжение на выходе равно ЭДС фазы Ь .
За время перекрытия фаз напряжение и0 равно полусумме мгно
венных значений ЭДС коммутируемых фаз . При выбранном на
чале отсчета времени
Иа=И2тcos(wt+1t/m) иИь=И2тcos(wt-n/m)
и выпрямленное напряжение при перекрытии фаз
Ио=0,5(иа+Иь)= И2тcos n/m cos wt.
Из выражения (6.15) получим
2L diь
S-
= Иь-Иа = U2тЛ•
dt
(6.16)
так как разность мгновенных значений ЭДС двух фаз равно ли
нейной ЭДС, где И 2тл - амплитуда линейной ЭДС, равная
и2mЛ = 2И2т sin n/m = 2U0 n/m.
Решение ур-ния (6 . 16)
iь=
-
(И2тл/2хтр) cos wt + С,
Постоянная интегрирования С определится из условия: при
юt=О iь=О. Следовательно, iь = ( ,U2 тЛ/2хтр) (1-cos ,wt), где Хтр=
=.',(J)Ls.
Это уравнение справедливо для iь~Jo, так как при iь=la вся
нагрузка переходит на фазу в, а в фазе а ток становится равным
нулю, так как вентиль 1 отключает эту фазу. Кривые токов в
фазах а и в показаны на рис. 6.316 .
При wf=-y iь=lo, следовательно,
откуда
и
/ 0 = 2тл (1-cosy) = (U0 n/mx 5 )(1-cosy),
2Хтр
(6.17)
Таким образом, угол перекрытия 'V будет тем больше, чем
больше ток нагрузки, индуктивные сопротивления обмоток транс
форматора и число фаз выпрямителя. Перекрытие фаз уменьшает
выпрямленное напряжение, увеличивает его пульсацию и время
работы каждой фазы, которое становится равным 2n/m+-y вме
сто 2n/,m в выпрямителе без потерь. Увеличение длительности ра
боты фазы несколько уменьшает действующее значение тока в
вентиле и в обмотках трансформатора, снижая их нагрев.
142
Выпрямленное напряжение за счет перекрытия фаз уменьша,
ется на величину
'\'
'\'
ЛИL =
_!!!_S(иь-и0)drot =
_!!!_ (' Итл sinroidu:;t =-
2:rt
2nJ 2
о
о
т Итл
=2:rt-2
- (I - cosy).
(6. 18)
Из (6.17) и (6 . 18) получим ,Л, UL=lo(mxтp/2n) и напряжение
при нагрузке
• (6.19}
где Иохх - выпрямленное напряжение при холостом ходе.
Из (6.17) и (6.19) получим Иo/1 Иoxx=0,S(l+cosy).
Зависимость ИаfИохх=4 (v), представляющая в определенном:
масштабе внешнюю характеристику, изображена на рис. 6.32а.
а)
\/ 1-myJ(J')
8) Кт,
%
lfo
0,8
lfox
!
0,6
J
0,9
0,95
!J,4
0,8
0,9
8
0,7
о
20
40
0,85
бОr0 О
20
40 ;ro
о
20 '4IJ r•
Рис . 6.ЗQ. Выпрямитель, ,работающий на индуктивную нагрузку :
а) внешняя характеристика; 6) зависимость V 1-т'Р'(у) от угла лерекрытия у;
в) эависимость ко~ффициента nулЬ'сации К111 от угла перекрытия у
Действующее значение тока фазы вторичной обмотки транс•
форматора и вентиля с учетом rтерекрытия фаз
где
12 = Uo1Vrii)У 1- т,р<v).
,Р(у) = (2 +cosy)siny-(1 +2cosy)y.
2:rt tl -C0Si ')2
Зависимости величины V 1--тф(v) =/(v) для m=2, 3, 6, при
ведены на рис. 6.326.
Пульсация напряжения за счет перекрытия фаз возрастает.
Разложив кривую выпрямленного напряжения в гармонический
143
ряд и ограничиваясь первой гармоникой, найдем коэффициенты
ряда:
И' = Иохх (cosmycosy + msinmysiny + 1),
Olm
т2-1
И" = Иохх (mcosmysiny-sinmycosy)
Olm
m2- [
и амплитуда первой гармоники переменной составляющей
Ио1т = V (И~1т)2 + (И~1т)2•
Зависимость коэффициента пульсации для m=2, 3, 6 показана
на рис. 6.32в.
Выпрямленное напряжение при нагрузке с учетом внутренних
активных и реактивных сопротивлений
И0 = Иохх-10 (rф + тхтр/2n).
6.7 . СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ , ПИТАЮЩИЕСЯ ОТ
ОДНОФАЗНОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Однополуперuодная схема выпрямления. Простейшей схемой
выпрямления_ является однополупериодная, которая изображена
на рис. 6.33 при различных характерах нагрузки : активной, ак-
Рис . 6.\33 . Однополупериодная схема выпрямления
aJ
Uz
Jl
1
1
/i) 6 jи,
о
У[
Рис. 6.04. Однополупериодная
схема, работающая на активную
нагрузку:
~) напряжение вторичной обмот
ки; 6) выпрямленные напряжение
И токи iв, io, i2
тивно-емкостной. В зависимости
от характера нагрузки соотноше
ние между всеми параметрами
схемы выпрямления, так же как
и в любой иной схеме, различны .
При чисто активной нагрузке
вентиль будет открыт в течение
половины периода, когда потен
циал на его аноде положителен .
Поэтому выпрямленное напряже
ние в течение этой полов1и ны пе
риода будет равно ЭДС вторич
ной обмотки трансформатора
(рис. 6.346).
В течение другой половины пе
риода вентиль закрыт и напряже
ние на выходе выпрямителя рав
но нулю .
144
1Среднее з,н,ачение ,вЬ!lпря,мленного на1пряжения
л
л
Uв=
-
1- ru2 dffit = -1-JИ2msinffitdffit = И2т = у2 И2, (6.20)
2лJ
2л
л
л
о
о
rще И2 - действующее значе,ние ЭДС ~вторичной о,б,мотки 1'ран1с
фор,ма1'ора.
Из (6.20) шо за,да·нной ,величине И0 rможно 01пре1делить U2
И2 = (л!V2) И0 = 2,22И0•
Кри1вая 1вы:пря,мленн0rго на1пря,жения uo со1дер,жит 1по·ми1мо iП·О·
стоянной со.ста·вляющей И0 ~пе.ременные составляющие . Представи1в
кривую Ио гармонИtчес~ким рящом, ,можrн,о ·01пределить ам1плиТ1уду
л юбой ,гармоники . Ам1плитуда основной гармо,ники, и1меющей наи
большую в-ели,чину л наименьшую часто1'у fп1 =/с, равна Ио1т=
=O,5:rt Ио= 1,,57 UQ. КоэффиtЦиент ,пуль:са1ции ;no основ·ной гар,мо
н ики в эт,о,м сл;уч ае КП! = Ио1т/Ио· = 1,57.
В.о второй -пол,у,период ~вентиль за1крыт и ,к нему r11ри~клады.1Ва·
е-гс.я обратное нашряже,н,ие, ра,вное а1м1плиту1Де на1пряжения вториrч
н ой 06мот1ки, т. е. Иобрm= И2m=:mИо=.З,14 Ио.
Та,к ~как 1в 01Дно1полу1перио.цной ,схеме ВЬ!lпря.мле·ния ·вторичная
обмотка трансформатора, ~вентиль и нагр уз1ка соединены 1последо.
вательно, то 1В любой момент времени ток на1гру~з1ки одновремен,но
является токо1м втюричной о'6мтжи и током вентиля, т. е. i0 = i2= ,iв.
Кривая 1'О1Ка ia = .i2 = 1iв = и0/1Rн совпадает с кривой Ио в изменен
~-юм ,масшт2.бе (с1м. 1рис . 6.346).
Срещнее значение тока и а·мпли11у;r.а тока ,вентиля ра1в-ны:
lcp = l0= Иоf,Rн ; lвт= И2т/,Rн = •л,Uо,/1Rн= G, 141о.
Действующее значение то,ка ве,н,тиля и rв торичной о,бмо11ки
тран,сф,орматора
!в=/2 =
-
1- \ Uвmsinffif) 2 dffi f = О,5л/0 =1,5710•
Vr-
л
2л ..
о
По •ве л ичине то,ка вторичной обмотки 12 и .напряжению И2 мож
но О1пределить мощность ,в1'оричной обмотки
S
n
л
2= m2/2И2= -V2И0210= 3,49Р0•
На1пряжение rпер1виrчной обмотки отличается от на1пряжения в'Го
ри,чной .о,бм,011ки в -коэффициент тран·сформа'Ции раз, т. е.
И1 = 1(w1 /w2) И2= n,U2.
В :кри1вой тока ,первичной обм.011ки траrнсформатора ~постоянной
составляющей нет и, следовательно, действующее з.на1чение тока /1
не ра·вно :приведенному значению тока вторичной обrмо11ки, так rка,к
кри·ва я тока i2 ломи,мо ше ременной .соста1вляющей содержит и лос
"Гоянную . Поэwм у 1пренеrбретая ток·ом холосто,го xol.'I, a, дейс11вующее
145
значение тока mервичной обмо'11ЮI трансформатора
11= (1/n)V!~ -
1g = (/0 w2/w1) V 1,572- 1 = (1,21 w'!./w1) 10
Гаiбариtная мощность 1пер1ви~чной обмо11ки
S1 ::sm1 V111 =~ ,~- V01•21w2 10=2,69Р0•
W2 r2
W1
Гаlбар:~пна,я мощность втор,и"!ной обмо11ки больше, чем первич
ной (S2>S1) . так 1Ка,к ~ ,юрИ1вой тока вторичной обмотки содержит
,ся 1постоян;ная соста1вляющая, которой в кривой ·ю1ка :первичной
об мо11ки нет .
,В ,,рансформаторе , работающем на обычную на,гр:увку, га,барит
ные ~мощности 1перви~чной и вторичной обм1ото.к одинаковы и равны
rа1баритн,ой мощности тра·нсфор1матора, т. е . S1 =S2 = Sтp , В нашем
сл,у,чае rа·бар .итные ,м ощности обмоток различны и ,rаба•ритная мощ
ность трансформа·тора равна m•олусуМ'ме мощностей ,оtбмото1к, т. е.
Sтр=О,Б(S1 +S2) =.'3 ,09 Р0. Эта мощность трансформатора О1преще
ляет сечение сердечни1ка и его о,бщие раэмеры.
Суще1ственны,м недастат.ком данной схемы .выmря,мления rпри ра
боте ее на активную на1гр1уз,ку я1вляется ·боль-шая 1величи1на ,пульса-
aJ
Uz
ti)
J[
ыt
ции 1вы1прямленноrо на1пряжения,
поэто1м•у нео'6хо1дима устанонка
сrлажиrвающе:rо филь'Гра.
•
Бели фильтр ,на,чинается с ·ин
дУ'ктивно,сти, ,наrгрузочная хара1к
теристика :выrпря,мителя будет ,рез
ко паrдающей, вЫlпрямленный ток
бrущет ~прерывистым, им1пу льсы об
ра11ноrг.о 1на1пря,жения •с ~крутым
фронтом. По'Это,му схема с инду,к
тИlвным фильтром лра1ктиче,с~к,ото
интереса не :представляет.
На mрактике ,01дноrполу1период
ная схема ,выпря,мления 1приме
ня ,ется в осн .овном с емко•стным
фильтро,м (рис. 6.Зб). Бмкость
•
устанавли·вается на выходе ,вып
wf ря,мителя параллельно сопротив
лению нагрузки .
Рис. 6.35 . Однополупернодная схема,
работающая на активно-емкостную
нагрузку :
а) напряжение вторичной обмотки;
б) выпрямленные напряжение и ток;
в) токи в вентиле и вторичной об-
мо11ке
При работе схемы 1на а1кти1в,но
емкюстную ншгр узку в1ен,иль от
крыт в инте,р 1вале времени, ко :rда
на1прЯiжение :юоричной обмотки
превыш ает наrпряжение на ем1ко -
сти. Ка,к толь;:~ю наrпря,жение rвто
ригчной о6мо'Гки станет ·м,еньше наrпряжения iНа ем1кости, ем,ко,сть
1разряжае'ГСя на соmротивление на1гру.з•ки. Криrвая ,вЫ1п.рямленноrг,о
на1пряжения в эт01м случае с•ост.оит из д!В'УХ учас11кюв - отрезо ;к си-
1416
нусоиды ЭДС В'I'ори~чной оrбмотки лри
открытом .в•ентиле и о·'I'резок эК1Спонен
ты, KOirдa вентиль за1крыт и конденса
тор раrзряжается на со1противление на
гр,ув:ки.
Ток в -вентиле, ра1вный току втор•ич
ной обмотки трансформатора (iв=i2),
и1меет форму сину,с•ои:дальню:го им-пуль
,са длительностью 2·8, МНОiГО меньшей
половины 1перио.да .
,Все 1па1раме·тры схемы ;выпрнмлен·ия
в этом случае я1вляются фун1юцией уг
ла о·тrс,еч1ки 8 и от~рещеляются, ·как бы
ло 1по1каэано -в § 6..5, трафо-аналитиче
ским методом. В та:бл . 6.1 ~приведены
данные ·основных 1па.раметрав этой схе
мы 1при работе ее на а1ктивную и ем
костН'ую наrгруЗIКИ .
К нещостаткам данной схемы ВЬIIП
р я,мления следует ·отнести: большую
в ел1и~чину ~пульсации; низюую частоrу
пульсации ; высокое обратное ,напряже
ние ,на вентиле; .плохое ис:п·оль.зование
трансформатора; вынужденное на,ма['
ничивание тран,сформат,ора. Преиму
ще,с·11вом схемы я1вляет,ся ее простота,
минимальное ·число элеме·нтов и воэ
можность ~работы без трансфор'Матора .
Рассмотр,енная схема выпрямления
,применяется 'В ODHOIB:НOM с емIЮСТНЫIМ
фильтро,м на 1ВЫХ1ОЩНЫе МОЩНОС 11И
(110-; -15) Вт с кенотронными вентиля
ми и (2-;-3) Вт с 1полу~пр ·ОIВОДНИIКО
ВЬ!'МИ.
Двухполупериодная схема выпрям
ления. Схема (ри~с. 6.36) состоит из
трансформатора, вт-оричная абмотка
которого имеет вывО1д с•редней точки и
д1вух вентилей, ка-годы кот,орых (1или
а1ноды) соедин-ены в общей то11J1ке.
Принци1п действия схемы рассмотр им
на 1при1мере ее работы на акти1вную
на1гр у:з1ку.
От сети tПеременно1г.о тока кпер1ви,ч
ной Оiбмотке трансфор,матора подв10 -
ди тся сину~соидальное на1пряжение. Во
вторичных о6мотка,х ин1д<у1ктируются
оину~соидаль:ные ЭДС. ПрещJП,оложи,м в
первы й полупериод (рис. 6.37а) нап-
1147
'
"'=
=
.,
..
:,g
"'
"'
1:21
"
.,
><
"
:21
"'
,..
.,
:,g
..
"'
..
t:
1>,
,..
t,)
--
,;
--
~
--
,;
--
..
.. ...
--
-;;;
i.....
--
=
.....
--
1>,
"
.. ...
--
1:1>,
"'
';;;:,о
--
...
.Е
--
,
...
::.::1:1
--
~
=
:.:
iet""
~~..
=
+
"'
QIi "'
Q.,
-
"'
Q.,
cr,
~ С)~
о
u; ';:.J .....
с,;
o+I
х
<>
1
1~
Q.,
cr,
<D
"'х
С'!
,С)
~
~
~..1i; "'
.....
... ..
С)
С'!
.....
<>
Q.,
о
Q.,
cr,
С)
...;<
с,;-
~
"'
... ..
"'
1'-
u;
.....
... ..
С)
"'
"'
:::::i
:::J
С'!
С'!_
~
С'!
"'
"'
... ..
...;<
.....
... ..
ц.
с,;
"'
... ..
1'-
"'
~ .....
... ..
С)
о
"'
......
.....
"'
х"'
:::::i
С'! :::::i
...;<
~~
.....
~ С'!х
о
о
....
....
1'-
~1i
u;
-
"'
:::::i
~1~
u;
...;<
о
с.,
Q:;'
~
,....,.t.-1.0--_~,---~fi'a
21
---
tUzt
»'-0----t--""?'0
1 ---
tUzz 2
Рнс. 6.Зб. Двухпо лrупе,ри·одная схем·а выпря ~ 1.пения
ряж е:ние 1Ве р х,ней ф азы и21 ,поло,жителыrо относительно нулевой точ
ки тран,сформатора, а на1пряжение нижней фа зы О'I'ри,цательно. В
с.)
этом случае i!lотенциал анода
иz
,перно,го ,вентиля бу,дет .положи
oJ
Р ис. 6.37 . Работа двухполупериод
ной схемы на активную нагрузку:
а) u2 (wt); б) uo(wt); io(w t );
в) i21(wl); iв1(wt); г) i1(wt)
тельным п·о отношению к его ка
тоду, и чер ез этот вентиль будет
прот ек ать ток от точ.ки О 1п о верх
ней половш не вторичной 0'6мот1ки
трансформатора через ,первый
ве,нтиль, со 1противле:ние нагрузки
Rн, ,к то,ч:ке О.
Во второй ,по луmе риод на1пря
жение ни:жней фазы U22 будет ·по
ложительныУI относительно нуле
· вой то'ЧКИ и б1уде т О'I'К1рыт вт•о.рой
-вентиль. Во второй 1полупе,ри·од
TOIK ,проте~кает от ТО'ЧIКИ о IПО ,ниж
ней фазе, через второй вентиль,
со1про11tfвление на.rруз1ки Rн к то,ч
ке О траноф,орматора .
Та1ким оlбразом то1к 1в сопро
тивлении нагр1~з:ки протекает в
,неизменном на1пра 1в лении и на
mря,жение .на выходе вЫlпрямите
ля .постоянно 1по знаку (рис .
6.376).
Сре:д1нее значение выпрямлен
но1го 1на1пряжения при ра1боте на
акrиВ'ную на ,грузку
п
-
1s
.
2
2 -v2
U0=
-
И2ms1П(i)fd(i) t = -И2т =
--
И2 = О,9И2, И2 = l,IlU0•
л:
л:
л:
о
Ча'Стота ,пер,в-ой гарм-оникш выпря,млен,н,о1г,о ,на!пряжения равн а
у,11_1военной ча1стот•е сети (frr= 2,f с) .
К'Оэффициент ·пульсации 1по первой гармонИ1ке выпрямленног о
на1пряжения Кп 1 =2/(т 2-1) = 2/(22-1) =<0,67.
Так :ка1к •ка.ж,дый вентиль и фаза 1В1торичной о'6мотки трансфор
матора работают одну половину периода, то среднее значение то-
~ !48
ка ве,нтиля равно 'По.1овине тока на,гру;зIк:и, т. е. Icp=0,510. Ам,пли --
1'уIда тока чере:з ,вентиль
l nm = И2111/1Rн= ,(л/2) (1Ио/Rн) =,О,Sл fo= 1,57fo.
Дейст,вующее значение тО1ка вентиля и фазы ,вторичной обмотки,.
1,-1,- {
;, J{/,тsiпwl)'d wl ~ : 10 - 0,78510•
Обрат ное 'На,п рюкение ,вен ти л я ра в но су мме ЭДС ,двух фаз вто
рич,но й о~бм-О Т'КИ и а':vrшл итуда ,о,братн о;го на,пряvкения равна удвоен
ному зн ач е,нию юш л и т у~ды ЭДС ф азы 1втор1ичной обмот11ш, г. е.
Иобр т =2И2111 =2 •0,5:тtИо = 3, 14Ио.
Га,баритная м,о щ1юсть втори'Ч'Н'ОЙ обмотки S2=tn2И2f2=
= 2 ·0,9И00,785!0= 11,74 Р0.
На 1пряжение 1первичной о~бмо11ки И1 = ,w 1 И2/.w2 и т,ок 11 =
= (w2 /w1)I2V 2.
Габари-гная ,мощность :пе,р:вичной обмотки
S1 = т~И/1 = (w1 /W2) И2 (w~ /w1)f2 X
x V 2 = 0,9U0 0,785!0V 2 =1,23Р0
и га,баритная м о щноегь транс
форматора
Sтр = О,,5 (S1 +S2) = 0, ,5 (11,'23+
+11,74) Р0 = 1,48Ро.
Так ,каIк Iпри работе дlВухшолу
лериодной схемы на активную ,на
гру;з 'К У ,п у льса~цIия ,вЬ11прямлен ,но1rо
н апряжения вели -ка и составля,ет
67 % от сред•н е.го значения U0, то в
большинсnве слу,чае:в на выхоще
данной схемы уста,на;вливается
фильтр.
При ра6-оте схемы на ем1кост
ной фильтр .выIпрямлен,ное наmря
жение, токи вентиля и 1в обмот
ках тра ,нсфо,рматора и;зменяются
во времени та ,к, Iка,к это mоказано
на рис. 6.3'8. Время работы фазы
и ,вен11иля 1в этом ,сл учае меньше
!ПОЛОВИНЫ периоща И ЗаlВИСИТ от
величи;н емIко,сти ~<Оiнденсато ,ра,
со,противления нагр уз,ки и солро
ти,вления фазы.
149
\
/1
\11
11
1/1
. ' 8) опг--t---.,,.?.r----: --1 _
__ J_ _z+:t...,.
1-r .,_;f'
''t"z,, iв
1
?)О"28 л
•
1
1◄
L111
/1
Jl
1
1
1
2Jf (;Jt
2Jf wt
P1rc. 6.38 . Работа двухполупериод
ной схемы на емкостную на
грузку :
а) Uz( ,wt); б) uo(wt), io(wt);
в) i21 (w,t), iв (w.t); г) i1 (wt)
"'!§
..
...
С/)
,;j
.. ::
"'
..
~ tl)
"'
i-
2
"
:>! .....
1~
"
..
!..
с:. :::>
о
.....
LC
со
r--
0
-
-
х
CQ о:'
~Q
r-- _
х
с
о
... ..
QLC
о
о
с...
-
о:'r--
LC
о
.....
r--
0
r--
0
iо-
--
0---0 ---- -11
1J!~о
... ..
:;; - ----= --
-
--
с:.
...
"'
:>!
"
"'
с:. ...
i=
..
"
...
.
о
... ..
LC
re
о
о
.....
LC
о
с<:>
r--
ф
о
,;:;
а,
о
о
... ..
Q
LC
о
о
... ..
LC
о
х~
С'-1 CQ
со_х
С'-1
о
... ..
r--
0
r--
0
о
.._
LC
о
с<:>
r--
ф
о
-..1
150
Рис. 6.39 . Работа двухполупериод
ной схемы на индуктивную на
грузку:
а) uo(wt), io(wt); 6) i21({J):t),
iв(wt); в) i1(wt)
,Соо'!'ношения меж~у всеми
,п арам -етрам 1и схе-мы выпрямле
ния уста·навли ·ваются,
как
функ:ции угла отс ечки 0 и рас
четного 1коэффици,е1нта А .
При работе д!В'У•ХIПолу~пери
Оiдной схе,мы на на,rру.з,ку ин
ду:кти1вн ,01rо ха.ракте,ра ТО'К в на.
rрузrке бущет близ,о·к к 1пос11оян
ному (1 0= iconst), е1ели инду~к
тиrвность дро•с,селя на 1выходе
выпрямителя достаточ:но вел1и
ка (L--+-oo) . Таrким ,о:бра-зом, 1Пе
ремен,ная с о·с·тавляющая вып
рямленно•r,о на~пряже,ния задер
жи1вается дросс-елем, а сrюсто
ян'ная со1ст а1вляющая - прило
жена 1к на,rр~)"З1ке. Эффект с,rла
жи~вания rпульса,ции на1пря1же
ния и то1ка др•оrеrселем бrудет
е1ка:зываться тем сильнее , ~чем
больше инду.ктиil~ное сопротив
ление д·росселя для осноrв:ной
гармониюи mwL по сравне,н'ию
с 001противлением нагруЗ'I~И.
Кривые выпрямленното на1Пря
жения u0 и 1101ко1iз вентиля iв и
тр ансформа тора изоrбражены
на 1рис. 6.39.
Оtно1В1ные пара,метры схемы лри ее ра,боте на ем11юстную на
груз,к,у и нагрузку ищдуктивноао хара:ктера ~nри1веде,ны в та6л1и
це б.2.
Сра1внивая 1параметры схемы при различных видах нагрузки,.
,ви1дн,а, что величина габаритной .мощности трансфор1матора, а та,к
же ,д;о1пу~стимые то1ко,вые 1на,гру~з,ки вентилей разл1ичны .
Лучшее исmольвование тра,н•сФо•рматора 1при наrруз~ке акти,в,но
ин'1,,'J:у1кти,в,н·ой (Sтр= 1,34 Р0 ), не:с1колыко х1уже при чисто а1ктивной ,
(Sтp= il,48 Ро) и значительн,о хуже ,при емко·стной (Sтp= · l,7 Ро при•
В= 1, D= '2) . На1грев вентилей таwже 6уtдет на:им,енышим при на
груз:ке инду1кти·вной , нес;к1олыко большим при чи,сто актив~ной и наи
большим - mри еМ"костной . Это 06ъя1с,няет,ся ра·зличие~м фо•рмы,
кри~вой тока tВентиля и ,обмото:к тран~сформатора mри различных,
--
L
~tн:nУнэ~
иQ
li
5
Ри1с . 6.40 . Однофазная мо1стова,я схема выпрям·ителя
ха,ра1кт,ерах ,на1груз,ки, вслед'С11вие чeiro неощина;ко:вы коэффициенты,
формы ·кривых и действующие значения то1к-ов, ·которые и опреде
ляют на1гре.в ш,ентилей и 06.мо·то1к тран1сформатора .
Режим работы вен~иля по о,бра11но·м•у на:пряDКению неск,олько
бла 1юприят,нее при емкостной .нагру1зке (В= 1), mри ;кт:~орой не 01б
хо1димо наименьшее число ши11ко,в вторич~ной обм,011ки -грансфор
матора .
Двух1полу1периодная схема .вЬ!iпрямления .применяется в основ
но1м при на,гр узках ем-ко1стной или индую,ивной. При акти•вной ,на -
1грусже схема 1при,меняется .ред,ко. С ·кенотронными ,вентилями схе
ма рассчитана на .выходные ,мощности до 200 Вт, с полуmровод-
ни,ко1выми ДО 50 Вт .
•
ДостО'И1НiС1'Ва схемы следующие: •повышен1ная ча,стота 1п,улыса
ции; мин1и,мальное чи1сло вентилей; возможность и1ополь:зоrваник
,вентилей с общим ·катодом или анОlдом (для mолушров•одни1ковых ·-
1во1зм,ож,н.01сть :применения общего ра1диато1ра без изоляции вен
тилей) .
Недо1статки схемы: усложненная 1Кон•стру1щия тра1нсфор,матора, .
плохое 1иопользова1ние трансформатора, высокюе обратное напря
жение на ,вентилях .
Одн,офазf-{)ая мостовая схема выпрямления. В схем,е (:рис . 6.40)
четыре вентиля соеди.нены так, чт,о в течение од1ной лол.овины 1Пе
рио1да на1Пряжение .вторичной 01бмотки подается на наtrрузку чере.з-;
ОдJНУ пару 1Ве1нтилей, а ·в течение дру~г0й mоловины .пе.риода - :че
рез дрУ'гую па ·ру.
151
На рис. 6.4 1 изображены графики на п ряжений и токов для мо
.стовой. схемы при работе ее на активную нагрузку.
В первый полупериод потенциал верхней точки вторичной об
мотки трансформатора поJrожителен относительно нижней точки и
ток протекает от плюса вторичной обмотки через вентиль 1, сопро
-;тив.r!ение нагрузки Rн, вентиль 2 к минусу вторичной обмотки.
Рис . 6.4\! '.
Работа однофазной
мостовой схемы на активную
нагрузку:
а) u2(wt); б) uo(wt), io(wi);
в) iв(wt); г) i1(wt)
uJt
8}
'z
г;
u1t
i1
1
1
п ..r.,;t
Рис. 6.42 . Работа одноф$
ной мостовой схемы на ем
костную нагрузку :
а) uo(wt), io(wt); г) iв(wt);
в) i2(wt); г) i1(wt)
Во второй полу п ериод ток протекает от нижней точки транс
r.форматора через вентиль 3, сопротивление нагрузки Rн, вентиль 4
,к верхней точке вторичной обмотки трансформатора . Таким обра
:юм, в этой схеме вторичная обмотка трансформато р а работает обе
половины периода и через нее протекает ток в обоих направлениях.
·че р ез сопрr)Тивление нагрузки ток также протекает в течение обе-
· их половин периода, но в неизменном направлении.
Как видно из рис. 6.42 и 6.43, кривые выпрямленно го напряже
· нпя и0 и тока вентиля i" для различных нагрузок анало г ичны кри
:вым рис. 6.38, 6.39 .
Основные расчетные соотношения для однофазной мостовой схе
~мы вы пр ямления п ри различных видах на г рузки п риведены в
-табл. 6.3.
Однофазная мостовая схема вып р ямле н ия из всех двух п олупе
; риодных схем вы пр ямле ни я обладает наилуч ш ими технико - эко н о-
152
о
л
fJ) lz ....., _ ___
2 J[ 4.1/
о
Рис. 6.43 . Работа однофазной
мостовой схемы на индукти.в
ную наr,рузку:
а) uo(wt); 6) iв(wt); в) iz( ,wt);
г) i1(wt)
МИ'ЧеСIКiИ'МИ
ЛОIКа.За'Телями.
При-меняется 1В 01снонно,м mри
емкостной и и:нд,уктив'ной на
гр1уt3'Ках, реже ис 1пользуется
при ,раlботе на актив'ную на
гру01ку. В этой схеме в ос
новном mрименяются полу
п1ро1воtдни,ко1вые 'вентили. Мо
стовая схема расочитана на
Рвых ,ДО 300 Вт .
Достоинст,в а ~схе,мы : 1по1вы
ше,н,ная ча'ст,ота ~пульса1Ции,
1-11из1кая вели1чина обрат,н,ого
·наrпрюкения; хорошее ис
пользо-в_ание трансформа'То
ра; ра'бота без т,рансформа
тора. К неtдостаткам схемы
сле,-;.ует отнести: нео'бхо1ди
мость в четырех вентилях;
по~вышенное :падение на~пря
жшrия в :вен тиль,ном .ком,.
плекте; ,невоз мо~кно:сть у,ста
новки ОД'НОТИiПНЫХ 1полупро
ВО,ДНИКОВЫХ вентилей на од
но,м радиа'То·ре бе:з изоли
р у ющих лро1клад0к.
м
(О
о:,
Е-<
:;;
:,;
":,,:
u
,,:
о
'"о
...
u
о
:,;
..:;
,;;
.. ::
"'
. ...
о.
"
....
,..,
... .:=
о
'-1. ..
м
С'1
.
-
о
'-1. ..
м
С'1
-
-
~ °'1,..,
::::~ ~
-
.
х
-
о
'-1. ..
м
С'1
-
-
о
. ....
-
-
-
-
~
-
-
-
-
о
. ....
"<Ci'
-
Cf)
о
... ...
LQ
00
t--
о
о·
. ....
ю_
о
~r--
LQ
-
-
"
ч.....
С'1
r--.
(О
о
- :!;
°'.
о
С::'
х~-
,:,
r-- Q
'-1...
RCQ
-
.,
-
оХ
•·
-
:
"'
'-1. ..
Q
~
·
CQ
r--
-
о
.
r--
-
-
о
х "'1,..,
~1~
Q~~
!
r--
о·
о .....
о
r--
.....
ох
х~~
t---Q
f: CQ
-
оХ
-
-
хо
r-- ......
о
oQ
r--_ х
. ....
о
о
~
-
:::i
-
CQ
--
-
о
. ....
Lt.. ,
о
LQ
.....
о
о.
о
. ....
.....
Q
r--
о
LQ
r--_
о
о
о
о
. ....
--
LQ
LQ
о
о
о
о
x:.::i
:.::i
r-- .
_cq
ю_
1
"<Ci'_ х
-
-
:
"
"
:
ч.....
--
С'1
С'1
~,~ t--
(О
о
::;'1 а:)
::;'
О)
о
(.J
Q::
~
Схема удвоения напряжения (схе,иа Латура). В схе,ме (рис.
·б.44а) ш два ·плеча .моста включены шентили 1 и 2, а в два другие
ллеча - 1юнден·саторы С1 и С2. К одной и.з диа,rо•налей моста лцд
ключена ,вторичная обмотка тра,н•сфо,рматора, а к дру~г,ой диатона
-ЛИ - наrруз1ка. Схему у,двоения на1П1ряжения ,можно лредстьвить в
виде двух однО1полу,перио1дных схем, соединенных 1последо,вательн,о
а)
(1
о
оt-+-----L...-j....__-.L_
_j__J_!~
{,Jf
llo
Рис. 6.44. Удвоение напряжения:
а) схема Латура; 6) зависимости
u2(wt); Uc1(wt), Uc2(wt), i2(wt) ,
Llo (wt)
и работаюЩ1их от одной вторич
ной обмотки тран,сформатора.
При ,поло~ительном !Потенциале
т,очки а ~вторичной обмотк•и тран
сформатора, ко,rда ЭДС в ней на
правлена вверх, будет открыт вен
тиль 1 и 1на·чнет заряжаться .кон
ден,сатор С 1 . ТОiк в ~первый полу
периощ :протекает через :вторич
ную обмо11ку, ~вентиль 1 и кон
денсатор С1.
При 1прОТИ'ВОПОЛОЖ'НОМ На[I-
ра1влении ЭДС 1втор1ич·ной обмот
ки (во второй ,пол~период) заря
жается конден1сатор С2 . Ток заря-
1да :1юнденсатора С2 ,протекает
через вторичную об-мотку, :конден
сатор С2, .вентиль 2. Конденсато
ры С1 и С2 ло отношению к соlП
ротиiвлению .на1грузки ,Rн соеди1не
ны 1последо 1вателыно и наm1ряже
ние на .на1гру~з1ке uo=Uci +ис2. На
рис. 6.446 изображены ,кривые
на1пря1Жений на ,конден,саторах
ис 1 , Ис2, на ,с-01протwвлении нагруз
ки u0 и .кривая тока ·во вторичной
обмо"Гке трансформатора i2.
Конденсаторы С 1 и С2 разря
жаю11ся •на ,с·о1противление наrруз
ки Rн. Та1к 1ка,к на,пряжение на
конденсаторах Uc1 и Ucz сдвину
ты по фазе на половину периода,
то суммарное напряжение и0 из
меняется с удвоенной частотой,
т. е. в этой схеме частота первой
rар,мю 1шики выпрямленного на~пря
жения ра·вна уд,во енной частоте сети Uп1 =2fс). Ток 1во вториЧlной
обмот.ке трансформатора в ,различные ,полуш ериоды имеет про·тиво
:положное на,пра,вление 1и 1поегоя,нная соета1вляющая то1ка во вто~
ричной обм-отке ра!Вна •нулю.
Кощде1Нсат-01ры С1 и С2 - элементы схемы :вы:прямления, поэтому
ра,бота выпря,мителя воз,мо1Ж1На лишь ,на емко1стную ,на~r,руз1ку и схе
ма расечитывается графо-аналитиче,С'КИМ методом {с.м. § 6.5).
154
Основные рас'Чет,ные соотношения 1для дан
ной схемы выпря1мления ,приведены в табл. 6.4 .
Ка·к из1вестно из § 6.5, ра,сrче11ные парамет
ры В, D, F опре1деляются 1из кривых .по ~величи
не параметра (А =fonrФf И0m). При О1Пределе-
1НИИ .параметра А ,в выражении вместо Ио J-1е-
01бхощимо .подставить 0,5 И0 и ~принять m= 1.
При ОIПределении Кп1 :п1ринимаем С= С 1 = С2 , а
величину Н О1прещеляе:м 1из рис. 6. 123 для
m=2.
· Схема ущвоения на,пряtЖения расс'Читана ,на
IВЫХодную МОЩНО'СТЬ ДО 50 Вт, на1пряже1НИЯ
300-1000 В с 1полу~прО1вощнико1выми вентиля
ми и •свыше 1ООО В с кенотро1н,ными 'вентилями.
Схема О1бладает сле;дrующими 1Преи,мущест
вами: ,повышенной ча1стотой ,пульса,ции; .низ,ким
об:ратным ·на:пряжением по сра1внению с двух
фа,з:ной ~схемой; хо.рошим ис,пользованием тра1н.
сформатора; возможностью ра,боты без 11ран
с,фор·матора. К ее нед9статка,м следует 011не
сти: .ло1вЫ1ше1н1ное среД1нее значение тока вен
тилей; невоз,моrжно·сть устано1вю1 од.но11ипных
,вентилей на общем ращиаторе без изоляции ;
ниэ1кая частота 1пуль·сации на 1кощ;'1.енсаторах;
возмож1ность 1поя1вления ,пульсации с ча,стотой
сети ,при 1несим 1метр~ии ,плеч.
Схемы умножения напряжения. Схемы ,вып
рямления с у,м1ноже,нием на1п ,ря ,жения целесо
образно 1прим1е нять для ·получения достатО'ЧlЮ
,высо·ких на1дряжений !При малых токах ,наг.руз
ки. Схемы ум1но,ж,е1ния ,под,разделяются 1на 1не
сим,метр,и'Ч1ные и сим ,метри'Чные. В схеме ~рис .
6.45 .каж1дый rюсле1дующий конден1сатор за,ря
жается до более ,высоког,о на1пряжения. Если
ЭДС !Вторичной обм·о11ки тран,сфор1мат,ора на1П
равле1на от точки а 1к точке 6, то через первый
вентиль :кондешсатор С 1 заря1Жается до ам
·плитуды напряжения вторич1ной обмотки И2т ,
При изменении ,на1п,равлен1ия ЭДС вт,о,рич1ной
обмо т ки бу1дет Л1роте,кать т ок заряда 1Второ~о
конденсат,ора mo цепи: точка а, ~конденсатор
С 1 , вентиль 2, 1ко1нденса т,ор С2, точка 6 втор ·ич
ной обмотки тра1нсформатора. При этом кон-
• ден,сатор С2 заряр_ится до налряtЖения Ис2 =
=И2т+Ис1~ZИ2т, та.к ~как вто,ри'Чная о,бмот
ка и ко1нден:сатор С 1 о·казали1сь включен,н ыми
лоследователыно . При последующем измене
нии наш,равления ЭДС ,вт,ориrчной обмо тк и за
ряtЖается третий ко1Нденсатор Сз IП•О .цепи: точ-
155
rli
. .::
"
"'
.....
:,:
:,:
"о
"'-
~
:;;
с.
..
!!i ~
z. ......rд
"'
t:
"'
.....
t:
~
о
'
Q.,
Q
х
'Q
r-
о
..
Q.,
Q
х
~r-
о
х il~-:
Q
-
..
.. ..
....
-
х
С>
хо..
t--Q
-~
ох
х..::
-Q
..... х
-
С>
:::::i
~U")
о
С>
....
r;,...
С>
-
'
Q
'
'
С>
....
х~
~~:
_·х
"
i
.. ._
""
'
~,i
с:)
;
--
::;
1
(...J
Q:,'
'1
ка б, конденсатор С2, вентиль 3, конденсатор С3 , точка а вторичной
обмотки. Конденсатор Сз будет заря*ать,ся до наmря*ения Исз=
= И2т+ Ис2~ 1ЗИ2т и т. д. Та,ки•м образом, на каждом rпоследую
ще,м 1кощ,1,е1нсаторе -кратно-сть на;пряжения соответс1шует его номе
ру ( Исп=n, И2т).
,В этой схеме, так же ка1к и ,в любой др·у~гой схеме умно,же~ния,
конденсаторы работают ,в неоiДrинаковых условиях, так ,ка1к mервые
Jr~ ___
:__
ci-+-+
______
c_J -+ -+
__
_,
4
Рис . 6.45. Схе:ма умножения напряж е ния
конденсаторы находятся ,под на;п•ряжен1и,е~м с большей ,пуль,саци ,ей
и 1более натруrЖе:ны, а последние - должны быть ра:сс1читаны ·на
более высо'К·ие раrбочие 1на1пряжения.
Недоста11ком схем ум,н-ожения на1пряжения является большое
внут1решнее ·со1проти;вление, так ,как эти ,схемы образуются лосле,до
ват,ельным сое(Цине1нием отдель·ных схе-м выпрямления, •которые ,пrи
таются от 01дной вторич-ной о'6мотки тра•н-сформат-ора. Поэтому у
та ,ких схе'М -вЬ!lпрямленное 1на1Пряжение и его ,пулЬ'сация сущес'Гвен
но за1висит от то,ка ,на,груз,ки.
6.8 . ,МНОГОФАЗНЫЕ СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ
М•но,гофаз1ные схе,мы выпрям.'!ения ,п,рименяются для эле1ктро,пи
тания устройств отнооитель,н о больших мощно:стей. Поэтому почти
в1c e:rJI, a они работают на и·ндукти,вную на[iруз·ку, та,к ка:к ,в этом слу
чае лучше ис~пользо1вание тра'I-!сформатора, меньше наrгрев венти
Рис. 6.46 . Трехфазная
однотактная
схема
выпрямления
лей и выше КПД. В некотоrрых случаях м1но-
,гофазные схемы работают 1на актиатую на
rгр уз1ку.
Схема рис. 6.46 1Приме1няется в ос·новном s
выпря,мителях средней мощно-сти. По срав-не
нию -с 1двухшолу1периодными схема·м,и имеет
меньшую величину и большую частоту пульса
,ции. Из-за ,малого па:дения -напряtжения на
вентилях ча 'сто ,применяется ш,ри очень ~низких
,вЬ!iпрямленных ·на1пряrЖе1ниях. К -недоста11кам
схемы ,относятся: болышая 1вел1ичина обратно,го
на,пряжения, 1nлохое ие,пользова,ние трансфор
матора, mодм31Гничи·ва,ние серJJ,ечн-ика 11ра1н,с
форматора ,постоя"Нным током. В данной схе
ме выпрямления 1Пер,вичная об.мотка транс-
1156
шt
2
---
сlic1
4
J
tб--
5
lio
L
"о
--
--
Рис. 6.47 . Трехфазная мосто
вая схема выпрямления (схе
ма Ларионова)
форматора может быть соединена з1вез
дой или тре:уголь·ником, а !Вторичная о·б
мотка соеди;няется зве:здой •с выводом
нулевой точки. Каждый ,вен11иль ш,р,ово
дит то11{ в течешие од;ной трети периода,
колда ЭДС соответствующей фазы поло
жительна и боль1Ше ,по ~величине ЭДС
других фа~з.
Поsд1робнее трехфазная схема ВЫIП
рямления рас,смо11рена в §§ 6.4, 6.6 . Ос
·но,вные расчетные ,параметры схемы при
работе 1на ищцу,кти1вную и а•кт1ивную нат
р узки 1пр·иведены в та~бл . 6.5.
Трехфазная м остовая схема выпрям
л ения ( схема Ларионова) . Имеет суще
ственные 1преимущес11ва по сравнению с
однота1ктной трехфазной схемой выrпря,м
л ения.
В мосто,вой схеме трансформато•р мо
жет иметь любое соединение первичных
и втор1и-чных о~бм,ото·к - как треугольни
ком, т3!к и звездой . Ка ,ж1дая фа:за обмот
ки траrноформатора mодключае'!'ся ,к аrно
ду одното и като1ду дру;rого вентиля (рис.
6.47). Три ~вентиля оправа 1, 3 и 5 соеди
нен ы •катодами ·в об щую то~чку, образ•ую
щую !Положител ьный полюс 1на выходе.
Из э тих трех вен тилей 1про1во~дя щ им бу-
157
tf)
со
,;;
..: :
!,
:о
"'
о.
о
!,
С,
\О
о'
с:
с
Q
::::,
1 с:;:
Q
а...
О()
--1 '
С')
С')
-
-
с:;:
"'
а...
С')
N
N
.
-
-
"'
"'
.......
.......
'"'1 ....
~~~1~
О()
t--
...,. _
--1 '
о
о·
с:;:
"'
а...
-
О()
tf)
--1 '
-
-
"'
"'
.._
.._
cr,
О()
tf)
tf)
о
о
"'
"'
:::::>
:::::>
LO
tf)
tf)
tf)
оо_
оо_
о
о
"'
-...,
-
с,
N_
.......
-
"'
"'
.._
.._
cr,
О()
tf)
tf)
-
о
о
"'
"'
.._
.._
С')
С')
С')
С')
о
о
"'
"'
:::::>
:::::>
-
-
N.
N.
"
о
"- --
"---
С')
С')
tf)
tf)
N_
N
о
о
-:;
"'
:::::>
t--
r-
-
-
-
-
-
Q,:
ч
ia
1
1
;,,! Ьн
-
11I
llI
I
о
1
11
t
111
1f'
~
i
fr
1 uJt
1
1
1f.,)f
1
бIиJt
1
11
Fl~t
1ir
I
11
дет тот, ,на аноде кото,ро,rо в да'Н
ный .момент на1и,более высокий
(·поло~жительный) ;потенциал. Три
вентиля слева 2, 4 и б а1Нодами
соеtП.и1нены :в общую точ1Ку , являю
щуюся отрицательным ,полюсом
на ,выхо,де выпрями'те,ля . Из этих
трех вентилей mро1вощящим бу~ет
тот , .на катоде кото:рого ,наиболе е
011рицателыный ;потенциал .
На рис. 6.48 изображены кр:и
'ВЫе ЭДС и тО1ков в фа1за х втори1ч
ных обмоток трансформатора ,
кривая то·ка в фазе юервичной 06 -
мо11ки и к ривая :вьnпря ·мленного
на;пряжения u0 при работе схе,мы
на ин.д1у,ктив1ную :на [' рузк у .
В момент времени t1 ЭДС фа
зы а имеет наибольшее 1полож1и
телыно'е значение , а ЭДС фазы Ь
наиrбольшее отрицатель·ное значе
ние. Следо"Ватель·но, ,в этот мо
ме,нт в·ремени будет открыт вен
тиль 1, так ·ка1к ~потенциал его
аiнода 1наиlболее положителен, и
1ве~нтиль 4, так 1ка·к пот енциал е,го
1 ,llo катода наиболее 011рицателен .
о
1,1
W@
lJt
Рис . 6.48 . Зависимости Uф ( wi ); ia (Фi) ;
iв (шt); io (,wt); iн{wt) ио(wt) , io(,wi)
в трехфавной мостовой схеме при ее
рабо т е на индуктивн ую нагрузку
Та,ким оrбразом, к Н31Грузхе в ,мо
мент t1 че,рез открытые 1Ве:н11или 1
и 4 .бущет ,приложено 'На,пряже,ние
ме~:жду точ,ками а и 6 ~вторичных
обмоток, равное линейн·ому 'Зна
чению ЭДС. Ток в момент нреме-
1ни t1 будет ,протекать от точки а
вторичной обмот1ки тра 1нсфо,рма
т,ора через :ве,нтиль 1, соrпротивле
ние на1грузки, ,вентиль 4 ,к точке в. ТО1к в фа1з'е а ,в этот ,момент в:ре
ме:н1и имеет rположитель,ное на·пра'вление, а в •фазе Ь 011рицательное .
В м-омент t2 :кончает свою работу фа:за Ь. В интервале t2- ,t 3
раrбО"Тают фа:зы а и с, так ка'К ЭДС фазы а имеет наибольшее
пол,оtжительное знаrчешие , а ЭДС фазы с 1наиlбольшее от,ри1Цателыное
з,на:чение. В этом интервале 1Времени открыты вентили 1 и 6, а на
rrря~жение и 0 1ра1В'НО наm.ряж1е'Нию между тоЧ1кам1и а и с sто,рич·ных
о-бмото'к трансформатора. В интервале t3- t4 р аботают фа,зы Ь и с
и ·ОТК1рыты веiН'ТИЛИ 3 и 6 и т. д.
Каrк вид~но из рис. 6.48, каJК!дая фаза ра1ботает 2/.3 ча,сти 1пе
риоlда, mриче1м то1к в фазе 1/3 часть mериоrда ,протекает ·в о:д~ном
,на1праБлеы1ыи ,. а следующую 1/З ·часть mериода в дру:го·м на1правле -
I58
нии. Из
также
·~ривых нетрудно :
к аждый
ра-ботает
риода.
установить, что
•вентиль схемы
1/'3 ·часть пе- :,:
с::
\О
Мо,сювую схему мож- ;:
но :предста ·вить в виде по
сле1до ·ватель·ного соеди:не
ния д,вух •01д'н,отактных
трехфазных IВЫПря,мите
лей. Один 1вышрямитель
состюит из ·вентилей 1, 3,
5, ,като,ды которых соеди
нены в общую точ,ку. На
пряженrие на выходе это-
го выпрямителя !ПОложи
телыно относительно ·нуле-
вой то1чки трансформато-
р а. Второй выпрямитель
образует вентили 2, 4, б в
нем а:ноrды соедине·ны в
общую то1чк,у и е,го лоляр
но·сть отрицательна отно
си тельно нуле.вой т,очки
11ра1нсформато,ра. Выходы
этих выпрямителей соещи
нены ,после~:~,ова тельно, .и
к нагрузке подводится
суммарное на1пряже1н1ие.
Переменные состав-
ляющие на1пряжения трех
фаз:ных
вып:рямителей
имею т ,сдвиг rпо фазе, ,рав
н ый 60°, вследст,вие чего
rар,мониче,ские соста 1вля
ющие, имеющие rча ·стоту
Зf с, ,взаим,но rком:пенсиру
ются, и частота ос·новной
га,рмоюгки выпрямленно
го ,напряжения в 6 раз
больше част,оты :питаю
щей сети Uп=бf с).
Ооновные ,параметры
схемы •при ее ра,боте на
ак тивную и индуктив·ную
наr,рузхи
,при.ведены в
таtбл. 6.6.
Сраrв,нивая ,пэ.раметры
однотактной трехфаз-ной
r,j
..::
~tt
"'Qj
"'.,
ivi
:,:
:,:
.о
с;
о
...
>,
Qj
~
""..
....
159
о
о
о..
о..
LQ
LQ
о
о_
-
-
о
о':
о..LQ
LQ
о
~
-
-
iliili
о
о
....
....
С-1
С'!
00
оо_
оо
о
о':
о..LQ
LQ
о
о
-
-
о
о
....
....
С-1
С'!
оо.
ао
о
о
о
о
::::>
~
C'Q
C'Q
st'
st'
о
о
о
....
LQ
о
о.
....
-
о
о
.....
-
ао
ао
LQ
LQ
о
о
о
о
....
.....
C'Q
C'Q
с<:>_
""-
о
о
о
о
::::>
::::>
LQ
LQ
q
q
-
-
"
"
.._
.._
ф
<С>
t-
t-
LQ
LQ
о
о.
о
о
-;;;
..
::::>
st'
st'
C'Q
C'Q
С'!
С-1
о::
- -.1
о': о':
LQ
LQ
~~
-
-
о
i
о..LQ
о
о
-
-
ili i]r;
о
о
-
... ..
t-
t-
st'
st'
оо
"'
о
о..
о..
LQ
LQ
о
о
-
-
о
о
....
.....
t-
r--
"'1'
st'
о
о·
о
о
~
~
st'
st'
t-
t-
о
о
о
... ..
L')
о_
о
-
-
о
"'
... ..
... ..
00
ао
LQ
LQ
о
о
о
о
... ..
... ..
(")
C'Q
(")
C'Q
оо
о
о
~
~
LQ
LQ
q
q
-
-
"
"
~
.._
ф
~
t---
LQ
LQ
о
о
о
о
"'
"'
~
~
tQ
LQ
C'Q
C'Q
-
-
~
ч
GJt
wt
11 1111111111
11111I 111111,.1
1i 111 11111I 1
шt
сх·емы •выпрямления и схемы Ларио•но
•ва, неО1бхо1димо отметить следующие л.ре
и,мущества ~последней : малое обра11ное
наrпря ,же~ние на ве1н11иле; хорошее и-с,поль
зоrвание трансфо•рматора; небольшая ам
шrитуда и 1по1вышен:ная частота пуль"Са
ции ; отсутс11ви:е вынуждеш ,не,го на-магни-
Rн чи~ва ·ния тра нс фоР'матора и возможность
[1рименения т,ра1н,сфор,матора с любыми
схемами соединения о'6мото,к, К •недостат
кам схемы Лар1ионова слещует отнести
большо-е число вентилей, а mри ис:поль:зо
вании ве1нтилей с ,на1калыными ,като:дами
неО1бходимость не менее четырех раз:11.ель
ных исто'Ч IНИ ·КОВ ,питания ,накала .
·Сл,ожная ~д.1В'ухта ·кт,ная схе-ма .по1следо
,вательно,го ти:па (:р~ис . 6.49) со,стоит из
трехфазного тран1сформатора и д•вух
т,рехфазных мо1сто1вых схем выпрямления,
в1ключеН1ных 1последова тель ,но .
.Вышря1мле~нные на:пряжения мостовых
схем Uo1 и Uo2 сдви~нуты IВО !Времени н а
1/12 часть :периода (30°). Эт,о достигает
ся :включением 01д•ной системы вто·рич,ных
01бмот,ок rв звез1ду, а д,ру['ОЙ - в тре
у,гольни,к. В рез ультате ,суммарное наlП-
Рис. 6.49. Сложная двух
такт,ная с хема выпрямления
последовательного типа:
ряжение и 0 ~имеет :пульсацию, частота iКО
торой равна 12f с. Коэффицие.нт 1Пулыса
ции ло ,первой га'Рмо1ни~ческ·ой составляю
щей такой же, ,как и ,в д1венаJJ,,цатифазной
схеме ·вы1Пря ,мления:
а) схема; 6) зависимости
Uo1((J)t) ; Uo2((J)t); tto((J)t)
Kn1=12/(m 2-1) = Q/(12 2-1) =0,0135.
Обратное 1на1пряжение в этой ·схеме rв два ,раза ме1нь,ше, че,м в
схеме Лариоrно·ва, т. е. Иобрm=О,525 U0. В.се остальные соотноше
ния •для этой схемы та·кие же, ,как и ,для •схемы Ла•ри0rюва.
6.9 . РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
: ВЫ1прямленное на ,пря,же.ние ,мож,но . ре1гул1и,ро1вать .ка,к по лере
мена-юму, та 1к и по ло ,стоянному 1'0IKY, .включая соответ;с11вующие
реrг улято,ры на,пряжения . Та,к,ое релули1рование свяrзано с дооолни
тельной затратой э,нергии и зrначительно rс,ни,жает КПД выпрями
теля.
Эктюмичное •реrулир ,оrва,н ие и стабили:заrция :вьщрям ленrното
напряжения может быть о6есшечен.о изм•е1нением ~параметров вен
тилей . Для этого необходимо mримене,Н1ие у:пра•вляемых вентилей.
В вЬ!lпрямителе с та,ки,ми ,вентилями можно •ре,гулиро<Вать выпря,м
лен,ное напряжение !При rвысо1юм КПД, OIH имеет м·еньшие габари-
160
ты и стоимо сть, чем специ альн ые рег улято ры переменного или по
ст оя1шо го на пр яжения. Кроме того, в выпрямителях с управляе
мыми вентилями 11южет б ы ть обесп ечена высокая скорость рег у
лирования (до долей периода изменения питающего напряжения),
что поз воляе т обеспечить ста билиза ц ию вы пря млен ного напряже
ния и осуществить быстродействующую защиту выпрямителя .от
перегру зок и коротких замыканий.
Недост атко м рег улиров ания напряжения выпря мителя, изме
нением параметров вентилей, является значительное увеличение
амплитуды переменной с оставляющей и некоторое снижение cos <р.
Управляемые вентили (ти ристоры, тиратроны и др.) могут на
ход иться в двух кр ай ни х состояниях - в открытом, когда через
них протек ает ток нагрузки и падение напряжения на них почт и
не зависит от тока, и в закрытом, когда тока в вентиле нет. Рег у
лирование напряжения у правляемого выпрямителя основано н а
изменении момента отпирания очередного вентиля.
Рассмотри м принцип действия регулируемого выпрямителя на
при м ере с хемы рис . 6.50. Схема состоит из трансформатора, имею-
U./
ЭI
L
о;
Uz1
1121
llд
Uo
1122
R11
о
i дР1~--.---.-
{g !·д1 J.дz
•!
•
•
ыt
Рис . 6.50 . Дв ух полупериодное регулируемое выпрямление:
а) схема ; б) зависимости U21 ( wt); U22 ( wt); ио ({J)/); iдр ( rot)
щето ·вывод с,р -едней то'Ч'ки; дв ух управляемых ,вен-гилей (тиристо
ров); Г-образ н ого фильтра и схемы управления тиристорами. В
регулируемых вы пря мителях, из-за большой п ульсации выпрям
ленного напряжения, почти всегда применяется LС - фильтр . При
рассмотрении принципа действия схемы и при выводе основных
соотношений принимаем: Lдр= со, rдр=О, Гтр=О, Хтр =О; сопро
тивление вентш:~я в прямом направлении ра,вно нулю .
Так как индуктивность дросселя бесконечно велика , то то к
u дросселе не может претерпевать каких - либо изменений и яв.,я
ется вел ич иной постоянной и равной fo. Ток в дросселе создается
поочередным действием первой и второй фазы и независимо от
величины угла регули ров ~ния а проте кает через каждый · тиристор
6-3 11!
! 611
и каждую фазу в течение половины периода . Когда угол регу
лирования (1, больше нуля, то за счет GДС самоинд~'кции дросселя
тиристор будет проводить ток не только в течение части положи
тельного полупериода, но и в течение части отрицательного полу
периода, т. е. когдё. напряжение фазы меняет знак.
Таким образом, напряжение на выходе выпрямителя от wt=a
-wf=л положительно, а от wt=л до wi=n+a отрицательно (рис.
6.506). Интегрируя кривую выпрямленного напряжения в интерва
ле от а до л + а и разделив это выражение на л, найдем среднее
значение выпрямленного напряжения
a+n
а+п
И0=-1- j' u"1 dwt= -
1- JИ2msinwtdwt= И2т 2cosa.
n
n
n
(6.21)
а
а
Из (6.2 1) видно, что при индуктивной нагрузке среднее зна
чен,ие вьшря,мленнот,о на1пряжения По ;р,а,вно ,нулю при угле регу
,rшрования а= 90°.
Выражение (6 .21) справедливо, если не нарушается условие не
прерывности тока в дросселе. Для обеспечения этого условия не•
обходимо, чтобы индуктивность
обмотки дросселя была больше
критической индуктивности .L1,p
i.1,p
\L1,
1v
/
,1/
11
1
11
,..
11
1
l,Jf
/
/
L>Lкp= (Rн/w)tg а.
(6.22)
Как видно из (6.22), это усло
вие трудно выполнимо при боль
ши х сопротивлениях нагрузкн и
при холостом ходе ,выпрямителя.
При нарушении условия не
прерывности тока дросселя время
открытого состояния тиристора
уменьшается. Ток в дросселе в
этом случае прерывистый, а нaп-
'---°'"---/J..L...J(д.c.,,-+a-)-..,..(JfL,....1.13c.,-)__(,}
___
f ря:>Кение на выходе выпрямителя
в течение некоторого времени
Рис. 6.51. Зависимости и21 (шt); равно О (рис. 6.51).
u22(wt); uo( ,wt); iдp(wt)
Для этого режима работы вы-
..
.
..
.
.
прямителя выражение (6.21) не-
uр;1м~н,имо и среднее значение выпрямленного напряжения
J3
'
'
ИO= ~JИ2тsin (J) td (J) t_
·= И:т(cosа- cos ~).
а
В режиме прерывистых токов увеличиваются действующие зна
<~ен.11я . токов тиристоров и трансформатора, что -нежелательно. По
эт.О:!VJУ L дpocj:eJiя вьiбирают такой, чтобы 1 цо возможности. во
1;1сем , :ди,апаз9не измене_ния сопротивлени~ наtрузкйудовлетворялось
(),Jэl у;с,,?овие непрерывности тока. В режиме н~прерывного тока дрос-
селя форма тока фазы приближае1ся к прямоугольной.
•
162
Действующие значения токов фазы и тока первичной обмотки
трансформатора I2~Io/V2, 11 = (w2/.w1)Io.
Величина пульсации на выходе выпрямителя зависит от угла
регулирования а, при его увеличении увеличивается пульсация.
При изменении угла регулирования а изменяется угол сдвига
между первой гармоникой то-
ка и напряжения, т . е. выпря- 112
митель потребляет от сети зна
чительную реактивную мощ
ность.
uJi
Для улучшения параметров
схемы, а именно для уменьше
ния пульсации и уменьшения
реактивной мощности, потреб
ляемой от сети переменного то
ка, на выходе фильтра вк:1ю
чается обратный диод (рис .
6.52).
В первый полупериод на
пряжение первой фазы и21
Рис . 6.52 . Схема двухполупериод •
ног о регулируемого выпрямителя
с обратным диодом
{Jo
о(
(,}f
lдrt ~
D7J"
r__.1.
__
_ L-_ _... .. .,. .. .. .~~""7"t
л
2л
и
-
[ill
~21
1----
·
--- -,,, .-- --' ---'-'~
-
~~
Я
2Я
cJt
iд3Ь .-
Jt
iдpt'-------------~
l
r~
uJt
Рис. 6.63.
Зав:иаимости и2 (wt);
rtaб(wt); iд1(wt); iд2(wt); iдз(wt);
iдр (wt) для схемы с обратным диодом
положительно (рис. 6.53) и к аноду тиристора Д1 прикладываетс я
положительный потенциал относите л ьно его катода. Однако тири
стор Д1 откроется в момент времени i1, когда на его управляющий
электрод поступит сигнал управления. В интервале i2-tз тиристор
д1 открыт, и напряжение на в х оде фильтра Uаб повторяет напряже
ние фазы и21.
Во второй полупериод тиристор Д1 будет закрыт, так как к
нему · прикладывается обратное напряжение, а тиристор Д2 .нач
нет свою работу в момент времени 13 . Начиная с этого момента,
напряжение U::tб повторяет напряжение второй фазы и22 .
Так как индуктивность дросселя бесконечно велика, то токи
через п:ристоры имеют форму прямоугольны х импульсов с ам
плитудой, равной току нагрузки lo.
• В интервала х времени, когда открыт один из тиристоров, вен
тиль Д3 закрыт, так как к нему прикладывается обратное напря -
5•
163
жение. При запирании тиристора в обмотке дросселя наводится
ЭДС самоиндукции и отпирается вентиль Д3. Когда тиристорь1
д1, д2 закрыты, вентиль дз открыт и через него протекает ток,
ра вный току нагрузки !о.
'
При изменении угла регулирования а изменяется среднее зна
чение выпрямленного напряжения И0.
Проинтегрировав •кривую выпрямленного напряжения, получим _
выражение для среднего значения выпрямленного напряжения
И0 = (И2т/Л) (1 + cos а).
Как видно из этого выражения, среднее значение выпрямлен
ного напряжения
изменяется от максимального, равного
(2И2т/л), (а=О), до О (а=л). Изменение величины угла регу
лирования также изменяет величину . коэффициента пульсации.
Наименьший коэффициент пульсации имеет место при а.=0.
Действующие значения тока фазы /2, тока первичной обмотки
/ 1 и тока I дз обратного диода дз определяется из выражений
lo
~ ---
w2
~---
v-
12 = -V _ Уп+а!n, 11 =-10 Уп+а/л, !д3 = 10 а/л.
2
W1
Данные выражения справедливы, если выполняется условие
нещ:~ерывности тока дросселя, т. е. .Lдр>Lкр-
СраВ'нивая схемы рис. 6.50 и рис. 6.52, видно, что включение
на входе фильтра обратного диода уменьшает коэффициент пуль
д1
г-- ·1·-►1--,,
1-f-
1
Тр ( "--о:; Д?
~i
~i
)~
i-r -- -+ --~
,0-} i ?---'- -1 -i1W--~
L
сации и фазовый сдвиг
первой гармоники тока и
напряжения первич1-1ой
обмотки трансформатора.
Регулировочная ха-
рактеристика в схеме с
обратным диодо м более
жесткая, так как для
уменьшения выпря м л е н
ного напряжения до ну
ля в схеме с обратным
диодом угол а необходи
м о сделать равным л, а
не rc/2, как в ,схеме без об-
Рис. 6.54. Схема двухполупериодного регули- ратного диода.
руемого выnря,мителя с вольтодобавкой
Для уменьш е ния ко-
эффициента пульсации
вьшрямленноrо напряжения применяют схемы с «вольтодобавкой».
На рис. 6.54 изображена двухполупериодная схема с вольтодобав
кой.
•
В первый полупериод (рис. 6.55) напряжения и21 и u'21 поло
жи тельны относительно средней точки . трансф9рматора . Напря
жещ1е - на . выходе выпрямителя Ио до момента времени t1 повто
ряет IIапряжение И21- В момент времени .t1 . включается тиристор
f!. 1, диод Д2 запирается; а напряжение и0 с этого момента повто-
164
ряет напряжение и'21. Во в11орой полупериод работает диод дз и
тиристор д,.. При изменении угла а среднее значение выпрям
ленного напряжения U0 изменяется. В схеме с «вольтодобавкой»
1111,lfrz
Uzt, 11 zz
lio
Рис. 6:55. Зависимости u21-(rot); u22(rot); u'21 ,(rot);
и'2z(rot); ио (,rot) для схемы с вольтодобавкой
невозможно регулировать выпрямленное напряжение до нуля. Ми
нимальное значение напряжения V 0 в этой схеме равно: ,Uomin=
=2И2т/rс .
Регулируемые выпрямители могут быть выполнены не только
по двухфазной схеме со средней точкой. Широко применяются од
нофазные мостовые схемы регулируемых выпрямителей. Для пи
тания мощных передающих устройств используются многофазные
регулируемые выпрямители.
Глава седьмая.
Сглаживающие фильтры
7. 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
В любой схеме выпрямления на выходе выпр~мленное напря•
жение помимо постоянной составляющей содержит переменную,
называемую пульсацией напряжения.
-
Пульсация напряжения столь значительна, что непосредствен
но питание нагрузки от выпрямителя, возможно, отнuсительно
редко (при зарядке аккумуляторных батарей, для питания цепей
сигнализации, электродвигателей и т. д.) там, где приемник энер·
гии не чувствителен к переменной составляющей выпря:м.1енного
напряжения. При питании аппаратуры связи и радио:з.;шаратуры
пульсация напряжения резко ухудшает, а чаще вообще нарушает
работу радиоэлектронных устройств.
Г Для уменьшения переменной составляющей выпрямленного
напряжения, т . е . для ослабления пульсации, между выпрямите•
лем и нагрузкой устанавливается сглаживающий фильтр, кото·
ръ1й обычно состоит из реактивных сопротивлений (индуктивно
стей и емкостей).
Переменная составляющая выпрямленного напряжения в об·
щем случае представляет собой совокупность ряда гармоник с
различными амплитудами, сдвинутых по отношению к первой на
разные углы. При этом амплитуда первой гармоники максималь
на и во много раз превосходит амплитуды высших гармони ISJ
В зависимости от назначения аппаратуры связи предъявляют
различные требования к величине и характеру пульсации выпрям
ленного напряжения.
гЧаще всего для радиотехнической аппаратуры качество сгла·
живания характеризуется величиной максимально допустимой ам
плитуды переменной составляющей.
В этом случае фильтры рассчитывают на максимальное подав
ление основной гармоники .:.1
l Iри оценке помех, проникающих из цепей питания в телефон
ные каналы, необходимо учитывать не только амплитуду напря
жения данной гармоники, но и ее частоту. Это объясняется тем,
166
что микротелефонные цепи и
ухо человека обладают различ
ной чувствительностью к коле
баниям разной частоты, даже
если их амплитуда одинакова .
В связи с этим введено поня
тие псофометрического коэф
фициента помех ан (рис. 7. 1),
величина котор9го определена
экспериментально с учетом
свойств микротелефона и чело
веческого уха.
Этот коэффициент, учиты
вающий количественное влия-
ние гармоники с частотой
(1к
7,0
0,8
О',О
0,4
/
/
/_
V\
/~
1
"'-...,,_
-- ... ..
~г---.
~--.-
Q , 4(}{} 800 12(}0 1500 2000 24-00 2800(,Гi/
Р ис. 7.1 . Зав1исимость псофометр11ческого
коэ,ффициента от частоты
800 Гц, и принимается равным единице. Относительное влияние
га рмоник с другими частотами х арактеризуется величиной псофо
метрического коэффициента ак.
Эффективное значение псофометричес кого напряжения пульса
ции ИпсФ на выходе выпрямителя
ИпсФ = V 0,5 [(Ио,lт а1)2 + (И02т а2)2 + · · ·+ (Иокт ак)2],
где а1, а2, ..., ан - псофе>метрические коэффициенты для соот
ветствующих гармоник; Ио1m, Ио2т, ..., 1 Ионт - амплитуды соот
ветствующих гармоник выпрямленного напряжения.
При питании ВЧ аппаратуры связи на выходе вьiпрямителя
важно знать эффективное значенijе напряжения пульсации
Иэф=VО,5(И51т+ug2m+ . . ·+и~кт)·
При питании МJ:!Огоканальной ВЧ аппаратуры эксперименталь
н о было установлено, что пульсация в цепях питания должна учи
тываться двумя нормами: одной для гармоник с частотами ниже
300 Гц и другой для гармоник с частотами выше , так как влияние
этих двух групп гармоник на работу ВЧ аппаратуры существен
но различны .
, Основным параметром сглаживающих фильтров является ко
эффициент сглаживания, которым называется отношение коэффи
циента пульсации на входе фильтра (Кц вх) к коэффициенту пуль
с ации на выходе фильтра ( Кп вых) {на нагрузке)
Кс = Кп . вхfКп . вых = (Ио1т/Ио)/(Ин1тfИн), __
где Ио1m, Ин1m - амплитуды первой гармоники напряжений на
входе и выходе фильтра соответственно; Ио, .Ин - постоянные со
ставляющие напряжений на входе и выходе фильтра .
'Кроме необходимого коэффициента сглаживания фильтры дол
жны обеспечить минимально возможное падение постоянной сос
тавляющей выпрямленного напряжения на элементах фильтра;
мкнимальные габариты, маесу и стоимость; отсутствие заметных
157
искажений, вносимых в работу нагрузки; отсутствие перенапря
жений и бросков тока при переходных процессах; высокую надеж
ность.
Существуют следующие схемы сглаживающих фильтров: из
одной емкости или одной индуктивности; из двух элементов ( Г-об
разные), индуктивно-емкостные (LC) и активно-емкостные ( RC) ;
сложные П-образные фильтры (CLC и CRC) и многозвенные
(LC, RC); резонансные фильтры; фильтры с компенсацией пере
менной составляющей на вых.оде фильтра; электронные фильтры
на транзисторах и электронных лампахj
7.2. СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ ИЗ ОДНОЙ
ИНДУКТИВНОСТИ ИЛИ ЕМКОСТИ
Индуктивный фильтр состоит из дросселя, включенного после
довательно с нагрузкой (рис. 7.2а). Сглаживающее действие та
кого фильтра основано на возникновении в дросселе ЭДС само
Рис. 7!2,. Сглаживающие
фильтры:
а) индуктивный; 6) ем
ко,стной
индукции, препятствующей изменению вы
прямленного тока.
Дроссель щ,rбирается так, чтобы индук
тивное сопротивление его обмотки (xL=
=!m,c,)cL) было много больше сопротивле
ния нагрузки Rн. При выполнении этого ус
ловия большая часть переменной состав
ляющей выпрямленного напряжения падает
на обмотке дросселя. На сопротивлении на
грузки выделяется в основном постоянная
составляющая выпрямленного напряжения
Ио и переменная составляющая, величина которой много меньше
переменной составляющей напряжения, падающей на обмотке
дросселя.
Пренеб,регая падением напряжения на активном сопротивле
нии обмотки дросселя (:Л:Идр=О), коэффициент сглаживания та
кого фильтра
•
VRz+(mсо L)2
Кс= Кпвх=lИ01m)/1Ин1т)~ н с
,
(7.l)
Кпвых Ио \Ин
Rн
где Ио1m, Ин1m - амплитуды первой гармоники напряжений на
входе и выходе фильтра соответственно; И0, Ин - постоянные со
ставляющие напряжений на входе и выходе фильтра; Rн - соп
ротивление нагрузки; L- индуктивность обмотки дросселя; <Сие=
= ·2лfс - угловая частота Cfc - частота тока сети); т- коэф
фициент, зависящий от схемы выпрямителя и п оказывающий, во
сколько раз частота основной гармоники выпрямленного напря
жения больше частоты тока сети.
При заданной схеме выпрямления (т) величина индуктивно
сти L, необходимая для получения заданного Кп вых, может быть
определена из (7.1) L~ (Rн/mffic) -VК2с-1.
168
Емкостный фильтр необходимо рассматривать совместно с вы
прямителем (рис. 7.26). Его действие основано на накоплении
электрической энергии в электрическом поле конденсатора и его
разряде при отсутствии тока через вентиль на сопротивление на
грузки Rн-
Коэффициент сглаживания емкостного фильтра определяется
как отношение коэффициента пульсации при отключенной емко
сти к коэффициенту пульсации на выходе выпрямителя при ее
включении:
КKnвх_(2)/(Н)
с=Knвых- m2- l
, 'гфС
'
(7.2)
где Кп вх - коэффициент пулысации 1на выходе выпрямителя при
отсутствии емкости Кпвх=2/(m2-1) (см. § 6.4); Кпвых - коэф
фициент пульсации на выходе выпрямителя при наличии емкости
Кпвых = Н/rфС (см.§ 6.5).
Из выражений (7.1), (7.2) видно, что с увеличением т коэф-
фициент сглаживания индуктив - о) L
-
0J ·t
ного фильтра увеличивается, а ем- ~ в--
костного уменьшается. Поэтому U01 m
.L (Uют
емкостный фильтр выгодно при- . т с1 т~ч
Со С, Rн-
менять при выпрямлении однофаз - Uo
Цч"Uо
ных, а индуктивный при выпрям
лении многофазных токов. При
увеличении ,R.н сглаживающее дей
ствие емкостного фильтра увели
чивается, а индуктивного умень
шается. Поэтому емкостный
фильтр выгодно применять при
малых, а индуктивный при боль
ших токах нагрузки.
7.3. LС-ФИЛЬТРЫ
Наиболее широко используют
Г - образный индуктивно-емкост
ный фильтр (рис. 7.За). Для сгла
живания пульсации таким филь
тром необходимо, чтобы емкост
ное сопротивление конденсатора
Yorm
Рис. 7.,3 . .йС-фильтры:
а) Г-обраэный; 6) П-обраэный, в)
многозвенньrй; г) фильтр из индук
тивности и аккумуляторной батареи
для низшей частоты пульсации было много меньше сопротивле-
ния нагрузки ([хс1 = --
1- « Rн)• а также много меньше индук-
тwсС1
тнвного с~тротивления дросселя для первой гармоники (Xct=
= __J_
c <<mшcL =, xL ).
тСйе 1
При выполнении этих условий, пренебрегая активным сопро
тивлением дросселя и принимая И0 = , Ин, коэффициент сглажива-
169
ния Г-образного фильтра
Kr=Uolm =m2 w~LC1 -1.
(7.3)
Ин1m
Так как 1/ VLС 1 = 1wо-=-собствевная частота фильтра, то
Кс = (mwc/w0)2- 1.
Коэффициент сглаживания Кс определится отношением изве
стных уже пульсаций на входе и выходе фильтра. Таким обра
зом, необходимое произведение индуктивности и емкости (в ГФ)
LC1 = (Кс + 1)/mzw~ .
(7.4)
Выражая в (7.4) L в генри, а С1 в микрофарадах,
следующие расчетные формулы:
получим
дляf=50 ГцLC1 = lO(Кс/l) (ГмкФ);
т
(7.5)
(7.6)
для f = 400 Гц LC1 = _о_._lб~(К--'с_+~l)_ (ГмкФ)
т2
Выражения (7.4)-(7.6) дают возможность по заданному ко
эффициенту сглаживания определить необходимую величину про
изведения.
Одним из основных условий выбора L и С1 является обеспече
ние и,ндуктивной реакции фильтра . Та.кая .реакция необходима
для большей стабильности внешней характеристики выпрямителя,
а также в случаях использования в выпрямителях германиевых ,
кремниевых или ионных вентилей.
Для обеспечения индуктивной реакции необходимо выполнить
следующее неравенство:
L > 2Rнf(m2 - I)mwc = 2Ин/(т2 - 1)mwcf0 •
(7.7),
Определив из (7.7) величину L, можно найти значение емко
сти С1.
Если нагрузка на выходе фильтра не постоянна, можно опре
делить величину емкости С1, задавшись допустимым выбросом на
пряжения на выходе фильтра ЛИн при сбросе нагрузки
С1 > (Л/6/Л U~)L,
(7.8)
где ,Л/о - величина изменения тока
т
fu'mux
i'---+---'----+-~~------
1и
fomin
Т;,
t
Рис. J.4 . Ток нагрузки
170
нагрузки на выходе фильтра ;
,ЛИн - допустимый выброс
напряжения
на
выходе
фильтра.
Определив величину С1.
можно найти величину L.
Если нагрузка на выхо
де фильтра имеет импуль
сный характер, величина
емкости С1 существенно вли
яет на степень искажения
формы импульсов тока .
На рис. 7.4 приведен график изменения тока при импульсном
характере нагрузки. Степень искажения формы импульсов тока
характеризуется коэффициентом искажения Ки=(/~1-fо2)/21и,
где /01, / 02
-
ыаксимальное и минимальное значе ния тока в им
пульсе; fи - среднее значение тока за время его импульса .
к
~
Тн
Т
Если величина и задана, то l-1:1/
, где
и- дли-
1
Rнln---
l-2Kн
тельность импульса тока нагрузки.
Зная произведение LC1, можно определить индуктивность дрос
селя L.
При проектировании фильтра необходимо также обеспечить
такое соотношение реактивных сопротивлений дросселя и конден
сатора, при которых не могли бы возникнуть резонансные явле
ния на чаеготе пульсации выпрнмленного напряжения и часюте
изменения тока нагрузки.
Если нагрузка постоянна, то условием отсутствия резона нса
является: ffio~;(),5:mffic, где
'ffio - собственная частота фильтра,
равная 1/ V LC1. Это условие всегда выполняется при КФ~З. Ес
ли ток нагрузки изменяется с частотой 'ffiи, то условие отсутствия
резонанса можно записать так:
ffio ~ 0,5ffiи = 0,5К ffic,
где ffiи - частота изменения тока нагрузки, К = 'ffiи/ffic
Ycлoвиe (7 .9) выполняется , если
Кс >(2mJK)2 - 1.
(7.9)
(7.10)
Если при расчете фильтра окажется, что заданное значение
Кс меньше величины Кс, полученной из выражения (7 .1 1О), то не
обходимо увеличить произведение LC1.
Зная L, можно рассчитать дроссель фильтра или выбрать стан
дартный . По найденной из расчета величине С 1 можно выбрать
тип конденсатора . Конденсатор следует выбирать на напряжение,
равное напряжению холостого хода выпрямителя, увеличенное на
15-20 %. Необходимо также, чтобы амплитуда переменной сос
тавляющей напряжения на емкости не превышала предельно до
пустимой величины для выбранного типа конденсатора .
П-образный LС-фильтр (см. рис. 7-36) можно представить в
виде двухзвенного, состоящего из емкостного фильтра с емкостью
Со и Г-образного с L и С1.
Коэффициент сглаживания такого фильтра можно представить
как произведение коэффициентов сглаживания емкостного филь
тра и Г-образного LС-фильтра.
Учитывая (7 .2), (7.3), получим
Kc=Kc{c)Kcr=
2'ФСо (m2 ffi~LC1-l)
(т2 - I)H
(7.11)
171
При расчете П-образноrо фильтра величина емкости С0, вели
чина коэффициента пульсациц напряжения на емкости Кп вх, а
также т и Гф известны из расчета выпрямителя.
Исходные величины LC1 могут быть определены из выражения
(7.11).
В П-образном фильтре наибольшей величины коэффициент
сглаживания достигает при равенстве емкостей С1=Со .
При необходимости обеспечения большого коэффициента сгла
живания целесообразно применение мноrозвенноrо фильтра (см .
рис. 7.Зв). Коэффициент сглаживания такого фильтра
к = Ио1т = Ио1т Изв1т
Изв(п-1)=ККК
С
•
•
•
С1 С2 с,,,
Ин1т Изв1m Изв2т
l Ин1т ';
так как отношение амплитуд переменных составляющих на входе
и выходе каждого звена определяет коэффициент сглаживания
этого звена.
Если все звенья фильтра состоят из одинаковых элементов (L 1 =
=L2= ... =Lп ; С1=С2= . .. =Сн), что наиболее целесообразн о,
то
Кс1=Кс2 =
• • • = Ксп И Кс = К:в = (тшс)2n(L39Сзв)п, (7.12)
где Кзв - коэффициент сглаживания каждого звена; Lзв, Сзв
-
соответственно индуктивность и емкость каждого звена; п - чио,.
ло звеньев.
Из выражения (7.12) можно определить произведение Lзв, Сзв:
LзвСsв = ',/Кс/(т шс)2п.
Число звеньев фильтра (п) выбирается из условия его наи
меньшей стоимости или из условия минимума его суммарных ин
дуктивности (L'1:. =iL1+L2+ ... +Ln) . и емкости (С~ =С1+С2+
+ ... +Cn)-
B О О] ,показано, что, исходя из условия наименьшей стоимости,
двухзвенный фильтр целесообразно применять при Кс;?::40-50,
трехзвенный при Кс ~ 1500-1700.
Второе условие 1[4] реализуется при nопт = 1, 15 lg Кс- В этом
случае двухзвенный фильтр выгодно использовать при Кс>20,
а трехзвенный фильтр при Кс> 160.
Определить величины емкости Сзв и индуктивности Lзв можно,
исходя из обеспечения индуктивной реакции фильтра и . величины
допустимого выброса напряжения на выходе фильтра при сбросе
нагрузки.
В первом случае из (7.7) определяем Lзв, а затем определяем
величину Сзв•
172
Во втором случае величину Сзв можно определить из следую
щего выражения:
где .6J,0 -
величина изменения тока нагрузки фильтра; ЛИн -
допустимый выброс напряжения на выходе фильтра.
Зная Сзв и произведение L3вСзв, найдем величину Lзв• Если ис
точник питания имеет резервную аккумуляторную батарею, го1:0-
вую в любой момент принять на себя нагрузку при прекращении
подачи электроэнергии извне, эта батарея помимо своего основ
ного назначения - резерва является также элементом сглажи
вающего фильтра. Такой фильтр состоит из дросселя с индуктив
ностью L и сопротивления аккумуляторной батареи rr,, включен
ного параллельно нагрузке (рис. 7.Зг).
Так как сопротивление батареи много меньше сопротивления
нагрузки (rб~ •Rн), то переменная составляющая тока выпрямите
ля замкнется через дроссель и. аккумуляторную батарею. Прене
брегая активным сопротивлением дросселя и имея в виду, что со
противление батареи много меньше сопротивления дросселя для
переменной составляющей (rб~,mfficL), коэффициент сглаживания
Зная коэффициент сглаживания КФ и сопротивление батареи
Гб, можем определить индуктивность дросселя: L=KФ1rr,/mюc.
Значен ия активного сопротивления свинцовых аккумуляторов
С и СК приведены в табл. 7.1.
Таблица 7.1
Тип аккумулятора
гб, Ом
Тип аккумулятора
гб, Ом
С-1, СК-1
0,00314
С-16, СК-16
0,00092
С-2, СК-2
0,00251
С-18, СК-18
0,00088
С-3, СК-3
0,00189
С-20, СК-20
0,00084
С-4, СК-4
0,00126
С-24, СК-24
0,00064
С-5, СК-5
0,00114
С-40, СК-40
0,00054
С-6, СК-6
0,00112
С-56 СК-56
0,00045
С-8, СК-8
0,00108
С-72 , СК-72
0,00036
С-10 СК-10
0,00104
с-88, ск~ 88
0,00028
С-12, СК-12
0,00100
С-104, СК - 104
0,00020
С-14, СК-14
0,00096
С-120, СК-120
0,00012
173
7.4 . RС - ФИЛЫРЫ
В вы п рямителях малой мо щности в некоторых случаях при
меняются фильтры, состоящие из активного сопротивления и ем
кости (рис. 7.5) . В таком фильтре относительно велики падение
а)
R,p
о)
Рис. 7.5 . RС-фильтры:
а) Г - образный; 6) П-образный
напряжения и потери энергии на резисторе RФ, но габариты и
стоимость такого фильтра меньше, чем индуктивно-емкостного .
Коэффициент сглаживания фильтра (рис. 7 . 5а)
к_Кпвх
_
Ио1т.Ин1т ~ m'·' CR Rн
С---
-
•
=
"'С'ф
Кп вы,r Ио
Ин
Rн+Rф
(7 .13)
Выражая в (7.13) сопротивления в омах, а С1 в микрофарадах,
получим следующие расчетные формулы:
приj=50Гц RФС1 Rн ~3200Кс•
RФ+Rн
т'
приf=400ГцRФС1 Rн ~400КФ.
l RФ+Rн
т
Значение сопротивления фильтра RФ определяется исходя из
оптимальной величины его коэффициента полезного действия . Оп
тимальное значение КПД лежит в пределах от 0,6 до 0,8 . При
КПД, равном 0,8, RФ=О,25 Rн. Значения емкости С 1 (в мкФ) оп
ределяются из следующих выражений:
дляj=50ГцС1=16io_ Кс ;
Инт
ДЛЯf=400ГцС1=2Jд._Кс ,
Инт
где Io- ток нагрузки (в мА).
При велич и не R1 = 0,25 Rн напряжение на входе фильтра
Ивх = 1,25 Ин.
Расчет П - образного активно-емкостного фильтра (рис. 7.56)
производится так, как и в случае П-образного LС-фильтра, путем
разделения этого фильтра на емкостный и Г-образный RС-филь
тры.
174
7.5 . РЕЗОНАНСНЫЕ ФИЛЬТРЫ И ФИЛЬТРЫ
С КОМПЕНС:\UИЕй ПЕРЕМЕННОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ
Для улучшения сглаживающих свойств иногда применяют ре
зонансные фильтры.
На рис. 7.ба изображен фильтр, в котором в отличие от обыч
ного LС-фильтра параллельно индуктивности включена емкость
Ск, Ее величину выбирают
такой, чтобы колебатель- о)
ный контур оказался на
строенным в резонанс на ча
стоту первой гармоники
пульсации
выпрямленного
напряжения.
Для первой гармоники
эквивалентное сопротивле-
о)L
ние контура Rэкв = ,LfCнrдp, Рис. 7..6. Фильт,р с резо11а-нсным контуро-м:
где Гдр - активное сопротив- а) параллельным; 6) последовательным
ление обмотки дросселя.
Эквивалентное сопротивление контура для первой гармоники
будет очень большим и переменная составляющая выпрямленно
го напряжения · почти полностью выделится на контуре. Коэффи
циент сглаживания такого фильтра
Кс::::::: m ffic С1/Rзкв = т ffic С1L/rдрСк,
По сравнению с обычным Г-образным LС-фильтром коэффи-
циент сглаживания резонансного фильтра с параллельным конту
ром в 3-4 раза выше.
На рис. 7.66 изображен фильтр с последовательным резонанс
ным контуром. В нем последовательно с емкостью С 1 вклю чен
дроссель.
Индуктивность обмотки дросселя выбирают такой, чтобы пос
ледовательный контур С1Lк оказался настроенным в резонанс на
частоту основной гармоники выпрямленного напряжения. Пра
этом сопротивление контура для тока перво й гармоники будет
наименьшим и равным Zк=Гк, где ,rк - активное сопротивление
контура, учитывающее потери в стали дросселя, активное сопро
тивление обмотки дросселя, а также потери в конденсаторе С1.
В<:;личину индуктивности обмотки дросселя
Lн определяют из условия резонанса Li, =
= 1/ (тwс) 2 С1 . Приближенно коэффициент сгла
живания такого фильтра Кс ,;::;;:,тwсLкkк-
Недостатком резонансных фильтров явля
ется их эффективность только для одной ре
зонансной частоты. Для других частот, от
личных от резонансной, · контур LСк обладает
значительно мень шим сопротивлением и филь.
грующие свойства значительно ухудшаются .
175
Рис . 7.7. Фильтр с
ком пенсацией пере
менной составляющей
Помимо относительной сложности настройки контура LСк в ре
зонанс недостатком фильтра является неизбежная расстройка его
при изменениях тока нагрузки, так J(ак при этом изменяется ин
дуктивность дросселя. Таким образом коэффициент сглаживания
резонансного фильтра зависит от тока нагрузки выпрямителя.
На рис . 7.7 изображен фильтр, дроссель которого имеет ком
пенсационную обмотку. Ее действие сводит.ся к дополнительной
частичной компенсации переменной составляющей напряжения за
счет отрицательной ОС .
Уменьшение пульсации особенно заметно при больших токах на
грузки, когда дроссель фильтра трудно выполнить с большой ин
дуктивностью. При этом компенсационная обмотка дает возмож
ность уменьшить подмагничивание дросселя, что равносильно уве
личению магнитной про"ниuаемости материала сердечника и ин
дуктивности дросселя.
Глава вось .м ая.
Стабилизаторы напряжения и тока
/ 8.1 ТИПЫ СТАБИЛИЗАТОРОВ И ИХ ОСНОВНЫЕ
ПАРАМЕТРЫ
Современная аппаратура связи предъявляет жесткие требова
ния ,к постоянству .питающих !Напряжений .
Напряжение промышленной сети может колебаться в значи
тельных пределах . Помимо этого, даже при малых колебаниях
напряжения сети, напряжени е на зажимах потребителя может
изменяться в значительной степени из-за изменения нагрузки, так
как любая сеть обладает внутренним сопротивлением. Внутреннее
с о противление складывается в основном из сопротивления соеди
нительных проводов и сопротивления самого источника электриче
ской энергии .
Нормальная работа большинства радиоустройств н е возможна
без стабилизации на п ряжения питания или тока нагрузки в за
данных пределах. Например, радиовещательные и связные радио
станции допускают нестабильность питающего напряжения до
2-3 %. Н апряжение питания клистронных генераторов должно
поддерживаться с точностью до 0,1 %. Ток в фиксирующих ка
тушках телевизионной аппаратуры должен стабилизироваться в
пределах 0,5 - 1%.
Чем чувствительнее прибор, чем точнее измерительное устрой
ст-во, тем выше должн а быт ь с табильность источников питания.
Та .к, дл я э л е ктрон.но га микрос копа ,величина ,нестабильности пи
тающих напряжений не должна превышать 0,005%, а усилители
постоянного тока и некоторые измерительные приборы высокого
класса точнос т и допускают нестабильность напряжений не более
0,0001 %. Малой стабильностью считают такую, при которой пре
де лы изменения питающего напряжения _ составляют 2-5%, сред
ней соответственно - 0,5-2 %, высокой - О, 1-0,5 % и очень вы
сокой - менее О,1%.
Напряжение сети , т ок нагрузки, сопротивлени е нагрузки мо
гут изменяться не только медленно (в течение нескольких часов),
но и очень быстро (скачком), поэтому устройство, поддерживаю
щее величину питающего напряжения или тока в заданных пре
делах, должно действовать непрерывно и автоматически. В ка -
177
чест:ве таких устройств применяются стабилизаторы напряжения
или тока. Дестабилизирующими факторами могут быть также: ок
ружающая температура, влажность, частота тока питающей се
ти и др. Однако основные причины нестабильности - это колеба
ния входного напряжения и сопротивления нагрузки.
Стабилизаторы подразделяются в зависимости от рода на·пря
жения (то к а) на стабилизаторы переменного напряжения (тока)
и стабилизаторы постоянного напряжения (тока) .
Кроме того, стабилизаторы подразделяются на стабилизаторы
параметрические и компенсационные. В качестве параметрически х
стабилизаторов используются нелинейные элементы . Стабилиза
ция напряжения (тока) в таких стабилизаторах осуществляется
за счет нелинейности ВАХ используемого элемента.
В параметрических стабилизаторах постоянно~го напряжения
в качестве нелинейных элементов применяются кремниевые или
газоразрядыые стабилитроны.
Для стабилизации тока используются термозависимые сопро
тивлеыия, например, бареттеры.
В качестве параметрического стабилизатора переменного нап
ряженин применяются электромагнитные стабилизаторы, из кото
рых наиболее широко применяются феррорезонансные .
Компенсацион ные стабилизаторы напряжения или тока пред
ст2вляют собой замкнутую систему автоматического регулирова
ния с отриц а тельной ОС . Эффект стабилизации в данных устрой
ствах достигается за счет изменения параметров управляемого
прибора, называемого регулирующим элементом, при воздействии
,,.
на него сигнала ОС .
В зависимости от типа управляемого прибора компенсацион
ные стабилизаторы делятся на ламповые, транзисторные, тирис
торные, дроссельные и комбинированные.
В зависимости от способа включения регулирующего элемен
та относительно сопротивления нагрузки ламповые и транзистор
ные стабилизаторы постоянного напряжения (тока) делятся на _
последовательные и параллельные. По режиму работы регулирую
щего элемента стабилизаторы постоянного напряжения делятся на
стабилизаторы с непрерывным регулированием и импульсные. В
свою очередь, импульсные стабилизаторы различают по принципу
управления на широтно-импульсные и релейные.
Особую группу стабилизаторов составляют непрерывно-ключе
вые стабилизаторы, сочетающие в себе положительные качества
ка.к линейных , так и импульсных стабилизаторов .
В некоторых случаях стабилизаторы включают в себя несколь
ко регулирующих элементов разного типа, например, транзистор
и дроссель, транзистор и тиристор и т. д. Такого вида стабилиза
торы относятся к стабилизаторам комбинированного типа .
Применение того или иного типа стабилизатора в значитель
ной стеиени определяется его нагрузкой и будет рассмотрено в
последующих разделах.
178
Основными параметрами как параметрических, так и компен
сационных стабилизаторов постоянного напряжения и тока, ха
рактеризующими качество стабилизации, я1Вляются:
а) Для стабилизаторов напряжения:
1. Коэффициент стабилизации по входному напряжени!(i)
Кст = (Л Uof Л Ивых) (Ивых/Ио),
где ЛИо, Л1 Ивых - соответственно mри,раще,ние входного и .выходно
го напряжений стабилизатора при неизменном токе нагрузки; Ua,
Ивых - номинальные значения ·входного и выход'ного напряжений
стабил.изатора.
Вместо Кст может быть задана ,статическая ошибка стабилиза
тора по сети б=ЛИвых/Ивых при lн = const и изменяющемся нап
ряжении сети .
2. В-нутреннее сопротИ'вление ста:билизатора ri, ра,вное отноше
нию приращения выходного на1Пряжения ЛJИвых к приращению ·ю
ка нагрузк,и ,Л/н при неизменном входJном напряжении Uo=<C·onst
r1 = Л Ивых/Л lн.
Вмес'J\о величины ri может быть задана статическая ошибка
стабилизатора по нагрузке 1бi при , Иo=<:onst и изм.еняю щемся то
ке нагрузки б; =ЛИвых /1 Ивых•
3. Коэффициент сглаживания
К~= (И0,JИвых~) (ИвыхfИ0),
где rU о~ Ивых ~ -соответственно амплитуды пульсации: входно,го и
выходного напряжений стабилизатора.
4. Температурный коэффициент стабилизаrора, равный отноше
нию ,приращения ,выходного напряжения ЛИвых к прираще нию тем
пературы окружающей среды Лfонр, при .неиз.менном вход:ном наи
ряжении и 11оке нагрузки (,Uo=cons-t, lн=,сопst)у=IЛИв-ы~/,Л,t011.р•
б) Для стабилизаторов 11ока:
1. Коэффициент стабилизации ,по входному на~ряжению
Кl = (Л UofЛ lн) (/н/Ио),
где lн, Лfн - сооответ,ственно ток и при1ращение тока в сопротив-
лении нагрузки .
А
2. Коэффициент стабилизации при ·изменении сопротивления на
грузки
КR.н = (Л Rн/Rн) Uн/Л Iн) = r1/Rн,
гд е Rн, ЛRн - соответственно сопротивление нагрузки и 'Пр~ираще
ние ,сопротивления нагрузки ,стабилизатора при постоянн.ом вход
ном напряжении; ri - внутреннее сопротивление стабилизатора.
3. Коэффициент пульсации по току
К1~ = l~flн,
где/~-
ам:плитуда переменной составляющей тока ~ нагруз.к.е.
179
4. Температурный коэффициент стабилизатора
'Yt = Л /,JЛ tокр•
Помимо параметров , ·характеризующих качество стабил изации,
стабили заторы псстоянного напряжения (тока) оцениваются по
энергетическим по1{а зателя·м . Основной энергетический п о казатет,
стабилизаторов - коэффицие нт п олезного действия '11·
Стабилизаторы , переменного напряжения характеризуются до
пол~;rи тельн ыми параметрюш, а именно, стаб ил ьностью вых одн ого
напряжения в зависимости от частоты питаюшего напряже ния, кu
эффициентом ,11 ощн ости , нскаженнем формы кривой вы х одного нап
ряжения. \.,
-----
8.2 . ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ
ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА
ДJтя стабилизации напряжения постоянного тока используются
нелинейные элементы. велич ина напряжения на электродах которых
мало зависит от тока, протекающего через них. В качестве так их не
линейных элементов чаще все го применяются газоразрядные н
кремниевые стаб илитроны.
Газоразрядный стабилитрон представ ляет со бо й ионный прибор
тлеющ его разряда, в стеклянном баллоне которого, наполненном
инертн ым газо м., находятся два электрода: анод и холодный кзтод.
Рассмотрим рис. 8.Ia, участок 0-1 характеристики соответству
ет несамостоятельно му разряду, точка 1 - моменту зажигания,
д)
и
U3
о
lmin
t,5)11\
"' --- ---1-"
~+--: ф \
1
1
1
1
1
_L_.
О L--l~m-iп____) Iтах L
ф
•
fтах 'i
Рис. 8.11,. БАХ ст а билитро·нов:
а) газ о разрядно:го; 6) ~tремниевого
участок 2- 3
-
рабочему режиму, при котором напряжение оста
е:гся почти неизменным, и участок 3-4
-
тлеюшему разряду, ко
торый в эксплуатационных условиях недо пустим, так как этот ре
жим связан с распылением акчшного слоя катода. При больших
перегрузках может возникнуть дуговой разряд и стабилитрон вый
дет из строя.
Напряжение стабилизации га з оразрядных стабилитронов, в за
висимости от его ,·ипа, колеблется от нескольких десятков вольт до
нескольких киловольт. Динамическое сопротивление rd находится в
пределах от нескоJrьких десятков до сотен О м .
t80
Кремниевый стабилитрон - это плоскостной диод, изготовлен
ный по особой технологии. В отличие от обычных диодов кремние
вые стабилитроны работают на обратной ветви ВАХ в области про
боя. На рис. 8. 16 область 1-2 характеристики является рабочей.
Наша промышленность в_ыпускает кремниевые стабилитроны на
напряжения от единиц до нескольких сотен вольт. Температурный
коэффициент кремниевых стабилитронов, т. е . зависимость напря
жения стабилизации от температуры окDужающей среды составля
ет от -О,О6%/0С до +0,12%/0С. Нагрузочная способность крем
ниевых стабилитронов относительно вые.ока: они могут быть изго
товлены на мо щности от 100 мВт до 10 Вт.
Самая точная стабилизация возможна у стабилитронов с нап ·
ряжением стабилизации между 6 и 7 В, так как у них наименьшие
динамическое сопротивление и температурный коэффициент.
Температурный коэффициент у стабилитронов с напряжением
менее 6 В отрицательный, а у стабилитронов с напряжением ста
билизации более 7 В - положительный .
Для увели чения стабилизируе мого напряжения стабилитроны
вк"1ючают п оследовательн о. Параллельное их включение недопус
тимо, так ка;< небольшая разница в рабочих напряжениях, кото
рая всегда имеет место, приводит к неравномерному распределе
нию токов, протекающих через них.
Схемы параметрических стабилизаторов постоянного напряже
ния с использованием стабилитронов применяются для ст абилиза
ции напряжения при мо щнос ти потребления до несколь ких ватт.
Достоинство таких схем - простота исполн е ния и малое количе
ство элементов, недостаток - отсутствие плавной регулировки и
точно й установки номинального значения выходного напряжения ,
кроме этого, у таких схе м мал К ПД.
Схема стабилизатора рис . 8.2 состоит из гасящего сопрот ивле
ния Rг1, включенного последовательно с потребителем, и стабили
трона Л1(д1), включенного параллельно потребителю.
а)RIo
lн
Г1 -+--
__,..
§J
RгtД lн
+[l,~fc,j.
л, :,~
::о,""
-
+
+ ......
д, :::::,' -'
tfo 1стt
,
11
Rн~
~"~Дk ~
Рис . 8.2 . Однокаскадные пара1метр ,ические стаби
лизаторы напряжения на ,ста,билитроне:
а) газоразрядном; 6) кр€мниевом
Рассмотрим принцип действия стабилизатора на примере схе
мы <: кремниевым стабилитроном рис. 8.26. На рис. 8.3 изображе
ны ВАХ стабилитрона и нагрузки. Так как сопротивление нагруз
ки и стабилитрон включены параллельно. то для построения су м
марной характеристики необходимо сложить характеристики соп
ротивления Rн (прямая 0.4) и стабилитрона /1. 1 по оси токо в. По-
181
.лученная кривая представляет собой зависимость Ивых=f(lн+lc·r).
Рабочий участок этой кривой, как видно из построения, получается
-с мещением характеристики стабилитрона на величину тока нагруз-
и
ки lн. Отложив на оси ор-
Uотих------~
динат величину входного на-
пряжения , Ио, строим из
этой точки характеристику
сопротивления Rг1- Точка
пересечения этой характе
ристики с суммарной харак
теристикой сопротивлеНсlЯ
М/, нагрузки и стабилитрона
ВЬ1х определяет установивши1·•-
U6ых"f(!н+Iст> ся режим для данноi', 1,е.л:-1-
чины ВХОДНОГО н;:, ·1 ;:: :.1 жения.
При изменен. ~ ;• входного на
пряжения
:х:,р:>ктеристика
сопротивлени~ Rг1 переме
щаете~ п соответственно пе
ремещается рабочая точка
на срrмарной характеристи
ке Ивых=!f(!н+lст).
Как видно из рис . 8.3,
Р и с . 8.:3 . К принципу дейсп, ин стабилиза- при изменении входного на-
тора напряжения
пряжения ОТ Иomin до Иотах
напряжение на сопротивле
,н ии нагрузки изменяется от Ивых1 до Ивых2, причем изменение вы
ходного напряжения ЛИвы х значительно меньше изменения напря
жения на входе ЛИо.
В пределах рабочего участка х арактеристика стабилитрона
практически линейна (рис. 8.1), поэтому аналитическую связь меж
ду напряжением и током представим в виде выражения
(8.1)
где rd - динамическое со-
(Ip+дfo) Ол+Лfн)
противление стабилитро -
R--
_
на ; ., lст - ток стабили - о-----с=1----,....--~-, +
трона .
+
{И6ых+tШnыхJ
Учитывая выражение (/fо+АИр) (Icтt-Llfcт)t
Rн
(8.1), составим эквива -
лентную схему стабилиза
тора (рис. 8.4). В данной
схеме стабилитрон заме-
llcтo
нен источником с внут- Рис . 8.4 . э~вивалентная ,схема параметриче-
р енним сопротивлением,
скоrо стабилизатора напряжения
равным
динамическому
сопротивлению стабилитрона.
Используя рис. 8.4, запишем уравнения для приращений, из ко
торых определим коэффициент стабилизации . Приращение вход-
182
ного напряжения
(8.2 у
Приращения токов, текущих через стабилитрон Л/ ст и через
сопротивление нагрузки Лlн, определяются из выражений
Л/ст = ЛИвыхfr~; Л/н = ЛИвыхfRн,
(8 .3}
Из (8.2), (8.3) получим выражение для коэффициента стабили
зации схемы
Кст= лИо Ивых
=
иdЫХ(1+Rг1 +Rr1) .
(8.4)'
Л Ивых Ио
Ио
Rн Гd
Так как динамическое сопротивление стабилитрона мало, · то
(1 +Rг1/1Rн) ~Rг1/rd, и выражение (8.4) можно приближенно запи
сать
(8.5)'
Из выражения (8.5) видно, что чем больше величина сопротив- '
ления Rг1 по сравнению с rd, тем выше коэффициент стабилизации ..
Увеличение величины сопротивления Rr- 1 приводит к меньшим из
менениям тока через стабилитрон при тех же изменениях напряже
ния ~ети, а следовательно, к меньшим приращениям напряжения
на нагрузке .
Изменение сопротивления нагрузки стабилизатора изменяет ток:
/ н ; Если принять, что напряжение U0 неизменно, то изменение то
ка нагрузки Л/н вызывает соответствующее изменение тока через.
стабилитрон, причем
(8.6 )
Изменение тока через стабилитрон вызывает соответствующее
изменение выходного напряжения стабилизатора
Л Ивых = -Л fcтrd.
(8 .7)
Из (8.6), (8.7) получим выражение для внутреннего сопротив
ления стабилизатора
rl =ЛИвых/Л/н~- rd,
(8.8)
К:ак видно из выражения (8.8), выходное сопротивление ста
билизатора в основном определяется величиной его динамическо
го сопротивления и не зависит от величины гасящего сопротивле
ния.
При изменении температуры изменяется выходное напряжение
стабилизатора . Это изменение характеризуется температурным ко
эффициентом стабилизатора у. В свою очередь, величина v зависит
от температурного коэффициента напряжения (ТК:Н) стабилит
рона.
Для уменьшения у в некоторых случаях применяют темпера
турную компенсацию, включая последовательно со стабилитроном
термозависимые элементы или диод»~. Температурный коэффициент
этих элементов должен иметь з.нак, противоположный ТК:Н стаби
литрона.
183
Н а схем е рис. 8.26 в качестве компенсирующего элемента ис
по л ьзуется обычный диод или стабилитрон, включенный в прямом
11аправ.11:ни и. Такая температурная ко м пенсация п рименяется для
стаб илитро нов с положительным ТКН. ТКН диод а или стабили
трона, вкл юченного в прямом направлении, отриц а телен. При из
менении тем пературы (например, ее увеличении) напряжение на
стаби ли троне увыrичивается, а на диоде падает, в результате сум
марное напряжение изменяется нзначительно. КПД схем рис . 8.2
ма л и может быть определен из выраж~ния
11 = РвыхfРвх = (ИвыJн)/[Ио (/н + /ст)].
(8.9)
Если необходимо получить большую точность стабилизации,
при меняю т многокаскадные схемы параметрических стабилизато-
ров или схемы мостового типа.
•
Выходной каскад стабилизатора рис . 8.5, состоящий из стаби
литрона д1 , гасящего сопротивление Rг1, питается от предваритель
ного ст аб илизатора, выполненного на стабилитронах д2, дз и соп-
ротивлении P.r ~-
,
Коэффицие нт стабилизации такой схемы равен произведению
1<о эфф 1 ши енто в ст абилизации первого и второго каскадов, т. е.
К_КК
_
Ивых Rr1 И2з Rг2 _ Ивых RпRr2
ст стl ст2 И2з Гd1 Ио Гd2з Ио 'd1'd2з •
В этом выражении ,rd 1 - динамическое сопротивление стабиюr
трЬна д1, гd2з= (rd2+rd з) - сумма динамических сопротивлений
стаб илитронов д2 и дз.
Выходное сопротивление схемы рис. 8.5, так же как и в одно
к а ск адноrvI параметрическом стабилизаторе, равно приближенно
. Rrz
Rп
-t-
+
д1 -,
Uоых
Vo
Rн
Рис. 8.б. Схема двухкаскадного па
раметрического стабилизатора напря
жения
R
+
• lfных
Рис. 8.- 6 . Мостовая
схема
параметриче-
ского стабилизатора
напряжения
дина ми ческому сопротивлению стабилитрона д1. Таким образом,
прим ен яя многокаскадные параметрические стабилизаторы, мож
но значительно повысить коэффициент стабилизации, однако ста
бильность выходного напряжения при изменении тока нагрузки ос
тается та кой же, что и в однокаскадных схемах .
184
Большую т очность стабилизаци и можно получить при помощи
схемы рис. 8.6. При изменении напряжения на входе на величину
L\ Ио потенциал точки а изменяется на величину ЛUa=Л1 UJurd/(rd+
+Rг1)], а 'Потенциал точки в на величину Л• Ив = Л, Щ[R2/(R2 +R.1)].
Тогда результ,ирующее изменение выходного напряжения
ЛИвы,=ЛИ3 - ЛИ8 =ЛИо( rd
-
R2 )· (8 .10)
rd+Rг1 R1+R2
Если величины резистор ов R1, R2 выбрать так, чтобы выраже
ние в с кобках стало равным н улю, то теоретически коэффи циент
ста билизации станет равны м бесконечности . Подбором резисторт1
R1, R2 с необходимым температурным коэффициентом мож н о одно
в ременно доб иться температурной ком п енсации вы ход ног о напря
жения .
Недост ат ко м схемы являетс я то~ что коэффициент стаби лиз а
ции зависит от величины сопротивления нагрузки и, кроме тог о,
вход и вых од стабилизатора не мо гут иметь общего зажима.
Расчет однокаскад.ных паjраметрических стабилизаторо в (см .
рис . 8.2) сводится к выбору типа стабилитрона, определени ю ве
личины сопротивления Rг 1 и минимального, номинального и м ,ш
симального значений входного напряжения -Ио min, 1 Ио, Ио mах -
Исходными данными для расчета являются: номинальное зна
чение выходного напряжения Ивых; минимальное и максимальное
значения тока наrгрузки lн mi n, lн тах и относительные отклон ен ия
питающего напряжения в сторону повышения и понижения ( а"и'"•
amin).
Тип стабилитрона определяется величиной выходного напряже
ния Ивы х - Величину гасящего сопротивления Rг 1 и н а пряжений
Иотiп, Ио, , Ио тах можно определить из следующих выражений:
Gmax+amin
----- Ист
1-атlп
Rг1 = ~ ----------" '-" -'----------
-
, (8.11)
1+Gmax
(1.+йтах fнтах I)/ .
fсттах-
lстmin -
/.
-
н min
1- йт;п
,1-Gmin нmin
Иоmi-i = (/"тах+lстт;п)Rг1+Ист,)
Ио= Иотiп/(1-атtп),
Иотах= Ио(1 +ama.J.
(8.12)
В выражениях (8.11), (8.12) величина тока / ст min должна быть
несколько большей величины минимально допусти мо го т ока для
выбранного типа стабилитрона lmin, а lст тах меньшей величины
максимально допустимого тока стабилитрона 1тах -
Параметры стабилизатора Кст, Гi, 11 определяются из выражt
н и й (8.5), (8.8), (8.9).
При расчете стабилизаторон на газовых стабилитронах дv~ я на
дежного зажигания последнего необходимо также обеспечить RЫ
п олне ние следующего условия:
Rr1 ~ (Ист/ f н max) (Ио тiп/Из - 1),
где Из - налряжение зажигания стабилитрона .
185
В качестве параметрического стабилизатора тока небольшой
.силы (до 1-2 А) используются бареттеры с большим динамиче
ским сопротивлением (несколько кОм). Бареттер состоит из запол
ненного водородом стеклянного баллона, в котором помещается
нить из стали или вольфрама. При температуре красного каления
сталь и вольфрам обладают очень большим температурным коэф
фициентом сопротивления. Поэтому незначительное изменение то
ка через бареттер вызывает большое изменение как его сопротив
.,1ения, так и напряжения на нем . Рабочий участок БАХ . баретте
ра аб (рис. 8 . 7а) называется областью бареттирования. Бареттер
стабилизирует как постоян
а)
о
ный, так и переменный ток
и ,включается последова
тельно с нагрузкой (рис .
8.76) .
При неизменном сопро
тивлении нагрузки напряже-
.
ние на ней будет неизмен-
lL--
0-----------L- - ным, так как ток через ба-
Uтiп
UmllX и3 реттер почти .не изменяется.
Рис. 8.7 . Параметрический стабилизатор Таким образом, он может
тока :
быть использован в качестве
а) схема; 6) БАХ бареттора
::та,билизат,01ра напряжения
на нагрузке, что широко ис
лользуется в цепях питания накала электронных ламп.
Бсл·и то•к нагруз·ки больше тока ю,д,ного ба ,реттера, ·го ·несколь
ко . бареттеров с одинаковыми границами бареттирования включа
ются параллельно.
Схемы стRбилизации тока бареттерами очень просты, но об.тrа
дают рядом недостатков: малый коэффициент стабилизации тока,
. ограниченные значения мощности, невозможность регулировки ве
личины тока, инерционность вследствие тепловой инерции нити
.накала. Эти , недостатки ограничивают применение бареттеров.
1/
8.3. КОМПЕ:НСАЦ%0ННЫЕ СТАБИЛИ3АТОРЫ
ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С НЕПРЕРЫВНЫМ
РЕГУ ЛИРОВАНИЕiМ
Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения с не
прерывным регулированием могут быть выполнены как на элек
тронных лампах, так и на транзисторах.
i Эти стабилизаторы представляют собой систему автоматиче
..ского регулирования и обеспечивают постоянство выходного нап
ряжения с высокой степенью точности при изменении напряжения
.сети и тока нагрузки, а также и при иных внешних возмущениях
(частота тока питающей сети, характер нагрузки, параметры сре
ды - температура, влажность и т. д.).
Стабилизаторы могут быть выполнены как с последовательным,
186
так и с параллельным включением регу,1ирующего элемента отно
сительно нагрузки (рис. 8.8).
В ,п10следо~ат1ельной схеме регулирующий элем,ент 'Вклю~::~;ен по
следовательно с нагрузкой, и компенсация осуществляется за счет
,Jзменения падения напряжения на самом регулирующем элемен-
оJ
lic
lloыx 4
Рис. 8.8 . Структурные схемы стабилизаторов постоянного напря
жения:
а) последовательного; б) параллельного
1 - выпрямитель , преобразующий переменное напряжение питающей сети
в постоянное; 2 - регулирующий элемент , (электронная лампа или тран
зистор), который автоматически изменяет свои параметры, обеспечивая
постоянство выходного напряжения И вы х; 3 - управляющий элемент,
который измеряет отклонение выходного напряжения от заданной вели•
чины, усиливает напряжение этого отклонения и передает его на регу
лирующий элемент; 4 - 11агрузка; 5 - гасящее сопротивление; 6
-
источ
ник опорного эталонного напряжения, с которы:м сравнивается выходное
напряжение
т~ В пар : 1ллельной схеме регулирующий элемент 2 включен парал
лельно с нагрузкой. а уровень выходного напряжения поддержива
ется за счет иэ.:,:ене,-;ая тока через регулирующий элемент, в ре
зультате чего изменяется падею~е напряжения на гасящем сопро
тивлении 5, включенном последовательно с нагрузкой.
Схема с параллельным в1,лючением регулирующего элемента
применяется ограниченно и используе_!ся преимущественно при им
пульсных изменениях тока нагрузки. ; Стабилизаторы с последова
тельным включением регулирующего элемента обладают более вы
соким КПД, чем стабилизаторы параллельной схемы, и применя
ются очень широко.
Схемы стабилизаторов на электронных лампах и на транзисто
рах идентичны. Ламповые стабилизаторы применяются в основнuм
на высоки ·е -выходные на·п-ряжения , а транзисторные -- на низ:кие .
Как ламповые, так и 1транзисторные -стабилизаторы обладают
следvющими достоинствами:
1.· Высокая точность стабилизации выходного напряжения. При
этом стабилизатор одинаково хорошо ослабляет как конечное из
мен .ение ,входного на ·п,ряжения, так и переменную ·сост,а:вляющую
(пульсацию).
2. Очень малые статические и динамические внутренние сопро
тивления.
Недостатком стабилизаторов является сравнительно низкий
КПД · (0,5-0,7), обусловленный потерей мощности на регулирую
ше_м элементе, поэтому стабилизаторы обычно · изготавливают на
малые токи. С увеличением тока нагрузки возрастает число регу-
187
лирующих ламп или. транзисторов и, следовательно, понижается
эксплуатационная надежность.
Несмотря на указанные недостатки, до настоящего времени ста
билизаторы такого типа широко применяются для питания радио
аппаратуры и аппаратуры связиJ
На рис. 8.9 изображена наиболее распространенная схема с по
следовательным включением регулирующей лампы. Схема состоит
из регул ирующей лампы Лрt; усилителя пос-гоянного тока Л.у, Ry;
i
Т'о 1
~
:
1
1
+
Рис. 8.9. Схвма электронного стабилиза
тора с последовательнЬ!lм включением
регулирующей лампы
источника опорного напряже
ния ,Rгt, Лt; сравнивающего де
лителя ,Ri, ,Rп, ,R2, ci и выход
ной емкости Сп.
Рассмотрим принцип дейст
вия стабилизатора на примере
данной схемы. При увеличе
нии входного напряжения , Ио
выходное напряжение стабили
затора , Ивых в первый момент
увеличивается . Одновременно
увеличивается напряжение на
нижнем плече сравнивающего
делителя (URI1). Напряжение
на сетке усилительной лампы
относительно катода по абсо
лютной величине равно разности напряжения ,Иоп-, Инп. При уве
личении напряжения , Инп разность , Uоп-Инп уменьшается, и по
тенциал сетки усилительной лампы станет менее отрицательным
по отн ошению к ее катоду. Анодный ток усилительной лампы уве
личится, и возрастет падение напряжения Ину на анодной нагруз
ке ,Ry. Напряжение с сопротивления Ry прикладывается между сет
кой и катодом регулирующей лампы.
П ри увелич~нии напряжения Ину минус на сетке регулирующей
лампы отно сите ль н о ее катода увеличивается, растет напряжение
на ее аноде, и выходное напряжен ие ста билиз атора у r.тень шает-:я
до первоначального значения с определенной степенью точности.
I Iри уменьшении тока нагр уз 1ш стабилизатор а в первый мо
ме нт нап ряжение на выходе увеличивае тся за счет уменьшения па
дения нап ряжения на внутреннем со противлени и регули рующей
лампы , что увеличивает напряжени е на нижне м п ле ч е ср а вниваю
щего дел ителя Ин п. В дальнейшем схема р абота ет так же, как и
при увел ичении входного напряжения.
При уменьшении входного напряжения и увеличении тока на
г р уз ки ст~билизатора схема работает аналогично изложенному
выше.
В схем е рис. 8.9 можно регулировать вел ичину выходного нап
ряжения. Для этого в цепи сравнивающего делителя устанавлива
ется потенциометр Rп. Рассмотрим принцип действия схемы при пе
ремещении двщк-ка потенциометра Rг, в направлении плюсовой ши
ны ст аби лизатора. В этом случае увеличивается напряжение UR п
188
на нижнем плече делителя, Ji потенциал <.:етки усилительной лампы
rю отношению к ее катоду ,станет менее отрицательным. В резуль
тате увеличиваются анодный ток усилительной лампы и падение
напряжения Ину на сопротивлении Ry.
Потенциал сетки регулирующей лампы Лр 1 станет более отри
щпелы-1ым, лампа Лр1 запирается, и напряжение на ее аноде уве
личивается. Увеличение анодного напряжения регуJшрующей лам
пы уменьшает выходное напряжение.
При перемещении движка потенцио метра в напра,влении мину
совой шины Ивых стабилизатора будет увеличиваться.
Транзисторные стабилизато ры с непрерывным регулированием
подобны стабилизаторам на электронных лампах. В отличие от
ламповых стабилизаторов транзисторные выполняются на более
низкие выходные напряжения.
Та к же, как и стабилизаторы на электронных лампах, транзис
торные стабилизаторы подразделяются на по<.:ледовательные и па
раллельные.
Рассмотрим последовательную схему транзисторного стабили
затора (рис. 8. Ю). Стабилизатор состоит из составног.о регулирую
щего транзистора Т11, Т12, Т1з,
усилителя постоянного тока
Т),; Ry; источника опорного на
пряжения Rг1, д1 и делителя
напряжения С1; R.1; Rп; R2.
Принцип действия схемы Uo
заключается в следующем.
При изменении входного на
пряжения Uo, например увели
чении, в первый момент увели
чивается выходное напряжение
Иnых, что приводит к увеличе-
нию напряжения Ипп на ниж-
нем плече делителя .
+''\
+
Рис. 8. 1о'. Схема транзисторного ста
билизатора с последова тельным вклю
чением регулирующего транзистора
Потенциал базы транзистора Ту по отношению к его эмцттеру
с тан ет более отрицательным ," и его базовый 1ву . и коллекторный
/ с у токи увеличиваются . Напряже!ше на сопротивлении Ry равно
разности напряжений дополнительного источника Uuy и напряже
ний на переходах база-эмиттер транзисторов Т11, Т12, Т1з, т. е.
URy= Uny- [UВЕ11+UВЕ12+UВЕ13].·
Ес л и учесть, что напряжение на ··переходе база-эмиттер изме
IIяется незначительно, вследствие нелинейности -- входной харакге
ристики транзистора, и принять, что напря1кение ! 'Ипу неизменно 110
величине, , то напряжение , ИRy на сопрот ивлении Ry мо~но считать
вели чин ой постоянной Вследствие пdстоянства · · .на пряжения _ URy
сумму токов 1ну = 1су+ 1в1з, протекающи х через сопротивление Ry,
!v,oж1-ro также считать величин ой постоянной .
189
Увеличение тока /су вызывает уменьшение тока базы 1Вiз тран
з1истора Тз, так ка1К /Ry= Imз+lcy=const. Уменьшаются токи lв1з,
I в12, I в12:, I вн, что ув·ел1и·чивает •на'пряжение к·ол.пе~ктор--'эмитт•е1р
транзистора Т11 и приводит к уменьшению выходного напряжения
стабилизатора до первоначального значения с определенной сте
пенью точности .
При изменении тока нагрузки, например у величении, выходное
нап-ряж-ени,е стабилизаrора в первый момент у,меньшается, что
уменьшает напряжение на нижнем плече делителя Инп-
Потенциал базы транзистора Ту станет менее отрицательным,
уменьшаются токи базы / в-у и коллектора / су, транзистора ТУ·
Уменьшение тока / су увеличит токи базы / в1з, 1в1 ~, 1вн, что умень
шит напряжение коллектор-эмиттер транзистора Тн, и выходное
на~пряжение воз·врати'Гся ·к своему пер ;воначальном у з:начен ,ию.
В транзисторных стабилизаторах напряжения в качестве регу
.1иру10щего элемента применяется составной транзистор (Тн, Т1~ ,
Т1з). Он Тiредставляет собой каскадное соединение нескольких
транзисторов. Применение составного транзистора позволяет суще
ственно. увеличить коэффициент усиления по току (h21 с=
= h21(щhщ12)h21с1з)); увеличить сопротивление коллектора rc и сни
зить влияние обратного коллекторного тока fсв о. Кроме этого, при
менение составного транзистора позволяет согласовать мощный
транзистор Т11 с маломощным усилительным транзистором Ту.
В большинстве случаев мощный транзистор Т11 устанавливает
ся на радиаторе. Радиатор предста_ вляет собой ребристую пласти
ну, площадь поверхности
которой зависит от макси
мальной мощности, рассеи
ваемой на транзисторе Тн.
При больших напряже
ниях и токах нагрузки ис
пользуют схемы рис . 8.11.
При параллельном вклю
Rз чении регулирующих тран
е+'------+-----+----0• зисторов для выравнивания
Рис. 8. И. Схемы включения регулирующих
тр-анзнсторов:
а} параллельного; 6) последовательного
токов в цепи их эмиттеров
включают сопротивления Rб.
Для выравни ,вания напря
женю1
последовательно
включенные транзисторы шунтируются сопротивлениями Rш .
С повышением темпер,пуры коллекторного перехода транзисто
ра Тн возрастает обратный коллекторный ток / св о (11), имеющий
направление . от . базы к коллектору.
При уменьшении тока нагрузки стабилизатора суммарный ток
базъ1, траFF3'И€'Тора Т1 1 уменьшается, а следовательно, уменьшается
и ток эмипера Т12. При некотором значении тока нагрузки ток ба
зы Тн, а следовательно, и ток эмиттера Т12 станет равным нулю, и
нормалыrая работа схемы нарушится.
!90
Для того чтобы обеспечить нормальную работу схемы при мак
симальной температуре и минимальном токе нагрузки, в схему вво
дят резистор ,Rз. Ток через резистор Rз при максимальной темпера
туре коллекторного перехода должен быть больше разности макси
мального значения 1св v(Щ и величины / в 11 min•
Назначение резистора R'з аналогично.
Напряжение питания усилителя постоянного тока оказывает
.-значительное влияние на стабильность выходного напряж ения . При
питании усилителя постоянного тока непосредственно напряжением
входного стабилизатора i)
о)
R
Oи,
(точка 6 подключена к O ~~~о
rz
-
пу
точке а, рис. 8.12а), из-
с Иоr
менения напряжения U0
+-о"-'-----,
приводят к значительным
о-~._,-......---с-':----t--
изменениям тока коллек-
Tu
тора усилительного тран
зистора Т..,,, что,
в свою d)
очередь, уменьшает ста- _о---,...---т---,,-... г------ fj
бильность выходного на
пряжения.
В СВЯЗИ ·С ЭТИМ УСИЛИ·
тель
постоянного тока
питается от дополнитель
ного стабилизированного +о----------+----
источника питания. В ка-
честве · дополнительного
источника широко приме- .
няются параметр ические
ста билизаторы на . крем
ниевых стабилитронах.
На рис. 8.126 показана
сх ема включения такого
источника.
Рис. 8.1 .2. Схемы питания усилителя постоян-
ного тока:
а) о·; входа стабилизатора ; 6) от дополни
тельного источника; в) от входа стабилизато
ра (в 1,ачестве нагрузки используется эмит-
терный повторитель)
Если невоз м ожно использовать дополнительный источник питэ.
ния, например, при питании стабилизатора от аккумуляторной ба
тареи, можно использовать схему (рис. 8Л2в) .
В этой -схеме для ста1билизации тока усилителя в кач~естне нз
грузки транзистора Ту используется эмиттерн ый по вторитель из
транзистора Т2 и резистора R'э, Так как выходное капряжение
эмиттерного повторителя равно напряжению стабилитрона Д2 и
мало за·висит от изменения напряжения Ио, то ток эм1птера Т2, а
следовательно, и ток коллектора Т2 также мало зави,сят от измене -
ния входного напряжения стабилизатора Ио.
•
. Схема
сравнения транзисторного стабилизатора :напряже,ния
- сост~о,ит из :и,сточника о,по,рно~о на ,пряжен:ия и сра•в'Н'и,вающего дели
теля. В схеме рис. 8.10 источник опорного напряжения - ,стаб или
трон д1 - подк лючен к плюсовой шине стабилизатора. Напряже
ние стабилитрона Иоп. сравнивается с напряжением н:а нижнем
,п·леч ·е дел,ителя Инп, котюр,ое из~мвня,ется 1про•пор.цион.ально !ИЗМ·ене-
191
1-шям выходного напряжения Ивых- В цеп и делителя устанавлива
ется потенциометр. Изменяя положение движка потенциометра,
можно регулировать величину выходного напряжен и я стабилизато
ра. Изменение окружающей температур ы изменяет напряжение на
стабилитр о не. Ве.1ичина из :vrенения напряжения стабилитрона за
висит от величины его температурного коэффи ц иента (ТКН).
Если ТКН стаби л итрона положи т елен, то с рост ом температу
ры опорное напряжение возра с тает, что умень шает отрицательный
потенциал базы транзист о ра Ту. Вследствие этого уменьшаются
тою,r бюы и холлектора т1ранз,истора Ту, увеличива ю 11ся тюки базы
транзисторов Т1з, Т12, Т11, падает на пр яжение коллектор-эмиттер
транзистора Т 11 и Иных стабилизатора увеличивается.
Для ум е нь шения изменений вы х одного напряжения, связанны х
с изменением те:1шерату ры окруж а юще й сред ы, в схема х пре ду
сматривается температурная компенсация.
В схеме рис . 8.10 терм окомпе нс и рующи ми элементами являют
ся диоды или стабилитроны . дк, включенные в прямом напра вл ени11
в верхнее плечо делителя. Диоды и стабилитроны, включенны е в
а)_0
прям ом направлении, имеют
с о----+---~----_,, отрицательный температурный
L1и1
+Rп
+
о)
с
о
коэ ффициент. С ростом темпе-
[/,
рат у ры уменьшается напряже -
Dых ние на диодах дк, а напряже
ние ,URП увеличивается, что в
результате снижает 'Выходное
+
напряжение, т. е. изменения
выходного напряжения, свя
з анные с и зм енением напряже
ния стабилитрона д1, противо
положны по знаку изменениям
выходного напряжения, свя
за нным с изменением напря
жения на компенсирующих ди
одах дк - Такая температурная
ком пенсация возможна, если
U6ых Т КН стабилитрона д1 поло
жителен . Если ТКН стабили
трон а о трицателен, в одно и з
+
·--0
Рис. 8. \З . Схемы сравнения транзистор
ных стабилизаторов:
плеч делителя включается тер
моза 1 висимuе
сопротивление,
которое и обеспечивает темпе
ратурную компенсацию.
а) для низких выходных напряжений ;
б) с дифференциальным у силителем по
стоя1шого тока
Схема сравнения в стаби
лизаторе (см . рис. 8.1 О) при
меняется, если выходное на
пряжение больше напряжения
опорного.
Для полу•1ения малых выходных напряжений, а также при ши
роком диапазоне ре.rулировки выходного напряжения применяется
192
схема рис. 8.13а . В ней источник опорного напряжения нодключа
ется к плюсовой шине стабилизатора, а сравнивающий делитель
(R1RrrR2) питается суммарным напряжением Ивых+ U0 п. Схема
рис. 8.136 используется, если выходное напряжение больше опор
ного. В этой схеме напряжение нижнего плеча делителя ИR п срав
нивается с напряжением на сопротивлении Rэ, которое приблизи
тельно равно опорному напряжению на стабшштроне Д1 . Преиму
щество данной схемы сравнении, по сравнению с ранее рассмот
ренными, заключается в том, что здесь компенсируется темпера
турный дрейф напряжений база-эмиттер транзисторов Ту и Т'у.
В этой схеме сравнения желательно применять стабилитрон ы с ма
лым ткн.
Для определения внутреннего сопротив.rrения ri, коэффициента
стабилизации Кст и коэффициента сглаживания К- транзистор
ных стабилизаторов можно воспользоваться следующими выраже
ниями:
для схем транзисторных стабилизаторов, в которых УПТ пита
ется от дополнительного источника рис. 8.126 и если коллект орной
нагрузкой усилителя является эмиттерный повторитель рис. 8.12в:
Кст = μрКуа ИвыхfИо,
ri=-
1/Sp Куа,
(8.13)
(8.14)
Если УПТ питается от входного напряжения стабилизатора, ко
эффициент стабилизации
Кст = _ _ ...,_μ..,__р_К_,у_а
__
1+ rcu
Rμр
'си+ У
(8.15)
Внутреннее сопротивление в этом случае определяется из (8.14~ .
В (8.13)-(8.15) ~tp, Sp - коэффициент усиления составног о ре
гулирующего транзистора по напряжению и его крутизна; Ку
коэффициент усиления УПТ; а - коэффициент передачи делителя;
rcy - со п ротивление коллектора транзистора Ту в схеме с общим
эмиттером.
Коэффициент усиления составного транзистора по напря же нию
μр зависит от количества транзисторов, входящих в составной. Для
двойного и тройного составных транзисторов μр
1-1
=
μ11μ12
μ=
μ11μ12μ1з
Р<2> μ11+μ12 ' Р(З)
μ11μ12 + μ12μ1з + (L11μ1з
(8.16)
В выражениях (8 .16) μ11, 1112 , μ1з - коэффициенты усиления rю
напряжению транзисторов, входящих в составной.
Коэффициент усиления транзистора μ определяется из харак
теристик транзистора при постоянном токе коллектора, как это :по-
казано на рис. 8.14 .
•
7- 311
193.
l(рутизна составно го регулирующего транзистора Sp:
для двойного составно го транзистора
S _ S11S12h21 (11) •
р-
'
S11 + h21(11) S1~
для тройного составного транзистора
h21 (11) h21 (12) S11S12S1з
sp=
-
-----
-'--=---
.:.........:--
--
---
--
s12s11 + h21 (12) S1зS11 + h21 (11) h21 (12) S1зS12
(8.17)
(8.18)
В (8.17), (8.18) h и S - коэффициент усиления по току в схеме
с общим эмиттером и крутизна соответствующего транзистора, вхо-
18
"
ic
1вв
=~t =~', о
~::
lвz
lвт
л ifc- ((fо-Uвых) ilcc
Рис. 8.1'4. Определение коэффиц:иента усиления транзи
стора μ из характеристик iв=f(ивЕ); ic=f(rtcE)
дящего в составной. Для определения крутизны можно воспользо
ватьс я х арактеристиками транзистора рис. 8.1 Б.
iв
Lc
fвs
fв't
!стах
fв1;
lву
Icmiл
Iвz
ln
Jf31
-, ~ flвE
11UE.
Vc1=cpшf tlct
Рис. 8.1,5. К определению крутизны транзистора S:
S = Лlс/ЛИвЕ при Иc=const; .Ис1=Ио-Ивых при опреде
лении S11, S12, S1з; Ис1=Ивьа-Исм1 при определении
Sy (схема рис. 8.10, 8.136); Ис1=Ивых при определении
Sr (схема рис. 8.1 '3а)
Коэффициент усиления УПТ зависит от схемы сравнения:
для схемы рис. 8.1 О
Ку= SyRк/1 + S,/'41;
194
(8.19)
1 • для схемы рис. 8.1 За
~-~: для схемы рис. 8.136
Ку = __S___,_y_R__cк_ _
2+s-- .!1:L
у h21 (у)
(8.20)
(8.21 )
В (8.19)-(8.21) Sy - крутизна транзистора Ту определяетсst
из характеристик рис . 8.15; rd 1 - динамическое сопротивление ста
билитрона д1 .
Сопротивление Rк - колл'екторная нагрузка усилител я посто•
янного тока, оно различно для различных схем питания УПТ.
При питании УПТ со входа стабилизатора (см . рис . 8.12а)
Rк~Ry.
При питании
рис. 8.126) .
УПТ от дополнительного источни ка (см.
где 'Ri се) - входное сопротивление составного транзистора , велн
чи:на ,которого зависит от числа транзисторов , в ходя щих в состав•
ной.
Для двойного составного транзистора
Rl(С2) = R1 (12) +Rl(11) h21 (12)"
Для тройного составного транзистора
Rl(С3) = Rl(13) +Rl(12) h21 (13) +Rl(ll/h21 (\2) h21 (13)'
Если коллекторной нагрузкой УПТ 1в
является эмиттерный повторитель ,
Rк~ ,RiC•
Входные сопротивления транзисто
ров, входящих в составной, Ri(Щ, Ri(12),
Ri(iзJ можно определить из входных
характеристик транзистора (рис. 8.16 ).
Коэффициент передачи делителя а
зависит от схемы сравнения стабили
затора:
для схем рис. 8.10 и 8.136
а= ИопfU.нх = R11!(R1 +Rп + R2);
для схемы рис. 8.1За
а= Иапf(Ив-вх + И.п) =
= R11!(Ri +Rп+R2),
Рис . 8. '1'6 . Определение в ход•
нога сопротивления нз х1~
рактеристик транз и сто р а:
R1 = 0J5(R'1+ R"1) =
=0,5(Л·И'вк/Лl в+
Л..И"вк/Ыв)
Коэффициент сглаживания К~ для рассмотренных схем тран
зисторных стабилизаторов приближенно равен коэффициенту ста•
7*
:195
билизации Кст• Ес.i!и верхне1;; плечо делителя зашунтировано ем
кост ью С 1 (см. рис. 8.10), то для определения!(~ необходимо в вы
раж ениях для Кст принять а= 1, так как коэффициент передачи
дел ителя по переменной составляющей в этом случае близок к
единице.
Коэф фициент полезного действия последоRательных стабилиза
торов, ка к ла.мпивых, так и транзисторных, зависит от величины
входного напряжения Ио и равен У]~ Ивъгх/U 0 . Чем больше из.ме
нения вхо дного ,напряжения и чем глубже регулировка выходного
напряжения, тем меньше КПД схемы.
8.4 . ИМПУЛЬСНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ ПОСТОЯННОГО
НАПРЯЖЕНИЯ
Отлич ительной чертой всех импульсных стабилизаторов напря
жешrя по сравнению с линеi'шыми стабилизаторами является ра
бота регулирующего транзистора в режиме переключения.
Работа транзистора в режиме переключения характеризуется
быс трым переходом рабочей точки из области отсечки в область
насыщения. При этом мощность, рассеивае
мая на регулирующем транзисторе, во мно
го раз меньше, чем при его работе в линей
ном режиме .
Работа регулирующего транзистора в
р 8 17 Ст.руктурная режиме переключения позволяет повысить
с:е~;1 а ·и1,;пульсного ста - коэффициент использования самого транзи
бил нзатор а напряжения: стора, повысить КПД стабилизатора (рис.
8.17) и уменьшить его габариты.
1 - регули рующий транзис
тор; 2- фильтр; 3- им
пуль сн ый элемент; 4 - схе
м.а сравне ния
Наиболее распространены два типа им
пульсных стабилизаторов: стабилизаторы с
широтно-импульсной модуляцией (ШИМ)
PI р елейн ые стабилизаторы или стабилизаторы с двухпозиционным
регу л ированием.
В стабилизаторах с ilIИNl в качестве импульсного элемента ис
пол ьзует ся генератор, время импульса или паузы которого изме
няет ся в зависимости от постоянного сигнала , поступающего на
вход импульсного э.т1емента с выхода схе м ы сравнения.
Принцип действи,1 стабилизатора с ШИМ заключается в с.тrе
дующем: постояюrое напряжение U0 от выпрямителя или от акку
му,1я тор ной батареи подается на регулирующий транзистор, а за
тем ч ерез фильтр на ныход стабилизатора.
Выходн ое напряжение стабилизатора приводится к опорному
напр яж ению, сравнивается с ним, а затем сигнал разности пода
ется на вход устройства, преобразующего сигнал постоянного то
ка в им пульсы с определенной длительностью. Длительность им
пульсов изменяется пропорционально сигналу разности между опор
ньrм и измеряемым напряжение~-!. С устройства, преобразующего
постоянный ток в импульсы, сигнал поступает на регулирующий
11ра нз ист ор.
196
Регулирующий транзистор периодически переключается, и сред
нее значение напряжения на выходе фильтра зависит от соотноше
ния между интервалами, в которых транзистор открыт или заперт.
При изменении напряжения на выходе стабилизатора изменяется
сигн ал постоянного тока, а следовательно, и соотношение между
пауз ой и импульсом, и среднее значение выходного напряжения
возвращается к первоначальному значению.
Принцип действия релейных или двухпозиционных стабилизато
ров нескольк о отличается от принципа действия стабилизаторов с
ШИМ. В релейных стабилизаторах в качестве импульсного элемен
та применяется триггер, который, в свою очередь, управляет ре
гулирующим транзистором. При подаче постоянного напряжения
н а вход стабилизатора в первый момент регулирующий транзистор
оп<:рыт, и напряжение на выходе ,стабилизатора увеличивае'Гся. Со
от ветственно растет сигна.r. на выходе схемы сравнения. При опре
делен1--юй вел ичине выходного напряжения величина сигнала на
выходе схеыы сравнения станет достаточной для срабатывания
триггера. Три ггер срабатывает и закрывает регулирующий тран
зистор. Напр яжение на выходе стабилизатора начинает уменьшать
ся, что вызыв ает уменьшение сигнала на выходе схемы сравнения.
При определен ной величине сигнала на выходе схемы сравнения
триггер внов ь срабатывс1ет и открывает регулирующий транзистор.
Н ап ряжение на выходе стабилиза-
Др1
то р а начина ет увеличиваться. Вы-
-
-
ходное напряжение будет увеличи- +
ва т ьсн до тех ·пор, пока триггер
вновь не закроет регулирующий
транзистор. Таким образом, процесс
бу дет ,повто ряться. Изменение вход
ного на11ряже ния или тока нагрузки
ст аб илизатор а приведет к измене
нию продолж ительности открытого
Рис . 8.,18. Схе,ма силовой части
импульсного стабилизатора напря
жения:
СО С ТОЯНИЯ регулир"ЮЩеГО транзис - 1 - импульсный элемент; 2 - схема
J
сравнения
тора и J< изм енению частоты его пе-
реключения, а среднее значение выходного напряжения будет под
держнват~:ся неиз менн ы ;v1 с определенной степенью точности.
Силовая часп, и~шу.1ьсных с,абилизаторон независимо от их
ти п а состои т из регулирующего транзистора 1'11, дросселя др1, еl\~
rс<о ст и С 11 и коммутирующего диода Д2 (рис. 8.18). На вход ,ре
гу ли рующег о транзистора от шшульсного элемента поступают уп
равляющие и11шульсы.
Рассмотрим процесс переключения силового регулирующего
т ра нзистора Т11 и 1<0ммутирующего диода д2 (рис. 8.19). В момент
t1 в цепь 6аз ы закрытого транзистора Т1 1 подан импульс тока, до
с тат очпь])·J для насыщения ц~пи коллектора . Рабочая точка тран
зисто ра пер емещается из области отсечки в область насыщения за
в ре мя t; ,, , которое зависит от величины тока базы (,Л/в(о щ и ча
стотных сво йств транзистора. Исходя из постоянства тока в дрос-
197
селе Др 1, ток диода д2-i дz уменьшается, напряжение на диоде
д2 мало, а к транзистору приложено напряжение, равное входно
му Ио. Так как обратное сопротивление диода Д2 восстанавливает
ся не мгновенно, возможен выброс коллекторного тока на величи
ну, не превышающую Л/ в(о щh21 Е <щ(h2 1 Е (11) - статический коэффн -
1с11
llc11
.
; 'в11
,р._
iдz
lc1t mox
;-: -- -- --+-+-' -.. .. ,, , .--+ --1- -'-- --:=---+ -<-
--____J!---
Тп
t
1
ifo
~
~
~'<О
----~-+--т;={l---+--4
f-____!м__--+< ;
1"
11То
Тп :.1
~- -~
"'
;;:;
lв(:m)
~~~____, _
<:1
1д2(-) 1
1••1
1---.---, i
1
1
1
t
t
t
Рис. 8.' 19. Графики токов и напряжений транзистора и диода, р а
ботающих в ключевом режиме
циент усиления по току транзистора Т11). В интервале восстанов'"
ления диода Д2 ток i д2 меняет знак. Амплитуда отрицательного,
выброса тока диода не превышает величины
/ д2 (-) ~ Лlв (011) h21E (11) -1д2mfn·
В момент времени t2 кюллекторвый то.к транзистора стано,вится
равным fc Hmin = l дzmin, напряжение ИсЕ 11 уменьшается до нап
ряжения насыщения ИсЕ н sat, а ток в диоде д2 падает до • нуля.
198
В интервале времени t2-t3 ток ,коллектора Т11 возрастает, то1<
диода Д2 ,равен обратному току, налряжение исЕ 11 равно напря
жению насыщения ИСЕ н sat, а напряжение на диоде и д2 равно
входному , Ио.
В момент t 3 на базу транзистора Т11 подается запирающее на
пряжение, ток базы Т11 меняет свое направление, а ток ·коллектора
начинает уменьшаться ,с задержкой на азремя рассасывания избы
точной концентрации неосновных носителей в базе.
Как только ток коллектора Т11 уменьшится, ЭДС самоиндук
ции дросселя изменит з1:1ак и диод Д2 ~включится. Напряжение на
диоде д2 упадет до нуля, а 'Напряжение ,ИсЕ 11 возрастет до вели
чины входного напряжения Ио. Переход транзистора Т11 из насы
щенного ·состояния в режим отсечки О'существляется за время to ff,
величина которого зависит от частотных свойств транзистора и от
величины изменения тока базы Л/всзщ , В интервале запирания нап
ряжение исЕ 11 максимально и .равно ,U0.
Величина Л/в сзщ в основном зависит от внутреннего сопротив
л,ения запирающею источника, так как ,в интервале рассасывания
эмиттерный переход Т11 представляет собой весьма небольшое со
п ротивление .
В момент времени f4 ток ic 11 уменьшается до минимальной ве-
личины, равной приблизительно ! сво, а ток iд2 увеличивается до
fД2mах=fС11 max,
В .интервале i4-t5 ток коллектора равен минимальной величи
не, ток диода уменьшается, ,напряжение ИсЕ н= ,Ио, а напряжение
на диоде равно минимальной величине. Начиная с момента време
ни t5, процесс повторяется .
Мощность, рассеиваемая транзистором в режиме переключения
Ре, состоит из трех: мощности, рассеиваемой в режиме отсечки
Рсо, мощности, рассеиваемой в режиме насыщения Ре sat, и мощно
сти переключения Р ер.
Значения составляющих Рсо, Ре sat, РсР определяются из с.пе
дующих выражений:
рсо = Uof cвo(l -'У)
рСsat = ИСЕsat[Стах'У,
рСР = Uof стах (tln + fоп) fo/2,
рС= рСО+рСsat +рСР'
где I св о - начальный коллекторный ток транзистора; ,UсЕ sat -·
напряжение коллектор -эмиттер транзистора в режиме насыще
ния; Iс max -
максимальный коллекторный ток; tin, to tf, fo - вре
мя включения, время выключения и частота переключения транзи
стора; 'У - относительное время открытого состояния транзистора
('у= Ти/То).
При малых величинах ! св о суммарная мо щность определяется
в основном составляющими Ре sat и Ре.
199
Величина Ре sat в основном зависит от относительного времени
открытого состояния '\', тока /стах и остаточного
напряжения
UeEsat- В стабилизаторах напряжения v~ Ивых/И0 зависит от от~
ношения выходного и входного напряжения. Чем больше Ио, тем
меньше величина 'У и меньше Ре sat•
Составляющая Р ер зависит от частотных свойств транзистора,
а именно, от времени его включения tin и времени выключен ия tott,
от величины входного напряжения Ио, максимального тока коллек
тора / е 11 частоты переключения f0. Чем выше граничная частота
транзистора, тем меньше tin, fotf и тем меньше мощность Рег .
При использовании низкочастотных транзисторов макси м аль
ная частота переключения fO ограничивается величиной мощности
Рер.
На входе фильтра импульсного стабилизатора напряжени е име
ет форму прямоугольных импульсов с амплитудой, равно й входно
му напряжению стабилизатора И0 . Амплитуда первой гармоники
напряжения на входе фильтра зависит от относительного времени
открытого состояния регулирующего транзистора v и имеет мак
симум при v=0,5, что следует учитывать при определении L и С
фильтра. Амплитуда пульсации выходного напряжения такж е мак
симальна при v=0,5.
В качестве импульсных элементов стабилизаторов напря жения
используются триггеры, мультивибраторы, блокинг-генераторы
ит.Д.
Схема рис. 8.20а может быть использована как в релейны х ста
билизаторах, так и в стабЕлизаторах с ШИМ.
В триггере ТД включен параллельно переходу база-эмиттер тран-
а)'·
oJ
iвхтJд1.iв11
!2
3
lт.тах
Iвчтах
lт.тiп
R'5
1 11вх. т=ttдз =t1вЕ'-1
-Uвых.т
Uттiп
Uттах (
Рис. 8.20. Триггер на транзисторе и туннельном диоде:
а) схема; 6) характеристики
(J - входная триггера; 2 - входная !,; З - для дз)
зистора Т4 , что позволяет получить на входной характеристике
триггера участок с отрицательным сопротивлением.
Построение входной характеристики триггера осуществл яется
,сложением входной характеристики транзистора Т4 при напряже- .
200
нии на его коллекторе, равном нулю, и характеристики ТД . Сло
?J{ен ие осуществляется по оси токов (рис. 8.206).
Тр и ггер управляется током. При увеличении входного тока
три ггера до величины /т тих напряжение на его входе скачком уве
личивается до велич ины 1 Ит тах- На эту же величину скачком уве
личи тся на пряжение база-эмиттер транзистора Т4, при этом токи
его базы и коллектора, а также выходное напряжение резко воз
растут. Пр и уменьшении входного тока триггера до величины Iт min
напря жен ия на входе триггера, а сооответственно и на переходе ба
за-эм иттер транзистора Т4 резко уменьшаются, что приводит к
резкому уменьшению токов бнзы и коллектора Т;., и напряжение
на в ыходе триггера становится равным нулю.
Схемы сравнения импульсных стабилизаторов аналогичны схе
мам сравне ния линейных стнбилизаторов напряжения .
Стабилизатор рис . 8.21 состоит из составного регулирующего
транзистора (Т11, Т12); фильтра (L1Снд2); схемы сравнения и уси-
R, А !!.fi(L,)
+
Рис. 8.21. Схема импульсного стабилизатора на
пряжения в релейном режиме
лите ля пос тоянного тока (R1, Rп, R2, Д1, Rг1, Ту, .Ry); триггера, вы
полненного на Тддз, и трннзисторе Т,,; промежуточного усилите.11я
( Тз, R4, Rз); транзистора Т2, предназначенного для запирания ре
гу.rшрующего транзистора; цепочки (IR. 9C1), необходимой для увели
чения частоты автоколебаний стабилизатора и элементов (R6, Rзап,
Д,, Сзап), необходимых для надежного включения и запирания ре
гу ли рую щего транзистора.
В данной схеме в качестве импульсного элемента используется
триггер на ТД и транзисторе. Как показано в 1[13], в таких схемах
мож но использовать триггер на транзисторах (триггер Шмитта),
одна ко применение триггера на ТД позволяет улучшить фронты
управляющих импульсов и уменьшить количество используемых
элементов.
На рис. 8.22 изображены графики выходного напряжения ста
билизатора, токов и напряжений транзис т ора Т11 и диода д2, и то
ка в дросселе др1.
201
Рuссмотрим принцип действия схемы рис . 8.21. На вход стаби
лизатора подается постоянное напряжение Ио. В момент времени
t = O напряжение на выходе стабилизатора уменьшается до вели
чины, при которой срабатывает триггер (Т1., дз). Триггер срабаты
вает и ток коллектора Т4 скачком уменьшается до нуля. При этом
закрываются транзисторы Т3 и Т2, транзисторы Т12, Тн открыва
ются, а емкость Сзап заряжается через сопротивление Rв. Напря
жение на входе фильтра (в точках А, Б) скачком увеличивается
до напряжения Ио, диод дz закрывается и ток iдz падает до нуля .
Ток коллектора регулирующего транзистора Т11, а соответственно,
и ток дросселя начинают уве
личиваться. Напряжение на
выходе стабилизатора умень
шается до момента, пока ток в
дросселе не станет равным
току нагрузки lн, а затем на
чинает расти. При увеличении
выходного напряжения увели
чивается положительный по
тенциал на базе транзистора
Ту. Ток 6-азы, а следовательно,
и ток коллектора Ту увеличи
ваются.
В момент времени t1 на
пряжение на выходе стабили
затора достигает величины
Ивых + ,ЛИ'тр/а, а ток коллекто
ра Ту величины тока срабаты
вания триггера. Триггер сраба
тывает, и ток коллектора т~
скачком увеличивается до мак
симального значения.
Транзисторы Т3 и Т2 отк ры
ваются. Емкость Сзап через
транзистор Т2 подключается
между базой и эмиттером
тран зисто ров Т12, Т11, и они за-
u11tztзt.
t5 t5 f1t крываются. В интервал е t1-t2
Рис. 8.22 . Напряжения и токи релейного то-к коллектора транзистор ·а
стабилизатора напряжения
Т11 равен нулю, а дроссель раз-
ряжается через диод Д2. На
пряжение на выходе стабилизатора вначале увеличивается , пока:
ток в дросселе дР1 больше тока нагрузки, и затем начинает умень
шаться.
При уменьшении выходного напряжения уменьшается положи
тельный потенциал на базе тран зис тора Ту и FTO токи базы и кол-
лектора уменьшаются. В момент t2 напряжение на выходе уме!--!ь
шилось до величины Ивых--8..U'тр/а, а т0к коллектора Ту умепъ•
шился до величины тока отпускания триггера . Триггер срабаты-
202.
вает, транзисторы Т4, Тз, Т2 закрываются. а транзисторы Т12, Т11 от
.крываются. Вновь начинает увеличиваться ток коллектора регули•
рующего транзистора Т11, а соответственно и ток дросселя Др1. Та,
.тшм образом, процесс непрерывно повторяется .
При изменении входного напряжения или тока нагрузки изме
няется скважность импульсов регулирующего транзистора, а сред
нее значение выходного напряжения остается неизменным с опре
деленной степенью точности. Как видно из принципа действия схе
мы, стабилизаторы данного типа работают в режиме устойчивых
,автоколебаний.
Существенным недостатком., ограничивающим область приме
нения релейных стабилизаторов, является относительно большс1я
.амплитуда пульсации выходного напряжения. Амплитуда пульса
ции выходного напряжения зависит от величины порогов срабаты
вания триггера, коэффиц иента усиле ния усилителя и от коэффи
циента затухания фильтра стабилизатора. По!Зышение резонансной
частоты фильтра при постоя11ных значениях порогов срабатывания
триггера, коэффициента усиления усилителя и коэффициента зату
хания фильтра стабилизатора пропорционально увеличивает часто
ту автоколебаний , не изменяя амнлитуды пульсации выходного на
пряжения.
Коэффициент затухания фильтра 1rовышают, увеличивая индук
тивность дросселя при соответствующем уменьшении емкости филь
тра (из услови я постоянства резонансной частоты фильтра). При
больших :шачениях коэффициента затухания резко возрастают га
бариты стабилизатора. ОднаI<о даже при нулевых порогах сраба
тывания триггера, бесконечном коэффициенте усиления усилителя
и достаточно большом коэффициен·ге затухания не удаетс~ полу
чить малую амплитуду пульсации.
Как известно из теории релейных систем автоматического ре
iГулырования, повышение частоты автоколебаний при неизменных
лараметрз.х фильтра, порогах срабатывания триггера и коэффи
циенте усиления усплителя, может быть достигнуто введением до
полнительных ускоряющих элементов. В качестве такого ускоряю
щего элемента в данной схеме нспользvется цепочка из конденса
то,ра С1 и резисторс1 Rэ. Значительное увеличение частоты автоко
.лебаний стабилнз:1.тора при тех же параметрах фильтра, усилитеJ1я
l! триггера значите,1ьно снижает амплитуду пульсации.
Схема рис. 8.23 мало чем отличается от схемы рис . 8.21 . Отл11-
'Чие заключается в том, что вместо резистора R~ап в схеме установ
лены диоды Д5 . Использование в схеме запирания диодов позволяет
ограничить напряжение на конденсаторе Сзап , Кроме того, при из
менении входного напряжения амплитуда напряжения на Сзап из
меняется незначительно. Постоянство амплитуды запирающего на
пряжения особенно важно, если в качестве регулирующих приlV,е
няются высокочастотные транзисторы, у которых обратное напря
жение база--эмиттер !l'!ало и строго ограничено по величине.
В отличие от схемы рис. 8.21 данный стабилизатор работает R
режиме ШИМ . На вход усилителя через разделительный конден-
2СJЗ
сатор от внешнего источника подаетсн переменный сигнал. Форма
сигнала может быть пилообразной или синусоидальной.
Рассмотрим принцип действия схемы при пилообразном воздей
ствии. На рис. 8.24 изображены графики, поясняющие работ у ста
билизатора в режиме ПIИМ.
+
+
RJ
Uo
Rч
Тз
Rs
д2 Rв
Б
Рис. 8.23. Импульсный ШИМ стабилизатор напря
жения
На базу усилительного транзистора подается пилообразны й сиг
нал и постоянное смещение Ио, 1 с делителя R1R11R2.
В момент •t 1 напряжение на базе усилительного транзи стора
достигло величины, при которой ток коллектора Ту равен току cpa -
llш
л
/\
батывания триггера. Триггер
1\
t\
срабатывает,
открываются
/\
1\
транзисторы Т4, Тз, Т2, а тран-
'
1~
\
лиfр. зисторы Т12, Тн закрываются.
-т-- -- -
Напряжение на входе фильтра
\/
\
И АБ скачком уменьшается до
нуля. В момент времени t2 пи-
:1
лообразное напряжение на ба-
11 ::
зе транзистора Ту уменьшает-
~1 11
ся до величины, при которой
:i 11
ток коллектора усилительного
L-..L__-1------Jц_---1_.,-♦,..11'::--_-t-~ транзистора стано вится рав-
'• t~
ным току отпускания триггера.
1
Триггер срабатывает, закры
Рис. 8.24 . Графики напряжений ивЕу=
= ,f(t) и ИАв = f(t) стабилизатора напря
жения, работающего ~ режиме ШИIМ
204
ваются транзисторы Т4, Тз, Т2,
а транзисторы Т12, Тн откры
ваются . Напряжение на входе
фильтра вновь скачком увели
чивается до величины вх одно
го напряжения 1U 01. Таким об-
разом, триггер, а соответственно и регулирующий транзисто р не
прерывно переключаются за счет внешнего переменного сигнала.
Предположим, напряжение на входе стабилизатора увеличилось
до величины Иа2 . При этом напряжение смещения на базе усили
тельного транзистора увеличилось до величины Исм z. Как видно из
рис. 8.24, увеличение смещения увеличивает время открытого со
стояния транзисторов Т4, Тз, Tz . Время открытого состояния тран
зисторов Т12, Т11 при этом уменьшается. Соответственно уменьша
ется время импульса на входе фильтра, а среднее значение выход
ного напряжения возвращается к первоначальному с определенной
степенью точности.
8.5 . СТАБИЛИЗАТОРЫ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕ НИЯ
С НЕПРЕРЫВНО-ИМПУЛЬСНЫМ РЕГУЛИРОВАНИ ЕМ
Импульсные стсtбилнзаторы поr.тоянного напряжения, по ср ав
нению с линейнымп стабилизаторс1ми, позволяют получить бол ее
высо1шй КПД и з;iс1чительную выходную мощность. Одн ако за
труднения, связан11ые с необходимостью подавления пульсац ии вы
ходного напряжения, усугубляющиеся с ростом выходной мощно
сти, а также худшие качественные: ноказатели импульсны х стаби
лизаторов ограничивают область
их применения.
В
непрерывно-импульсных
стабилизаторах реализуются ос
новные достоинства непрерыв
ных и импульсных стабилизато -
РТ11 дJJ,
iL
ров.
lfo
Схема рис . 8.2 5 состоит из
непрерывного (линейного) и им
пульсного стабилизаторов. Им
пульсный стабилизатор управ
ляется напряжением, снимаемым
с резистора Rи, которое установ-
+
Рис. '8. '25. Сrруктурная схема неп ре
рывно-импульсного стабилиз атора на
пряжения
лено последовательно с регулирующим транзистором (РТл) непре
рывного стабилизатора. Напряжение на резисторе 1Rи изм еняется
пропорционально току непрерывного стабилизатора .
При подключении стабилизатора к источнику постоянно го на_
пряжения :U0 начинает увеличиваться ток регулирующего транзи
стора ( РТ л) непрерывного стабилизатора и на·пряжение на резисто
ре Ra увеличивается. При определенной величине напряжения на
этом сопротивлении срабатывает триггер (Т) и включает регули
рующий транзистор ( РТа) импульсного стабилизатора . Ток дроссе
ля (Др), установленного последовательно с регул_ирующим тран
зистором импульсного стабилизатора, начинает увеличиваться, на
пряжение на выходе (Ивых) увеличивается, а ток непрерывного
стабилизатора уменьшается. Ток непрерывного стабилизатор а бу
дет уменьшаться до тех пор, пока напряжение на сопротив лении
Rи не достигнет порога отпускания триггера, после чего триггер
205
срабатывает, и регулирующий транзистор импульсного стабилиза
тора закроется. За время закрытого состояния регулирующего
транзистора дроссель Др, разряжается через диод Д на нагрузку.
и напряжение на выходе стабилизатора уменьшается. Уменьшение
напряжения на выходе вызывает увели чение тока непрерывного
стабилизатора, напряжение на резисторе Rи увеличивается, вновь
срабатывает триггер (Т), регулирующий транзистор импульсного
стабилизатора ( РТи) открывается, и процесс повторяется.
При увеличени и входного напряжения стабилизатора - И0 увели
чивается скорость нарастания тока непрерывного стабилизатора,
что уменьшает время открытого состояния регулирующего тран
зистора импульсного стабилизатора. В результате этого выходное
на,nряжение остается неизменным с определенной степенью точ
ности.
При уменьшении сопротивления нагрузки увеличивается ско
рость спада тока непрерывного стабилизатора, что уменьшает вре
мя закрытого состояния регулирующего транзистора (РТи), и вы
ходное напряжение Ивых остается неизменным с определенной сте
пенью точности. При уменьшении напряжения на входе стабилиза
тора и увеличении сопротивления нагрузки схема работает анало
rично.
Ток в дросселе i дР и ток регулирующего транзистора непрерыв-
ного стабилизатора ip состоят из постоянных и переменных состав
ляющих, причем переменные составляющие токов i дР и iP~ нахо-
дятся в противофазе и не равны друг другу (i дР~>iР~). Ток в се
противлени и нагрузки стабилизатора равен сумме этих токов . Чем
ближе по величине переменные составляющие токов i дР~ и iP~' тем
меньше вели чина переменной составляющей тока в сопротивлении
нагрузки и тем меньше переменная составляющая (пульсация) вы
ходного напряжения стабилизатора.
Величина переменной составляющей тока непрерывного стаби
лизатора iP~ зависит от коэффициента усиления цепи обратной
связи.
Если коэффициент усиления равен бесконечности, то перемен
ные составля ющие токов равны ОдР~=iр~), и переменная состав
ляющая (пульсация) выходного напряжения будет равна нулю. Из
этого следует, что увеличение коэффициента усиления цепи ОС
уменьшает переменную составляющую выходного напряжения.
В реальн ых схемах амплитуды пульсации выходного напряже
ния непрерывных и непрерывно-импульсных стабилизаторов соиз
меримы.
Средне е значение тока регулирующего транзистора непрерыв
ного стаб илизатора зависит от порогов срабатывания триггера и
не зависит от величины входного напряжения · Ио и тока нагрузки
iн- Пороги срабатывания триггера по величине выбираются такими,
что среднее значение тока регулирующего транзистора непрерыв
ного стаб илизатора во много μаз меньше среднего значения тока
дросселя.
206
Таким образом, основная мощность от источника в нагрузку
передается ключевым стабилизатором, а непрерывный стабилиза
тор выполняется на небольшую мощность, и потери в его регули
рующем транзисторе малы. Отсюда следует, что КПД непрерывно
импульсного стабилизатора близок по величине к КПД импульсно
го стабилизатора.
8.6 . СТАБИЛИЗАТОРЫ постоянноrо НАПРЯЖЕНИЯ
С РЕГУЛЯТОРОМ В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
В ряде случаев, например, в высоковольтных стабилизаторах
напряжения, регулирующий элемент включается в цепь перемен
ного тока.
В качестве таких регулирующих элементов используются маг
нитные усилители с самонасыщением, транзисторы, включенные по
определенной схеме, тирисгоры и т. д.
Магнитный усилитель с самонасыщением (рис. 8.26) состоит из
двух сердечников А и Б, выполненных из материала с прямоуголь-
А
Б
Wс.ч
Wс.ч
-
+-~
Рис. 8.26. Схема стабилизатора 11остоянного напря
жения, в качестве регулирующего элемента, в кото
рой используется магнитный усилитель
ной петлей гистерезиса. На каждом из сердечников располагаются
рабочая обмотка (обмотка переменного тока), обмотки управле
ния и смещения.
В цепь рабочих обмоток МУ нключены диоды, благодаря чему
напряжение сети оказывается приложенным к рабочей обмотке в
течение одного полупериода, который называется рабочим.
В интервале рабочего полупеμиода индукция в одном из сердеч
ников (например, А) изменяется от минимального значения Ву.
обусловленного ампер-витками обмоток управления и смещения.
до индукции насыщения Bs,
До тех пор пока индукция в сердечнике А не достигла и ндук
ции насыщения Вс.. индуктивное сопротивление рабочей обмотки ве
лико, и напряжение на первичной обмотке трансформатора прибли
зительно равно нулю. Как только произошло насыщение сердеq
ника, сопротивление рабочей обмотки резко уменьшается. Напря-
207
жение сети почти полностью прикладывается к первичной обмотке
тран сф орматора . Для сердечника Б этот полупериод является уп
ра вляю щим. Под действием напряжений, приложенных к обмот
кам уп равления и смещения, он перемагничивается, и его индук
ция изм еняется от индукции насыщения Bs до величины, равной
Ву. Другой полупериод для сердечника Б является рабочим , а для
сердечника А управляющим и т. д.
Ампе р-витки обмоток управления и смещения МУ направле
ны встреч но, причем Aw,->Awc~1•
При увеличении тока в обмотке управления МУ увеличивают
ся сумма рные ампер-витки обмоток смещения и управления, что
увеличивает индукц•лю Ву. Увеличение индукции Ву приводит к
уменьшению времени насыщенного состояния сердечников и к
уменьше нию напряжения на первичной обмотке трансформатора.
Маг нитный усилитель с самонасыщением можно эквивалент
но представить в виде ключа. Замкнутому состоянию ключа со
ответс твует интервал времени, в котором сердечник МУ насыщен.
Время замк н утого состояния ключа изменяется в зависимости от
изменения суммарных ампер-витков обмотки управления и сме
щения. Увеличение тока управления уменьшает время замкнутого
с о стояни я ключа, и напряжение на первичной обмотке трансфор
матора уменьшается.
Обмо тки управления МУ в схеме рис, 8.26 включены последо
вательно с транзистором Ту. Обмотки смещения М.У питаются от
выходного напряжения стабилизатора через резистор Rсм •
При изменении выходного напряжения стабилизатора, напри
мер , ув еличении, увеличивается напряжение на резисторе R2, что
увеличивает отри ц ательный потенциал на базе транзистора Ту и
его базо вый и коллекторный токи. В результате увеличивается ток
в обмотках управления М У, что увеличивает суммарные ампер
витки обмоток управления и смещения , а следовательно, уменьша
ет время насыщенного состояния сердечников М У.
Напряжение на обмотках трансформатора уменьшается, и вы
ходно е напряжение стабилизатора возвращается к своему перво
начальномv значению.
Достоинствами такой схемы являются: достаточно большие ко
эффициенты стабилизации и полезного действия.
Стабилизаторы данного типа широко применяются, когда тре
буется получить относительно большие токи нагрузки (от единиц
до нескольких десятков ампер) .
Недостатками таких схем являются: искажение формы напрп
жения на зажимах первич н ой и вторичной обмоток, т. е. увеличе
ние коэффициента пульсации на выходе вы п рямите,'Iя, необходи
мость увеличения индуктивности обмот ки дросселя Др 1 и емкости
конденсатора фильт р а Сн.
Рассмотрим рис . 8.27 . Поскольку транзистор является однона
правленным элементом. для е1'0 рабо т ы в цепях перемен н ого тока
его включают через диоды д1-д~. кот о рые обес п ечивают прохож
дение .переменного тока через первичную обмотку трансформатора
208
Тр2, при этом т ок через транзистор не меняет своего направления .
Как ви дно из рис. 8.27, ток первичной обмотки трансформатора
Тр2 n один полупериод протекает через диоды д2, Д3 и транзисто р
Т1, а в дру гой - через д1, Д, и Т1. Ток через транзистор Т1 имеет
пуль сирую щий характер, но не меняет своего направления.
Примен ение трансформат о-
ра Тр1 в схеме рис. 8.27 не Тр1 r+1 1--i
1-1
Тдz
обязательно и вызвано необ- jl - - - - 1~
ходимостью гальванической Uc
t
•
р а звязки меж ду сетью и регу-
и
лирующи м элементом стабили -
+
бых
зат ора. Кром е этого, примене
ние транс форматора Тр 1 по
зво ляет ис пользовать в схеме
транзисторы с небольшими
рабо чим и напряжениями.
Транзисторные регуляторы
в ц епях переменного тока при
_кУЛТ
Рис. 8:27. Схема транзисторного регуля
тора, установленного в цепь переменно
го тока
меняются в высоковольтных транзисторных стабилизаторах.
Стаби лизатор (рис . 8.28) состоит из двух силовых трансформа
тор ов (Тр1, Тр2); схемы умножения напряжения (C1-Ct..: Д9-д12),
измерительного выпрямителя (д1з-д15), сравнивающего делителя
(R1RпR2) , ус илителя постоянного тока (Ту, Т'у) параметрического
стабили за тора (Rг1, дв, Rг2, д1, дs), являющегося источником опор
н ого напряж ения, и регулирующего элемента (Д1-д,., Тн, Т12),
if;.
Дg Я1рr
.--- ~-~ ~---- ,
+·
clf
116,[Х
д1s Rq;2
•~t .-
l'
7j
Rrт Crz
!!
-t
Ry
1⁄4л R2
Рис. 8.28 . Схема высоковольтного стабилизатора посто
янного на11ряжения на транзисторах
включенного в цепь первичной обмотки трансформатора Тр2.
В схеме, для разделения высоковольтной uели с цепями управ
ления, напряжение обратной связи снимается с измерительного
выпрямителя, который питается от низковольтной обмотки транс
форматора Тр2 .
209
Принцип действия схемы заключается в следующем. При уве
личении напряжения сети в первый моме нт увеличивается напря
жение на выходе схемы умножения и на выходе измерительного
выпрямителя. Это вызывает увеличение напряжения на нижнем
плече сравнивающего делителя, которое сравнивается с опорным
напряжением Иап, Уменьшается отрицательный потенциал на базе
транзистора Ту, а отрицательный потенциал на базе транзистора
Т'у увеличивается. Это уменьшает базовый и коллекторный ток и
транзистора Ту и увеличивает базовый и коллекторный токи тран
зистора Т'У· Увеличивается напряжение на сопротивлении R'у, что
уменьшает отрицательный потенциал на базе транзистора Т3 и его
базовый ток. Увеличивается сопротивление составного регулирую
щего транзистора (Т11, Т12), и на11ряжение на регулирующем эле
менте возрастает. Напряжение первичной обмотки трансформатора
Тр 2 уменьшается, и выходное напряжение стабилизатора возвра
щается к своему первоначальному значению с определенной сте
пенью точности. При уменьшении напряжения сети схема работает
аналогr~чно. В качестве регуляторов в цепи переменного тока мо
гут быть применены тиристоры.
Тиристорные регуляторы, по сравнению с транзисторными, мо
гут пропустить значительно большие токи и выдерживать значи
тельно большие напряжения . В связи с этим стабилизаторы нап
ряжения на тиристорах могут быть выполнены на значительно
болыиие :выходные мощности, нежели стабилизаторы на транзи
сторах.
Стабилизатор (рис. 8.29а) состоит из регулирующего элемента,
выполненного на тиристорах дs, Д~ и диодах д1, д2, трансформа
тора Тр1, выпрямителя В, фильтра Ф, схемы сравнения СС, уси
лителя постоянного тока У и схемы управления тиристорами СУ.
На управ,JJяющие электроды тиристоров от схемы управления
поступают положительные импульсы.
В первый полупериод напряжение на аноде тиристора дз поло
жительно (рис. 8.296). Однако в интервале 0-1 он закрыт, так
как на его управляющий электрод не подан по.rrожительный им
пульс. В этом интервале все напряжение сети п адает на зат~рытом
тиристоре Д3, а напряжение на первичной обмотке трансфор матора
U1 равно нулю. В момент времени t1 на управляющий электрод
тиристора подан положительный им п ульс от схемы управления, и
он открывается.
В интервале 1-2 тиристор Д3 открыт, и напряжен~е сети че
рез тиристор Д3 и диод Д2 подключается к первичнои обмотке
трансформатора. В интервале 1--2 напряжение и1 равно напря
жению сети. Начиная с момента времени t2, к тиристору дз при
кладывается обратное напряжение, и он закрыт.
Во втором полупериоде на аноде тиристора Д4 положительпое
напряжение, однако он закрыт до момента времени tз, и в интер
вале 2-3 напряжение и 1 равно нулю. В момент tз на его управ
ляющий электрод подается положительный импульс, и с этого
момента времени напряжение и 1 повторяет напряжение сети.
210
Принцип действия схемы стабилизатора основан на изменении
угла включения тиристоров •а. При изменении выходного напряже
ния стабилизатора изменяется сигнал на выходе схемы сравнения
и на выходе усилителя постоянного тока . Изменение сигнала на
о)
--
--
-
(t.) (-)
(-.)
Uc
д1 д2 l.lr
(--)
+
-
.....
-
Д3
,{f!JЗА
о)
ис
uJt
Рис. 8.29. Тиристорный стабилизатор постоянного напряжения :
а) структурная схема; 6) графики uc(t), Uyз(t), Uy,(t) , u1(t)
выходе усилителя изменяет фазу управляющих импульсов, а сле
довательно, и угол включения тиристоров а.
При увеличении выходного напряжения стабилизатора в резуль
тате воздействия цепи обрнтной связи угол а увеличивается от Rе
личины а 1 до величины а2, что уменьшает напряжение на первич
ной обмотке трансформатора и снижает выходное напряжение ста
билизатора до первоначального значения.
При ум еньшении выходного напряжения угол а уменьшается.
211
8.7 . СТАБИЛИЗАТОРЫ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖ ЕНИ Я
С ДВУМЯ РЕГУЛИРУЮЩИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
Рассмотрим рис. 8.30 . Выходное напряжение подает ся на схе
му сравнения (СС), сравнивается с опорны м , и с игнал р ассогл асо
вания через усилитель (УПТ) воздействует на рег улир ующий эле
Ре
)
Ри-с. 8.30. Структурная схема стабилизато
ра постоянного напряжения с двумя регу.
лирующими элемен'Гами
м ент (IРЭ) , вклю ченный на
ст ороне постоянн о г о т ока·
после выпрямителя В. Ре
гулирующий эл емент 1РЭ
и зменяет свои п араметр ы и
воздействует на второй ре
гулирующий элем ент, вклю
че нный на сторон е п ерем ен
ного тока (2 РЭ). В качест
ве первого элеме нта (1 РЭ }
используется
транзис тор
( или электронная лампа) , в качеств е второго (2 РЭ) - м аrн ит
ный усилитель. Такое ВКJ1Ючение двух регулирующи х эле м ен тов
уменьшает мощность, рассеиваем у ю регулир у ющим элем е н то м
(1 РЭ) на стороне постоянного тока , повышает КПД источн ика,
питания, улучшает стабильность и у меньшает н а пряже ние н а : I РЭ.
В цепь переменного тока стабилизатора (рис . 8.31) в ключ ены
рабо,ше обмотки МУ с са м онасыщением. Регулир у ющий т ранзис то р
Т1 линейного стабилизатора шунтирован делител ем RзR , . Нап ря -
Rн
-
! 11а
+
R,
11бых
Рис . 8.31 . Схема стабил,изатора постоянного н а пряжени я с
двумя регулирующими элементами:
1 - трансформатор, выпрямитель, фи л ьтр
жение на сопротивление R4 сравнивается с н апряжение м на ста
билитроне д2, и сигнал их разности управляет транзистор ом Т2, в
цепь коллектора которого включена обмотка у правлени я МУ.
При увеличении выходного напряжения стабилизатора у в ел ичи
вается напряжение на нижнем плече делителя Uн п, увели чива ется
отрицательный потенциал на базе транзистор а Ту и р астут его
базовый и коллекторный токи.
212
Ток базы транзистора Т1 уменьшается, что увеличивает его кол
лекторное напряжение. Увеличиваются напряжения на сопротив
лении R4, токи базы и колj]ектора транзистора Т2, а следовательно~
увеличивается и ток в обмотке управления МУ. В результате умень
шается время насыщенного состояния серд~чников МУ, уменьша
ется напряжение Ио на выходе выпрямителя, и выходное напряже
ние возвращается к своему первоначальному значению. При умень
шении выходного напряжения схема работает аналогично .
В результате, при любом изменении входного напряжения или
тока нагрузки стабилизатора напряжение на регулирующем тран
зисторе Т1 линейного стабилизатора остается практически неизмен
ным.
8.8. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ
ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
В качестве параметрического стабилизатора переменных напря
жений может быть использован нелинейный элемент с малым ди
намическим сопротивлением. Таким
с
насыщенным
сердечником,
вольт-амперная характеристика
которого изображена на рис. 8.32.
элементом является дроссель.
а) .!л_
~l lc
В другом масштабе эта характе
ристика является магнитной ха
ра,ктеристикой материала сердеч
ника B = if(H). В области насы-
1
1
1
1
j
1
1
1
1
Рис. 8.32. ВАХ насыщен
ного дросселя
о;
[/
Ucmax - ------- lft
1
::s>
1
"'1 '
1
[
.
1
.
1
1
лг1
l
Рис. 8.33. Параметрический ста
билизатор переменного напря-
жения:
а) -схема; 6) графики, поясня
ющие принци,п дей-ствия пара
метрического стабилизатора пе-
ремен-наго напряжения
щения (на пологом участке кривой) относительно большим при
ращениям тока в дросселе Л/ соответствуют незначительные изме
нения напряжения ЛИ.
21З
Простейший параметрический стабилизатор рис. 8.33а состоит
из дросселя с ненасыщенным сердечником ( Lл) и дросселя с насы
·щенн ым сердечником (Lн). Параллельно насыщенному дросселю
• включается сопротивление нагрузки.
Рассмотрим принцип действия стабилизатора при Zн= оо, вос
· пользовавшись характеристиками насыщенного и ненасыщенного
дросселей (рис. 8.336). Если пренебречь потерями в стали и ме
ди насыщенного и ненасыщенного дросселей, то можно считать, что
·напряжения на них совпадают по фазе, а су мма этих напряжений
равна напряжению сети. Суммируя характеристики дросселей, по
.лучим суммарную характеристику Иc=f(l). Ис(l) = ИLл(/) +
+ ИLн(I).
Отложив по оси ординат ма~,симальное ,Uc тах и минимальное
. И с mi'f1. значения напряжения сети, из характеристик определим со
· -Ответствуюшие значения напряжений на насыщенном дроссел\С:
Иnых тах Ивых mir, •
Как ВИДНО из рис. 8.336, изменение напряжения
ЛИвых значительно меньше изменения напряжения сети ,ЛИс.
Величина изменения напряжения ,ЛИвых зависит от степени на
,с ыщения стали и от магнитных свойств сердечника.
НедостатЕами рассмотренной схемы являются: низкий cos ер
(0,2-0,3), большие габариты дросселей; низкий коэффициент ста
билизации. В связи с этими НЕ:'достатЕами данная схема применяет
ся редко.
Для устранения указанных недостатков в стабилизаторе, парал
лельно насыщенному дросселю, включается конденсатор. Такой
-с табилизатор называется феррорезонансным (рис. 8 . 34а).
Включение емкости параллельно насыщенному дросселю позво
.ляет сместить рабочий участок нелинейного элемента в область
.а)
!:л_
Рис. 8.34. Феррорезо·нансный стабилизатор на
пряжения:
, а) схема; 6) зависимости между напряжением и током в JIH·
дуктивности, емкости и в нагрузке
214
малых токов . На рис. 8.346 представлены характеристики насы
щенного дросселя rULlт=f(I), напряжения на конденсаторе Ис=f(!}
и характеристика параллельного контура, полученная сложени ем
двух первых характеристик.
Результирующий ток /р резонансного контура равен геометри-
ческой сумме токов индуктивности и емкости, т. е. ip=iL+ic. F:с-
ли потерь в дросселе и конденсаторе нет, то токи / L и / с находят
ся в противофазе и результирующий ток равен арифметической
разности этих токов , т. е. lp=IL-Ic. Поэтому на ри с. 8.346 то~~
! L отложен вправо, ка·к положительный, а ·юк / с - .влево, к ак от
рицательный. При малых 1напряже-ниях индуктивность дроеселя ве
лика , ток в дросселе мал, и результирующий ток имеет емкостны й
характер . В точке А, соотве'I'Ствующей резонансу токов, резулыи~
рующий ток равен :нулю, и при дальнейшем 1по·вышении напряже
ния рез у льтирующий ток имеет индуктивный характер . При это м
результирующий ток резко увеличивается -с повышением напряже
ния , что соответствует резкому уменьшению эквивалентной индук
тивности контура LнС. Из сра1внения рабочих (пологих) участков
кривых ИLн и ULc видно, что при одинаковых изменениях тока на
пряжение на резонансном 1конту,ре (,кривая ULC) меняется меньше ,
чем в -случае одного дрооселя (кривая ИLн) , т. е . .резонансный кон
тур улучшает стабилизирующую способность устройства .
Устойчи•вая работа стабилизатора ·во з можна лишь за точкой
резо:на.нса (от точки А вправо), так как на этом участке повыше
ние налряже-ния вызывает увеличение тока как в резонансном кон
туре , так и в гасящей индуктивности, паде-ние ·напряжения ,на ко
торой компенсирует приращение напряжения 1на входе. Слева от
точки А (участок А-В) устойчивая работа стабилизатора невоз
можна (срыв -стабилизации), так как положительным прираще
ниям напряжения соответствуют отрицательные приращения тока
резонансного контура и гасящей индуктивности, вследствие чег о
падение ,напряжения на дросселе Lл уменьшается , по.вышая вы
х одное напряжение в большей ,степени .
Из кривых рис . 8.346 видно, что феррорезонансный •стабилиза
тор очень ч у вствителен к изменению частоты тока питающей сети .
И з менени е частоты на 1-2 % вы з ывает изменение выходного нап
ряжения на 2-3,5 %. При увеличении частоты тока (пунктирные
кривые ·на рис унке) индуктивное сопротивление увеличивается, а
емкостно е - у меньшается. Поэтом у •кривая ИLн пройдет ·выше, а
И с - ·ни ж е и кривая выходного ·напряжения ИLc сместит-ся -вверх ,
т. е . напряжение на выходе •стабилизатора повысится. Уменьшение
частоты то к а вызывает -пони~ю~ние ·напряжения на выходе .
В сх еме рис. 8.35а дроссель с насыщенным сердечнико м L н
представляет собой повышающий автотрансформатор , первичное
напряжение U1 которого подается от ,сети через дроссель Lл . На
пряжение И2, снимаемое с обмотки 0-2, больше приложенного для ,
того, чтобы было обеспечено стабильное номинальное напряжение
при пони ж ении напряжения сети . Резонансная обмотка 0-3 ттмее тr
215
еще большее число витков для увеличения индуктивности, что да
,ет возможность уменьшить емкость конденсатора, так как необхо
димая резонансная частота обеопечиваеТtся определенной величи
ной LнС, Однако напряжение на резонансной обмотке Ис должно
·быть меньше максимально доп устимого значения для конденсато
ра, используемого ,в схеме.
2ILн С
r/ Udы
lн
о
C>-''---' --_ . __. ,_ __
L........J J
Рис . 8.35 . Феррорезонансный ~табилизатор:
а) схема; 6) характеристики
На рис. 8.356 изображены зависимости между напряжениями и
токами для всех обмоток автотрансформатора, пересчитанных ко
вторичной цепи . Так как напряжение, ,снимаемое с ав'Готрансфор
матора И2, не остается строго постоянным, то для повышения ста
бильности вводится компенсационная обмотка К, включаемая так,
чтобы ее ЭДС Ик была направлена встречно напряжению ,U2, и вы
ходное напряжение будет равно геометрической разности И2 и Ик,
т. е . Ивых= И2-Ик. Компенсационная обмотка помещена на од
ном сердечнике с обмоткой Lл, ее ЭДС, так же как и напряже
ние на индуктивности Lл, пропорциональна току (Ик""Ил""I).
Достоинствами феррорезонансных стабилизаторов напряжения
являются: простота, высокая надежность, относительно ,высокий
КПД (до 0,85), стойкость к перегрузкам и механическим воздей
•Ствиям и относительно низкая стоимость.
К: наиболее существенным недостаткам феррорезонансных ста
билизаторов напряжения следует отнести : зависимость выходного
напряжения от изменения чаеготы источника питания, несинусои
дальность формы кривой выходного напряжения, чувствительность
fК виду нагрузки и относительно большую мае-су.
Глава девятая.
Преобразователи постоянного тока
. 9.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Для питания радиоаппаратуры и аппаратуры связи от источни~
ков постоянного тока с низким напряжением (аккумуляторные ба
тареи) используются преобразователи пос·r:оянного тока в перемен
ный. Для этого могут быть использованы электромашинные пре
образователи, унфо.рмеры, вибропреобразователи и статические·
преобразователи ·на полупроводниковых приборах.
Элект.ромашинные преобразователи вырабатывают напряжение·
синусоидальной формы, в то время как полупроводниковые и виб
ропреобразо.ватели - напряжение прямоугольной формы. Недо
ста1чюм электромашин.ных преобразователей является большие
масса и габариты, а недостатком вибропреобразователей - не
большая мощность, малый срок службы и не,высокая надежность .
Поэтому наиболее широко применяются полупроводниковые преоб
разователи •С малыми габаритами и массой, высокими КПД и экс
плуатационной надежностью.
Преобразователи напряжения на небольшую мощность (до,
500 Вт) при питании от источников с низким напряжением преиму
щественно выполняются на транзисторах. Преобразователи на
большие мощности, питающиеся от источников с повышенным на
пряжением, рационально выполнять на тиристо.рах.
9.2 . ТРАНЗИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
НАПРЯЖЕНИЯ
Транзисторные преобразователи напряжения по способу воз
буждения подразделяют-ся на два типа: преобразователи с само
возбуждением и преобразователи с усилением мощности.
Транзисторы в преобразователях напряжения могут включать
ся по схеме с ОЭ, ОК или ОБ. Наибольшее применение находят
схемы с ОЭ, так как в них ,реализуется мак.симальное усиление
транзисторов по мощности и наиболее просто достигаются условия,
самовозбуждения.
217
Преобразователи с самовозбуждением. Преобра
зователи с самовозбуждением выполняю11ся на небольшие мощно
сти (до ,нескольких десятков ватт) mo однотактной .и двухтактной
схем ам. Однотактные преобразовател'И с самовозбуждением пред
ста,вляют собой релаксационные генераторы с ~положительной ОС.
Трансфор.матор в однотактных преобразователях ,работает с
подмагничиванием, что резко у,величивает намагничивающий ток и
потери в тра-нсфо,рмаюре. В связи с этим однотакт.ные преобразо
вател и ,применяются ограниченно в основном для преобразоваН'ИЯ
малой -мощности (порядка 1-2 Вт) .
Наиболее широко :применяются схемы двухтактных преобразо
!Вдтеле й напряжения. Преобразователь рис . 9.1 состоит из тра.нс-
л)
+
форматора Тр 1 и двух транзисто-
Uо
Тд, ров Т1, Т2, включенных по схеме с
--1{~
о,
ОЭ. Трансформатор выполнен на
к=:i~,-cR='~.....:w,~ G сердечнике из материала с прямо-
Rь
O
~ [fг угольной петлей гистерезиса . Вход-
,-v.
ными зажимами преобразователь
-~-
-
- 1--- ~1
включен в сеть источника постоян
о)
Рис. 9.1 . Схемы преобразователей
напряже ния с самовозбуждением
с трансформатором:
11) н асыщающимся; 6) переклю
чающим
ного тока с напряжением ·Ио. На
пряжение, снимаемое с резистора
Rб делителя напряжения, создает
на базах транзисторов отрицатель
тrое (относительно эмиттеров) сме
щение, что обеспечивает надежный
запуск преобразователя. Так как
сопротивления транзисторов немо
гут быть абсолютно одинаковыми,
то их коллекторные токи окажутся
различными и, следовательно, на
ма1·ничивающие си лы верхней (ао)
и нижней (об) половин первичной
обмотки трансформатора будут так
же различны . В результате нера-
венства встречно действующих на
м агничивающих сил создается результирующий магнитный по
ток в сердечнике трансформатора , который индуктирует в обмотке
ОС (вг) ЭДС, направленную так, чтобы к базе транзистора, через
котор ый первоначально протекал больший ток (например , Т1), бы
ло приложено отрицательное напряжение, а к базе транзистора,
через который при включении протекал меньший ток (например,
Т2 ), положительное напряжение . Это приведет к увеличению тока
коллектора транзистора Т1 и уменьшению тока коллектора тран
з истора Т2, вследствие чего увеличится как магнитный поток в сер
дечнике трансформатора, так и ЭДС, индуктируемая в обмотке
ОС. Дальнейшее уменьшение сопротивления транзистора Т1 вызы
вает увеличение тока , протекающего через него и верхнюю поло
вину первичной обмотки трансформатора, что увеличивает магнит
ный поток и ЭДС обмотки ОС, которая уменьшает сопротивление
218
транзистора Т1 . При этом к верхней половине первичной обмотки.
окажется приложенным напряжение источника И0 за вычетом па,
дения напряжения в открытом транзисторе Т1. Увеличение тока в
верхней половине первичной обмотки и магнитного потока в сер
дечнике трансформатора происходит до насыщения материала по ~
следнего.
При ,насыщении материала сердечника , уsеличение магнитног о
потока прекращается .и ЭДС обмотки ОС станови11ся равной ну
лю, так что потенциал базы транзистора Т1 повышается . При . этом
сопротивление транзистора Т1 увеличивается, а то•к коллектора Т 1
у меньшается, ·вызывая у,меньшение магнитного потока в сердечни
ке трансформатора . Изменение магнитного потока в с11ор,ону у:мень
шения изменит ·напраiВление ЭДС обмот~и ОС так, что т,ра,нзи,стор,
Т2 011кроется, а транзистор Т1 за.~роется. В дальнейшем будет про
исходить у величение тока, протекающего через транзистор Т2 и
нижнюю половин у пер.вичной обмотки тра,нсформатора. При этом
магнитный поток в сердечнике, 'Изменив ,направление, начнет та,юке
увеличиваться. При достижении насыщения сердечника вновь про
из,ойдет ~переключение, т. е. транзистор Т1 открое'Гся, а транзис11ор
Т2 закроется и т. д.
Таким ,о·браз.о,м , тр,ан:зиеюры Т1 .и Т2 работают в ключеном ре
:жим•е , поочередно подключая к •верхней и нижней половина ,м ·пер
вичной обмотки трансформат,о,ра пост,оя,нн,ое на,п-ряж·ение : И0 и
,обеспечивая лер.иодическое изме н е,ни•е т,ока лерв.ичной обмотки .
Изменяющийся маг,нитный лоток в ,сердечнике трансформатор а
и ндуктирует во вторичной обмотке переменную ЭДС, форм а
кривой которой близка к прямоугольн,ой. Для у,м-ен:ышения потер ь.
мощностл ,на ·переключение в т.ранзисто,рах Т1, Т2 ,се-рдечники тра,нс
форматоров изт,от,о;вляют ,из ,мат•ериала с ,прямоугольной петлей·
гистерезиса (на:пр ,имер, 50 НП , 79 НМ, 34 Н!КМП) .
Пер·еключение транзисторов может ,п,рои,схо·дить ,ра,ньше , че м,
на ,ступит на,сыщение ,сердечн.ика. ,В этом случае ,маг,нит.ный лот,ок
перестает у неличиваться из-за то·г,о, что 1юллекторный ток тран
зистора дост иг ,своего предельного значения . Предельн,ое з.начен,ие
к•оллекторrюго т,ока ·олределяет,ся ,мах,симально ;возмож,ной в дан
н ой схеме ,величи,н,ой •баз•ового т·ока ,и коэффици,ентом у,силения,
тра.нзи,с·юра по току. !Неа,бходимо о1'метитъ , что такой р•ежим рабо
ты преобразовате л я ,использ у ется .редко, так как ,ра·бота ·преобра
зователя •в этом сл у чае :мало экономична и не у стойчива ,из-за ,влия
ния разброса параметров транзистор ·ов на ,режим ,переключения .
Преобраэователи ,рис. 9.Ia используются как задающие генера
торы для уоилителей мощ1юст,и ,и ка ,к автономные ·маломощны е·
ис1'очники э л ектр ,о,питанля. Их ,основ,ные досто,и,нства - простота
, с х емы, а таюке неч ув ,ствительно •с ть к кор ·от1шм замыканиям в цепи
нагр у зки . При ко,ротком за1мыкании ,в депи наг,руз~и срывают,ся
ав'!'о к олебания прео·бразователя .и 'I'ранз,исторы Т1 .и Т2 закрывают
ся. Недостатком лреобраз,ователей с на,сыщающи,м,ся трансфор
матором явля,ется налич,ие выбро,сов ,коллекторного т,ока 'В м-ом,ен 1'·
219,
(Переключен,ия тра,нзи,ст,оро'в, что увеличивает ,потери в преобра
зователе.
Схема ,ри,с. 9.16 имеет ,ряд преимущест,в ,по сравнен,ию со ,схемой
·рис. 9.la. Выходной 11ран,сформато-р преобразователя рис 9.16
работает в линейной оrбла,сти ,без зах,ода рабо'Чей точки в обла,сть
насыщения. Пер ·еключе-н~ие транзисторов Т1, Т2 осущест;вляется
за ,счет на,сыщения ,промежуточ,но,го тра,нсфор,матора Тр2. Соnро
тивле~-ше Roc в цепи первичной обмотк,и тра ,нсфор,мат-ора Тр2 не
,о,бходимо для ус11.ранения бро·сков к,оллекторного тока при пере
,ключении транзисторов . В ,момент на,сыщения сердечника транс
формато.ра Tpz ув,еличи,вает,ся ток в ею nерв.ичной обм,отке. На
пряжение на ,со,прот,ивление Roc р,езко 1в-озра1стает, ток базы, а соот
ветственно и ток ,коллектора тра ,нзистора уменьшаются.
В д:вухтрансфор,мат-орной схеме ,преобразователя Тiранз,исторы
lПереклю'Чаются при меньших значе-ниях коллекторных токов, чем
в ,схем,е ,с на,сыщающимся тран-сфо,р,мат,о,ром.
Недостат.ко,м прео6'раз-ователя я-вляет,ся наличие д:ополн,итель
,ного трансформатора и некоторое у,слож,нение его базо1вых целей.
В ра,с,смотренных ,схемах преобразоват·елей к закрытому тра,н
зиrст,о р у ,прикладыва ,ет,ся напряжение, равное сумме напряжения
питания Ио ,и ЭДС, наведенн-ой 'В неработающей 'ПОлов.ине первич
,н,ой обмотки. Следователь,но, ,на:п,ряжение на закрытом тра,нз,исторе
равно удвое,нному напряжению ,питания (2 Ио). Кроме того, на
,пряжен и е на транз,исторе может иметь выб,р-ос, .возникающий а
момент ,его выключения. Амплитуда выбро,са зависит от индуктив
ност,и раосеян,ия ,Qiб:моток тра,нсформатора и скорост,и ,изме,нения
тока коллектора.
Таким ,образом, в сх,емах двухтактных :преобразователей, где
,ран ,сформатор 1выпоm-1ен со средней точк,ой, -напряжение на за
:крытом транзи •стоrре, лревышает удвоенное з ,нач·ение на,пряжения
:пита,ния. Поэтому ра,ссмотренные ,схемы лрео·бразователей ,и,споль
зуются при сравн.ит,ельно низких напряжениях источника питания
(Ио=26-30 В).
В схеме р,ис. 9.2 траНЗИ,Сторы Т1-Т. О'бразуют мост, •В одну
д,иагональ которого 'Включена первичная обмотка трансформатора
Тр1, а в другую диагональ включен и-сточник питания с на·пряже
,н,ием -Ио. Обмотки обратной ,связи подключаются к базам транзи
еюр о в Т1-Т. через допол-нительные со,противления Rб. Солропiв
ления R1 установлены в ,схеме для надеж,н,ого запуска преобразо
вателя ,в мом·ент подачи напря.жения .питания. В мостовых :пре
о·бразователях напряжеш1е коллекто,р - эм.итт,ер закрытого тран
зистора не :превышает -напряжение пита,ния Ио, поэтому они ,при
rменяют,ся для преобраз,о•ва,н,ия больших мощностей и 'Пр,и ловышен
·ных напряжениях литания. К недостаткам мостовой схемы по
<еравнениiо ,со сх·емами рис. 9.1 следует -отнести вдвое большее число
т.ранзисторов.
Пр·еобразо·вателл с усилителями мощно,сти.При
преобразова,ни,и больших ,мощностей -наибольшее ,распространение
mолуч:или пре-образовател,и с использованием усилителя мощно-
220
сти. Усилитель мощности упра·вляется от задающего r,енератора.
В .качестве задающего ,rен·ератора можно ис,пользовать лрео·бра
зователь ·с самовозбуждением. Применение таких ·преобразователей
цел,есообр азно, если необходимо обеспеч,ить по·стоянство частоты
1И •на,пряжен ия на выходе, а также ,неизм•енно,сть формы кри1вой
[Iере ме,1и10го .напряжения при изменении нагрузки преобразова
теля . Наи более ра•спространенные
схем ы усили телей мощности изо
бражены на рис . 9.3.
Двухт актная ехема усилит,еля
1мо щно ст,и .рис . 9.За ,применяет,ся
R1
' L,·
Т:
Ro
li
1⁄4
W,5,
'Тj
т;,
Рис. 9.2 . Сх ема мостовоrо пр еобразова
теля с самовозбуждением
'Uz3
'
·,
Ro
Ro
R;
~
Рис. 9.3 . Схемы усилителей мощ
ности:
а) со средней точкой; 6) мостовая
rв о сновно,;,,r при литании лреобраз,ователя от источн,ика с низким
на·п ря:жением. Усилитель ~состоит из двух тра,нзист,оров ,и выходноr,о
тра нсформ атора Тр1. Напряжение упра·вления прямоугольной фор
мы пода,ет,ся ,от задающего те,нерато,ра rчерез трансфо!рматор Тр2.
Транзис торы у,с,илителя мощности Т1, Т2 работают поочередно.
В течен.ие первого полулериода п•од дейс11в,ием у:правляющего на
·пря жени я ,один из транзист,оров, ,например Т1, открыт и ,находит,ся
в .н асыщен ии, а транзистор Т2 закрыт и находится в ,режиме отсеч
ки. Во втор ой лолу,пе,риод т,ранзисторы переключаются. Напряже
н,ие пи тания , Ио поочеред,но :ттрикладывается к ,верхней и нижней
LПоловинам первичной обмотки тра,н,сформатора Тр1, лри это,м в его
вторичн ой обмотке наводится ЭДС прямоулольной фо,р~мы.
В двухт актной ~схеме усилителя мощно·сти к закрытому транзи- _
сто ру прикладывает,ся удвоенное напряже1-ше питания. В момент
выключе,н.ия транзистора .из-за ·налич ,ия индукт,ивности рас•сеяния
тра нсформа тора Тр 1 на его коллекто·ре возможе,н ·выброс напряже
н ия , превышающий 1велич,ину удв,оешюrо напряжения :питания.
В схеме рис . 9.36 ·в первый полу.период одновр,еменно .работают
два транзи стора, налри,мер, Т1, Т4. В.о ,второй ,полупериод управ
ляю щего напряжения ра·ботают транзисторы Т2, Тз. -l-Iапряже,н,ие
ист.оч1шк а питан,ия • Ио ·прикладывается к •перв.ичн,ой обмотке транс
фор матор а Тр1, .причем в ~различные :полупериоды полярно;сть на
пряжения ,на .первичной ,обмотке Тр1 бу,дет разЛ"ична.
221
На,пряжение на закрытом тра,нзисторе в м0:стов,ой ,схеме у1сили
теля мощно,сти рЭ1вно ;напряжению источника питания Ио.
Мостовые усилители мощности, в отличие от двухтактных, при
меняют,ся на большие мощнос'I'и при б-ольших напряжениях 'ИСточ
нлка лита,ния.
Выходной трансфо:рматор 'В уоилителях .мощности Тр1 .работаег
в насыщен,ном р,ежиме. Транофор,мато:р Тр1 ,выпол,ня•ется из мате
р,Иала с непрям,оу,гольной петлей гистерезиса .
9.3 . ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА ТИРИСТОРАХ
Тиристоры ,в •отл,ичии от транзи,стор ,ов имеют ,одно,стороннее
управление. Для за,п,ирания тиристор,ов в ,схемах преобразователей
;используются •реакти.вные элементы в ,основном в виде коммут,и
рующих конде,н,саторов. По способу ,включения к,онде.нсато,ров по,
отношению к наг,рузке преобразователи (,инверторы) подразделя
ются на ,параллельные, последовательные и ,последовательно-па
раллельные.
Ин,вертор ('рис. 9.4а) состоит из дро,с,селя, четырех т,иристоР'ов
Т1 -Т"' однофазног,о тра,нrе-формато,ра Тр 1, включенного в одну из
о) Др 11!
о)
-- ---
?.~z?
~
lfo
Тt
(<)
(+]
~
Тt
Рис . 9.4 . Схемы инверторов на тиристорах :
а) мостовая; б) со средней точкой
+
Тz
!fu
диаго,налей ,моста, коммутирующего конде,нсатора С, включенного•
параллельно первичной обмот,к,е трансформатора, ,и ,схемы у,пра'в
ления т,иристорами .
На упра,вляющие электроды т,иристор,ов ,с .выхода ,схемы управ
лен,ия лоступают упра,вляющие .им:пуль,сы. В каждый полу.период
Е схеме открыты два тир,истора - ,один тиристор анодной группы
и другой тиристор катодН·ОЙ гру,ппы . Пред,полож,и,м, в ·первый по
лу.период открыты ти-рист·оры Т1 ,и Т2. Ток др·О~оселя i дР :протекает
через конденсатор и первичную ,обм,отку трансформатора. ~онден
,сатор за,ряжает,ся (потенц.иалы на ·схеме 'Показа,ны rбез ,ско'бок)
1и нап,ряж·ение на его обкладках и на первичной ,обмотке транс
форматора у~вел.ичивается.
Во второй :полупе,риод открывают,ся одновременно тиристо·ры
Тз. Т4. При этом заряженная емкость подключается параллельнс
222
ТlириС'гора,м Т1 и Т2 и под действ,и·ем 1прил,ожен,ного обрат,ного на
:пряжения они за:пираются. Конденсатор :перезаряжает,ся и нд·п,ря
жение ;на еГ10 обкладках и на лервич:ной обмотке траноформатюра
меняет знак (потенциалы локаза,ны на ,схем,е 1в скобках). !ь сле
дующий полупериод опять открываются т,и:р,и,сторы Т1, Т2 и про
цеос ,повторя·ет,ся.
Для обеспечения запирания т,иристоров необходим,о, что,бы
энергия коммуТlирующего конден,сато,ра была до,стат,очной для того,
чтобы в :про,це,с,се перезаряда обратное напряж,ение на тиристорах
падало достат,очно медл,енно ,и усп,ело бы обеспеч.ить в,ооста:нов
лен.ие их запирающих св,ойст,в.
Форма на,пряжен,ия на нагрузке и2 :прео,бразователя такая же,
как и ,на коммутирующем :к,онде-нrсатор,е. Из.менение вел,ичины и
характера 1нагруз1ки ·изменяет величИ1ну и фо1рму напряж,ен,ия.
Так, ;при большо:м со·прот,ивлении нагрузки кривая нап,ряжен,ия
на .ней .приобретает форму рис. 9.5а. Пр,и меньших значениях ,со -
о)
А
Рис. 9.5 . Выходные напряжения инвер
тора при со,противлениях нагрузки :
а) больших; 6) м~лых
Рис. 9.6. Внешняя ха
рактеристика инвертора
(cos ер=,!)
противлен.ия ,нагрузки 'На·пряжение и2 имеет форму э1кпон-енты,
лоегоянная ,време,ни .которой уменьшается с росто1м на·лрузки
(рис. 9.56).
Принцип действия ,схемы ри,с, 9.46 подобен пр,инцилу действия
мостовот,о инвертора. 1В первый полупер,и•од ,под дейс11вием управ
ляющего импульса открыва,ется тиристор Т1. При этом в обмотках
трансформатора :п од дей,ствием :воз.ра,стающего тока .наводит,ся
ЭДС. Под дейст.в,ием этой ЭДС конденсатор ,перезаряжается до
напряже,ния Истах=2 Ио (,полярность :показана на схеме без ско
бо,к). В начале 1второго полупер,иода на управляющий электрод
,второго тиристора подае11ся ,оилнал и тир,истор Т2 отк,рывается.
Конденсатор .начинает :раз,ряжаться, 'Причем его разрядный т,ок
направлен навстречу основному току т,и,ристора Т1 . Ток ч..ерез ти
ристор уменьша,ет,ся и тир.ист,о:р Т1 закрыва·ется. В течение .второ,го
полупериода конденсатор :перезаряжает,ся, знаки ,потенциал,ав на
обкладках конденсатора 1меняют,ся на обратные (пюказано на
рис. 9.46 'В скобках). ,В ,начале т,ретьеrо :полу.периода ~вновь вклю
чается тиристор Т1. Ко.нденсатор С оказывае11ся .подключенным
через '1\Иристо,р Т1 параллельно тирисюру Т2. Под действием раз-
223
рядног,о тока к-о,нденсатора тиристор Т2 запирается. В даль нейш ем
1Процеос ·повторяет,ся.
Напряжение на нагрузке в этой ,схем,е ,преобразователя такж е
изменяется :по экспоненте. С увеличением сопротивлен,ия нагрузки
напряжение на .нагрузке воз,растает.
Как видно 1из характеристики (рис. 9.6) напряжение ,на выходе
преобразователя ,су щественно зави,оит от вел,ичины нагрузки .
r11,z >(
Для уменьшения влиян ия ха рак-
'
~
тера и величины нагрузки на фop-
ljJ.1
му и величину выходного напряж е-
+
ния преобразователя применяют
схемы с обратными диодами .
+
В схеме рис. 9.7 первичн ая об-
мотка трансформатора имеет от во-
т2
ды, к которым подключены дио ды
[Jo д1, д2. Диоды необходимы для воз
врата реактивной энерги и, нак оп
ленной в индуктивной нагрузке, и
реактивных коммутирующих эле
ментах, в источник питания преоб-
Рис. 9.7 . Схема инвертора с об- разователя. Такой преобразов ат ель
ратными диодами
имеет более жесткую внешнюю ха-
рактеристику и может работать при
холостом ходе и индуктивной нагрузке.
В качестве задающего генератора в тиристорных преобраз о ва
телях можно использовать транзисторные преобразователи напря
жения с самовозбуждением или другие релаксационные генерато
ры, на1приме,р, мультивибраторы, ,блокинг-генерат,оры и т. д .
Глава десятая.
Источники электрической энергии
постоянного тока
10.1 . ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И БАТАРЕИ
Для пита ,ния а·п,паратуры связ,и и ,различных радиотехн.ических
устрой,ств широко применяются источники по·стоянного тока. Они
преобразуют какую-либо н,еэлектрическую энергию (химич,ескую,
тепловую, световую и т. д.) в электрическую энерг.ию :постоянного
тока. К таким источ·никам относятся гальванические элементы,
аккумуляторы, термоэлементы, солнечные и атомные элементы и
другие . Источники электрической энергии постоянного тока могут
быть как основными источниками энергии для питания портатив
;.1ых устройств •связи, аппаратуры на ·искусственных спутниках и
космических кораблях, измерительной аппаратуры и т . д., так и
резервными источниками энергии для питания аппаратуры при
отключении сети переменного тока.
В качестве источников электрической энергии постоянного тока
чаще всего применяются химические источники. В качестве хими
ческих источников используют гальванические элементы, аккуму
ляторы и топливные элементы. Гальваническими элементами на
зываются одноразовые химиче,ские источн·ики тока. Они отдают
во внешнюю цепь энергию, запасенную в активных массах элек
тродов в процессе изготовления, при этом имеют место необрати
мые химические процессы.
В настоящее время применяют ·искточительно сухие гальвани
ческие элементы благодаря простоте эксплуатации, дешевизне и
способности работать в любом полож:ении.
Наибольшее применение для питания аппаратуры связи нашли
сухие элементы марганцево - цинковые (МЦ) и воздушно-марганце
во-цинковые (ВМЦ). Конструктивно они выполняются в виде ста
канчиков и галет.
Отрицательным электродом в гальванических элементах МЦ и
ВМЦ является цинк, выполненный в виде коробки (стакана), слу
жащей ,со,судом элемента ·при «.стака ,нчиковой» конструкции и
в в•иде пластины при галетной 1юнструкции.
Активным материала~,~ положительного электрода являе-гся дву
окись марганца (Мп0 2 ). Для повыше,ния электроп·роводности по-
8-311
225
ложительного электрода двуо1кись марганца смешИ'вается с гра
фитом в МЦ •гальваничес~шх элементах, ·образуя агло,мератную
массу. Агл~омерат ра,сполагае1'СЯ в~округ уr,олыног.о электР'ода лри
«стака•нчиковой» конструкции. Угольный электрод ,служит токо-от
водоы полож.ительн .о•г.о электрода элемента.
Между ,пол•ож,ительным 1и отр.ицательным эл·ект,родами поме
щается электролит - •р.а,створ нашатыря (NH 4 Cl), для сгущения
которого добавляется м-ука или крах•мальный •клейстер.
Для любогп гальва,нич,еского элемента ЭДС определяе т ся раз
ностью ·п•отенциалов лоложительног,о ,и ,отрицательного элект, родов
относительно электр ,олита и , не зависит от размеров и к,онструкции
сам.их электродов.
В ,свою очередь, потенциал эле,ктр.ода отнооитель,но элект,ро
лита определяет,ся спос,обностью ,ато,мов материала электродов
отда,вать элект,роны со своего внешнет,о энергетического уровня
(отрицатель,ный электрод) или пр,инимать эле.ктроны (положитель
ный эле~кт,род), т. е. ЭДС галь·ванического элем,ента зав.и,сит от
материала электродов и ,от .ко,нцентрации электр ,олита.
Для МЦ ,и ВМЦ элементов ЭДС ,имеет вел1ичину 1,3-1,бВ •в на
чале разряда.
Электр 1ический ток в,о .внешней цепи обусловлен пер·еносом элек
трон·ов с отрицательног,о элек-грода на ·полож,ительный, а внутри
элемента переносо,м ионов электролита. Положительные .ионы элек
т,ролита ,перемещаются к положит•ельно1му электроду, так как ·по
мере ·получения электронов из ,внешней цепи уменьшает,ся потен
циал этого эщжтрода от,носительно электрол,ита. Что·бы пол ,ож,и
тельные . ионы водо·рода эл,ек11ролита не ·попал:и на угольный эле,к
-r,род и не ,превратились в атомы ,водорода элект,ролита (что повы
сит внутренн ·ее сопрот,ивление элемента, а следовательно, уменьшиг
н,щрящ:ение ·во внешней цели), положитель,ный электрод •вьшол
няет,ся из материала ,с <большим ,содержан1ием кисл,орода (Mn02,
а не Мп). В процес-се ,разряда г,альваниче•ско•го элемента ионы
водорода ,соединяются с ,ионами . к,ислорода, в •результате чего
образуются молекулы в,оды (Н 20). Этим са,мым уменьша,ет,ся ве
роят,rюсть по·пада,ния ионов водорода на угольный электрод.
Элементы ВМЦ по устрой,ству практически не отл,ичаются от
элемент,о,в МП. Основное отличие ,состоит в том, что ,в материале
:пол,ож,ительноrо электрода есть акт,ивированный уголь, что делает
электрод пористым и '!'ем ,самым опос•о·бным логл ,ощать кислород
•воздуха. Это значительно ,повышает интенси,вно·сть превращения
. ионов
водорода ·в молекулы ,воды. Благодаря этому, ВМЦ эле
•менты обладают большей емкостью, чем МЦ элементы при оди
на~ювых габар.итах.
Еl\1к,6сть гальван,ических элеме·нтов и аккумуляторов выражает
ся в ампер-часах (А• ч), т. ,е. оп,ределяется как ·произведение тоха
+1агрузки на время, в т ечение кото,рого эле.мент отдает электр,ичес
,кую энергию. Емкость элемента зависит от его конструкции (от
колпчес т Rа активных матер,иал6в электродов и электролита), от
температуры ,окружающей ,с,реды (с понижением температуры ем-
226
кость у,меньша·ется) и от тока натруз-ки (:пр.и увеличе,нии т,ока
,налрузки емко,сть у~мень:шается , так как ·ча,сть активных материа
лов не усле.вает уч.а,ствовать •В реакциях). Удельная емкость МЦ
элементов, т. е. количество А· ч на кило•лрам ,м массы со-ставляет
(35-40) А - ч/кг. Удельная э-нер ,r~ия МЦ элементов, т. е. количе.ств·о
Вт-ч на килограмм ма,с сы составля ет (45-60) Вт-ч/кг, а для
ВМЦ - (55-60) Вт - ч/кг.
Пр,омыш :r-еююстью выпускается широкий а-ссорт.имент элемен
топ ,и батарей, ,составленных из МЦ ,и ВМЦ эле,м,ент,ов галетной
конструкции. Тех,н,и ческие хара.ктери,стики, а такж е ма,рки,ровка их
приведен ы ,в 1(24].
Недостатка1м.и МЦ и ВМЦ сух,их элементов и •батарей явля
ются: саморазряд ;их в проце.ссе х,ранения, большие ,предiелы ,изм~
не.ния напряжен,ия ·при разряде, низкая 'Удельная энергия на ,щ11:
ницу .массы и о·бъема.
,
Значительно .лучше по своим техническим и Э'Ксплуата,ц,ио,нным
характеристикам о-к,и,сно-ртут,ные элем,енты РЦ, у кот,орых •О'I'р,ица
тельным электродом является цинк, а положительным - окись рту
ти . В каче,стве электр ,олита нс.пользуют ·ра,ст,вор едкого кал .ия.
ЭДС так,о•го элемента ,составляет 1,35 В . Удельная энергия на е,ци ::.
ниц'У ,ма,ссы - 68 Вт -ч/кг, удельная энерлия на еди,ницу объема -
300Вт-ч/дм 3 (в,место Ю5~Вт-ч/дм 3 для ,вмц элементов). ,Эти эле~
менты и,меют значительно меньшее вну11реннее ,сопро11ивление.
Однако они значительно дороже МЦ и ВМЦ эл,ементов.
Вв.иду дефицит,ности и выс•окой стоимости циН'ка желателы10
использовать в качестве ,отрицательного электрода -как,ой -л,ибо дру
г-ой м-еталл, ,например, желез·о . Железо - уголь·ные щелоч,ные эле~
м,енты ВДЖ ,п,рим-еняют,ся для л.итания 1ради,оустройств в трудно
доступных для обслуживания местностях. Однак,о замена цинка
железом ·при,водит к у,менышению ЭДС элемента. · Начальное ,на
пряже,ние ВДЖ элемента 0,76 В, ,н.апряжение в конце разряда
0,45 В . Элементы ВДЖ допускают длительное хранение и .нормаль
но работают пр.и температу,рах выше О 0С. Удельная энер•г~ия... на
едини ц у объема ·и ма,ссы ВДЖ элеме,н--гов выше, чем у ВМЦ Э,!Iсе :,
ментов.
В настоящее время в,едут,ся разработ_ки по улуч шен,ию техни',\-ес-,
ких и эк,сплуатацион,ных характеристик топливных элем-е,н--гов . Он.и,
ка1к и гальванические элементы, преобразуют х,им.ическую эне,р гию
в электр.ическую. В отличие от л,о,следних, запас энерг,и,и у которых
со,оредоточен внутр .и ,самого элемента, в топливных элеме,нтах осу
ществля-ется непрерывная ·подача активных веществ из ,внешних
хранилищ в ~ону, где пр,оисходит элек11р·ох.им,ическая реакция и
отвод пр,одукт-ов, пол учив шихся пр.и этой реакции.
10.2 . КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Аккумулятором называют прибор многократного действия, об :
ладающий ,способностью накапливать и ,сохранять в течение неко
торого времени электричеокую энергию.
8*
227
В зависи:vюсти от состава электролита акку :vr у ляторы бывают
юислотными и щелочны~н1. В кислотных аю< уму,1яторах электр·о
лит,ом сл у жит В'О.1:НЫЙ раствор .сер 1ной КИСlОТЫ (H2S04), в к,отор ,О\/
некот·орая часть мо ,1екул .последней распадается на п·о,1ожите ,1ь
ные ионы водорода (Н+) и отрицате,1ьныс ·ионы к , 1с.1011ного оста т
ка. Этот проuе,сс раопада :vю,текул ,с,ер.н.ой кислоты (э,1ектро ,1итиче
ская диссоциация) на и оны прнсущ сю11ю1 у раств·ор у . П,р,и это~,~
раствор в це ,1ю1 о,сrается электрически ,н-ейтра ,1ь,ны~•1.
Пр,а пог,р у жении в элект,ро,1ит пластины из ч 1 ктог,о свинца ло
ложительные .ионы (РЬ++ ) переходят -в раствор электро ,1ита. Часть
этих ионов, .вступая ,в реа1щню с ,ион.ам,и к1+сло т н·ог.о остатка, обра
зуют нейтральные .чолекулы сульфата свинца (PbS01), оседаю
щего на ш1астине, чт,о ·повыша -ет концентрацию положительных
.ионов водорода в э .1ектро ,1ите. Сама ш1а-стина ввид у избытка элек
тронов заряжается отрицательно (отр.ицательный электрод).
Если в э,1ектролит по·грузить вто,рую лла·стину ,из двуок,ио1
-свинца (РЬ0 2 ), то ввиду повышенной 1концентрации ионов водо
рода двуо1шсь св,инца переходит в ·ра,ств,ор и образует положите .1ь
ные четырехвалент,ные и,оны ,св,анца (РЬ ++++) и отрицательные
ионы r~идроксила (ОН-) 1[25]. Сама пластина из-за избытка ·п оло
жит,ельных ионов свинца заряжает,ся лоложитель.но (.полож:итель
ный электрод). Повышение концентрации серной -1шсл,оты увели
чивает ·потенuиалы лоложительно ,го , и от,рицательн-ого электродов
относителы10 э,1ектролит а.
~
Электродв,ижущая с•ила такого .простейшего ::tккумулято,ра ол·ре
деляе1'ся ,разностью пот,енц,иалов •отр ицательного и положительно
r-о электродов от,носительно электролита и не зав-исит от размеров
и конструкции -сам.их электродов.
При подключении к аккумулятору ,нагрузки под действием ЭДС
во внешней цел,и будет протекать ток, обусло _вленный ,перемеще
нием электрон-о .в от ·отрицатель,н,ого электрода I< положитель,ному.
При этом четырех,валентные ,ионы свинца лолож,ительното элект,р •о
да, приеоединяя на свой внешний энергетический уровень по днс:1
электрона, становят,ся двухвалент.ными но1нами, к,оторые, ·встулан
в ·реакцию с отрицатель,ными -и·онам,и кислотного остатка, обра
зуют молекулы ,сульфата свинца на положительном электроде.
Ток в1нутри аккумулято,ра ~обусловлен п-еремещением ·полоЖ'итель
ных ион·ов водорода к поло.житель,ному электроду. При этом в ,ре
зультат•е взаимодействия ионов ,водорода ,с отрицательными и,о,на
ми r,ид,рок,с.ила образуют,ся молекулы ,воды.
При разряде аккумулятора нэ обоих электродах выделяется
сульфат свинца и уменьшается удельная плотность электро
лита.
Так как ЭДС а•ккумулятора эави,с.ит от шютности электрол,ита,
то 1в лроцеосе разряда ЭДС умен ьшается. Пр.и плотности электро
лита ·в :пределах 1050-1300 к·г/м 3 величина ЭДС кислотных акку
муляюрЬв Е=· О,85+ 1р· 1О-3, где р- удельная плотность раствора
серной ки•слоты ·пр и тем-пер.ату,ре t= +25°С
228
Причем .изменен·ие температуры ,нез,начительно влияет на 1ве
л ичину ЭДС. Повышен.не темпе,ратуры на 10° ув-ел .ич1ша,ет ЭДС
на 0,002-0,003 В :[19] .
Пр,и разряде акку°мулятора .напряжение на его зажимах быст
:ро падает до 2,0-1,95 В, затем медленно пон ,ижает,ся до 1,85-
-1,8 В и после этого рез
ко уменьшается до нуля
{рис. 10.1, кривая 2).
Понижение напряже
ния при разряде объяс
няется уменьшением ЭДС
за счет понижения плот
ности электролита и уве
личения внутреннего со-
противления аккумулято
ра. Уменьшение плотно
ст и электролита непо
с редственно у пластин
2,8
V
!
/
/
/ ~,,,
t'
2/
~..........,
Z345б78g701112
Вреня, ч
Рис. 10.1 . Изменение напряжения кислотного
аккумулятора:
•
1 - при заряде; 2 - при разряде
тем больше, чем больше разрядный ток.
Увеличение внутрею,его ,сопро тивления при раз.ряде объя•сняет
ся как повышением сопротивления ·раств,ора электролита п,р, и
уменьшении •его ллотно,сти, так ,и по·выше:н.ием сопротивления ак
тивного слоя лла,стин, за •счет •образов.ан,ия сульфата :еви.нца, ко
торый не я:вляется л·р•оводником.
Внутреннее ,сопротивление аккумулятора ,повышается •С ·пони
:>hен,ием температуры, так как при этом увелич ивается ,сопротив
ление электролита.
Пр,едельное .напряжение, до которого можно раз,ряжать акку
мулятор ,стац,ио,нарного т.ипа, со,ставляет 1,8 В для .режимо.в р.аз
р яда ,не короче одночас,ового и 1,7'5 В для более коР'отких режимов
разряда. Дальнейший раз,ряд :приводит к образованию крупно
к ри,сталличеСК()ГО ,серно-кислого свинца на пла ,стИ'нах, что .исклю
чает возможность пос.1едующе го ноР'мального эк,сллу.атац,ионного
заряда аккумулятора.
Количест,в,о электричества, 1юторое ак,кумулятор м1ожет отдать
·лр ,и разряде о,пр,еделенным то1ком д·о лр·едельно •го на,пряжения, на
зывает,ся его емкос тью. Под ,ном.и,нальной емкостью (Qн) 1стац,и,о
н ар·ных аккумуляторов понимается то количество элект.ричества
{tA •ч), кото,рое отдает полностью за ряженный аккумулятор при
10-часов,ом ,режиме ,разряда и температуре +25°С. Велич,ина е1мко
сти за•висит от колич,ества активното матер,иала пластин, от ,сте
пени ·его лористо,ст,и и от :плотности электролита. При увел,иче,нии
раз ·рядн-ого тока ем1юсть аю{умулятора уменьшается, так как ·по
верхность :пласти , н покрывается ,се,рно кислым св.инцом, чтD затр уд
няет досту.п электролита ,к внутренним ,слоям активной :мас,сы. При
·понижении температуры увеличивает,ся вязко.сть эл•ектр ,ол.ита, что
также затрудняет его доступ к внутр ·енним слоям активной ма,ссы
и у меньшает емкость аккуму лятора.
229
В ;о'Гключенном состоя,н,и,и (без наr~рузки) заряженный аккум у
лято-р теряет частЬ- запа •с•ен-ной им емкости . Это явление носит ,на
звание саморазряда . Саморазряд ак,ку,м улят-ора увелич,ивает-ся с
повыше,нием плотн ,ост,и элект.р,олита и температ у ры.
При заряде кислот,ног,о аккумулятора неизменным по ·в еличин е
током напряжение ,его оравнитель,но быстро возрастает до 2,10-
2, lБ В (р ,и,с. 10 .1, кривая 1). Затем медленно повышается до ,на
п,ряжен.ия 2,2-2,3 В ,по ме,ре вооста·нов л ения активной массы ш1а
•стин ,и повышения плот,ности электрол.ита . При напряжен и и выше
2,4 В начинает,ся б у рное выд ел ение водорода и кисл орода , приво
дящее к разр ушению пла,ст,ин.
Пр,и напряжвнии 2,4-2,5 В а.ккумулятор полно-стью заряжен
(за1канчивается лроцес,с восстановления активной ма,ссы) . Даль
нейший заряд производит электролиз воды, при котором пластины
,поКiрываютс я пу зырьками водорода и кисло1рода, что у меньшает
а,кти.вную поверхность 'Пластин, у величи'вая вн утреннее сопротив
ление акк у м у лятора, ,в,следств,и,и чего увеличива ,ется напряжение
на ·его заж,има ,х .
Тем,перат у ра электролита су ществвнно влияет на величин у на
пряжен,ия ,во время заряда акк ум улят,ора . Понижение температу
ры приводит к у в,ел .ичению на ,пряжения, ,в,следствии повыше,ния
s,нутреннето ,со :противл -ения акку мулятора.
:На,ибольшее лрименение в стациона,рных эл-ектрошпающих уста
нrов1ках электросвязи находят кислотные а-ккумуляторы типов С
,и ОК. Отрицательные ·пла,стины ,в 1этих аккумулят,о,рах выполня
ются коробчатыми. Пластины этого типа лредста,вляют со·бой ре
шетку, ,в ячейках которой п,омещается акти,в,ная масса. Для пре
дотвращения выпаден,ия активной ма ,ссы из ячеек ,пластины закры
ваю11ся ,сви.нцовыии листа,м,и с большим количеством мелких от
вер,стий .
Пол ,ожительные пласт.и,ны выполняются ,поверхностного т,ипа и з
чистого ,свинца. Для у,величен,ия активной поверх•ности •п,олож,и
тельные 'ПЛа,стины им,еют ,ребристую форму.
1В аккумуляторах .несколыю отрицательных ,пласт,rш соединяют
па,раллельно. Между ню,1и помещают положит,ельные ш1аст.ины ,
также соединенные параллельно. При этом условии положитель
ные ,пласти•ны ;работают ,с обеих -сто•рон (;при одност,о·ронней ра·боте
поло·жительные пластины коробятся, что может при•вести к .ка-са
нию их с отр,ицательными ·пластлнами, т. е . кор·откому замыканию) .
Для предох,ра ·нения ,положительных ,и отрицательных пла ,ст.ин
от 1соприк,основения др уг с другом ,в аккумуляторах применяют се
параторы. Их из•гото;вляют из ,материала.в, проницаемых для рас
твора электролита (обычно из фанеры ил.и ,плас-гмассы).
Параллельное соединен,ие одноимен,ных ,пластин позволяет уве
л.ичить емкость а~кумулятора. Каждая группа ·полож,ит,ельных и
отрицательных пла-сти.н ,работает как од,на .пла,стина, площадь ко
·горой ,равна ,сумме площадей параллельно ,оое,z~,и'ненных пла,стин _
Так как положительные ,пла,стины д•олж,ны .находиться между от-
230
р.ицательными, чй•с.iiо ,6tрйцательных пластин 'Всегда на од.ну боль
ше числа ,п-ол о ж,ительн ы х.·
Аккумуляторы тип,ов С и СК небо·лЫllой емкос11и из,rота ,влива
ются 'В ,стекля,нных сосудах . Аккумуляторы больших емкостей вы
полняются в деревянных ,сосудах, выложенных ,в-нутри ,св,и.нцом :или
ки,сл.отосгойким материал-ом. Эти акку,мулято,ры от,но,сят,ся к акку
муляторам 1Отк,рытого типа. У них электролит .непо,ор-едствен'но ,со
пр.икаса ,ется с окружающим 1воздухом. Поэтому в -процессе экс
плуатации требуется своевременно доливать воду, что неудобно.
Промышленностью выпускается 45 11ипов С и .СК ем.ко,стью от
36 до 5328 А· ч. В услов,ном о-бозначении стационарных аккумуля
торов открытог,о ти.па буква С обозначает «•стац,ионарный», две
бу,квы СК ука"Зывают, что аккумуляторы пригодны для кор1Отких
режимо·в ,раз,ряда ·большими тока,ми. Число, ,стоящее после букв,
у казывает 'Номер аккумуляюра, ,на,пример : С-148 ,ил,и ОК-148.
Если эт,от ,ном,ер умножить на 36, то ·получит,ся величина номи
нальной емкости при 10-часовом ,реж,име раз.ряда.
В на,стоящее время •на :п.р -едприятиях эл-ектр-освяз,и применяется
в -осно,вном оди-н епособ эксплуатации бата,рей, ,составленных из
аккумуляторо!В т.ипов С ,и ОК - не п,рерьшный ,подраз,ряд. При этом
спосо·бе экс п.тгуатац.и,и а1кку1мулятор,ных батарей , в нормальном ре
жиме работы элект.ро,питающей установки ('при наличии ,сети пе
ременного то.ка), аппаратура :п.итает,ся от выпрямительных у,ст
ройст в. Полностью заряжен·ная аккумуляторная бата,рея ,подклю
чена параллельно ,нагрузке и получает неп,р·ерывный по,д~разряд
( для компенса ц ии саморазряда) от этих же устройств.
Экеплуатаrшя аккумуляторных бата,рей в режи;м,е заряд- ра з
ряд в ·на,стоящее 1время ,п,ракТ1ическ.и ,не применяе11ся (долуска,ется
в виде исключешия толыко ·при малой ,м,ощно-сти элект.ропитающей
у ста.но в ки). Недостатками ,еп·о·соба эксплуатац.ии заряд-,разряд
являет,с я малый ,срок ,службы аккум уляторов (6-7 л·ет), низкий
КПД э лек тропитающей установки 1в ц,елом, ·большие габар ,иты и
ма сс а бата·рей . Этот способ эксл л уатац,и,и пред у сматривает нали
чие д в ух батарей. Когда ,одна .из них разряжается на .налрузку, то
в тора я з ар яжается или заряженная находится :в резерве.
Эк-спл у атация а к ку м уляторных батарей в режиме непрерыв
н ого по дза,ряла хар а ктериз уется ~следу ющими полож,ит ельным.и ка
че ствам и: выс,о к ая надежность эле.ктропитающ е й установки , так
к ак п ол ностью за,ряженная батарея постоянно подключе н а парал
л ель но нагр у з ке; высокий КПД электроп,итающей установки, прак
т и че-с ки равный КПД б у ферного выпрямит,ел ьного у,стр,ойства, по
ск о л ь ку затраты мощности на ·подзаряд батареи отно-сительно
малы. Ток подзаряда lпз= (0,02- 0,03) N (А), где N - индексовый
н омер ак кум улятора; ·большой ера.к службы акк у муляторов (,не
~rе н ее 20 л ет); малая емкость а к кум уляторны х бата,рей (по ,срав
н ению ,со -сп-особом эк-опл у ата-ц.ии за•ряд- раз,ряд), обе-спечивающая
а варийное питание нагрузок в течении времен.и, определяем-ого
у слов,иями эл,ектро-снабжения ,и принятой с истемой электропита
н ия (не более трех ча,сов) .
231
Для компенсации сам-оразряда ,и соде.ржания батареи в пол
ностью заряже.н•но,м со с·юя ню1 необходимо на батар еях подде р
живать напряжение из ,расчета 2,20±0,05 В н а акк умулятор . По
с1юль-ку в конце ,разряда нап•ряже.ние снижает,ся до 1,8 В (ввиду
малой -е.мкост,и а,ккумуляторов), то для -поддержан ия напр яжени я
в ,преде лах, обеспечиваю щих нормальную работу аппарат у ры, ба
тарея вьшолняет-ся секцион.ированной. В н ор маль-нам реж-име па
ра ллел ьно нагрузке под ключ ается основная группа аккумул ято
ров, а дополнительные по .1уча ют подзаряд от ,в,спом-огат ел ьны х
маломощных вып-рямительных усч,ойств. В аварийном ,реж име по
м,ере раз,ряда акку,Уiуляторов основ,ной группы по-следовательно
к ,н,им подключаются аккумуляторы допол·ните :1ьных гр уп п , чт о
дает возможность л,оддерживать необходимое напряжение на
нагрузке.
В на-стоящее в ре.мя все ча ще применяется ·послеаварийный за
ряд батарей в две ст упени при нап.ряжен,и,и, не ,прев-о-сходяще:v1
2,3 В на аккумулятор .
Первый эт а п заряда осуществляеr:ся пр•и ф икснрова,нном заряд
ном то,ке, вели чина -которого колеблется в пределах 1-2 А ,на ин
дексо,вый -номер аккумулятора. По до,стижении напряжен.и я 2,3 В
на аккум ул ятор заряд осуществляется при стабилизации ,напря
жен.ия ,из ра•сч,ета 2,2 В на акк умул ятор. Заряд считается закон
ченным, если за,рядный ток уменьшается до 0,02 - 0,03 А на и,ндек
совый ·номер акк у м ул ятора .
Дост,о,и,н-ством та ·кого ,способа заряда является ·высок•ий коэф
фицие·нт -отдачи аккумуляторов. Коэффициент отдачи по емк,остн
(отношение емкости, ,отданной акк у•м улятором, к емк,ости, полу
ченной от зарядного устройства), достигает 0,97~0,98, что объ
ясняет,ся отсутствием -потерь на электролиз воды, ,не-избежный пр.и
заряде до более высокого напряжен.ия.
До-стоинст.вом тако·го заряда является также возможн-ость про
веден,ия его без отключе,ния батареи от ·нагр у зки, что существен
но повыша-ет надежность электропитающей установки.
Применение ·кислотных ак,кумулято,ров закрытого типа, дли
тельн-о ра·ботающих без доливки воды, позволяет перевести элек
тропитающие уста,новки 1в разряд необсл уж иваемых . В отличие
от акку,мулят,оров т,1шов С ,и СК, аккумул яторы типа СН закрыты
сверху крышкой, снабженной пробкой ,специальной конструкции .
задерживающей туман серной кислоты, и собираются в стеклян
ных или эбонитовых сосудах. АК'к у мул яторы, с,обран н ые в поли
этиленовых оо,судах, обозначаются СНП. Буква Н указывает, что
положительные .и отрицательные пла -стины выполняются намаз
ными {19 ] для уменьшен,ия массы акк уму ляторов .
10.З. ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Существенным ,недостатк,ом ки,слотных аккумуляторов, огра·ни
чивающих ,их применение в пврено,сной ,радиотехнической алпара-
1уре, является уменьше,ние емкости, отдаваемой аккумулятором.
232
с понижение,м тем·пературы окружающей ореды. Уже при темпе
ратуре -40°С кислотные аК1кумуляторы лракт.ически ,полностью
теряют свою емкость. Это обу,сла,влено ·повышением вязко-ст.и элек
тролита ,с пон,ижением те,мперат уры. По этой же ;п,ричине ,нев,оз
можно за,ряжать аккумуляторы уже ,при температуре, бл,из
кой к О0С.
Поэтому :В перенос.н-ой аппарату,ре в,се чаще ·применяются ще
лочные аккумуляторы ·различных типов: кадмиево-никелевые (КН),
железо-никелевые (ЖН) и сер ,ебря,но-,цинковые (СЦ). Вс,е они
являются аккумуляторами закрытою т,и,па.
На,иболее расп ,рост,ран·ены КН и ЖН а.ккумуляторы. По ,св,оим
конструктивным ,и электрич,еск,им ха,рактеристикам они нез•начи
тельно отличаю11ся друг от д,руга .
Как положительные, так ,и отрицательяые пластины изгот,ов
ляются в ,в.ид,е отдельных ·пакето:в (ламелей) из т•онкой перфо•ри
рованной никел·ированной стали. В,нутри пакета ,помещается актив
ная ма,сса . Па,кеты в·преосО"вываются в решетки ,из никел.ирова'Н'ной
стали. Ка,к по.тюжительные, так и от,р,ицательные пластины ,ооед.и
няются •между со•бой, а также с ,в.нешними выводами пр,и л,омощи
полосок никелированной стали, л,рива,реняых к лла,ст,инам.
Активная масса полож,ительных пластин состо,ит из окисло.в
никеля, ,смешанных с графитом для повышения ее элек11ропровод
н ости. Акт,ивная масса •отрицатель,ных пла,стин •в КН аккумулято
рах •состоит ,из ,смеси п,с,рошкоо,браз.ното кадм,ия, железа и их окис
ло.в, а в ЖН а1ккумуляторах - из железа ,и его ,о,кисл,ов .
Пластины п,о,мещаются в с,о,суды, изготовленные из ли~тового
железа, ·при помощи сварки, .наружная ,сторона кот•орых никели
руется для предохранения от ко,ррозии . Пластины изолируются
друг от друга эбонитовыми ;палочкам.и, так что между ним.и остает
ся заз,ор по,рядка миллиметра. В КН аккумуляторах ,полож,итель
ные пласти ·ны пр.и.жаты или ,шри·ва рены ,к стенкам , сосуда, всл .едст
вии че го сосуд находится под положительным потенциалом, а члс
ло положителт-,.ных пла,стин ,на одну больше, чем отр.ицательных.
В Ж:Н аккумуляторах сос уд ы находят,ся под отрицатель,ным по
тенциа ло м ,и им,еют больше (на одну) отрицательных .пластин .
К: сте,нка.м сосуда прива·ривается крышка, так что аккумулят,ор
Г~олучается •очень ,прочным .
В це,нтре крышки им,еется ,отвеР'сти·е для заливки акк у м у.1я
тора -ра ,створо,м электрол ,ита, защ"ываемое слециаль.ной пробкой с
каналом для выхода газ,ов.
В качестве электролита в КН ,и ЖН акку м у ляторах ·применяет
с я щелочь - водный раствор едкого калия с добав,кой •едкого ли
тия или водный ра,створ ,едкого ,натр,ия с добавкой едкого лития.
Плотно·сть электролита колеблется .р пределах 1,18-1,21 при 15°С.
Введение в электрол.ит едкого лит,ия да ,ет 1возмож,ность увелич,ить
-срок службы акк умул яторов, .по крайней мере, в три раза. Акк у
муляторы с составным калиевым ,раствор ·ом нормально ,работают
IIp ,И те,\•IПературе ·ОТ -20°С ДО + 35°С, а С СО:Ста:ВНЫМ натриевым -
.при те,шературе •от 0°С до +45°С.
233
До,стои,нством щелочных а,ккумуляторов я•вляет,ся то, что они
не 11ребуют тщательного ухода. Эr;и аrккумулят,оры не боятся со
т,рясений, могут быть дл1и1'елыно разряж,е.ны, уст,ойчи-вы к ;перегр уз
кам и коротким замыкан,иям, которые опасны для кислот,ных акк у
мулят,о,ров. Саморазряд щелочных аккумулят,0:ров меныш е, че:м
К,И•СЛОТНЫХ.
Существенным недостатком КН и ЖН акку,муляторов, о гран.и
чивающим 1их при,менен,ие в ,стационарных уста .новках эле~ктросвя•
зи, является з•начительное ,изм,енение ,на,пряжения. Напряжение
подзаряда , кото•ро,е необх,оди,мо поддерж,ивать ,на полностью заря
женных КН и ЖН аккумуляторах, составляет 1,58___ .;1,60 В на ак
кумулято1р.
При отключен.и.и зарядного устр,ойства ЭДС полностью заря
жен1ного КН аккумулятора падает до 1,4 В, а ЖН аккум улятора
до 1,5В. В пр,оц,еосе ,разряда КН и ЖН аккумуляторов ·на,пряжение
понижается тем ·быстр,ее и дост,игает тем м,еньших значений, чем
болыше -разрядный ток . Так, ,при ,восьмича,совом ,режиме ,раз·ряда
,и темп•ературе эл·екгролита +25°С •напряжени,е ,о·бо,их типов а1кк у
мулятор·ов соста•вля,ет 1,15..- ;l,18 В, т. е. внутр ,еннее солротивление
их ,сущест венно ,больше, по ,срав.нению ,с кисло-гными аккум улято
,ра1ми. С п•овышени,ем температуры электрс)Л;ита ,раз рядное •напря
Ж•ение несколыко повышает,ся. Ток ,раз,ряда оп,ределяется как ча,ст
ное от деления номи,налыной емкости аккумулятора ,на дл:итель
но,сть режима разряда. Столь знач,ительное измен,ение напряжения
КН и ЖН аК,кумулят,оров исключа,ет возможность э1ксплуатации
их ,в режиме непр,ерывного ·подзаряда. Но1ми,нальной емк,остью КН
и ЖН аккумуля'Горо·в ,считает~ся емкость, которую отдают эти
аккумуляторы в ,режиме ,восьмича ,сового разряда при напряжени,и
не ниже 1,0 В и температуре 25°С. Понижение темлерату,ры элек
'Гр•олита уменьшает емкость.
Нормальному режиму заряда КН и ЖН аккумулятор·ов соот
вет~ству,ет ток. ч.исленно ра.в1ный четв.ерт,и ,ном,инальн,ой ем1ко,сти.
:Конечное ,нап,ряжение заряда ·при это,м •составляет 1,78-1,80 В.
Еще одним ,существенным недостатком ЭТiих а.ккумуляторо·в, по
с,рав,нению ,с кислотными, является ,сущест,в,енно меньшая отдача
их по вмко,сти ,и по энергии . Отдача по ,емко,сти составляет 0,66
при тем·перату,ре +25°С , а ,по энергии - 0,47-0,5.
В ,настоящее время ши,р,оыо .и,спользуются •безламель·ные кад
м,иево.никелевые аккумуляторы (КНБ), обладающие ,существен,но
меньшими вну'llренним ,соп~ротивлен,ием, габаритами и ма,с,оой , че,м
ламельные :КН аккумуляторы. Пласт~ины этих аК1кумулятор·ов со
·ставляются не из отдельных пакетов (лам,елей), а изготовляют,ся
:nр,ессовкой ·порошкообраз·ной активной 1ма,ссы на ,стальную раму .
Для из·оляци,и ·пластин ·раз,ной поля,р,но,сти .И•сп,ользуется капроно
вая тка,нь или ,пленка винипласта. Основными недостат.ками, о,г,ра
ничивающим,и •применение ,КНБ акку,муляторов ,в стациона,р.ных
установках электросвязи, являют,ся малый ,срок службы и ,ора вн и
тельн-о высокая •стоимость.
234
Благодаря высоки.м эк,сплуатацион,ным показателям 1в послед
·ние годы широко лр.именяются се,р ,е,брян·о-цин;к,овые аккумуляторы.
Они по •своему -устройству аналогичны КНБ а.ккумуляторам. Актив
ным ,материалом лоложит,ельных лла ,ст,ин служит впрес,сованная
оки,сь серебра, а акти.вный материал отрицат·ельных плаrстин со
•сто,ит из ЦИ'нrкового порошка. Блок положительных и от,р,ицатель
ных ,пла,стин размещают ·В ·пла ,стмасоовом корпусе.
Электролитом в СЦ аккумуляторе ,служит раст,в•ор едк,ого ка
л ия плотностью 1400 кг/м 3. Количество электролита, не-обходимого
для ра ·боты акку,мулято,ра, нев-елико. Поэтому а,ккумулятор может
уста1навливать,ся в любое ,пол.ожени е, что является его большим
преимуще•ством.
Для полностью заряженного аккумулятора ЭДС ра•в,на 1,82-
1,86 В , напряже,ние пр,и ,разряде - лр.им,е,р.но 1,5 В .
Досто.ин,ств,ом СЦ а,]{lкумуля1i0rров являются очень малые ·внут
рен·нее ,сопротивлени•е, •габар,иты и маоса.
Аккумуляторы этого типа в 4-6 .раз л,егче и меньше по объему,
чем к,и,сл·отные и щелочные. К дост,оинствам СЦ аккумулято·ров
следует о•тне,сти их малый ,са,моразряд и вrозмож•но•сть ]{lратко~ре
ме,нно:го ,разряда токами, •В ,сотни раз пр•е,вышающиrм.и номи.наль
ное значение. Аккумулято,ры этого Т.И'п а нормально работают в
диапазоне температур от -30 до + 70°С и характеризуются вы
сокой отдачей по ем.1юсти (до 100%) ,и по энергии (до85%).
Осн,о·вным недостатком СЦ аккумулято•ров является их высо
кая ,стоимость.
Глава одиннадцатая.
Источники электрической энергии
переменного тока
11.1 . ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Основным ,и,сточнико~,~ элект,рическ,ой энергии для ,стационар
ных устройств ,и предприятий ,с,вяз.и обычно является э нерг·етиче
ская .система или электр ,о,станция.
Энергет,и ч•еской системой (эн,ергоси·ст,емой) называется ,сов,о
купность электро,ста•нц.ий, подстанций .и ·прием,ников электроэнер
гии, связанных ,между ,собой линиями электричес,кой еети .
Подстанцией называется электроустановка, предназначенная
для преобразпвания или •распределе,ния эл,ектричеокой энергии .
В зав.исим,о·сти от назначения лодстаю"щи могут быть преобразо
вателыными и распределительными.
Во всех энерг,осистемах электрическая энергия, вырабатывае
мая на эл,ектр,останциях трехфаз,ными ,синх,р,01нными генера'I'орами
пере~,~енного тока промышле,нной ча,стоты 50 Гц, переда·ется до
места потребления при высоком ,напряжен.и.и. Применение высо
ких напряжений (6, 1О, 35, 110, 220 и ·более киловольт) •обеспечи
вает •передачу больших м1Ощностей ·на •большие расстоя,ния при
О'J'Н,осительно малых потерях э,н,ергии ·в ,ои•стеме :передачи и ра ·с
пределения.
Пр,иемники эл,ектричес1юй энерг.ии (nредпр,ият.ия связи) подклю
чаются к распределительным ус тр,ойствам энерто,сист•емы че•ре~
понижающие т.рансфор.маторные подстанции и ли.нии электропере
дачи. Эти ,пон .ижающие трансформа'I'ор·ные ,подстанции преобра
зуют •высокое на :пряжение (6 ил.и 10 кВ) в ,низ1кое напряжение-
400/230 в .
На рис. 11.1 приведена возм-ожная ,сх·ема э .1 ектросна ·бжения
крупного предприят,ия связи. На по,нижающую трансформаторную
.подстанцию предприятия ,связи электрическая энерт.ия подается
,при н•оминальн,ом напряжении 10 кВ от двух незави,симых ист,оч
,ников электроэне,рг.ии :no двум лин,иям электропередачи. Одни;vt
и,сточни .ко ,м электроэнергии является расп,ределитель·ная подстан
ция (,распределительный лу,нкт) энерюсист,емы, а вторым - теп-
236
лоцентраль (ТЭЦ), снабжа- от щергос11стены
ющая потребителей элек- llflк!J
ЛJЛ -110 11(f
трической и тепловой энер
гией.
Распределительная под
станция получает электро
энергию от районной пони
жающей трансформаторной
подстанции, преобразующей
высокое напряжение 110 кВ
в высокое напряжение 10 кВ,
а также 35 кВ. Районная
подстанция получает элек-
троэнергию
при напряже-
нии 11 О кВ от энергосисте-
мы, а также от ТЭЦ через
повышающую трансформа
торную подстанцию.
Предприятие связи, как
правило, оборудуется соб
Роdошшя
ЦIJЯ 1/0/J,
.-·
.
.
ЛJЛ!
ЛJЛ 2
/0118
j /011§
г--· -
--1
·I
1-tJ 8/Joc г-и 58М •
.
Тдо11сrрор11ото1нтя поссто111111яl
L. лдеслр11ят11я сбяJ11
_J
--·
-· -·
-
Рис , 111.,1. Схе.ма электроснабжения крупно
го предприятия связи
ственной трансформаторной подстанцией, пол у чающей электро
энергию по двум высоковольтным вводам (6 или 10 кВ) от двух
(по возможности независимых) точек энергосистемы (рис. l l. l).
Обычно аппэратура питается от шин 400 В трансформаторной под
станции. При большой мощности, потребляемой предприятием
связи (более 300-400 кВА), аппаратура может питаться как от
шин 400 В , так и от шин 6 и~и 10 кВ трансформаторной: под
станции.
На :предприятиях ,связи с общей потребляем о й мощностью до
50 1к,ВА может применяться ,собств,енная тра,нсформаторная п·од
,станция, ·оборуд у емая Од'НИМ высоково .1ыным вводом и одн.им
трансфор~<Iатором, и один ,н.изков,о.1ьтный вв,од от б .1юкайшей су
ще,ствующей подстанции (с шин 400 и 230 В) .1ши дза низков,олы
ных ввода от городских или ведомственных лодста,нций.
Колебания нап ,ряжения на ни.з1юволыных шинах ·собствен,ной
тра,нсформаторной подстанции не должны превышать ±5% от
номиналь,ного значе,ния, а ко,лебан ,ия частоты п·ере-}rенног,о т,ока не
пр,евышают ±0,5%.
Для питания передвижных устроfктв ,связи , а также стацио
нарных установок, располож ,енных в местах , где ·отс у тств у ют элек
трические сети -переменного тока, широко применяются ,собств-ен
ные эл•ект,ростанции. ·Собст;ве,нные эл,ектроста,нци.и также ши.роко
применяются ,на предприятиях связи для ,резервирования ,внешних
.источнююв эл·ектр·оэнеμгии переменного тока. Собственные элек
тростмщии обор уд у ют,ся, как ,п,равило, дизель - элект.р,ич,е,скими
агрегатами с генерато рами трехфазного ·перемен,1-rого тока (при
небольшой мощности -- с однофазными генераторами) про,мыш
ленной ~:;астаты 50 Гц.
237
Дизель-генерато·р·ные у становки ,снабжаются специальными у с
тройствами, позволяющими автоматически поддерживать частоту
и напряже.ние переменного тока ,с достаточ•н,о высо,к,ой точно,стью
(порядка +1 ---:- 2 % по частоте и ± ,2--: -3 % по напряж·ению).
11.2. ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ ПОДСТАНЦИИ
Трансфо,рм:норные ,подстанции лред·п.риятий связи мо·гут быть
открь!'I'ого типа, когда все ,оборудование располатает,ся ,на откры
той площадке вблиз,и здан.ия ,и закрытого типа. В основном на
·пр ,едnрият.иях -связ-и сооружают,ся подстанции зак• рыто.го типа, ко
торые м,огут размещать-ся как в отдельном специалЬ'ном зданин
!Вблизи ,пр·едприятия связи, так и в оонов,ном здан,ии •или ,в при
стройк,е к нему. Открытые ,подстанции пр,именяются только для
больших мощностей (несколько тысяч киловольтампер). При этом
ши,р·око лриме.няют~ся ко,мплектные и типовые распредел ,ителыные
устр,ойства ,и подстанц,ии.
На -подстанции устанавливаются ,сило1вые понижающие транс
форматоры, а также аппарату,ра для Jюнтроля, у.правления и за
щиты элементов подстанци.и ,и линий электропередачи от коротких
замыка•ний.
К к,онт~рольной аппаратур-е от.носят,ся ампер,метры, вольтметры,
счетчик.и электроэнерг.ии и измерителыные '!)ранс,форматоры. Эле
ме,нтами управления служат ма·сля,ные ,выключатели и разъедини
тели на сто,роне выс·оког,о напряжен,ия, а та'Кж•е ,руб.ильн.и,ки и •вы
ключатели ,на ,ст·ороне низког,о J-Iапряжения. К прибора,м защиты
отн,осят-ся р•еле мак,с,имального тока, реле времен ,и, ·предохраните
ли, раз,ряд1шки (,при ,наличии в-оздушных в,водов), а такж,е предо-
. •l ЛJЛ1
l лзл2
хранители и автоматиче-
·~
,. р1
~Р,
ские выключатели на сторо-
811
·
не низкого напряжения.
ВМ
На рис. 11.2 приведена
~ р Р ~ однолинейная схема пони-
1
Г'
1
жающей подстанции с дву-
-•1(- .-•
•
.
f-~;0; 8
мя силовыми трансформа-
Р1
Р1
торами ·и одной секциониро-
811
ванной системой шин.
Электроэнергия на под
станцию подается по двум
линиям
электропередачи
(фидерам)-ЛЭПl и ЛЭП2.
На вводах подстанции уста
навливаются разъединители
Р1, при помощи которых
можно отсоединить (при от
сутствии нагрузки) каждый
1( потреоителян
из фидеров от трансформа-
Рис. lil,2 . Однолинейная схема понижаю- торной подстанции. Далее
щей подстанrции
устанавливаются масляные
238
выключатели ЕМ (способные отключать фидеры от подстанции
под нагрузкой и при коротких замыканиях) , подключаемые через
разъединители к сборным высоковольтным шинам. Эти шин ы раз
делены на две секции, которые могут соединяться между собой
разъединител-ем. Силовые трансформаторы подключают,ся к сек
циям высок·о•волы'ных шин чер,ез разъедJинители и ма,сляные вы
ключатели (и.тrи высоковольтные :предох,ра·нители). На ,стороне
низк,ого ,напряжения силовые трансформаторы •п,одключаются к
распредел,ительным шинам 400 /230 В, раздел ,ен·ным та,кже ,на две
секции, ,рубильником Р2. Потребители подключаются к распреде
л,ит,ельным шинам через .рубилью~ки или автоматические выклю
чатели. Для упрощения ,схе,мы на рис. 11.2 .не показа1на контр·оль
ная аппаратура, а таюке р•еле мак,симального тока и ,времен,и.
Секцио-н.и,рова,н.и•е высоковольт,ных шин ;позволяет осуществлять
питание каждого силового тран,сформатора от определенного ис
точника электр,о эн·ерги,и, а такте одного ил,и обоих ,силовых тра·нс
форматоров от любого .из иегочников электроснабжения.
На ·подста,нциях -п,ре,rщр.ият.ий с1вязи в ,основ·ном применяются
т,рехфазные 11ран,сформаторы с естественным ,масляным охлажде
нием, ,обмотки которых, как лравило, ,соединяют,ся по ·схеме з·в·ез
да-звезда ,с выведенной ,нейтральной точкой. Эти трансформаторы
должны допу,с,кать возможность включения их •на параллельную
работу . Тра,нсфо·р,маторы размещаются ,в отдельных камерах, :имею
щих желез,ные двери, О'Гк•рывающи-еся на,ружу. Перегородки меж
ду камера,ми вьшол ,няются о·бычно .из кирпича .или ~бетона . Для
отвода тепла, выделяемого при работе трансформаторов, камеры
оборудуются приточно-вытяжной вентиляцией.
К: .приборам у правления и защиты, в ·пе рв ую очередь, относятся
масляные •выключат,ели. Масля•ный ~выключатель - это трехфаз
ный 1выключатель, контакты которого помещены .в трансформатор
ное масло. Масло о,б,есп-ечивает быстрое гашен.не электриче-ской
дуги, возникающей п,р.и разрыве ,цепи тока. Кроме того, при нали
чи,и ма, сла разрыв цепи п -еременно ·го тока лр ·оисходит в моме,нт
перехода его через нуль, чт,о и, сключа ,ет ,воз-м,ожность появлен .ия
перенапряж,ений в цепи . По ,кон,струкции масляные выключатели
делятся на баковые (,с большим объемо,м масла) и г,оршковые
(,с малым объемом масла).
На ри,с. 11.3 показан ,раз,рез бакового масляного выключателя.
Весь механизм выключателя укреплен .на вер х н-ей крышке 1 мifс
ляного выключателя, ,которая, в свою очер•едь, жестко укрепляется
.на кронштей·нах . Бачо к ,с маслом 2 ,может опускаться вниз , что
обеспечивает леr,кий доступ ,к к,онтактной ,системе. Контакт•ная си
стема •сост,оит из неiюднижных главных губок 3, -с,оединенных с то
ков,едущими стержнями 4, •и ;п,одвижных ножей треуголь.ной фор,мы
5, укрепленных •на изоляцион,ных штангах 6 (на рис. 11 .3 локазана
контактная си,стема для одной фазы). Такая система обеспечивает
надежный ,ко•нтакт. Изоляцион.ные штанги 6 прикрепляют,ся к
планке 7, ,которая под действ.нем пружины 9 стремит,ся выр убить
ножи ,выключателя, н ,о в но,рмальны х усл ,овиях удерживается элек-
2зg
тромеха,н·ичес.к ой защел 1кой. Паралле льно главным губкам (щет
кам) уст а нав ливают,ся небольшие г у б к.и - искрогасители 9, не
ск,олько длиннее ·главных. Поэтому .при ,выключении це пи rобг-орают
не главные губки, а ,нскро-гаси тел.и, кот,орые ле гко заменяются
новыми . Г уб,ки ~,репя т ся к проходным изоляторам 10.
Выключа,ется ма·сля,ный выключа тель валом 11, на конце кото
р,ого и:vr,еется кр ·ино ши п, поднимаю щий планку с ,ножами. При по
ry
!.
мо щи вилки 12 этот вал соединяет•
ся ,с ·системой управ лен-ия. Ои,стема
у1:1р ,а •вления поз-вrоляет вк,1ючать и
выключат ь ,i\,rасля,ный .выключатель
в,руrчкv ю, а также обеспеч.Иiва,ет ав
тrомат1ич,еское 1вьшлюч ·еНiие егю 'Прн
перегрузках и коротких замыка
н·иях . Ав1'оматич,еское 13ыкл ючени е
осу щес твл яется .при ·пюмощи ,реле
~·1ак,симальнюто т1ока, ,реаги1 рующее
на у1величеН1ию тока 1в з,ащищаем,ой
11е1пи. .Р,еле питается от вт.ор:ич1ной
обмотки трансформатюра т,ока, -пер
в;ичная ,о,б мот;ка котю,рого включ1ена
в защища -е,му ю .цепь.
Ма,сля1ным вык лючат1елем можно
у пр 'а1вл,ять н,е,п~осредствеН1н,о или ди
,ст анц·ию1нн о.
У масляных выключате,л ей го•р
шковогю ти,па контактная система
Рис. 11.3 . Баковый масляный вы- каж,дой фазы пом·ещается !В ,отдель-
ключатель:
ный ,из,о ,1 и-р,ованный ,сталыной ци
1 - крышка бака; 2 - стальной ба~..: с
маслом; 3 - главные контактные шет
ки (губ ки); 4 - токоведущие стерrкнн;
5 - контактный но ж; 6 - изол~ционна я
штанга; 7 - механизм управления вы •
ключателем; 8 - пружина; 9 - искро
гасительные губки: 10 - проходные изо
ляторы; 11 - вал; 12
-
в~1 ~1ка
ли1н,др , зал1и·ва-емый маслом. Хара,к
терной ,о,собенностью м асляных ,вы"
кл ю ч,ателей этогю типа я,вляется
большая ,надежносгь в ,раб:оте и ,их
пр а кт:ическа я ,взрыв обезо·п а с~-юсть
в•следс твии ма ,1ого :к,оличества -мас
ла 1и большой прочности цили1-щр,ов.
Основ,ными ,параметрами масляных выключателей являютс,-1
номинальные ·напряжени•е и тох, предельная , разрываемая мощ
ность в аварийном режиме (при корот1юм замыкании) ,и темл,ера
гурная устойчивость при длительных токах короткого замыкан.ия.
Вы,соковольтные предохран.ите,1 и предназначаютс)l
для защиты ,от перег,μузок и коротких замыка,ниr1 основных ,сило
в ых цепей (при отсутствии масляных выключателей) .и измеритель
ных ц•елей. Высоrковолыный предохранитель представляет ,с,о•бой
фарфоровую ил.и бакелитов у ю тр у бку, армированн у ю на концах
металлическими н о.r~,ами, включаемыми в г у бки, которые у станав
ливаю1'ся на вьюоковолын ы х изоляторах. В.н утри тру бки п-оме
щается плавкая вставка. Тр у бка предохранителя плотно засы
пается песком , и гермrтически запаивае тся, что ис~,лючает попа-
240
дани,е ра,сплавлен,ного, металла на т,ру,бку ,п ри перег,орании плав
кой в,ставки.
Недостатком защиты предохранителями являеТ~ся то, что смена
их требует сравнительно большого времени. Кроме того, при ко
ротком замыкании очень ча,ст,о 1сгорают в-се ,шредохранители, вклю
ченные последо,вательно в цепь, и т,е,м ,са,мым могут быть обест,о
чены и др у ги,е потребители, не подвергшиеся авар.ни.
Для обеспечения селективност,и защиты ,на ·подстанциях при
меняются масля'ные выключатели в соч ,етании с реле мак,сималь
ного тока и р,еле Бремени.
Выдержка 1времени на ,срабатывани,е масляных выключателей,
включенных последовательн,о в вьюоковольтную цепь, ,различна,
что обеспечива ,ет при аварии отключение тольк,о .поврежденного
участка. Ма1к,оимальную выдержку в:ремени 'На ,срабатывание имеет
масля,ный ,выключатель, установленный на вв1оде ,под станции .
Чтобы ,не на,рушать электро,онабжения предприятия связи при
срабатывании у стройств аварийной защиты 1в результате кратко
временных перегрузок и 1юротких замыкан,ий, п,рименя,ет,ся одно
кратное автоматическое повторное включен,ие (АПВ) питающего
напряжения.
Разъединители мо,нтируются на высок,овольт,ных изолято:рах и
предназначаются для от,ключения трансфор,маторов, масляных вы
ключателей и друг,их аппа,ратов от высоковольтных цепей в отсут
ствии нагруз'КИ. У,станавливаются о,н,и ,обычно на ,вьюоте, не до
ступной непосред стве.нн,ому ,случайному при1юсновен,ию (свыше
2,5 м), и :выключаю тся специальной изолир,ованной штангой . Разъ
едини тел .и ,могут быть однополюсными и трехполюсныши.
Выключатели ,нагрузк.и ,отличаются от ,разъединителей тем, что
оборудуются искр,огасящими устройствам.и. Они предназначены
для включения и отключен,ия высоковольтных цеп ей напряже·ние:v1
да 10 кВ пр,и токах до 400 А. Выключатели нагрузок не пригодны
для разрыва цепей при коротком замыкании, поэтом у их лриме
няют в ,сочета ,ни.и с -плавкими пр,едохранителями (вместо масля
ных выключателей) .
Контрольная аппаратура, а также ,различные реле защиты н
автоматики включаются в цепь ,высокого напряжения через изме
рительные трансформаторы напряжен,ия ,и тока.
Измерительные т,рансформаторы напряжения - это однофаз
ные или трехфазные трансформаторы напряжения небольшой мощ
ност ,и с высоковольтными .пе,рвичным.и и низковольтными вторич
ными обмотками (напряжение вторичной ,о-бмотки равно 100 В) .
Пер вичную обмотку, хоро шо изолиро1ванную от вторичной и от
корпуса, включают в цепь высокого напряжения через разъеди
нители, предох,ранители ,и ограничительные сопротивления (длн
ограничения тока короткого замыкания).
•
Ко вторичной обмотке, заземленной в однои точке для обеспе -
чения безопасности обслуживающего персонала и сохранности
приборов при пробое ,изоляции, ;подключают контрольную аппа
ратуру и другие приборы.
241
Первичная обмотка измеритель'Ното тра'н,сформатора тока ,
имеющая один ,ИЛ'И не,сколько .в,итков, ,включается ,непосредственно
в разрыв высоковольтной цепи и д,олжна быть х-орошо изолиро
вана ,от вторичной и корпуса. В'I'ор,ичная обмотка , заз,емлен.ная в
,одной точ·ке, ра,ссчитывается на ток ·5 А.
Т,ра·нсформаторные под,станции закрытого типа в зависимости
от мощно:ети ,и количества уста навл,ттва ·емог-о в нлх оборудования
м,огут размещаться на ОJUном или двух этажа х. Подста1нци,и :не
большо-й ,мощност,и разм-ещаются на одн-ом этаже. Пр и -при,мене
нии двухэтаж,ных подстанций тяжелое о,борудование - силовые
тра1н•сформаторы, ма-сляные выключатели - ра ,сполагаются ,на
нижнем этаже, а более легкое о6орудова,ние - разъедин.ите.1и, ,из
мерительные т,раноформ.аторы и пр . - на верхнем.
Минималь.ные ·расстоя'ния от под:станций до ,соседних зданий
оп,ределя,ет,ся т,ипом этих зда'Ний в зависимо-сти -от огнестойкоо--и
и 'Не должны быть мене-е 3 м. В,строенные -подстанци.и, ,как прави
ло, ,размещаются только 1в н,естораемых зданиях. Стены, перего
родки и :nерекрьпия -сам,их подстанций долж,ны быть .несгораемы
ми. Двери помещений ,подста.нщий выполняются из -стали или из
дерева с огнестойк,и,м покрытием.
Силовые тра'Н-сформаторы ,И масляные 'Выключатели с усгр,ой-
1ствами аварийной максимальной защиты ,размещаются в ·отдель
ных каме,рах (в каждой ,камере ,один 'I)р.а'Нсфор,матор или один
выключат,ель). Камеры, ,как пра,вило, оборудуются разъедините
лям,и, измерительными трансфор,маторами тока ,и уст р,ойства ,ми
сигнализации. На передней -стороне к-амер монтируют,ся устрой
•ства для уп,равления разъединителями и масляными выключа
телям.и,
Аппарату,ра низ,1юго напряж,ения у,станавл.ивается в отдель'Ной
камере на щите. Измери-гельные трансформаторы ,напряжения
обыч.но размещаются также в отдельных камерах (по неско.1ьк о
штук) .и уста,навл,и1ваются непосредственно ·на полу или на спе
циальных металлических конструкциях.
11 .3. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНЫЕ
ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ ПРЕДПРИЯТИЙ СВЯЗИ
В качестве ос,новного или ,рез,ервного источника электрической
энерги.и переменного тока для питания ,стационарны х и передвиж
ных предприятий (установок) ,связ,и прим-еняются -собственные
электростанции, оборудуемые, :как лравило, дизель-,ген-ерат,орными
(элек'!'рическими) агрегатами.
Дизель-генераторный агрегат ,оо•с'I'оит из двлгателя внутренне
го ,сг-орания т.ипа дизель и оинхронн·ого ге,нератора трехфазного
перем•енного тока промышленной ча-стоты 50 Гц, -смонтиро,ванны х
на одной обшей ·раме ;и механлческiИ ,соединенных между собой
упругой муфтой.
Двигатели типа дизель используют принцип п,рактически адиа
батичес1к ото сжатия воздуха в ,цил,индрах до высок-ого давления
242
35-105 Па и более) и его нагрева при этом до температуры, до
статочной для ·само-воспла,м-енения ,rорюч,ег,о, впрыскиваемого в
надлежащий м,омент ·в ,ко·нце такта сжатия. Эти двигатели по 1срав
нению с ·бензиновыми более э1юномичны, работают на более д:е
шевых с-ортах топл.и.ва и ,и,м·еют :больший с,рок службы, ,но о·бла
дают худшим,и пу,сковыми ха,рактеристаками (,р -асход энергии и
длительность ,пу,ска). Дли'I'ельность пускового режима суще,ствен
но зависит от температуры воды и ,м а,сла в двигател,е. Если не
осуществлять подогрев воды и масла в двигателе, то пусковой
реж.и,м может длиться 10-
·20 ми·н, что в ряде случаев недо-пусти
мо. Пр.и п•оддержани,и -определ-енной температуры воды ,и масла
длит,ельность пус1ювого режима может быть .сокращена до 20-
30 ,с.
Пуск двигателя, как правило, осущест.вляе'!'ся с помощью эле1к
тр,остартера. Электростартер представляет собой электродвигатель
по,стоянното тока, с ,последовательной обмоткой возбужден.ия,
с цепляемый :nри .помощи . специально-го зубчатою .приводного ме
ханиз,ма с махов.и.ком двигателя. Питание электростартера осу
ще.ствляется от кислот.ных стартерных аккумулятор·ных батарей.
Нагрузка подключает,ся к агрегату после тог-о, 1как д;изель достиг
не т ,скорости 1в,ращения, ·близкой к .ном,инальной. На э.ле,ктро-стан
uиях ,п,редприятий связи в основном лрименяют,ся четырех
тактные быстроходные бескомпрессорные дизели, рассчитан.н ые на
1500 об/м·ин.
Мощность дизеля .пр.и по,стоянном числе оборотов ег-о регули
,руется .изменением количества топлива, по,ступающего ,в цилиндры
(при постоянном количестве ·воздуха) с помощью це,нтробежных
ре гуляторов. Пр.и этом •н-еобходимо, чтобы коэффициент ,мощност,и
(cos ер) наг,рузки, подключаемой к ·синхронному .генератору, был
не меньше 0,4-0,5. Бсл,и это условие :не выполняется, то про-и.схо
дит ,непол 1н,ое сгорание топли.ва, чrо вызывает к-о-ксование ,ц-ил ,инд
ров и 1выхлопноr-о коллектора и приводит к выходу дизеля из
с'I'роя. Коэффициент ,мощност,и повышается включением компен
си рующих конденсат-орав параллель-но нагрузке в цепь перемен
ного т-ока. Это подключение должно быть выпол·нено так, чт,обы
с отключени-ем да•нного поТlребителя отключалась и -ооот,ветствую
щая группа 1ком-пенсацион-ных емкостей. В п,ротивном случае ·лри
отключении нагрузКiи угол ,ер мотет 1стать опережающим и напря
жение резко повысится. Пр.и па ,ралл,ельной работ,е дизель-электри
че-ского агрегата •С оетью ил-и друг.ими аГ1ретатами -реактивная мощ
ность регул,ируется за ,счет .изм·енения тока возбуждения си.нхрон
ного генерат,ора .
Для обеспечения нормаль·ной ,работы дJизель-элект,рического
агрегата дизель необходимо охлаждать . В д,изель-электр,ич,еских
агрегатах применяется, как правило, замкнутая система охлажде
ния ,с принудительной циркуляцией воды . В этом ,случае 1в,ода ,при
помощи центробежного насоса принуд,ительно .протоня-ется через
рубашку двигателя (простра,нство между ,стенкам,и цилиндров) и
радиатор. Радиат•о.р (а сл-ед:овательно, iИ ,вода, проходящая чер·ез
243
него) охлаждается нентиляторо:11, который прив,одится во враще
ние са:11им охлаждаемы:11 диз -2 .1е,:11 ·или электродвигат,елем. Из ра
диатора охлажденная вода вновь подает,ся центробежным насосом
в рубашку диз,еля . Дизель .работает на ,иболее э1юномично, еслн
температур .а воды, выходящей iИЗ рубашки дв.игателя, поддержи
вается ,n пределах 80-90°С. Пр.и более низ .кой температу р -2 уве
личиваю'!'ся ,п,отери .и п·овыша :ется ·износ деталей, за счет уху дше
ния смаз-очных ,свойств масла.
Диз·ель -останавливает,ся прекраще,н,ием подачи топлива ,ил н
воздуха в его цилиндры. Прекращен.ие подачи воздуха обеспечи
вает более ·быструю оста •н,ов.ку.
В каче,ств-е генераторов в а ·г,р,егатах могут применяться тр·ех
фаз·ные синх,ронные ген·ераторы как с самовозбуждением, так и
•С возбудителем. Во збудитель - генератор по-стоянног,о т,ока с па
раллельным возбуждением, питающий обмот1ку •воз,бужден,1rя си ,н
х·ронного гене,р .атора. Напряжение оинхр,онных генераторов регу
лируется ·изменением тока возбуждения ,их, либо автоматиче-ски
:VIИ регуляторами •нап,ряжения, либо с ·помощью ,ручных рег у лято
ров . Дизель-эл·ектричес1ше агрегаты выпускаются на ы-ощно-сть
от 1 до 2000 кВт.
.В настоя щее в,р ,емя •на ,предприятиях связи все чаше при:11еня
ются а· втоматизированные электростанции •С дизель-электрически
ми агрегатамч, т. ак как применение ·их дает воз , можность знач.н
тельно сократ.ить эксплуатационные ,расх•оды за счет уме.нышения:
обслуж,иваюшего персонала. · Кроме то•го, автоматизация ,с-обств·ен
ных эл ,ектр,о-станций повышает надеж·но,сть работы -и орок с.1ужбы
агрегат,ов за счет создания на.иболее оптимальных режимов рабо
ты их. Причем степень автомат.изапии со·бств,енных эле!J<Т))О,Ста•н
ций может быть ,различной.
Ниже рассм ·атривают,ся п,ринц,ипы автоматизации ,ообственных
электростанций -применительно к наиболее распространенным мо
дер,низированным д:изель - электриче,ским агрегатам типа ДГ А-,М
(третья ст,епень автоматизации согласно ГОСТ 10032-69). Эт,и
агрегаты ра -осчитаны для использован.ия их в помещениях с тем
пературой от + 18 до + 50°С и отно-сительной влажно-стью до 9,5 %
при те.мпературе +20 °с.
Пуск о в ой ,режим. Агр-егат автомат,ически запускается при
нарушени.и нормального электро-снабжения лр,едпр.иятия ,с,вязи (•от
внешних источников или -от одного из диз ,ель-электрических агр -е
гатов собстве.~-гн-ой электростанци.и) ил,и в ,случае .понижения тем
перату,ры в помещен.и.и эл·ект,ростанци.и ниже + 8°С. П уск двига
теля •осуществляется ,с по,мощью электроста ,ртера. Бели пуск -сп-ер
вого раза не состоялся, то лреду,сматрив .а ,ет,ся его повторение до,
трех ,раз с определенным ,интервалом. Нагруз1ка п-одклю,rается к
агрегату по,сле того, как дизель разо•вьет 140O ,об/мин при темпе
ратур€ воды и масла +3·5°С .
Для сокращения длительн,ост,и пускового режима лредусматр.и
ва-ется поддержание ол-ределен.ной температуры воды и масла в
двигателе пр.и по.мощи ,специальн ы х элект,р-оп,одогр•евателей.
244
Пуск агр,егата может про,изводитыся та.юке дистанционно с по
мощью разл,ич,ных си ,стем телеуп,равления.
Рабочий режим. В этом режиме осуществляется стабили-
зация напряж,ения лерем-енного тока на вь~х,оде агрегат.а ,с точ
ностью ± 2 % при изменении величи.ны нагрузки .на агрегат от о,
до ЮО %. Такая точно,сть стабилизац,ии ,обес печивает,ся за счет
rвведения в автомат,Ический ,регулятор допо.лн.ит·елЬ'ных обратных
связ,ей по току нагрузки и углу ,сдвига по фазе между -векторами •
тока нагрузки и ,напряжения (принцип фазового 1компаундир•о
вания).
Кр •оме того, ,в э·юм режиме подза,ряжают,ся а,ккумулятор.ные ·
бата•р ·еи, лредназначен1"ые для .питания электростар'I'ера и цепей_
авто . м·ат.ики, а также автомат.ичесю, ;подде ржива ,ет,ся ур •овень сма
зочного масла в ·кар:ере дизеля с ло,мощью специал~ного поплав
ка-клапанного устроиства. Это дает ,возможнос ть оое,спечить ав
томатическую работу агр,егата без обслужи.вания в течение 200 ча-
сов. В течение этог,о времени агрегат может работать как ,непре-
рывно, так и ,с перерывами .
О ст ан о в к а. Останов1ка агрегата мож{~т ,быть как нормаль
ной, так и аварий.ной. Норма:1ьная ,остановка агрегата п,ред усмат
ривается при во,сстановлени.и внешнего электроснабжения .пред
приятия ,связи или .п, ри пуске другого агрегата электроста ·нции в-.
с,оответ,ствии с графи1юм работы агрегатов и осуществляется пу
те,м .пре.кращения подачи топ лива в цил.нндры . При этом ,оста .но,в
ка агр-егата пр,оисход,ит ,с выдержкой порядка 3 м.ин, необходим,ой·
для проверки устойчивости появившегося напряжен.ия.
Аварийная о,стано•вка предусматривается в следующих ,случаях :
-
недопустимая перегрузка тенератора или отсутств.и·е напря-
жен, ия на шишз.х его;
-
повышение числа ,обор·отов дизеля до 1700+150 о·б/мин;
-
повышен ,ие температуры воды •в системе охлаждения диз ,еля:,
св ышен-ормы ( до 100+5°С);
-
,по,нижение давлен .ия ,ма ,с.1а в ,системе смазки дизеля до-
1,5-1 ,9 кг/см2;
-
пон ,иж,енИ'е уровня в,оды в ,радиаторе системы охлаждения,
дизеля ниже нормы;
-
,на,рушение питания цепей автоматики .
Приборы управления, коммутации, измерения, защиты и ре -
гули,рования напряжения генераторов ,собстве.нных элект,ростанций,
у ста ,навл,иваются ·в специальных щита х управления и .ра .спред·еле-
ния (ЩДГА).
Для ·ооздания полностью не,обслужива ,емых электростанций"
способных длительное вре.мя работать без в,м·ешательства тех'н ,и
ч·еского персонала, автоматизи , руют,ся и так называемые в-спомо
гательные ,процессы:
-
поддержание уро,вня топ j1ива в расходном то·пливном бак•е,
ус танавлива ·ем.ом в пом,ещении электро ,станции, подкачка топл,ива~
осуществляется ,н асосом ,с электропр .ив•одом;
245
-
синхронизация генераторов двух агрегатов или генератора
. агрегата -с с·етью внешн-ег,о э л ектроснабжен,ия;
-
включ,ение и ,выключение фидеров внешнего эл·ектроенабже
,ния при помощи дополнительных щитов ЩАВ, фидер отключается
в ,от,сут,ствии напряжения ,на любой ;нз трех фаз или пониж,ении
,ef'o ниж,е допустимого з. на'Ч'ения, а включается - :при ло-вышении
напряжения до т,р,е,буемо.го з·начен,ия;
-
,в1ключение и выключение .пр,иточной и .вытяжной в-ентиляции
в помещении электр ,останции , что обеспечивает поддержание в
·н·е м температуры воздуха в определ •енных пределах ;
-
включение при температ уре + 10°,С ~и выключен.не лр,и тем
пературе +20°С электропеч,ей в помещен.ни электростанции.
Оборудование ,собственных эл-ек11р ,оста•нц,ий ,стационар .ных ,пр1ед
прияТ1ий связи .размещает,ся в ,специальных ломещениях. Эти по
:мещения м~огут у,ст,раиваться ~как в отделыных з.да'Ниях, так :и ·в тех
нических зданиях предприятий ,связи . В отдельных од,н•оэтажных
зданиях размещаются электростанции ,с тихоходными дизелями
(м-енее 1000 об / мин), а также электроста'НI.IJИИ с быстроходным,и
.диз-елям:и мощностью бол·ее :500 кВт. Раз.меры ломещен.ий электро
•ст.анций определяются при про·екти.ровании :и зави,сят от у,станав
лив·аемого ,в нем оборудования. Аг.регаты уста ·навли.вают,ся ,на
,фундаментах, отделен .ных ,от ,пр,имЬ!'кающих ,конструк,ций аморт,и
зирующами прокладками для 1нсключения 1вибрации другоr,о обо
: рудования в пом,ещении электростанции, а также •в соседних по
мещениях.
11.4 . АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕЗЕРВИРОВАНИЕ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ СВЯЗИ
В электр ·оуста·новках пр·едпр ,ият.ий связи широко и·спользуется
: резервир·овани·е элекгроснабжения путем переключен,ия питания
-потребителей с ловрежд'енното на исправно д•ействующий и-сточ
· ник электроэнергии -пер ·еменного тока. Применение авт,оматичес
· кого включен. ия резерва (АВР) дает в,оз,можность ,сократить пер-е
рывы ,в подач·е эл-ектроэнерг.и. и .переменного тока, а -следователь-но,
у меньшить количество ,и мощность рез,ер-вного о.боруд:ован,ия
(уменьшить емкость аккумуляторных бата.рей 1выпрямительн·о-ак -
1 к у мулят,орных установок и у, ст,р,ой,ств •гарантированно -го пита ·н,ия
.пер ,ем,енноf'о тока, чнсло а грегато·в со·бств-ен,ной электр,оста1нu;ии,
мощность силовых тра.нсформат,оров, устанавливаемых на транс
форматорной .подстан ц ии), а также позв-оляет создать электроуста-
·1 1овку, не нуждающуюся в постоянном п рисутствии обслуживаю
щег,о д,ерсонала. 1В электроу,ст-ановках предпр,иятий ,связи обычно
оборудует,ся АВР на -стор ,о,н•е низкого на·пряж,ения . Для примене
н ия АВР необх·одимо наличие, ,по крайней мере, двух ,н,еза,висимых
источни~ко,в электроэнергии. Та~им.и ,источн,иками могут быть как
в-воды •от внешней сети (,от э-нергосис'J'емы), так ,и собств1енная
; резервная электростанция.
246
На рис. 11.4 нрив·едена схема АВР на стороне низкого напр5! ~
жения при ,наличии двух ,н,еза виоимых ,источншюв электр,оэнерги_и
перем;енного тока и централизованном подключен~ии потребит,елеи .
Принцип ·работы ,схемы заключает,ся в ,следующем. В нормаль
ных у,словиях при подаче напряжения от ист,оч,Н;ИКа 1 орабатывают
t источник
реле Рн и включают контактор ,
?rp
зrр
Кн, через который осуществл~
lrp
2Рн JРн
-----+ --, г-, "-"' ---- 1
Jf
'JРн
2 источник (1)
Рис. ·ltlA. Схема АВР:
К8 - контактор нормального питания;
Ка - контактор аварийного питания ;
Р8 - реле, управляющее работой кон
такторов
ется питание потребителеи ..
При этом источник 2 контакта -
ром Ка отключен от потребите
лей, так как цепь питания его ,
обмотки разорвана нормально ·
замкнутыми контактами реле
Рн.
:,_
, источник
1
г+р
1 1:'н1
ml
:•1
ffg]
!-я гp!lflna
потрсои
телец
2/ltlnlJCfHUI!!
Рис. 111·;5_ Схема АВР
При прекраще-нии подачи энергии от .первого ист,очн.ика ил ю
пропада,нии ,налряжения одной ,из фаз ,его Рн ,отпускают, в ,р,езуль
та11е чего контактор Кн отключается, ·а контактор Ка включа ,ет,ся
и .потребители :получают электр·оэнергию от второг,о источника . При ,
восстановлении электроснабжения от ;перв,ого :источника АВР ле
реключае11ся п•отреби1'елей 1в1новь на этот ,и,сточник.
Бели пот.ребит,ел,и предприятия связи могут быть ,разделены .
на две группы, л,рименяет,ся несколько видоизмен,е,нная схема АВР ,
при .которой одна груп:па ,потр ,ебителей получает электроэнергию ,
от одн·ого источника, а другая - от второго (рис. 11.5). При от
ключении любог,о из и•с'I'оч.нико1в ,в.нешнего электроснабжения до
за.пуска резервной электро•ста,нции (при наличии ее) питан,ие обеи х
групп потребителей осуществля·ется от ,од:н,ого исправного источ
ника внешнего эл,ектроснабжения. На ,рис. 11.5 приведена одно
линейная уп,ро щенная схема АВР . Принцил:иальная ,схема устр,ойств.
АВР1 и АВР2 :пр,ивед:ена на ,ри·с. 11.4 .
Глава двенадцатая.
Устройства гарантированного питания
переменным током
12.1 . НАЗНАЧЕНИЕ УСТРОЙСТВ
ГАРАНТИРОВАННОГО ПИТАНИЯ (УГП)
В настояшее время ·предъявляются .очень высокие требования
'К надежности и достоверност,и переда,ва·емой И'Нформации, что
'требует исключения даже кратковременных п·ерерывов в · электро
питании. Однако даже при .налич,ии двух вводо,в от .незавиоимых
.источников внешнего электроснабжения, с применением устройств
АВР, перерывы в подаче электропитания аппаратуры связи со
-.ставляют 0,6-0,7 с . А при -переходе от источ·ни.ков внешнего элек
тро,снабжен:ия на резервную полностью автоматизированную соб
- ственную эл ,ектростанцию перерыв 'В электропитании достигает
:20-30 ,с. Для исключения :перерывов ,в электропитании устрой,ств
-связи (или уменьшения их длительности до допусти,мых значений),
-связанных с ,переходо .м от основ.наго ,источника электроэне,ргии
на резе~рв,ный, необходимо ,иметь соотв·етствующий аккумулятор
энергии, всегда гот,овый к действию. В качестве такого аккумуля
тора используются электрические акумуляторные батареи или
механические аккумуляторы - инерционные маховики.
Не,смотря ·на то что .подавляющая часть аппаратуры ,связи :по
требляет эн,ергюо в 1виде по,стоянного тока, между потребителями
(отдельными лидами аппаратуры, бi1ока,ми и т. д.) предприятия
, связи ,о.на распределяется, ,как ,правило, переменным током . Это
-дает 1возможнпсть ·исключить гальваническую связь между лотре
·бителям.н по пепям пита ,ния . При этом не требуются мощные рас
пределительные ,сети с малыми потерями напряжения, что очень
-существенно 11ри ,низких уро внях питающих напряжений.
Кроме т,ого, переменный ток ,и,спользуется для питания цепей
накала большинства электро'нных ламп, магнитных усили телей,
электродвигателей, систем автоматики -и различных вспомогатель-
1ных устройств (цеп,ей управления, сигнализации, блокироз
,ки и т. д.).
Поэтому даже при наличии соответствующих аккумуляторов
энергии необходимы специальные устройства, обеспечивающие
,бесперебойност ь электро,снабжения аппаратуры связи энергией
248
леремен,ног,о тока. Такие У,ГП широко лрименяют-ся на предприя
тиях связи . Бстеств·енно, что эт.и устрой ,ств·а должны быть пол
ностью автоматиз.ированным ,и .
В· УГП .переменным токо:м могут быть и,слольз,01ва·ны ,как эл-ек
тромашинные, так и •статическ,ие преобразователи .
На предпр,иятиях ,связи широко лри,меняются УГП с электро
,машинными пр ,еобразователями УГП-ЭМ. Это объясняется тем ,
что он.и ,надеж ,ны в работе, хорошо поддаются автоматиз·ации ,
обеспечивают эконо-мичное регулирование ,и си·нус-оидальность фор
мы кривой напряжения, а так:же обеслеч.ивают надежную защиту
аппаратуры от помех ,со ,стороны -сети электроснабжения. УГП-ЭМ
могут при.менять,ся в -сочетании как с э.1ектр .иче,с.кими, так ,и с М'е
ханическим -и ак, кум ул ят,орами.
Наряду с УГП-ЭМ разра,батываются и вн едряют,ся УГП с по
лулроводниковыми инверторам.и . Такие инверторы выполняются,
ка.к прав-ила , на тир.исторах и т-олько при малой м,ощност,и и низ
ких напряжениях аккум ул яторных батарей-~ на тра1ви,сторах .
В отличие ,от УГП - ЭМ такие у стройства небольшой и средней ,мощ -
1-юсти .практически бесшумны в ,работе и могут устана ·вливатьс я
в •одном лом•е щении с аппаратурой связ,и. Ввиду отсут~ствия вра
щающихся частей УГП ,с по .1упро:водниковым ,и инверторами более
надеж,ны л,о ·сра ,внению с УГП - ЭМ.
12.2 . УГП С АВТОМАТИЧЕСКИ ЗАПУСКАЕМЫМИ
(РЕЗЕРВНЫМИ) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ
СтруктуР'н·ая схема УГЛ с резервным э.1ектрома ш инным пре
образо·вателем по,казана ,на ·ри,с. 12. 1.
П ри наличю, на:1ряжения в ,сет.и переменного тока от и,сточ
ника внешн·егn электроснабжения .или от собственной ,резервной
дизель-генераторной электростанци.и АДГЭ аппаратура -связ,и .по
луча -ет пита·н.ие непосредственно от ,сети через замкнутые контак
ты контактора Н устройства АВР2, как показан,о на рис. 12.1, или
через стабилизатор напряжения переменного тока. Электрома
шинный преобразователь при этом отключен от нагрузки и от
аккуму.лят,орной батареи АБ (контактюры А устройства АВР2 и К
разомкнуты) и находится в «холодном» резерве (не вращается)
,или в «горячем» ,рез-ерв·е (приводится во вращение маломощным
вспомогательным асинхронным двигат·елем АД). Аккумуляторная
батарея ·п,олуча,ет непрерывный подзаряд от выпря-мительно г о уст
рой-ства ВУ, пт .которого лри .необходимости получают п.итание
и другие потребите .1и постоянноr-о тока .
При пропадан.ии напряж,ения на ши -нах нега,рантированного
п-еременного тока, а также отклон·ен.ии величин напряжения или
частоты тока от доп у стимых двигатель постоянного т,ока ,с парал
лельным возбуждением ДПТ автоматически подключается к ак
кумуляторной батарее при помощи контакт-ара К и ло,сле уста
.новл •е,ния требуемого напряж,ения переиенного тока на выходе
249
,синхро,Н1ноrо генератора СГ ,контакторы А ,и Н устр,ойства АВР2
автоматиче,ски переключают п•ита ,ни,е а,ппа ,рату1ры на эл ,ектрома
шинный пр ,еобразователь .
Если электро.машинный лреобразоват,ель ,находится в «холод
,ном» резерве, то -перерыв ,в пита ,ни,и о,пр ·еделя ,ет.ся врем ,енем при -
АДГJ
вода во вращение электрома-
г·«· дюельl
шинного агрегата и возбужде-
~
1 А8Р1:
.
также временем переключения
.
~
1r
1
•
ния синхронного генератора, а
· Ч- 7fl L:: ----~
контакторов и составляет 2-
•
_J
3с.
•.3 1
tl
/( OЛЛO/JOmjj,oe
c611Ju
Если электромашинный пре
образователь вращается вхоло
стую при помощи вспомога-
8.'1
тельного асинхронного двигате-
ля, а генератор СГ находится в
f--1H11 возбужденном состоянии, то
АБ
продолжительность перехода от
!{
внешнего источника на УГП
определяется только временем
переключения контакторов и
составляет О, 15-0,5 с. При ис -
·Рис. 12.l. Структурная схема УГП-ЭМ пользовании устройств бескон-
с автопускаемым агрегатом:
тактной коммутации на тирис
торах перерыв в питании мо
жет составлять 20-30 мс.
В качестве преобразователя
в УГП рассмотренного типа мо
,гу т применяться пол упроводниковые инверторы.
1 - вн е шне е электроснабжение; 2 - шины не
. гарантированного переменного тока 400/230 В;
3 - шины гарантированного переменног о то-
1,а 380/220 В
В сх•еме УГП на рис. 12 .2 инвертор выполнен на т.иристорах
дз и Д4 по однофазной параллельной схе,ме ,с выводом средней
точки обмотки трансформатора Тр. Тиристоры включаю'!'ся ,попе
.Р еменно при ,помощи генерат,ора ,импульсов управления ГНУ, а
&'<::
в
<>,
~
~
.,.,,
§-
t::::
~
~
,.
~
с
Д4 д,
"с:
~
/(2
-~ S?
...
'
~~
~
<
:Рис. 12.2. Схема УГП с авто пускаемым тиристором инвертором ти па
ИТ-220/<lб
250
выключают-ся - за счет коммутирующих элементов Ск и дРк
Обрат,ные ди,оды Д 1 :и д2 возвращают избыт,очную реактивную•
энерr,ию, накопленную в ИНlдуктивной ,наг,рузке и ;реа,к1:ивных 1юм
мут,ирующих элементах (Ск, дрн) в источник питания, что позво -
ляет ,получить бол,ее ж,е,сткую внешнюю ха,ракт,еристику инвер
тора и обе,спечива·ет его работослосоrбность •в режиме холост-ог о,
хода . От,секающи,е диоды Д5 ·и дв исключают раз,ряд конденсатор а.
Ск через .первичную обм отку т,ран,сфор м атора пр .и сл учай.н-ом на
сыщени.и мат,ериала сердечн,ика. Вх-одной фильтр ДрС :пред:назн а
ч·ен для у,менышения пуль• саuми напряжения на шинах источ ,ника
питания при работе инвертора.
Тир.неторный ,инверто,р ИТ-220/ 15 предназначен для ·пита·ния
потребителей гарантирова•нного лереме,нного тока на АТС ,и МТС.
Источником питания инв-ерт,о,ра является аккумулятор,ная батарея
нап:ряжением 58-66 В. Выходное напряжение, 220 В ,инв·ертора
,стабилизируется феррорез-онансными ,стабили з аторами типа С-0, 9·
с т,очностью ±3% . Ма,ксимальный ток ,налр у зки -lб А. Каждый
,инвертор ,может ,обеспечить 1электроэне,рг,и,ей четыре ,ста·билизатора
С-0,9. :КПД ин:в,ертора при пол.ной нагрузке ра,в,ен 80 %. Ток , ,по
требля·емый от аккумуляторной батареи, с-оставляет ,примерно 60 А .
Коэффициент •нелинейных искаж-ений .не превыша-ет 20 %.
При наличии внешнего электроснабжения пита·ние аппарату,ры
о,существля -ет,ся от сети лерем•енн·от,о т,ока , .а 1Инверто,р от,ключе.н
от акукмуля'Гор,н·ой бата·реи и ,от нагр узки ,1юнта,ктами к о,нтакто·р ов.
К2иК1.
Пр·и ,нарушении внешнего электро-сна~бжения т.ири-сторный ин
вертор ко-нтакторо,м К2 подключается ,к аккумуляторной батарее ,
а контактором К1 - к фер·рорезо.нансным ,стабилизаторам. Пита
ние ГНУ осуществляется от аккумуляторной батареи чер-ез нор
малы-ю замкнутые контакты контакюра Кз. Время ,в,ключения ,ин
верт · Jpa не пр,евыша,ет 0,3 с . Отключение инверто,ра от аккумулятор
ной батареи лроизв,одится выключателем В1.
До·стоинств-ом УГП с резерв-ными преобразователями явля·етс я
высокий КПД электропитающей устано:в,ки в нормаль.ном ,режиме
ее .работы (при наличии напряжения в с-ети ,перемеююго тока).
Основным недостатк,ом УГП ,с резервным.и преобразователя,ми
является перерыв в питании аппаратуры пр.и переходе -с сети на
преобразователь и с ,преобразо•вателя на сеть. :Кроме того, •нагруз
ка подключает-ся к -преобразователю скачкообразно, что з,начи
тельн,о из.меняет форму выходного напряжения преобразователя
в переходном ·режиме.
12.3 . УГП С ОБРАТИМЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ
Структурная ,схема УГП-ЭМ с обратимым двухмашинным агре
гатом показана на рис. 12.3 . Двухмашинный пр,еобразователь со
стоит из синхронной машины СГ и ,машины постоянного тока ДПТ
с параллельным возбуждением.
251
При наличии напряжения в ,сети переменного тока от источни
ка внешнего э ;1·ектро,снабжения .или от собственной дизель-гене
_рато·рной электростанции АДГЭ аппа,ратура ,с,вязи лолуча ,ет п·и
·т ание неп,осредственно от ,сети переменного то.ка че р·ез реа .ктор Р
:и контакт контактора К1 . Двухмаши-нный агрегат по;.r,к:rючен к сети
АДГJ
Гсr-Дизе11ь1
1
U91JI 1
АВР, 1
1
г--,
1
u Ан L -------
L __J
2
.1( OЛЛOf}Omjjpe
,. ✓ сdязи
г
3-
сг
дпт
Рис. 12.3. Структурная схема
УГП-ЭМ с обратимым преобразо
вателем:
1 - внешнее электроснабi1..:енне; 2 --
шины негарантированного переменного
тока 400 /230 В; 3 -- ш1111ы гарантиро-
ванного переменного тока 380/220 В
перем е нного тока и вращается на
холостом ходу. Синхронная маши
на работает в режи м е двигателя,
а машины постоянного тока - в
режиме генератора. Акку му лятор
ная батарея получает непрерыв
ный подзаряд от выпрямительно
го устройства ВУ, от которого
при необходи ,vr ости получают пи
тание и другие потребители пос
тоянного тока.
В случае исчезновения напря
жения или его у меньшения ниже
допустимого значения на шина·-,:
негарантированного переменного
тока срабатывает ко нтактор К 1 и
отключает синхронную машину от
сети переменного тока. Синхрон
ная м ашина переходит в режим
работы генератора, а машина по
стоянного тока работает в режим~
двигателя и получает электрическую энергию от аккумуляторной
батареи через контакт контактора К2. Перерыва в питании аппа
ратуры не происходит, но напряжение •снижается на 10 % от номи·
нального значения, так как ,с момента пропадания напряжения в
с ети переменного тока до момента отключен·ия контактора К1 син
хронный генератор нагружается потребителями внешней сети.
Нагрузка на ·синхронный генератор в этот период огра·ничивает
ся реактором . Обратный переход с агрегата на внешнюю сеть осу
ществляется при предварительной синхронизации генератора с
внешней сетью.
Если УГП-ЭМ с обратимым преобразователем, то его КПД
ниже, чем у УГП-ЭМ с автопу,скаемым двухмашинным агрегатом,
но достат,очно 1высок, так как в нор , м-аль,ном :режи.м-е а ,грегат вра
щается вхолостую, .потребляя •сравн,ительно м.алую мощность.
Недостатком УГП-ЭМ с обратимым преобразователем явля,ется
низкий ко•эффициент мощн,ости (не более 0,7) из-за включения
реактора, ,им,еющего значительную индуктивность. Кроме того,
система автоматики получается сложной, что связано с необходи
мостью мгновенной перенастройки возбуждения обеих машин при
переводе из генераторного режима в двигательный режим и об
ратно.
252
12.4 . УГП С ДВОЙНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ
В УГП с двойным преобразование,м эне,ргии перемен'ный ток
преобразуется в -постоянный с по.мощью выпрямительного устро й
с тва, а затем п,остоянный т,о.к снова преобразуется в п..:,ременный.
В ,качестве нр-еобразоватс .1 я могут быть применены как эл·ектро
машинные, так ·И статиче ,ские у,строй,ства.
Стр ук т ур.ная ,схема такого УГП показана на рис. 12.4 . Пр·и на
JIИчии .напряжен.ин на шинах негарантир•ованного перем,енно-го тока
2
двигатель постоянного тока ДПТ с
параллельным возбуждением полу
чает питание от выпрямительного
ус тройства ВУ и приводит во вра
щение синхронный г е нератор СГ.
Потребители гарантированного пере
менного тока получают стабилизи
рованное напряжение от СГ через
з амкнутые контакты контактора ff
устройства автоматического вклю
чения резерва АВР2. Контакты кон
тактора А при этом разомкнуты.
Аккумуляторная батарея АБ рабо
тает в режиме непрерывного подза- К:;;р10-
ряда параллельно с ВУ, от которог:J сdязи
получают питание также уст ройства
у правл ения, контроля и за щиты
:УГП-ЭМ, а при необхо димост и 11
другие потребители постоянного
тока .
В отсутствии напряжения на ши
нах негарантированного переменно
го тока, а также при отклонении ве
JIИчин напряжения или частоты то
ка от допусти:vrых отключается В У,
а ДПТ получает питание от АБ. Д.ТJЯ
стабил изации напряжения на зажи-
Рис. l,2.4. Структурная схема
УГП-ЭМ с двойным преобра
зо· ванием энергии:
1 - внешнее электроснабжен и е; 2 -
шины
негарантированного пере
менного тока 400 /230 В; 3 - шинL1
гарантированного переменного то-
1..:а 380 /220 В; 4 - шины постоянно -
го тока
мах АБ она выполняется секционированной, а число элементов ее,
подключенных к шинам постоянного тока , изменяется автоматичес
_юr специальным устр ой ство:vr.
Так как электромашинный преобразо:ватель ,работает непре
рывно , то для повышения .надеж,н ,остн электроустановки пре дприя
тия связи он ·рез,ервируется. При не·исп,равности рабочего преобра
зователя автоматиче,ск,и включается резервный двигатель - генера
тор и принимает на себя наг:рузку. Д .1ител ьность переключен.ин на
грузки с рабочего пр ,еобразовате.1я на рез,ервный ,составляет 2-3 с.
Аппаратура может получать питание также ,с шин ,негаранти
· рованного переменного тока нелосредственн -о, как показано на
рнс. 12.4, им~ через стабилнзатор. Длительность переключения на
. грузки с УГП ,на питание ,от шин ,н,егаранти,роваr-шого .переменного
253
тока определяется временем с,рабатывания АВР2 и составляет
20 мс (при .применении ~беск,онтактной коммутации).
У ГП ,с а:втопускаемым тири,сторным инверт оро м (ри<:. 12.2) мо
же т быть и,слольз,овано как УГП с двой·ным преобраз,ован.ие:v 1
энергии. В этом ,случае ,конта,кты К{)нтакт-оров К1 .п К2 долж,ны быт ь
ло,сто янно за мк н утыми. Внешняя ,с,еть пр,и эт0,м испо л ьз уется ка к
резер ·в·ный ис т очн.ик питан,ия.
Достои .нством ,схем УГП с двой ны м п,реобр а зо в анием энергии
явля·ется вьюо,кое качество выраб атываемой электроэ·нергии как
лри наличи,и, так .и ·в отсутств.ие в,неш не го эл ектроснабжения .
Существенным недостатк-ом ,схем УГ П с двойным преобразова
нием энерлии является н,изкий КПД электропитающей установки .
КПД всей уста.новки определя,ет,ся произв·едениеи КПД выпрями
тельного устройст,ва ri· вy и преобразова те ля лостоян•н,оrо то.ка в
,переменный 't']np, т . ·е. 't'Jугп =riвY •'t'Jnp. Еще одним ,недостатк,о-:v1
УГП ,с двойным преобразованием эн•ерги,и является нал,ичие мощ
;ных вьшрямительных уст,р,ойств, ЧТ{) повышает с тоим-ость у ста
новки.
12.5 . УГП С ТРЕХ.МАШИННЫМИ АГРЕГАТАМИ С ПРИВОДОМ
ОТ ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Наиболее расп,рост,ране ны УГП переменны м током ,с трехма
ши·нн ыми агрегатами. Они лрименяют,ся в электро у становках на
сухопутных -маги,стралях :~юак,сиального и ,к,омбинированното ка
белей, а такж•е на морских магистралях подво дного кабеля rи ра
диоре лейных линиях, в тех случаях, когда требуется •наде жное
и бесперебойное электропитание алпа ,ратуры.
Рассмот,рим ,рис . 12.5. Трехмашин,ный агрегат состоит :113 трех
фазного асинхр·о•н ното Д'вигателя АД, трехфазног о синхрон ного ге
-нерат,ора СГ и двигателя ,постоянного тока •С параллель:ны м воз
бужД'е.нием ДПТ, находящихся на одном валу и смонтированных
на ,одной фундаментной ,раме . Устано-в,ка име,ет резер •вную акк у
м уля т,ор,ную батарею АБ и зарядно-буферное выпрям.ител ьн.0 1s
у,стройст,но ВУ.
В но.рмальном режиме работы электропитающ ей уста,новки трех
машинный агрегат враща ,ет,ся ас,инх,ронным двигател·ем от сет и
перемен-наго тока. Питание аппаратуры осуществляется <:табили
зиро,ванным напряженuем от СГ. Машина постоя нн ого тока от
ключена от АБ и работает в режиме генератора . Аккумуляторная
батар ·ея работает в режиме непр'ерыв•но·го подзаряда параллельно
с автоматизированным вьшрямительным устрой ,ством , от которого
питается це,пь упра·вления двигателя постоянного тока преобразо
вательной у,стано,вки.
При исчезнов·ении ,напряжения -сет.и леременноr,о тока или из
менени ,и его -с-выше допустимых предело-в, а также в ,случае ло
,врежден .ия в цепи а,синх,р,онного двигателя двигатель по-стоянного
тока автоматически п,одключается к акку,му ляторной батар ее и;
254
трехмашинный агрегат продолжа
ет вращаться без остановки под
дейст вием вращающего момента
двцгателя постоянного тока. Асин
хронный двигатель отключается от
сет и контактором К1 только пос
ле того, как начинает работать
двига тель постоянного тока. Вре
мя переходного процесса при
смене привода агрегата с сети пе
ременного тока на постоянный со
ставляет 1,5-2,0 с. В переходном
режиме изменение напряжения
(частоты тока) на выходе гене
ратора составляет ±5% от номи
нального значения.
При восстановлении внешнего
электроснабжения или включения
резервной электростанции обрат
ная смена привода осуществляет
ся также автоматически. Асинх
ронный двигатель подключается к
сети, а уже после этого отключа
ется от АБ двигатель постоянно
го тока. При переходе с привода
постоянного тока на переменный
;~ш м ,, ГЕ;) ~,,,j,1"
l( 1,
L~
пт
'
!( OППUjlO!П!Jjlf сffязи
cr
Рис. •112.5 . Структурная схема УГП
с трехмашинным агрегатом с при
водом от переменного и постоян-
ного тока:
1 - внешнее электроснабжение; 2 -
шины негарантированного переменного
тока 400/230 В; 3 - шины гарантирован-
ного переменного тока 380/220 В
время переходного процесса составляет около 1 с, а колебания на
пряже ния на выходе генератора не превышает ± 3 % от номиналь
ного значения.
Так как трехмашинный а,грегат находит,ся непр ,ерывно в рабо
те, то для повышения ,надежност,и электроустановки лредп ,риятия
связи он 1р·езерв·ирует,ся . .В 1случае повреждения ра·бочего т,рех.ма
шин1ного агрегата автомат.ич ,ески запускае-гся и ,подключа ·ется к
на гр узке резервный. Однак,о перерыв в ,пита,нии аппаратуры при
этом может достигать 10 ,с.
Для ум·еньшения перерыва 1в лита ,нии аппаратуры при авар -ий
ном .перех,оде с рабочег-о на резервный агрегат нагрузка может
получать п-итание от сет,и .пе.ремвнн-ого тока через контактор А
у стройства АВР2. В этом случае ·пере,рыв в ,питании -оп,ределяется
временем переключения ко,нтакторов устройства АВР2.
Достоин-ством УГП с т,рехмашинными агрегатами по сравнению
-с УГП-ЭМ. при двойном преобразовании энергии являет,ся более
высокий КПД ,и коэффициен т мощности, а также большая надеж
но-с ть электроуста,новки, благодаря наличию двух прив-одных элек
тродюiгателей. резервируюших II;pyг друга .
Промышленностью выпускаются комплекты оборудо,ва,ния для
У ГП с трехмашиняыми агрегата.ми на мощности 24, 50 -и 100 кВт
в одном а,грегате. Это позволяет комплектовать уста новки т·рех-
255
фазного переменного то,ка частотой 50 Гц и напряжением 380 /220 В,
мощностью ,от 24 до 400 кВт 1[39].
Обычно УГП состоят :из одного, двух, трех и четырех трех,ма
ши н.н ых агрегатов пр.и одном резервном.
Пр.именение децентрализованной системы электропита •ния да ет
возможность повысить надежн,о,сть работы ча.сти аппаратуры. По
это,му на маr,истралях коаксиального кабеля не рекомен дуется при
ме,нять УГП меньше, чем ,с двумя рабочими ,и одним резерв,ны м
агрегатом. Как показано в 1[40], при менение У, ГП, состоящих из
четыр,ех ,рабочих агрегатов вмест,о двух, дает возможность увели
чить среднее время ·наработки на отказ (при ус.10,вии сохра,нения
электропитания 50% аппа•ратуры связи) на два порядка. Кроме
того, прлменение децентрал.изоваН'ной системы электропитания
дает возможность по·степенно наращи·вать мощности по мере ввода
в деfктвие аппарату,ры отдельных си·стем передачи информации .
Аг,регаты УГП-ЭМ-50 комплектуются из следующих электриче
ских машин:
-
трехфазный асинхронн ый электродвигате ,1ь ,с короткозамк
нутым ротором типа А-91-4 (75 кВт, 1470 об/мин, 380 /22 0 В);
-
трехфаз,ный синхронный генератор типа ЕСС-91-4щ (50 кВт,
1500 об/мин, 400 В);
-
двигатель постоянного тока с параллель,ным возбуждением
типа П-102 (75 ,кВт, 1ООО об /ми н, 220 В) .
Обычно УГП-ЭМ-50 обе·спечивает ,на выходе стабильность ,на
пряжен.ия с т,очностью ± 2 % и частоты тока 49,5 Гц ,с точностью
при смене приводо:в и при разряде батареи ±2 Гц. КПД .при пол
ной нагрузке равен 0,8, а .при половин,ной - 0,7.
Трехмаши.нными агрегатам.и улра,вляют с па,н,елей упра,вления
и автоматики . На этих же панелях разм·ещены у,строй,ства комму
тации, защиты и ,сиг.нализации . Установ,ка мощностью 100 кВт
(два ,рабочих ,и один резервный агрегат) содержит 16 панелей
управлен ,ия ,и коммутации.
В УГП-ЭМ - 50 как ,рабочие, так ,и резервные трехмашинные
агрегаты запускают,ся ·от .привода постоянного тока при отключен
ной ,нагрузке.
В .начальный момент пуска якорь двигателя неподвиже,н .и .про
тивоэд,с равна :нулю. Поэтому при непоср,едственном ,подключении
двигателя к источнику пита,ния в ,обмотке якоря будет протекать
чрезмерно большой ток, ра:вный !пуск= Ип/rа, где Ип - напряже
ние источн.ика пита,ння; ra - сопротивление обмотки якоря.
Большой лу,сковой ток является ·опасным как для самого дви
гателя, так и для приемника м-еханической э.нергии (,синхронного
генератора и а•си.нхроН'ного двигателя) . При большом токе нагре
вается о-бмотка якоря ,и возникает интенсив,ное искрение под щет
ками, из - за чег,о коллектор может выйти из строя . Вал двигателя
подв·ергается меха.ниче,ским ударам, так .как при большом токе
резко увеличивается в.ращающий момент.
Для ограничения пусков,ого тока в схеме используется пусковой
реостат, включаемый последовательно ,с якорем дв1игателя
256
(рис. 12 .6). Пуско:вой реоста т пред,с тавляет собой проволо·ч·ное с•о
прот.и.влени,е, рассч.итыва,емое .на кратковременный режим работы,
и выпол•нен ступенча тым, что дает возможность изменять ток в
якоре двигателя в лроцес'се его пуска (в две ,сtупе,ни СП1 ,и СП2 ).
В первый момент :при пу,ске двигателя последовательно с яко
рем в.ключены ,о бе ступени пус1ювого ,реостата (контакты реле У 1
и У3 разомкнуты) . Поэта. ~+
~·
1
му через обмотку якоря'
Л1
У1 YJ
р1
протека;т ток, не превы- '1Pi r"I
)-+-..ГV~-"'"'--JЧ::::::J-1-C:=:J-~ ·~
шающии номинального ~л д ·
~.,
3
"' .,
значения. В результате р, 2
~~-
взаимодействия тока в 2
~]
нн оемРНТ
тп
~
якоресмагитымпл1
1-,.,,.,,-V:!"'-.-cш=,,,~-c::::}-J---l-l-------' ~
полюс ов, возбуждаемым .__--1+с-с:=~__, ШР
'sc
обмоткой ШО, создается
пус 1,о во й мо м ент на валу Рис. 112.6 . Схема управления ДПТ трехмашин -
двигателя, • больший тор-
наго агрегата
МОЗНОГО (Мп уск>Мi) И
трехмашинный агрегат придет во вращение . В силу инерции ско
рость вращения не может мгновенно изменяться и число оборото в
якоря будет постеп енно увеличиваться по экспоненциальной зави
п
П,/
r::::- :
/
1---••
1•"";
1
---~--
-
-
-
-~
1
1
•
:•
•
1
1
1
1
О
t1
t7
t
- Рис. 12 .7 . Изменение тока в я коре и ско
рости вращения - якоря при - пуске ДПТ
симости (рис. 12 .7) .
При увеличении скорости
вращения якоря увеличивается
противоэдс и ток в якоре нач
нет уменьшатьс~, что вызывает
уменьшение . вращающего мо
мента двигателя. Если оставить
длительно включенным все со
противление пускового реоста
та, . то чи·сло оборотов и ток в
якоре приняли бы установив
шиеся значения, показанные на
графике пунктиром. Однако в
рабочем режиме сопротивление
пускового реостата должно
бЫТl\ полностью выведено, так как оно рассчитано на кратковре
менный реж1:1м и при длительн ом прохождении тока 01<ажется вы
sеден ным из стр оя .
В момент времен.и t1 . одна ст у пень пу,скового реостата закора
чивается . Уменьшен.ие ,сопроти влен.ия пускового реостата приведет
к у велич ению пусков •ого тока, а ,следо.ватель·но, вращающего мо
мента~ По этому ,ск,орость вращения вн·овь увел•ичивается: . С уве
л.ичением скорости вращения у величи•вается п•р ·оти :воэдс, что вызы
вает vменьшени е тока в якоре .
В ·мо.мент t2 солротивлен,ие пуск,ового реостата закорачива·ется
полно стью, что увел.ичиr ток в якоре и ,вращающий момент. В ·р~
зулыате по оiюнчании пере х одного пр,оцеоса •скорость .вращения
:дв·игателя достигнет номи·нального значения.
9-311
257
Пу,ск т.рехмашинных аг,р·егатов лрин,ципиаль.но ,может осущест
в лять,ся и от прив,ода переменн -ого тока, ка.к было пред усмотрен о
ранее в УГП-ЭМ-24 1[28 ].
При неподвижном ,роторе асинхрон1-юго двигателя вращающе
,е,ся магн,итн,ое поле перееекает ·его обмотку с большой ско-ростью ,
ра :в,ной скоро,сти ,вращения магнитного поля в простра .нстве, и ин
дуцирует в этой обмотке большую ЭДС. Поэтому по обмотка ы
рото:ра и стато.ра будут протекать токи в несколько раз больш е
ноиинальных. Большой п у,с 1ювой ток нежелателен как для двига
теля, та.к и для источ.ника электрической энергии переменног о
тока. Тем ·более, что таким ,и,сто·чником ,может являться ,собстве н
ная диз·ель-генераторная электро,ста-нция, м-ощность кото,рой соиз
мерима с мощностью т,рехмаши,н,ного агрегата, а в качестве ·стаби
лизатора.в напряжения применяются эл ·е.ктромагнитные у строй,ства ,
,имеющие плохие дюrамически •е хара -ктеристики.
Уменьшение пусковых токов в дви·гателях с коротк,озам,кнутым
рот,о:ром ,можно обе,спечить за счет понижения ,напряже.ния, для
чего на время пуска в ход двигатель включается в сеть через п·о
нижающий тран,сформатор им1 реакторы, в качеств'е ,кото-ры х
в УГП-ЭМ-24 п,р,име.н-ялись пусковые солроти,вления. Недо,статком
такого способа пуска в ход я-вляет,ся резкое уменьшение пус1ювого
мом•ента. Для уменьшения пускового тока в N раз необходимо
прилож,е,нное напряжение уме-ньшить также в N раз. При это:-.1
луско,вой .момент, пропорциональный квадрату напряже,ния, у мень
шится в N2 раз.
,В настоящее .время пуск т,рехмашиюrых агрегатов во все х
У ГП осуще,ствляет,ся только от привода поо'Оянного тока. Пр и
эт-ом обе,спечиваются лучшие пуско:вые характеристики и ;Исклю
чается •влияние ,на другие потре,бители элект•р,ической энергии пе
ременного тока. Кроме того, ,и·сточн.и.к электричеокой энергии по
стоянного тока .обладает большей надежностью за счет нал,ичия
ахкумулят,орной батареи, ло сра ,внению •С источ,ником электричес
к ой э·нергии .пе.ременн-ого то.ка. Для улучшен,ия пуск-овых характе
ристик в двигатель постоянного тока ,с параллельным .возбужде 0
нием последовательно с ,обмоткой якоря вводит,ся дополнительна я
обмотка возбуждения СО (,см. рис . 12 .6).
Так как чи,сло -оборотов як,оря двигателя постоянного тока за
висит от 1нап,р·яже,ния источника питания, ,сопротивл ,ения цепи яко
ря и магнитного потока (см. § 5.9), то регулирование скорост и
вращения двигателя может осуществляться изменени ·ем любой из
этих трех величин.
Скорость :вращения регулируется из,менением напряжения ис
точни.ка .пита,ния, е,сли и,сточником электрическ,ой энерг.ии двига
теля Я'вляется ка-к-ой-либо гене,ратор. Пр.и работе двигателя от об
щего и,сточ.ника питания изменение ·напряжения недопустимо .
Для регул.ирова·ния ,скорости вращения двигателя изменение \!:
сопротивления цели якоря ,используется ·реrул.ир-овоч-ный реостат ,
включаемый последовательно с я,кор·ем. В отличие от пу сково го
258
реостата регулировочный реостат должен быть раосчита,н на дл и
тельное прохождение· тока.
Рассм-от.р,им процесс изменения ,скоро сти :при изменен.ни сопр о
тивлен.ия цели якоря. Пусть двигатель ,работал с постоянной -на
грузко й на валу, так что им-ело м-есто рав·новесие электромагнит
ного и тормозного моментов (Мч,=Мт) и двигатель ·имел постоян-
ную СК()lрость вращения n1 о, потребляя из сети ток !, о (р·ис. 12.8а) .
oJ fl,l
п
п
Пfо
i
~
l
fto
а
.;::-
о
tn
tо
to
t
Рис. 12.8 . Изменение скорости вращения и тоха якоря ДПТ при
изменении:
а) сопротивления цепи якоря; 6) магнитного потока
Бс.1и для регулирования в момент fo у,величить сол.р-отивлен-ие ре
rул.и ровочного ,реостата, что -вызовет уве.1ичение общего ,сопротив
ления ц,еп:и я.коря, то это не может ,м,гновенно изменить скорость
и противоэд,с. Поэтому ток в якоре уменьшится, т. е. уменьшится
вращающий (электромагнитный) момент . Таким образом, вра
щающий момент окажется меньше т,ормозноrо и скорость в.раще
ния якоря начнет уменьшаться до ,н-овоrо у,становившеrося зна
чения n1 ао•
Пр.и уменьшении скорости ум-ень шается и прот.ивоэдс обмоткн
якоря, что уве.n ичи·вае т как ток в я-коре, так и :вращающий мс.мент .
Скорость, л,р,отивоэдс и ток в якоре будут ,изменяться до тех пор,
пока не восстановится рав.новесие моментов. Это .про изойдет лри
токе 11 ""' .равном току до начала лроцеоса регулирования ,скорости
11о, есл.и тор,мозной м-оме,нт остался неизменным, t . е. 1100=!1 о-
Этот спос•об рег ули,ро,вания ,позволяет изменять скор,ость вра
щен.ия дв:иrателя в шир-оких пределах, ·но имеет существенный ,не
достаток - неэкономичен. В сопротивлен.ии реrулировочног-о р·ео
,стата теря·ется значительная энергия, :вследств. ии чего ,р-ез.ко уме н ь
шается I(ПД у,стано•вки. Поэтому так,ой ,способ регулирО'ва,ния ,ско
рости применя·ется ма .тю .
Скорость вращения яко.ря двигателя в УГП-ЭМ регулирует,ся
измене,нием магн.ит1юго пот,ока, за счет из.менения тока в обмот,к е
в,оз·буждения. Для этого -в цепь обмотки возбужденля ШО вводит
ся регул .и,ровочный реостат ШР (см. ри,с. 12.6) .
Пусть двигатель длитель.ное ,время работал на •Н•еизменную
нагрузку, так что имел-о место равновесие моментов, двигател ь
259
имел скорость n1 о и ПО1'реблял ток /1 о (см. ,ри,с. 12.86 ). Положи.м,
что для изменения ско.рост,и двигателя в м•о,мент to у меньшил.и ток
:в обмотке •возбуждения, т. •е. уменьшили маr.н.итный лото.к. Это
уменьшит прот,и,вщщс и увеличит ток в якоре. Так как то,к в якоре
увеличится в з.начительно большей мере, чем уменьшится магнит
ный поток, •вызывающий .изменение тока, то .вр,ащ ающий момент
у вел.ичит.ся ,и ста ,н·ет больше тормозного момента на валу , П;оэто
му скорость ,вращения начнет увеличиваться, Ьостепен·нь п,рибли
жаясь к новому у,становившемуся значению. При у ве ли чении ско
рости . ток в я.1юре уменьшается за счет ·возрастающ vр,011_и . воэдс.
Скорость .вращения и- ,0,11 в я1<•6ре б уду т ,из.меняться до в,о.с,стано1в-,
ления равновесия ~юментов. Этот способ •реrул.ирова ,ния скорост и
не создает до110 ;1 ,нительных.. потерь энергии, т. е . яв .1яется э,коно
мичньш.
Однако беспредель)'!о · уменьшать •ток · в :об.мот-кё возбуждения
не.1ьзя, так как при этq.м :двигатель может iюйт:И -~ «ра зн о с » .
Для
п р едотвращения этого · ;в . сх•еме (,см. рис. 12.6) последовательно с
обмоткой ШО включеl'Jо реле Р НТ, ра~ры_вщоще~, ,своими ко,н'Гак
тами цепь питания ко•н.та .ктор,6·в Л 1 и Л2, тем самь!м отк лючая об-'
мотку яко,ря ·ОТ источника питания при уменьшении тока , •возбуж
ден,ия ниже у,стано•вленноr,о значения. Для снятия недопустимых
перенапряжений лри отключении обмотки в•озбуждения от источ
·1н1к а питания параллельно ей включают,ся диод д2 и резисто,р R2.
Характерно для . УГП-ЭМ с трехмаши,нными агрегатами то , чт о
двигатели лостоян,ноrо тока работают •не лри номинальной ско
рости вращения (n::::;1000 о·б/,мин), . а при сущест.венно завыше,нной
(n= 1500 об/мин), что обеспечивает лри двух парах пол юсов син
хротюг,о r,енерато,ра частоту тока, ,равную 50 Гц.
Скорость вращения (при .помощи ,реостата . ШР в uепи о6мотк,и
возбуждения ШО) .повыша ,ет,ся . за счет уменьшения маrнит,н,ого
потока полюс,ов д:виrателя:
п = (Ип -I.r.)JCФ,
где С - постоянный .ко,нструктив.ный коэффицие,н'Г; Ф
-
,результи
рующий магнитный лот,ок в машине .
С уменьшением маrн,итного потока полюеов рабоча я точка , ха
ракте,ризующая магнитное сост,оя , ние машины, перемещает,ся с ко
.лена магнитной характеристики (рис. 12 .9) ,н,а линей,ный уча,сток .
Поэтому ,магнитный ,поток лолюсов оказывается лря.мо лропор
циональным току возбуждения. Кроме то•го, увеличение магнит
,ноrо потока лод одним. краем п,олюса за счет реакции я-коря
( см. § 5.4) -будет ,равно уменьшению - маrнит.ноrо потока ,под дру
r,им краем полюса (рис. 12.9), так что результирующий маrюrт,ный
поток остается неизменным при изменении нагрузки . и прямо про
:порцио·нальным току в-озбуждения. Сл ,ед:овательн•о, при ;неизмен-
1ном •сопротивлении реrулиро,вочного реостата ШР в цепи возб уж
дения, в случае подключения обмотки якоря ,и обмотки возб уж
дения к одному :источнику питания, ,ско:р,ость.. вращения двигателя
~пос тоянного то,ка ,с параллельным возбужде:ниеы остае т,ся лракти -
260
ч,е,ск,и неизменной при изменении нап,ряжения источНИI(а rн1тания,
так ка.к Ип>> I arа- Из.ме,не,н,ие же скюр,о,сти :в,ращения за счет ИЗ,Ме
не.ния ладе,н,ия :напряж,ения ,в обмотке якоря Iara не :превышает·
l-1,5%, до тех лор, ,пока результирующее магнитное .пол,е в ма
ши,не остается пропорциональным току ноз,буждения. Следа,ватель~
но, в этом случае отпадает необходимост1а в до.полнительных уст4
ройствах для стабилизации частоты тока син- ер
хронного генератора при работе трехмашинно
го агрегата от привода постоянного тока. Сле
дует также отметить, что уменьшение магнит
ного потока полюсов облегчает условия ком
мутации тока (см. § б.5), так как магнитное
поле под щетками меняется линейно в зави
симости от тока в якоре и может быть ском
пенсировано магнитным полем дополнитель-
ных полюсов ДО (см. рис. 12.6) полностью. ~
Отличительной особенностью УГП-ЭМ-5O
является та, что при работе трехмашинното
агрегата от привода переменного тока якорь
двигателя постоянного тока остается подклю
ченным к источнику питания через вентиль Д~
и контакты контактора Л2. Поэтому при пре
кращении подачи напряжения сети переменно
го тока и выключении маломощного выпрями- Рис . Н2.9. Магнитная
теля В нагрузка без перерыва ('Не считая вре- характеристика ДПТ
мени включения контактора Л1) подключается
к ДПТ, что улучшает переход-ные характеристики трехмашинноr:о
агрегата . В других УГП-ЭМ с трехмашинными агрегата·ми для
этого применяют тиристоры, шунтирующие главные контакты кон-
тактора Л1 на время его срабатывания.
•
Еще одной особенностью УГП-0М-5O является то, что :реэер.в
ный агрегат используется для за,ряда АБ. Для этого пр.и 1рабоrе
резервного трехмашин,ного аг,регата •ОТ .при,вода леременноrо т,ока
в-ент,иль дз шунтируется главными контакта ,м.и конта,ктора Л1 . Ве
лич.ина то.ка заряда АБ ,регул:Ируется ,при помощи маломощного
вы;~рямителя В . Испо-льзовазие резервного агрегата для заряда
АБ позволя -ется исключить из УГП до·рогостоящие мощные выпря
мители .
Характерным для в,сех УГП-ЭМ с трехмашинными агрегатами
является то, что мощно,сть тр·ехфазных а,оинхранных двигат,елей
·бер,ется на 25-30 % болышей, чем ра,счетная ,величина. Это обес
печивает большую стабильность ча,стоты тока еинхронного r,ене
ратора при изменении •напряжения 1внешней сети .
Для повышения ста6илыност,и ча,стоты леременно,г,о тока на ши
нах ()ИНхрон,н,ото генерато1ра пр:и ава'Р'ийном пер,еходе с лривода
,пер ,е,менного на пр.ив-од постоянн,ого тока в схем•е рис . 12.6 111,р,еду
смотрено фо,р,с.ирование ,воэбужден,ия за ,счет введения ,сопротивле
ния ШР в цепь возбуждения до мом1ента срабатывания к'о,нтак
тора Л1.
261
В УГП-ЭМ ,с трехмашинными агрегатами предусматривается
возможность пе,р -ехода с внешhей -с,ети на резер:вный агрегат вруч
ную , без перерыва в пи1ании агrпс1 ·;1атуры. Для этого ,синхронный
reнepa'l'op р·езе,р~вного агрегата -оначала должен быть включен на
п араллельную рабо1у с внешней сетью. При •включен,ии синхрон
ъюго ленератора на параллельную работу необходимо, чтобы:
ЭДС подключаемого генератора была ;Jat1нa напряжению
ЭДС нодключаеиого г,енера1vра и ,напряженне сети были
направлены встречно, т: е. Ег = -Uс;
~ частоты ЭДС гене,ратора ,и напряжения сети были равны,
·т. е. fг=fc;
-
rенератор и -сеть имели одннаковые- чередо,ва .ния фаз ..
Если любое из эт:их у,сл,овий не вьшолнен•о, возникают значи
'f,елъные уравнительные токи, что неприемле.мо. Изменяя ток воз
буждения., устанавл,и:вают ЭДС генератора, а изме,няя ск·ор•ость
вращени'Я первич.ного дв.игателя, при-вЬдящего во вращени•е гене -
рато,ра, - ее частоту.
.
О ра•вен,стве ЭДС под,ключаемою ген,ератора ,напряжению. сети
можно судить .по показан.ню вольтметров. Осталь.ные три уст:1вия
проверяются специалы-rыми устройствами - синхроноскопами . В ка"
честве пр.остейшего синхроноскопа могут служить три .лампы нака
ливания, включаемые на «гашение>>. (ри,с: 12.1 Оа) или на «вр' аще-
,· :;
п)•
iJ)
,.,
Сеть·
-1-----~
•·~
> Сеть
А1 81с;
А,
2
,лs
Аг
!( генеротор!/.
!( 2e11epomopJ .
: :.;:. .
!?ис . 1-2.Ю...Простейши й синхроноскоп, ~ три · .71ам пы на•
каливания, включаемые на:
а) «гашение»; 6) «вращение света»
ние ,света·» (,р.и-с: 12.106) . ,В первом •случае каждая из ламп ,при
соединяется к '' двум зю1<имам одного ,ножа рубильника, но втоi
ро м ·--две .iа'млы подключа16'!lся к различным ножа,м рубильн,ика.
Пол,ощим, что чередование фаз •с-ети и лодключаемо•r,о генера
тор а ·ОДИНаI<ОВq. УстаНОВИТЬ , равенство часТ·ОТ ДО 'ВJ<ЛЮЧе.НИЯ Т6Н е ,
рато·ра н.а .па 'р;аллельную ,р .аботу с сетью ,прqктичесJ<и .невозмож
но; так ка.]( лю.бой· первичный двигатель 'Не моiкет длительн·о uметь
c:i;porp лост9.янную · •скор ·Q1сть . ,вра щения: (имеется: в виду, что пер-
2н1чный дJЗигате/rь не синх,р6ннь1й). •
26~
Поэтому на векторной диаграмме (рис. 12.1 la) векторы фазных
напряж,ений ,оети А1, В1, С1 и ЭДС генератора А2, В2, С2 ,будут вра.
щать,ся с разллчными угло1вым,и скоростями.
Следовательно, звезда фазных ЭДС генератора вращается отно•
,сительно звезды фазных напряжений с-ети с угло•в-ой •скоростью,
равной .разности угловых скоростей.
oJ
l/_03
Bz
о
Рис . 112.1 11. Векторная диаграмм.а прf! включении ла,м.п на :
а) «гашение»; 6) «вращение света»
При включении ламп на «гашение» каждая из них .в любой •
моме,нт находится под •одинаковым напряжением, так что в,се '11ри
ламп ы ,всегда либо горят одина•К·QВО ярк0, либо одновременно f:аС
нут, так .как за счет ,нера•венства частот •напряжение, прилож•енное
к лампе, ,нелрер ывно меня•е'!1ся. ,Включать генератор .следует в мо
мент, .ко ·rда все лампы погаснут.
• Пр.и включении ламп на «•вращение света» нап,ряже.ния на н.их
не ра:вны между ,собой (рис. 12.116) и лампы , горят •неодинаково
ярк,о в любой моме,нт ,врвмени. При этой схеме ла.Мпы поочередно
гаснут и загораю.'I'ся вновь. О.ни ра,спола, гаются по вершинам рав
ностороннего треугольника и п,ри их поочередном заг9ращш соз
дае'I'.ся в.печатлвние «вращения света». В зависим·о,сти от. на,п,рав
лен.ия в-ращения света ~южно судить об. увеличен ии ,или .уменьше
:нии числа обор,от,ов первич,ного двигателя . Включать ге:нера
тор надо в ivюмент, . когда лампа 1 погаснет, а ла.мпы 2 и 3
гюрят од.инако•во ярко. Так ка,к лампы ;н,е · ·,с,ветятся уже 'при
30% номинального напряжения, для более точного определения
момента :включения параллельно ощюй из юц (лер,в-ой, т. е. вклю
чен.ной ' при любой сх,вме между одн ,оим,енными зажимами) при
оо·единяется вольтметр.
При . неправильном чередован.ии фа з возн.икает о-брат,ный эф
фект. Если лампы в,ключены на 1«·rашение», то • В · этом случае ,по;;
явится «вращение св.ета», е,сли же лампы включ ,е,ны на .<«врдщение
света», то они б удут однов,ременно гаснуть и заг,ораться . .При этом
включать генера'I'ор на параллельную . работу . недопуетим·о .и не
обходимо изменить чередование его фаз.
10°'''
, 263
Правильность чередования фаз проверяется один раз при
мо.нтаже элект.ропитающей у,стано•вки. В даль,нейшем чередование
фаз остается .неизмен·ным, так что о выполнении условий вклю
чения на параллельну ю работу .i\ЮЖН·О с удить ,по показа,нию одно
го •во л ьтметра. Г,енерато,р в-ключают на пара.1лельн у ю работу с
,сетью п,ри нулево ,м показаН:ии в-ольтм ·е1'ра, .п,одключаемого к сред-
1ним фазам генератора .и сети. Зате.м сеть откл ючается и нагруз.ка
.питается от трехмашинног,о агрегата.
12.6 . УГЛ С ИНЕРЦИОННЫМ МАХОВИКОМ
В,о ,в,сех ра,ссмотренных УГП в качестве резерв.нога ист,очника
энергии применяются а.ккумулятор,ные батареи. Они обладают вы
сокой надежностью, но требуют для -своего размещения достаточ
но ·больших пл,ощадей, специально ·обо,рудова ,нных помеще,ний и
соответствующего обслуж,иванля .
•
При небольшой лродолжительност.и перех-ода с основн-о•г,о ис
rочника электроэнергии ,перем,е,н,ног-о тока ,на резервный (в пре
делах •одной минуты) .пр.именяют-ся УГП с ,инерционными махо
виками.
Структурная ,схема УГП с инерционным ,махо-вик,ом показа .на
на ,рис . 12.12 . Элект.ромашинный преобразователь со,ста:ит из трех -
АДГЭ :
фазного асинхронного двигателя с
.
г· cr •ДuJiльll ~
фазным ротором АД, трехфазного
L~r
синхронного генератора СГ и инер-
г/~Р,. • 3
~--'--~
ционного ма~овика М, смонтирован-
.
.
ных на общеи раме.
2
J
1-,
♦.
)( aлnap~JJl!Jf!C
сdящ
Рис. 112"1 12. Структурная схема
УПП-ЭМ с инерционны,м махо
викО1М:
1 - внешнее электроснабжение; 2 -
шины негарантированного перемен
ного тока 403/230 В; 3 - шины га
раитнрован.ног3 801~8е;енного тока
В нормальных условиях электро
снабжения асинхронный двигатель
подключен через контактор К1 и кон
тактор А устройства АВР 1 к источ
нику внешнего электроснабжения и
вращает синхронный генератор и
инерционный маховик. Аппарату
ра питается от СГ.
С момента прекращения подачи
электроэнергии от источника внеш
него электроснабжения до подклю
чения асинхронного двигателя к ав
томатизированному дизель-генерато
ру электропитание аппаратуры осу
ществляется от СГ за счет энергии.
запасенной вращающимся махови
ком. 'Продолжительность работы преобразователя за счет энергии,
запасенной маховиком, определяется моментом инерции махови
ка, минимально допустимой частотой тока СГ и мощностью на
грузки. Маховик рассчитывается так, чтобы за 30 с частота тока
синхронного генератора не уменьшалась более чем на 20 %.
264
После уст,ойчи:вого уста'Новления 'Внешнего элект,роснабжения
il ита·ние преобразователя переводит,ся на в,нешнее электроснабже
ние, а диз -.ель-тенератор автомат,иче,ски оста,на .вл,ива,ется.
При повреждении, рабочего прео·бра-зователя автоматически за
пу,скается резервный, время ра,скручивания кот,орого · составляет
,ОКОЛО ,ПЯТИ ми.нут при МОЩНОС1'И 'В 20 кВт.
Для уменьшения перерына 'В :питание алпа,ратуры при авар ,ий
ном переходе с рабочего на резе,рв·ный лреобразователь нагрузка
мож,ет получать пита,н,ие от ,сети переменно •r,о тока через контак
тор А устройства ABPz.
Для по1выше.ния надежности электроу,ста:Нов,ки на ста,нп;иях ра
диорелей.ных ли.ний устанавливают д!Ва, а .в 'Некот,о,рых случаях
~и три дизель-генератора. Запускают,ся сразу все автоматиз,ирован
ные дизель-генераторы. ,В работе ·о•стается 1'ОТ из них, ко·юрый
за.пу,стится ,ра1ньше . На крупных ,ста,нциях м.огут устанавл,ивать,ся
ые два, а большее количество преобразоват,елей. При этом лоло
вина аппаратуры, обеспечивающей действие 50 % ка,налов связи,
обычно получает питание от ,о,щн,ою 'Преобразователя, а вторая
половина - от д!руrого.
Подробное описа.ние работы УГП-ЭМ с агрегатом АГМ-7,5, а
'Гакже ,с агрегатом АГМ-20 ,приведено •в [21].
Сущест,венно лучшими характеристика.ми обладают УГП с агре
сr атам,и типа АГПМ. Агрегат АГПМ-7,5 состоит 1из двух электр.и
'Ч·е,ских машин : трехфазного асинх,рон,ного двигателя с к•оротко
замкнутым ротором и трехфазного «когтеобраз,ного» СГ, •смо·нти
ро'ванных в -одн,ом корпусе. Рот,о-ры двигателя и гене·ратора iрас,по
Jiагают,ся 'На общем валу, .который вращает,ся .на двух шар,иковых
подшипниках. На концах вала с двух сторон устанавливаются ма
ховики (диамет~ром 655 мм пр.и толщ;и,не 100 .м.м). Мах,01вики за
крыты литыми силу,миновыми кожухами. Торцевые ,и ·боковые за
зоры между к,ожуха.ми составляют 5-8 мм. Агрегат у,ста'на:вли
\В ается без фундамента :на а,морт,изато,рах.
Ниже приведены оеновные характеристики агрегата АГП.М-7,5:
Мощность .
Напряжение .
Частота . . .
Скорость вращения .
КПД преобразователя
Коэффициент мощности .
Габариты......
Время работы за счет энергии махови
ков при номинальной нагрузке
7,5 кВт
380/220 В
42,5-50 Гц
2900 об/мин
0,62
0,85
1200Х700Х740 мм
30с
Статор асинх,р-онн-ого двигателя запрессо,ван в ко,рпус станины.
Пакет 1статора собран ,из листов электротехниче-ской ,стали ма•рки
Эl 1, толщиной 0,5 .мм . Обм,отка ,статора - двухслойная. I(аждая
фаза обмотки ,статора ,состоит 1из двух ,незави,симых катушек, ко
торые могут со,единяться между собой как последо•ватель-но, так
и параллельно.
265
Р.о1'ор аоинх,р,онног,о двигателя имеет двойную короткозамк,н у
тую обм,отку. Наружная обмотка выпол.нена .из лаг унны х ст•ерж
ней, а •внутренняя - из медных, благодаря че,му актив,ное сопро
тивление •нар уж,ной обм,отки з,начителЬ'НО больше , по с.равнению
с ,внутренн•ей (rн~Гвн).
Прим,енение д:воЙ'ной ко-р,откозамк,нутой обмотки позволяет су
щес-гвенно улучшить пусковые характери, стики асинхронног•о дви
гателя ·С кор ,откозамкнутым рот,ор ·о,м.
Принц,ил действия так,ого дв,игателя ,состо.ит в следующем.
В м·омент включен:ття двигателя в ,сеть р,отор неп•одвиж•ен и часто
та тока 1в ро,торе равна чаеюте тока сети fz=f1 . Ток s ,наружной
и внутре,нней обм-от,ках будет распр·еделяться обрат.но пр ,опорцио
нально их полным ,сопротивлениям . Благ,ода ,ря тому, чт•о стержн и
внутренней о·бмотки гл убо,ко погружены в тело ротора и окруж-е
:ны сталью, ,и,ндуктиВ'н·ое оопрот,ивлен.ие ,в.нутренней обмотК:и з·на
читель,но больше, чем наружной обмотки (Хвн~Хн) .
Так как в момент ,пуска ,индуктивные оопротивления о,6м,оток
асинхронного д,вигателя знач.итель·но больше их актив .ных ,сопр•О ·
тивлений, то ,ра-спР'еделе,ние т.ока ,между обмотками будет пример
но обратно лропо•рц,и,о,наль·ным их .индуктивным ,сопр,отивлениям .
Поэтому при лу,ске в ход ток в основном будет пр,оте,кать по лр,о
sодникам наружной ·обмотки, имеющей меньшее индуктивное и
большее активное ,сопротивления.
В ,рабочем режи,ме ,скольже,ни1е мал,о и, следователь·но, част,ота
тока в 1роторе такж,е мала (fz~. O) . Поэт,ому ,влияние индукТ'ивны х
,сопрот.ивлений ,обмо11ок нез1нач,ительно и распределение токов в
обм·отках будет обратно про.по.рциональным актив·ным сопроти:в
л-ениям этих обмот,ок. Таким ·образ·о•м, в рабочем режиме т,о,к ,в ос
новном протекает п,о проводникам внутре•н,ней •обмотки, имеющей
меньшее активн,ое сопр ,отивле,ние.
Такая конструкция .рот,ора обеспечивает ув-еличение акт,и,В'ного
·со,противления его •обмотки •в момент пуска в ход двигателя, чт•о
уменьшает пус.ко1вой т,ок и увелич,ива·ет вращающий .момент та к
же, 1шк .включение пускош•о·го ,реостата в це,пь фазного ротора. Кро
ме т•ого, для уме.ньш-е,ния 1 лусковых то.ко.в в агрегатах АГПМ-7,5
в момент ,пуска ка~:ушки каждой фазы обмотки ,статора оо·еди
няются между ,со.бой лоследовательно, чт,о :приводит к уменьше
нию малнитного ---:п,отока, а сл •едовательно, ,и тока ,в два ,раза по
,срав ·нению с параллельным соеди-нением катушек, являющимся
нормалЬ'ным (,рабочим).
Трехфазный «.когтеобразный» СГ пр-едстав:iяет собой бескон
такт.ную эл-е,ктрическую ма~ши·ну с са .мо•возбуждением.
Стат,ор г,енерато,ра запреосован в корпус станины. Пакет ста
тора собран из листов электротехнической стали марки Эl 1 тол
щи,ной 0,5 мм. Стан,ина агрегата ,изготовлена из •сталЬ'ной трубы и
служит магнитоп.ров-од,ом гене,ратора. На ста11оре ,раеположе,на ра
бочая обмотка (двухслойная), начала и концы каждой фазы ко
торой выведены на панель, где при помощи перемычки можн о
266
соединять ,о,б.мотку по ·схеме «звезда» или «треугольник» и допол
нительная обмотка (двухслойная), соединенная по cJGeмe ~«тре
угольник». Обм0тка ,возбужден,ия подключается к дополнительной
обмотке через выпрямительный • мост, собранный ' по схеме
Ларионова.
Обмотка нозбуждения состоит из двух Ц:ил.индрических не:по
движных катушек, ра,сположенных по обе ,стороны от ,стато,ра ге
•нератора. Катушки ,намотаны на пр,едвар,ительно изолированные
дюралюминиевые карка ,сы, которые у~репляю'I'СЯ на дисках. Ди,ски
закреплены в станине агрегата ·болтам,и и нвляют,ся ,магнитопро
водом.
Полюсами ,разноименной полярност.и в генераторе служат два
специальных стальных •«•когтя», .насаж·енных ,на вал агрегата.
Описанная конструкция агрегата и,меет почти ,в два раза мень
шие га·бариты п6 сравнению с , аг,регатом АГМ-7,5 ,и обладает
большей эк,сплуатационной надежностью за ,счет устранения ще
точных к,онтакто:в, уменьшения числа п•одшипников, а также при
менения дв у х инерционных маховиков вместо од1юго. '
Глава тринадцатая.
Электроустановки предприятий
проводной связи
13 .1 . ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К
ЭЛЕКТРОУСТАНОВrКАМ
Под эл,ектроу,становкой подразумевается ,ве,сь компл€кс эн,ер
l"'ОСО·оружений, обеспечивающий электроснабжение, электропита
ние аппаратуры ,связи, осв,ещен:ие, а также различных устано ,в,ок
(вентиляци,он,ных, отоп,ительных и др . ) , от ,!{l()торых зависит н,ор
мальная ра,бота предприятия связи :как в нормальных условиях
внешнего элект.роснабж·ения, так :и 1в аварийных .
Эл•ектроуста.новка я:вляется одной из наиболее важных ча•стей
всего ,к·ом,плек,са ,с,о,оруж·ен,ий овяз:И, так как от нее зависит работа
,всего ,предприятия ·с вязи •в ,целом.
Для ·обе,спечения ,но,рмального тех'нологиче,сколо процесса •на
п:редприятии связи электроустано1вка должна обеспечивать надеж
ное и бесперебойное электропитание аппаратуры связи, а также
тех потребител,ей, от ;которых зав.исит нормальная работа ,пред
пр,иятия связи .
Кроме того . электроуста.нов:ки должны удовлетворять следую
щим основ,ным требова·нинм :
-
~быть экоиоми:ч,ными в строительстве и эк,сплуатации ;
-
иметь достаточно .высо1ше энергетиче,ские показат•ели (КПД
и к,оэффи,циент мощности);
-
строиться на баз·е максимальн·ого использова·ния типового
пр,омышленного оборудования и приборов ;
-
быть ма,ксималь'НО а,втоматизирова •н,ными - ·необслуживае
мым,и или требовать МИ'НИ;мального, ухода ;
-
допускать возможность моде,рН:изации в течение 5-1 О лет
без замены ·ОСНОВНОГО ·СИЛОВ.ОГО оборудования.
Состав основного и резерв.наго оборудования электроустано:вк и
зави•сит как •от нал,ичия ,и условий вяешнего эЛ'е,ктро,она·бжения
предприятия овяз,и, та.к и от принятой ,с.и.стемы ,втор:ич·ного элек
тропитания аппаратуры ,связи.
Чем лучше условия электр,оснабжения , те,м меньше количество·
и мощность резервного обо,рудования, а ,следовательно, ,Ме,ньше
капитальные затраты ,и эксплуатационные расходы на электро-
268
установ,ку. Поэтому ·предприят,ия лр,ов-одной связи, как л,рав.ило,
•располагаются в ме,стах, где •о.ни могут быть ,обеспечены 'Надеж
ным :внешним электро,снабжением. При от,сутствии внешнего элек
троснабжения ,на п.редприятии ,связ,и обору.дует,ся со6ст,венная
электроста ,нция .
13.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК
ПРЕДПРИЯТИЙ СВЯЗИ
Все электроустановки п редпр ,иятий ,пров,одной связи соглаС'но
нормам технюлоrическоrо про·еКТiиро,вания на,НИХ (НТП 45.Э26-71),
в зависимости от условий внешнеf1о электро,снабжения, ,разделя
ются на r,ру,ппы: IA, IБ, IIA, IIБ ,и III, олределение ·которых да,но
в таб.zr. 13.1.
Таблица 13.1
Обозначение групп I Характеристика электросмбжеиия отдельиЬIХ групп электроустановок
IA
IБ
1IA
IIБ
III
Полностью обеспеченное круглосуточное и устойчивое электро
снабжение от энергосистем ' или электростанций мощностью не
менее 1000 кВА.
'J!' Величина изменения напряжени~ на шинах на предприятиях
связи, в нормальных ь эксплуатационных условиях, не выходит
за пределы -10%++5% от номинального значения.
Электроэнергия подается одновременно от двух независимых
источников по двум отдельным кабельным или воздушным лини
ям с применением АВР
1
.То
же, что и для груп~ы IA, но электроэнергия подается от
одного источника по однои линии
Не полностью -обеспеченное электроснабжение. Электроустанов
кз получает электроэнергию круглосуточно от одного источника
мощностью менее 1000 кВА или от более мощного источника,
но с заведомо частыми перебоями аварийного характера, либо от
источника, имеющего колебания напряжения более чем -15%-+ -
++5%
] То же, что для групп 1Б или IIA, но электроэнергия пода-
ется не круглосуточно (не менее 16 ч в сутки без перерыва)
Необеспеченное электроснабжение . Электроустановки либо со
вершенно лишены возможности получать электроэнергию от
внешних источников, либо могут получать ее при колебаниях
напряжения свыше -15%++5% или с сезонными перерывами
Осиовным источником электроэнеμrии является собственная
электростанция
Если условия элект~роснабжения, определяющие принадлеж
ность электроу,становки к соотв-ет,ствующей г.руппе, ,не вьшол.ня
ют,ся только в части пределов колебания на,пряже,н,ия, то электр·о-
269
установка может быть отнесена к этой группе при л:р,именении до
полнителыных мер по ста6илизаци:и налряжен,ия.
Во -вс,ех группах электро,снабжекия к,олебания частоты т,о,ка
истюч•ников электроэнергии ·не ,вых,одят за пределы 48 - 52 Гц.
Внешние источники электр,оу,станов•о,к предлриятий дальней и
r,ородской связ,и, относящих,ся к групп·е ПБ, ~используются лишь
как дополнительные. Оснонным источ,ник,ом элект,роэнерг.ии, в этом
,случа·е, я,вляет,ся оо6ственная эл1ектроста·нция.
Эта группа (IIБ) введена ,в классификацию для -ислользо,ва·ния
в эле,кт.роу,становках сельс,кой связи .
13 .3 . ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
ЭЛЕКТРОПИТАЮЩИХ УСТАНОВОК
Электропитание предп•р .иятий ,связи от внешних ИС'J':О'ЧНИКОJ;J
эле,ктр,оэнерг.ии или от со6стве,н,ных эл·ектр ,оста,нций осуществляет
ся, как правило, трехфазным щ~реме:нным током нап,ряжен,ия
380/220 В. Трехфазный ток :нап1ряжения 220/1 ·27 В лрименяе11ся
только ,в отдельных, специально ото:воренных ,случаях.
Аппаратура ·проводной связи потребляет электрическую э,нер
г,ию в ооновном в ,виде :по-с-юянног,о, т,ока .различных нап•ряжений.
Ном.инальные значения :и нормы допустимых •от,клонений, а также
пульса,ции на,пряжений для различных 1видов аппаратуры п,р,овод
ной ,связи и отделыных ее цеп-ей должны соответствовать
ГОСТ 5237-69 1«У1ста·новки электр-олитан.ия аппаратуры ,связи.
Напряжения» .
Для пр·есiбразова,ния элею·l-'·''че,ской энергии, регул:и,р,ования, а
также ,раеп·ределения и резе:рв,и.рования :различ•ных налряжений
постоян,ного и леремен·ното то1юв, ·необх.одимых для нормальной
работы ап,паратуры, 'На предприят,иях овязи об-ору,дуются электро-
1Питающие установки (ЭПУ), являющиеся ча,стью электроу,ста
ново-к .
В зависимо,ст,и от условий электр,оснабжения предприятия ,свя
зи, мощности, :по11ребляемой апла•рату.рой, а такж•е от стелен.и рас
оредоrочения нагрузок лю .каждому из номиналов напряжений мо
гут п,риме-нять,ся разл:ичные прин,ци,пы пос'!'роения ЭПУ.
На.и6ол,ее широко• на ,предприятиях лроводн,ой связ:и лрименя
ют,ся ,следующие лри,нципы :построения ЭПУ: многобатарейный ,
одн-обатарейный, -безбатарейный. •
'Пр,и многобата:рейном п,ри·нциле по,ст,рое,ния
Э П У для каждого из ,на,пряжеН:ий по-стоянного то,ка :выделяет,ся
отдельная выпрямителЬ'но-аккумуляторная у,становкз (за :иоклю
чением линейных '!'елеграфных целей), т. е. в этом случа•е ·пр:име-
1няе'!'СЯ централизова1нная ,система элект,ропитания аппаратуры .
В отличие •от индивидуалыюй ,системы, 1ю'!'орая предполагает на-
• личие отдель ,ных источник,ов для ка ·ж :дого узла , блока, ст, о ,йк и
и т. д. , лри централизова1нной системе все лотребит,ели каждого
270
из напряжений постоянного тока .получают питание от одной вы
лрямителыно-аккумуляторной у,ста:но:вки.
Т,олько в Т·ОМ случае, когда наr~руз,ка по ,отдельным напряже
ния;м ,не может ,быть обес.п1ечена выпускаемым1и ,выпрямитель·ными
устрой,ствами и а,1шумулятюрами, допускается применение двух или
большего ч.и,сла выпрямительн.о-акку.мулят,орных установок этого
нап•ряжения. Централиз,ова ,н•ная систе,ма более эк,ономична, , чем
инди1видуалыная ;как ло, ,сто:и,мост:и, так по энергетичесю1м и габа
р.ит,ным показат1елям, ,однак,о она требует лроI<Ладки :распредели
тельных сет.ей ло.стоя,н.ного тока с малым.и потерями напряжения
и .поэто,му не1выгодна при большой степени расср•едото'Чения на- •
г,рузок по зданию, особенно л:ри низких напряжениях. Еще ,одним
недостатком ц•ентрализо,ван,ной ,системы является также наличие
непосред,ств,енной электричес1юй ,связи между бл,оками аппара
туры по цепям пита,н,ия, что в ряде случаев нежелательно i[S].
Аккумулят,орные батаР'еи в ЭПУ предприятий про,водной связи
работают, как .правило, .в реж1име непрерыВ'ного подзар,яда, т. е.
при нал,ич ;ии еети перем ,енн,о,г,о тока а,ппа,рату.ра питается и акку
мулятор,ные батареи лодзаряжают,ся от :вьшря,мительных устройств.
В качестве лреобразо,вателей переменного тока •в лост,оя,нный
при мнююбатарей,ном принципе лостр.оен.ия ЭПУ ,и буферном р·е
жим,е работы а.кку.муля·юрных батарей лрименяют,ся автоматизи
рованные •вьшр ,ям·ительные устр·ойства типов ,ВУ и БУК, а для
питания сельских АТС -емхостью д,о 500 номер•ов - типа ВБ-60.
Для умощне.ния выпрямитель,но-аккумулятоР'ных установок
л.ри,меня,ет,ся параллельное ооединен:ие вьшря,м,ительных устройств
типов ВУ ,и !БУК в колич·естве ,не ,б,ол,ее трех.
В•се рабочие 1выпрям,ительные устройства р1езервируются (одно ·
·резервное sыпряиительное устройство на ,вьшря,м,ительно-аккуму
ляторную установку дан:н,о,г,о ,на,п,ряже.ния).
Многобатарейный ·пр:инцип riостр,о·ения ЭПУ при эк,сплуатации
ЛБ в режиме непрерывного нодзаряда обеспечивает высокую на
дежность и бесперебойность питания аппаратуры, сравнJ1тельно
,простую а.втомат.иза"Цию и дальнейшее ра,сши.ре.ние за ,счет парал
лельного включения выпрям,ительных устройств .
Данный принцип ·построения ЭПУ •очень ,широ1ю лриме,няется
,на пр,едприя11иях проводной ,связи.
"
В настоящее в,ремя на крупных предприятлях ,связи в у,сло:Вiиях
разбр,оса.нности лотребител,ей, например s ЭПУ сетевых узлов
междугородной С'Вяз.и .и ·обслуживаемых усилитель,ных лу,н.кт,оз
ОУП магист,рали коа,ксиального кабеля, уплотняемого ,ои,стем,ой:
К-1920 (К-1920У) ил;и наоб,о,рот на малых ,станциях (пр,и мощно
сти потребля•емой аппаратурой по всем ,напряжениям ,менее
7,0 кВт), все чаще прим·еняет,ся од:нобатарейный ,принцип постр,ое
ния ЭПУ.
При однобатарей .ном пр11нциле П •Острое ,ния
Э П У :на пр(ЩПр,ияти:и связ.и оборудует,ся э кку,мулятор1ная установ
ка (о,пор·ная) только на •одно напря·жен:ие.
271
На крупных пред:прият,иях связи пютреб.ители каждого ,из ,на
сriряжений пrостоян•ного тока ра з биваются на ·отдельные гр у ппы ~
п,ита ,ние которых о-существля 1ется от и,ндивидуаль.ных :выпрямитель
ных установо ,к, т . е . .реализ у ет,ся ,ин,дивид у алыная ,система втор :ич
ног,о электроп:итания . ,В этом сл у ча-е э н ерлия между отдельным и•
группа,м,м потребител ей ра,спределяется по переменнQму т-о,ку .
Для резерв.иро,вания пита-ния аппарат уры вьюрямительные уста
·новки отдельных групп потр·ебителей включают,ся по двухлучев,ой·
,схеме . Под,обна,я сх•ема -создается та.к, что ,выпрямитель.ные у,ста-
1н,01вки еост,оят ,из дв ух .ил:и другог,о чет,н:ого ч.исла выпрямительных
устройств, половина которых .подключается к одному, а вто.ра51,
половина к другому, неза :висимому -от ,первого , ист.очнику энергии
•переменного тока. Одним ист-очником энергии пер,еМ'енного тока
может являть•ся пос1юя·нно действующая У,ГП, резерви•р уемая ак
кумуляторной батареей •напряжением 220 В, а вт,орым л.ибо ,неп-о
средс'Гвенно с-еть пе,р,еменног.о, тока, л:ибо ,вт-орая УГП. В нормаль
но.м режиме ·выпрямительные у,стр-ой-ства загружены ,не -более чем.
на :50 % их мощности. При отключени.и одного из :источ,ни.ков э·нер
лии пер·емен,ного тока и соответствующей :поло,в.и:ны выпрямитель
ных устройств в,ся rнагруз.ка без перерыва •п:ита,е-гся от ,выпрями
тельных устройств, подключен •ных ,к действующему лсточнику
эн·ерг,ии .
В каче,ст:ве вьшрямительных установок применяются автома
тизированные установки типа ВУЛС , состоящие из двух выпря
мит,ель,ных устройств типа ВУЛ и ,о•бщего шкафа фильтров .
'Потре:бител,и ,по,стоя·нноло тока напряжением 220 В могут по
лучать пита,ние непоередств1енно rот о,порной выпрямительно-акку
мулят,о-рной установки .
При однобатарейном :принципе лостро-ение ЭПУ на ста ·нциях
малой мощности а п паратура :получает питшн·ие от rопор,ной .выпря
М'ительно-ак,кумулятор·нюй установ,ки ч·ерез полу,про.в-одник,овые пр,е•
образо1в·ател:и напряжения, т. -е. для этого случая ха,рактерно двой
ное преобразова ,н:ие энергии. Одна1ю по э1юном,иче-оким ,ооображе
ниям :применение многобата·рей·ного ~принципа построе,ния при ма
Л'JЙ мощности не целесообразно, ввиду сравнительно .вьюокой •стои
мости а:втомат:иче,ского ,оборудования ,вьшря,митель,но-аккумулят-ор
ных у,становок.
Рассмотренные принципы построения ЭПУ могут применяться
оовместн-о . Так, пр.и многобатарейном принципе лостр,оен.ия часть
:п-отребителей напряже'Н'ия постоянного тока может :получать пи
тание от одной из выпрямительно-аккумуляторных установок через
uюлупровод,н,иковые лреобразо1ватели .
Оовреме,нные •крупные пр•едп,рияТ1ия проводной ,связи хара,ктери
зуются ·большим П10Т1ребл,ением электричеоюй энергии для ~пита
ния аппа,ратуры (АМТС, АТС, телеграф). Та,к, на крупных город
,ских тел·еф,он·ных ,станциях расход т,о,ка напряжением - 60 В в час
,наибольшей нагрузки колеблется от 3 1до 12 кА . Поэтому для лри
,м,ен-ения •ра,ссмотренных при,нц.ипов по,строения ЭПУ ·нео·бходимы
акку,муляторные батареи очень •большой емкост.и.
272
В настоящее 'Время пр·омышлен ,ностью выпускаются ,стацтюнар
ные кис.'ютные ак,кумулято.ры 1ем,к,о,стью не боле,е 532,8 А-ч при
десятлчасовом разряде, 'ЧТО соответ,ствует максимальному раз,ряд
ному току 1,2 кА для трехчасового ,разряда и 2,65 кА ,в одночаоо-
1в-ом реЖ:име при нормалыной температуре ,в аккумуляторном :по
.мещении . Даже в получа,совом ,режим,е •разряда эти аккумуляторы
(СК-148) ,не м•огут обеспечить 1'ОК более 3,3 кА. Поэтому для реа
лизаци,и .много6атарей1ного принципа построения и эк,с,плуатации
аккумуляторных ,батарей в :режиме непрерывного подзар яда необ
ходим,о большое их число. Кром1е тог,о, а,ккумулято,р,ные бата,реи
должны размещать,ся 1в подвальных п,омещениях (ввиду их боль
шой массы) , :поэт,ому магистральные .и ,распределителы1ые ,сети по
лучаются ,очень дорогими и гр ,ом,оздки .ми.
В ,связ,и с этим ,на к,рупных го·ро.llских и междугоро.дных .п.ред
,прит,иях ,связи в некоторых ,случаях применя ·ется безбатарей,ный
пр.инцип построен,ия ЭПУ, с резервир·ованием питания аппаратуры
за счет применения двухлучевой ,схемы включения выпря,м:итель
ных у,стано ,в·ок.
Безбата,рейный лринцип по•,строе,н:ия ЭПУможет
применяться только ,п.рл условии ,очень ,надежного и каче,ственного
1внешн1его электрю,сна :бже.ния предприятия связи ,от двух неза ·вис,и
мых источ'ников электроэ·нерI~ии по двум линиям (группа эле ктро
сна,бжения IA.) ,и налич,ия ·собстве,нных резервных а1втоматизиро
ванных дизель-генераторных электростанций, а также устройств
АВР.
Аппаратура :питает,ся от выпрямительных устано.вок , состоящих
из четн•ОГ·О к·оличе,ства вып,ря.мительных устр ,ойств. Выпрямит,ель
ные :v,стройства П•одключают,ся ,к д:вум 'Неза ,висимым :в'Н,ешним ис
точникам электр,оонабжения по двухлучевой ,схеме . Одщовремен
ное отключе,ние внешних ис'!'очни,к,ов элект.роснабжеиия .не допус
кается как :в ·нормальных, так и в а1вар,ийных условиях. Внешние
источН:ики электроснабжения ,резервируют друг друга за счет
применения перек,рес-гной схемы включения у,стройств АВ,Р. КроМ'е
тою, внешние источники •резервируют,ся ,с,обств·енными эле.ктр,о,ста·н
циями чер ·ез устройства АВР (см. :гл. 11).
При этом ·принципе лостроеН~ия ЭПУ .может применяться как
ц·ентрализо:ванная система электропита'Н.ия, та ,к и :индивидуаль,ная.
Выбор системы электропита,н,ия за 'в,исит от ,степени 1расср,едот,о
чения лотр·ебит·елей да·нного на,пряжения и требований, предъяв•
.ТJяемых а'ппа·ратурой. Данный принцип построения ЭПУ может · лри
меняться на предпр·иятиях связи, оборудованных по·стоян·но дейст
вующими УГП с инерционными маховиками.
13.4. СТАБИЛИЗАЦИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЕ
НАПРЯЖЕНИЯ В ЭПУ
·Совр 'ем,енная аппаратура ,про,водной •связи ,предъя.вляет .д:оста
т,оч·но жест.кие т:ребова .ния к ·стабиль,ности питающих напряжений.
Поэтому ЭПУ должны содержать устройства для ,регул,ирования
273
и стабил:изаци.и напряжения. Эт.и операции можно осуществлять
как в •цепях . перемени-ого '!'Ока, так .и лостоя~нного.
Выбор спосопа и устройсгв стабилизации и регулирования
напряжения зав.и,сит от требо·ван,ий, пре,дъя•вляемых аппаратурой
к -стаб.ильн-ости питающих ,напряж,ен:ий; от принципов rюстр ·о•ения
ЭПУ ·и режимов ее работы; ,от мощности, п•от•ребляе~1ой аппара
турой; от ,выбранной системы электропита,ния и т. д.
Основным р·ежи~юм работы ЭПУ п•редпр,иятий п·ровод,ной связи
является питание аппаратуры от внешних источников э .1ектроэнер
r.ии с .резервирова·н.и-ем от с-обстве·н,ных •или п·ер,елвижных эшжтро
ста,нций ('группы электро,снабже!-!ия IA, IБ и IIA) ил.и от соб
ственных по,стоян,но дей•ствующих электроста ,нций (группы элек
тро,снабжения IIБ и III) через вьшрямит,ельные уп-р·ой,ства . Акку
муляторные бата•реи с.1ужат лишь для рез,ервир ·о•вания питан-ия
а,ппар_атуры п·р.и перебоях :в подаче перемен.наго тока и эксплуати
руют, ся , как -прав·ило, в р,ежиме н,еnр .ерывного п,одзаряда ·С парал
J1,е.пьным подключением их к ш~шам •нагрузки . Поэтому эко,ном.и
чески целес,006.разно при ц,ентрал:из,ова,нной системе э.1ект роп;1 тс>
ния стаби4изировать выходное напряжение выпрямительных уст
роЙС'I)В ;на уров-не но.миналь·ных (ил,и ,близк,их ,к номинальным)
знач·ений за сч•ет ,введвния ,специальных устрой-ств в цепь лер ,емен
ного то.ка . Выхо.дн,ое на.пряжен,и,е выпря.мительных устр,ойств, пр:и
м•ещ=rемых ,на предп-риятиях проводной связ.и, стабилизируе11ся с
'!'очн,остью ± 2 % при помощи д:р·оссель·ных магнитн;о~х усилителей
(выпря.митель.ные устройства типа ВУ и ВУЛ), магнитных усил"И
телей с в;нутренней обратной связью (вьшрямит~льные устройства
,ипа ВУК), а таюк·е пр,и поl\ющи феррор,езонан-сных ,стабилизато
ров с точностью ± 3 % в выпрям.ительных уст,р,оfктвах ,сравнитель
но ·небольшой мощно,сти (тИ,ПОВ ВБ-'60 ,и ПЗ В - 7:5). Потреби т ели,
пр·едъя1вляющие ·более жесткие тр·ебования к стабильности п.итаю
щих напряжен:ий:, подключаются к распределительным шинам че
рез ,индивидуальные цолупровод!никовые стабилизаторы нашряже
ния л-ос11оя·нного тока.
Для повышения э,н е рrетических и эканомиче-ских показателей
и при ·инди.видуаль,ной: системе электропитания ЭПУ оборудуются
общеста ,нц.ионными стабилизато,рами напряжения перемен.ног-о то
ка. Дл:я этог,о же ста,билизи,руе1)СЯ выходное напряжение .перемен
ного тока УГП и ,собстве!-!'ных дизель-ге,нераторных э.1ектросташiий:
Нап·ряжен,ие •в цепях по,стоя,нног,о тока пр:и ава ,рийных •режи
мах ра,боты ЭПУ (отключ,ение ,сети п~еременноrо тока) может ре
·rули.роватъся за сч·ет подключе,ния к основной АБ, по мере ее ·раз
ряда, .до,полнительных групп аккумуляторов .
В эт,ом случае аккумуляторная батарея выполняется секцио,ни
рованной:, т. е. имеет ,один ил.и н,е,сколыю .промеж уточных отводоз
(,отпа·ек) от по,сл•е,дователыи соединенных аккумулятор,о,в. С по
мощью этих ,отв,одов а,ккумуляторная батарея ,разбивается на ос
н,ов,ную 'И д:ополнитеа1 ьные - группы.
274
В ,но,рма.1ьно.м •р·ежиме работы ЭПУ параллельно нагрузке и
вых,r.ду вьшрям:ительных устройств лод:ключена только основная
группа, получающая непрерывный подзаряд от эт,их выпря.мите.ль
ных у,стройств (рис. 13.1). Буфер,ные ·выпрямительные (БВ) уст
ро йегва стабилизируют напряжен,ия на у,ров.н·е ·ном,и нальных зна
че-ний . Допол•н.ите .1ь·ные гр уппы подзаряжаются от маломощных
выпрямителей содержания ВС.
В аварийном режиме -работы ЭПУ пр.и помощи контактора К1
последовательно с оонов-ной груп,пой аккумуля1'оров подключается
цопол нительная. Число дополнитель
ных групп зависит от числа аккуму
ляторов основной группы {2] , допу
стимых пред елов из менения напря
жения на нагрузке, напряжения со- ,
держания и конечного напряжения
разряда аккумулятора .
Недоста,ок рассмотренного спо
соба регулирования в том, что он
позволяет регулировать напряжение
только ступенями. Поэтому он не
может применяться непосредствен
но, если потребители предъявляют
>кесткие требования к стабильности
3
Рис . Шд. Регулирование напряже
ния при помощи дополнительных
элементов:
ПИТаЮЩИХ НаПрЯЖеНИЙ (например, / - ДОПОЛНИТеЛЬНаЯ rpyn-na; 2 - ОСНОВ•
ная группа; 3 - нагрузка
при коммутации дополнительной
группы из одного аккумулятора колебания напряжения превышает
± 18 % от но минально го значения 24 В).
В настоящее время в ЭПУ предприятий проводной связи для
п.ита·ния аппаратуры, лр,едъя:вляющей жест1ше требования к ста
бильнсJ.сти напряжений, широко лрим 1еняются угольные ·р·егуляторы
,напр-яж·е,н,ия РУН ,[2, 19] . Од,нако ввиду большой инерционности
они могут п•р·именяться только в цепях с постоянной нагрузкой .
Пр,и небольшой ,м,ощности ЭПУ допускается прлменение регу
лиро .вания напряжения в депи по-с т оя н ноr:::> тока при помощи не,
линейных элеме,нто,в (1в·ентилей и .1и противоэл{;.ментов). П ри этом
способе парашгелы-10 буферным выпрямителям .подключается ак
кумуляторная батарея (несекцпонированная), число элементов ко
тюрой опр ,еделяется из у словия обесп1ечения м.юшмально допусти
мого ·напряжения на нагрузке в ко•нце разря,да этой бата,реи. По
этому в ,н~ормаль,ном режиме работы ЭПУ напряжение на выходе
буферных выпрямителей ,существенно превышает максимально до
пусти.мое ,напряжение п:итания ·аrшаратуры . Для того чтобы ,пога
сить из·быток напряжения, последовательно с нагрузкой включа
ются н.ел:ин·ей·ные элементы, которые затем в прЬц•е,ссе раз ряда ба
тареи закорачиваютоя в оди.н или два лр,иема . •
Данный ,сп.особ неэкономичен .и позволяет регулиро,вать напря
жен,ие только сту,пеня ми . В ка'Честве нелиней ны х элементо,в сле
дует применять кремн:иевые .или селеновы е -вент ил и. Если пр1име
няются щелочные противоэлем ·енты, их необходимо размещать в
275
отделыных rюмещен,иях или специальных шкафах, оборудованных
у,силенн·ой вытяж,ной вентиляцией, так ,как работающий проти•во
эл ,емент непрерывно «:rшпит» и выделяет гр·емучий газ {2, 19] .
13 .5 . ОБОРУДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК
ПРЕДПРИЯТИЙ ПРОВОДНОЙ СВЯЗИ
Электроустано:вки предприятий проводн-ой связи должны про
ектироваться и сооружаться в ооотвеТJствии ,с норма .ми техноло
гического ,проект,ирован,ия НТП 45.326-71, О'бщими «Пра•вилам.и
уст,ройс'tва электроустановок» :[29], требованиями ГОСТа 5237-69,
а также ,с учетом пра1вил тех,Н:ической эксллуатаци:и и тех,н.ики без
опасности пр,и эксплуатации эл •ектроуста·нювок [30].
Устройство, состав оборудо•ва •н.ия и режимы работы эле,ктро
у,ста,новок опред:еляют,ся группой электроснабжения предп,рият,ий
связи, требова·нияМ'il алпа ,ратуры связи и ,принц:ипом п,о,стро•енин
ЭПУ.
Отдель,ные у,стройства и аппараты применяют,ся при оборудо
вании электроустановок предприятий проводной связи независимо
от 1их лринадл,еж,н,01ст.и к то·й .или ·иной отра,сли связи, а также от
группы элект.роонабжения. К таким устройст,вам относятся транс
фо•рма11орные ,п·од:станции, ,собст,ве,нные электростанц,и,и, коммута
-ционно,е и 1распредеЛ'ительно•е оборудование в целях пост,оянного
.и переменноr,о т,око,в, различного .рода преобраз.о,ватели электри
ческой энергии, ак,ку,мулят·ор,ные батареи, устройства заземле
нияит.д.
Любо·е предприятие проводной •связи, ка,к п.рав,ило, ,оборудуется
собственной трансформато•р,ной подстанц,и,ей с одним или двумя
высоковольтными вводами. При наличии двух вьюоко:вольтных
вв·одо,в на сто,роне низк,ого напряж,е,н·ия (на трансформаторной по~д-
станu:ии) оборудуется централизованное автоматиче
ское включение резерва (АВР) . Применение низко
вольтного ввода от посторонней трансформаторной
подстанции допускается только на предприятиях свя -
зи, потребляющих мощность до 50 кВА.
'
Подключение низковольтных вводов, их защита,
Wh
а также учет электроэнергии, потребляемой от источ
ников внешнего электроснаб:жения , осуществляется
вводными щитками (рис. 13.2) .
Рис. 13.2.
Схема 'В'ВОд·
наго
щита
типа ВЩ-12
Кроме трансформаторной подстанции, любое пред
приятие проводной связи, за исключением АТС (при
группе электроснабжения IA и наличии аккумулятор
ных батарей), оборудуется собственной резервной или
постоянно действующей электростанцией. Число и
мощность теплоэлектроагрегатов, в качестве которых
применяются дизель - генераторы собственных электро
станций , зависят от группы электроснабжения. Для
всех предприятий связи, кромР- сетевых узлов, при
группах электроснабжения IA, 1Б и IIA собственная
276
• резервная электростанция оборудуется одной дизель-генераторной
установкой. Ее мощность определяется из условия обеспечения
электроэнергией аппаратуры связи и устройств дистанционного
питания, сети аварийного освещения, электродвигателей системы
отопления и вентиляции аккумуляторной, собственных нужд элек
тростанции, а также заряда аккумуляторных батарей. Собствен
ная электростанция сетевых узлов связи оборудуется двумя дизель
генераторными установками независимо от группы электроснабже
ния. Каждая из дизель-генераторных установок долЖ'на обеспе
чивать электроэнергией также двигатели вентиляции здания, сис
темы водоснабжения и освещения.
Для АТС ·емкостью до 10 ООО номеров ·на районированных се
тях 1и ·районных АТС еик,остью д!О 20 ООО но.меров ,при группе элек
трос,н.а6ж1ения IA п,р.и,меняется ;передв,ижная дизельная электро
-ста :нция из ,расчета 2-3 дизель-ных ЭЛ'ектр,останций .на ГТС или
на один телефонный узел 1в райони.рова·нных ,сетях.
Электроуста,новкн группы эл•ектрос,набжения III, а также при
равниваемые к ни.м электро у,ста,новки группы IIБ оборудуюТ~ся
с-обствен,ным,и постоя.нно действующими электр•о•станц,иями •С тремя
дизель-ген•ераторными уста-новками . М,ощность каж,дой ,опреде
ляется из услов·ия обеспеч,ения электроэнергией аппа,ратуры связи
и устройст,в дистанционноr,о ,пита,ния, элект,родвигателей ,системы
отопления и :вентиляции, нормальн,оrо осв,ещения технических зда -
/
.
.
нии, жилых домов и террит,о,рии пр •едпр:ият.ия ,сам•ои электро ,стан-
ции, а такж•е для заряда аккумуляторных ·батарей.
Для ввода питающих фидеров от внешних ист,очников электро
снабжения 1и дизельных электр ·оста,нций и •их защиты, а также
для ра•спределения электриче,ской энергии :по фидерам потре,бите
л,ей и защиты фи~дер,ов от ,п,е~регруз ок и -1юротких замыка1Н:ий юз.
ЭПУ предприятий проводной связ:и пр.им,еняют,ся щиты ,перемен
ного тока ЩПТ, с,ило,вые щиты СЩ ,и силовые распределительные
пункты ПР.
Щит (рис. 13 .З) раосчитан на подключени е выпрям.итешmых
устройств 1и четырех дополнитель,ных потребителей, два из uюто
рых негарант.ированные потребители ,и автоматически •отключа
ются к,онтакт,ором Кт при питании от д,изельной электр ,останции.
Селективное отключение фидеро•в потреб.ител·ей от ЩПТА-380/600
при перегрузках и коротких замыканиях осуще,е-г,вляет, ся автома
тичесюими :выключа-г,елям :и, ,имеющими тепловую ,и ток•овую защи
ту. Максималь,ный ток ,кажд,ого питающего фидера составляет
600 А.
В качеств•е преобраз,ователь·ных устройст в переменног,о тюка в
постоянный ,на предnр,иятиях проводной с•вязи применяются авто
матизиро,ванные полупроводниковые выпрямительные устройства
·типов ВУ, ВУЛС ,и БУК , ко,торые ,могут работать •в режи.м,е стаби
лдзац:и,и напряжения (с точно,стью ±2%) и в режиме стабилиза
ции тока (с точностью ± 5 %) . Пр,омышленно,:::тью вып у,скаетс;~:
большая серия вьшрям ,итель,ных устр,ой,ств, удовлетвор яющая как
ло нап,ряжен:ию, так 'И ;п·о мощности потребностям П1редприятий
277
различных о'!'ра,слей связ.и . Номе,нклату,ра и описание выпрямите,1ь
ных устройств приведены в (19].
Согласи-о НТП 45.326-71 на в,с,ех предприят.иях ,проводи-ой свя
зи, имеющих собственн у ю резервную электростанцию , •I<·роме ОУП
кабельных малнстралей при м·ногобата ,рей,н,ом и однобатарей-но~1
при·нцилах п-остр,о•ения ЭПУ, применяю11ся од:н,огруппные батареи,
1
- -!,
! , Ьи'ОА 6 8§oiJ от АДЭС
Т" ,~
4
Рис. 1'3.3 . Схема щита переменного тока типа
ЩПТА-380/000:
1 - ввод от источника внешнего электроснабжения: 2 - к
выпрямительным устройствам ; З - секция негарантиро
ванных потребителей; 4 - секция гарантированных по т ре
бителей; 5 - аварийное освещение ~ 220 В: 6 - аварийное
освещени е ±24 ~220 В: 7 - от аккумуляторной батареи
ооста:вленные из ·стаци-она,рных ,к,исл,отных ак,кумулято,р,ов. Емко,ст ь
одногруппной батареи определяется числом дизель - генераторны х
устан·овок. Пр.и од:ной д:изель-г-енерат,о,р,ной у ста·новке запа,с ем1ю
сти рассчитывается на один час разряда током наибольшей на
грузки . При двух или трех д,изель-rенераторных у,становках -
на 0,5 ч. На ОУП кабелыных .маги,стралей независимо ,от числа
дизель-генерато,рных у,с та,но вок пр.именяются двухrрупп,ные акку
муляторные бата-реи с запасом емкост.и на 0,5 ч ,от ,каж дой группы.
Если собстве,нной эл·ектро,станции нет, то ·на вс·ех п.редприятиях
п·ров,однrой связи, кроме городских АТС емк,о,стью до 2000 н,омерон
и предприятий сельской связи, уста,навл.иваются двухгруппные ак
кумулят,о•рные -бата ,реи с запасом ем1юсти на три ча,са разряд а
то1юм наибольшей нагрузки (,от двух групп) .
В электроустано,вка х гор -адских АТС до 2000 ,но.1⁄2ер·ов и пред
прият,ий сельс1юй •е<вязи, имеющих ,круглос утич·но,е электросна ·бж е
ние, устанавли:вают-ся ,одноrруплн ые батареи с запас.о м емкости
на три часа разряда током наи бо л ьшей ,нагрузки. Если круrл·о
суточног•о электроснабжения нет, устанавливают,ся одн,огруппные
батареи ,с запасом емкоп.и на время перерыва в электр\:юнабже
н11.и ·или ,рассчитанные на три ча,са разряда током ·на ,ибольшеiI
нагрузки.
Для р,егул,ирования напряжения в цепях постоянного тока при
п-ом,ощи дополнительных элем-ентов применя1ется как 06оруд:01ва
НИ•е общего типа (например, ста,нц.ии коммутаr~ии дол,олнитель·ных
278
элементов БНВI, БHBII и ПНВ ,и др.), так ,и специалын,о предна
значенное для электропитающих установ-ок пр·едп,риятий провод
н ой связи (например, шкаф коммутации типа ШК 60/JбО).
Для регулирования напряжения в цепях ,пос1'оя.нн-ого тока прн
лом,ощи пол у пр ·оводниковых ,вентилей и пр-от,и·воэле;v1е,нто:в п риме
няются станции коммутации 11ипов КСШП - 4 и .КСШП-5. Первая
пр-едназ·начена для коммутацю1 •одной группы, а КСШП-:5 - двух
нелинейных э .1е:v1ентов. ,Схемы включен,ия ,станций ком.мутации до
полнительных э,1ементов, а такж•е нели,нейных элеиентов ,пр.иве
дены ниже.
Все предприятия про·водной связи д1олжны быть о6орудова ·ны
зазе:.1ле1-1ш1ми согласно ГОСТ 464-68.
•
'
13.6 . ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ЭП У ПРЕДПРИЯТИЙ ПРОВОДНОЙ
связи
В -с вязи с у нификацией ном.и.нальных значений ·напряжений
для питания аппаратуры различ,ных отраслей связи, а также t~а
личием надежного электроснаб)кен,ия предпР'иятий пров-одной свя-
з и от внешних источников а ' Фдт,ГшпJАГu-т-sг-гJ:iГ'
электроэнергии или от т _ -'~
1712
1
собственных автоматизи.- w:1 1 1 1
рованных электростанции il. 1
!1г11г11гi
в настоящее вре~•IЯ для пи-
L_
_1._
+-_L+-.1..+::J
т ания различнои аппара
туры , нез-ависимо от гр у п- отАДJС
пы
электроснабжения,
п рименяются одинаковые
т иповые схемы ЭПУ.
г
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
L ________ _jJ
г-
РМТ
Рассмотрим схему рис.
13.4. При наличии сети пе
ре менного тока аппарату
ра получает питание от
буферных выпрямитель
ны х устройств БВ1 и БВ2
через распределительный
щит РШ. Резервный за
рядный выпрямитель под
ю:~ючен параллельно к бу
ф е рным выпрямителям че
рез нормально замкнутый
контакт контактора К2.
Питание аппаратуры ре
зерв иру ется от основной
г руппы аккумуляторной
111181\8м...,. ..
1
1
L_
!( пот;тfителям -148 •
Рис. 1'3.4. Схема ЭПУ-24,В с аsтоматиче
ской коммутацией аккумуля'Горной батаре.и:
1 - устройстао безобрывной коммутации на базе
КСШП-4
батареи, состоящей из 11 элементов, через нормально замкнутые
контакты контакторов К1 и Kz.
При от,ключении сети переменного тока срабатывает реле ми
ни ма л ьного тока РМТ и ·через промеж у точ1-юе реле замыка-ется
279
цепь литания контактора К1. В результате ,пос1·едова т ельн,о к ос
новной подключается долол ниге льная группа ак кумул ят,оров, со·
стоящая ,из двух э лемент,ов. Безо6рывно1сть п.ита,ния аппаратуры
при переключении 1юнта ,ктора К1 ,обеспечивает,ся вентилем д1 ,от
одиннадцати элем-ен тоЕ. аккумуляторной батареи . Колебания на
пряжения на нагр узке при разря1д е .и коммутации аккумулят,орной
батареи в этом сл учае ,не выходят за пределы ± 1О % от н.оми
нал:ыного значения.
Послеава.р.ий-ный з аряд ,в-сей а ккумуля тор-ной ,батареи ,о,с у ще-ст
вляегся от резер•внюго за•ря д ного вьшрям,игеля, работающего в р е
жиме ,стабилизации ·п,о ток у (первая ступень заряда), через .нор
мально раз омкнутые контакты контактора К1 до ,напряж ения
2,3 В/эл, л,ри ,котор,ом срабатыва ет в·ольтм•етровое реле ,ВР . Пос л1:
чего схема возвращается в
исходное состояние . Вторая
ступень заряда дополнитель
ной группы аккумуляторной
батареи при стабилизаци и
напряжения
на
уровне
2,2 В/эл, а также содержа
ние ее осуществляется вып
рямителем содержан и я ВС.
1--_~----1~,А Безобрывность подключения
fp
основной группы аккумуля -
1+--++--.-!v
:о,,
торной батареи к нагрузке
Н4if'М'-"+
1
при ее заряде до напряже -
ВРзi
ния 2,3 В/эл осуществляется
Г_J
вентилями Д2 и дз. Если не-
1
_
1 обходим контрольный заряд
"+--....... __ __-- -1 __ _, д, 1
1 до 2,7 В/эл, аккумуляторная
:
c::i:Ф~I батарея отключается от на-
1
1.
1 грузки предохранителем Пр .
L--- ~ - -- - -u L J Рассмотренная схема ав-
1( лотреоителян
!(
•-
томатизированной ЭПУ мо-
+ 50в
• потрс vтелнм
б•
-508
жет применяться при лю ои
Рис. J\3 .5. Схема ЭПУ-,60В с автоматиче- группе электроснабжени5t
екай коммутацией аккумуляторной батареи: как при многобатарейном .
hнJстройство безобрывной коммутации на базе так и при однобатарейном
принципах построения для
питания транзисторной аппа
ратуры тонального телеграфа, транзисторной аппаратуры дальней
связи, коммутаторов ручных МТС, городских РТС и других потре
бителей напряжения 24 В± 10% (см. 31] .
Схема рис. 13.5 подробно описана в 1[32].
В нормалыном •режим,е работы ЭПУ -питан.ие аппаратуры связи
о-существля,ется от вьшрями,тель.ны х устройств Б.В, ~работающих
в •режим·е стабилизации напряжения ('60-62) В± ·2%. К эт1им же
,ВЫПрямит-ельным у,стр,ойствам подключены чер1ез замкнутые кон -
280
такты :контактора 01 2-8 элементов основ,ной группы и осущест
вляется ,их ;непрерывный •подза,ряд. Остальные ~пять элементов ак-
кумуляторной батареи подзаряжаются от маломощного выпрями
теля ВС, поддерж:ивающего ,на них напряж-ение 2,2 В/эл . Вольто
доба •вочный (бу,стер.ный) зарядный ,вьшрямю"ель ЗВ отключен.
При пропадании ,напряжения •перемен ·н,ото тока О'Г•Ключают,с я
выпрям,ительные у,стройства БВ и ;питаяие к нагрузк,е ·подает,ся ,
от 28 эл·емент,ов о,сновной группы чер,ез замк·нутые ,ко,нтакты к•он
тактора 0 1 и реле ми;нималь·ного тока РМТ. В результате сраба
тыва •ет РМТ (лоляр,изованное реле), что приводит к размыканию,
:контактов 01 и п,осл ,едующему эамыка ,нию 1юнтак'Гов 02 и В1,
'Г. е . к ,нагрузке :подключается 31 элемент акку,муля'Г>о1рной ба'Га
реи. Безобрывн-о·сть :питания на•грузки ,на :и·нт,ер :вале ком,мутации
обеспеч ,ивае'Г•СЯ О'Г 27 элементов вентилем д1.
При уменьшении напряжения !На .нагрузке ,в процессе разряд а
31 элем,ента ,ниже 59 В ,срабатывае'Г вольтм,етровое р·еле .ВР1, в ре -
зульта'Ге размыкаются конта .к'Гы В1 ,и за.мыкаю'Гся В2, т. е. к :на
грузке подключаются 33 элем-ента аккумулятор,ной ба'Гареи . Пи
та"Ние ,нагрузки ,при переключ•ении контак'Гор·ов В 1 и В2 о·беспеч,и
:Вается через вентиль д2.
В послеаварийном .реж,им,е первая ,ступень заряда а,к,кумуля
тор.ной батареи д,о напряжения 2,3 В/эл осуще,ствляется от после
дователыно включен.ных БВ и ЗВ ,без отключения О'Г нат,рузки .
В'Горая ,ступ·ень заряда п·р,и напряже,н·ии 2,2 В/эл осуществляется,
,от ЕВ ,и ВС. Ко•лебания .напряжения •во :всех режимах ,работы ЭПУ
,н,е выходят за пределы 58 - 64 В. Вентили дз, Д4 обеспечивают
безобрывность заряда а.кку.мулюорной батареи 01' БВ лр,и размы
кании к·онтактов 1юнтактора 02 и ,включении ЗВ.
Сх1ема рис. 13 .5 ;п,р,именяется ,на АТС декадно-шаговой и к,оор
ди-натной ,систем коммутации, •на МТС обла •стноло узла, 1на АМТС:
средней емкости , в устан,ов,ках прямых ,соединений т·елеграфных.
станций и на предприятиях ,сельской ,связи (при токах •О'Г 25 А
д,о 7 юА), а 'Гакже для друг:их ло'Гребителей .напряжен·ия ±60 В.
при многобатарейном и однобатарейн·ом ~принципах пос'Гроения,
ЭПУ.
Для стабилизац,ии налряжен,ия + '206 В (с точ,ностью ±3%}
пр ,им1еняет,ся сх•ема с а 1вто.матическ,ой к,оммутацией четырех гру.пш
доп,олли'ГеЛЬ'НЫХ элемент,о.в. Аккумулят1орная бата,рея •в этом слу
чае выполняется с отвода ,ми от 98, Ю5, 109 ,и 113 эл ,ементов. Под
.ро·бное олиса•н·ие ,схемы п,риведе.но в [33].
Общим нед,остатком схем рис. 13.4 и 13.5 является то, чт,о на
п11яжен:и•е регулируется скачкам :и и изменяет,ся :в отнооительно .
широких пределах. Поэт-о.му пита1ни,е ,пот,ребителей, предъявляю
щих ж,е,ст1<,ие требования к стабнльности напряжений, необходимо
осуществлять через и·нд:ив,идуаль,ные ,стабил.изаторы. Однако в.
Э'ЮМ ,случа1е требует,ся гаеить на ,регулирующих элеме.нтах ~инди
видуальных •стабил:иза'Горов достаточно большие н.а.пряжения.
281
Б,ол,ее целе,сообразным я-вляется лри м енеН~ие централиз-ова,н,ных
-ста билизиру ющих у,строikгв, п·ос1'р•ое,н'ных ,по принцип у IВ•ольто
д:обавок.
На рис. 13.6
РЗВ
!Dэл
+ 1---~
показана с т р укт урна я схема ЭП У на напряжение
-
24 В с применением регул ир у емого вольтодо
бавочн ог о уст ройства РВДУ .
При наличии сети пере ме нного тока аппа
ратура питается от б уферных выпрямительных
устройств БВ . Резервный зарядный выпрями
тел ь РЗВ нодключен параллельно к БВ че
ре з контактор К1·. Питание аппаратуры резер
вируется от АБ из 10 эле ме нтов , работающей в
режи ме непрерывного подзаряда, РВДУ вык
люче но.
В с лу чае отключения сети переменного то-
1,а раз мык аются контакты контактора К1 и
включается РВДУ i[34 ], стабилизируя напряже
ние на нагр узке в процессе разряда АБ .
В посл е аварийно м режиме включается РЗВ
в режиме стабилизации по току и АБ заряжа
ется до напряжения 2,3 В /эл . При этом РВДУ
выключено и контакты контактора К1 разом-
-=-
J( потреоителям кнуты. Вен т или Д 1 и Д2 исключают воз мож-
.._
,~
21,28 :, ~?0~,.1,,.=ность разряда на нагрузку, так как напряже
Рис. 1 1'3.б. Схема ние на выходе БВ стабилизируется на уровне
ЭПУ-24В с тт.римене- 22 В . При достижении напряжения на АБ
нием стабилизирован- 2 3 В/эл включается контактор К и схема воз-
.нато вольтодобавоч- '
1
нога устройства
вращается в исходное состояние .
Максима ль ное значение выходной м ощно
сти РВДУ
рРВДУ тах = [Ин min +ЛИ - Икрn] fн тах,
тде Ин mi n - .минимально долу1с11имое ~напряжение .питания аппа
ратуры; ЛiU - ма,ксималь·ное п адение напряжения в коммута,ц,и-он
ных и ра,сп·ределит,ел ьных устройства х •ОТ АБ до ,нагрузки; ,Иир -
напряжение элем ,ента акку.мулято,р!ной батар,еи ,в конц•е разряда;
.п - ч.и,сло элементов АБ; Iн тах
-
.максималь.но,е значе1Н,ие тока
нагрузки.
Уменьшен,ие выходной м,ощност.и РВДУ можно ,обеопеч.ить ·при
"1:ен,е,н,ием а1втомат.ической ,коммутации дополнитель,ных групп ак
кумулят,орной батареи.
•
На рис. 13.7 ,приведена структурная сх,ема эл,ектроустанювки
крупных предприятий проводlНой ,с.вязи лр.и ·безбатаре'fшом лрин
ц:ипе л-о-строения .ЭПУ с ,применением ,двухлучевой схемы IВКлюче
'Н.ИЯ вырям,ительных устройст1в.
В ,нормальном режим:е АДЭС ,не ,работа,ет 1и о·ба тра ·нсформа
·гора ,на ТП обеспечивают пример-но по 50% наrруз,юи сташr;ии .
При · отключен·ии любоrю из :внешних ·источников электроснабже
ния до м·омента запуска АДЭС :питание секц:ий таран11и•р-ован·ных
282
и ·негара,н11ированных лот-ребитеJiей о,существляется от одн.о•гО'
трансформа'I'ора. После появления ,напрююеiНия на с'Го,роне Н уст
ройства АВРз лр·о1исхо дит пер,екJiючение последнего, в р,езультате·
ч'ег-о секция гара·нтированных -потребителей лодкJiючается к АДЭС.
Элект.росна~бжение секции ·н·егарантиро,ванных потреб,ителей пре
кращается только пр:и отключе,нии обо.их внешних :ис точнююв эл1ек
троэ1нерг:ии.
-,
1
1 [В!!Лt2
1
1
_J
------=~ 2
. ) { оллорот!Jре
Рис. 13.7. Структурная схема электроустановки круп
ной станции:
1 - секция негарантированных потребителей; 2 - секция га•
рантированных потребителей
Из щитовой, которая размещаеТ1ся обыч-но в лодваль·но•м или
нервом этажах здания, ,от каждой секции п рокладыва·ется маг,ист
ральный кабе.'Iь ,в аппара'I'ный зал ,станции. Оба магистральных.
кабеля •через устрой,ства АВР (АВР, .и АВР5) заводятся на рас
,пределительные пункты (ПР 1 :и ПРz), к кот-орым по двухлуче:вой
схем1е подключаются вьшрямителы-rые устройства системы ,ВУЛС..
В ,н-ормальном режиме .работы ЭПУ каждый из выпрям:ител·ей -си
стемы ,ВУЛС загружен не ·боле-е чем .на 60% номинашшой мощн-о
ст,и. К:аждый выпрямитель загруже.н полностью тюль-ко ·при отклю
чении пол-овины •выпрямител,ей ,системы ВУЛС.
Рассмотреяная схема эл1ектр·оуста-н-о-вки мо-жет применятьо~:
'I'Олько при группе электр·о,снабжения I,A на кру,п-ных городских
283
·телефонных и т елеграфных станциях, а также на крупных МТС .
На сетевых узлах связи :и ,обслуживаемых у,силительных пунк -
·тах ·кабельных .магистралей, уплот:~шемых аппа•ратурой :К-1920
(К-1920У), потреб.ител,и ,постоянноло т,ока питаются такж1е от вы
;п рямитель·ных устройств, ,включенных ,по двухлученой схеме. Отли
'tШе заключается :в том, что ,один или ,о•ба ра,спределлтельных .пунк
-та под,ключают не к ,сети переменного тока, а к уста-новка.м гара , н-
-т, ирова1нного питания.
1
13.7 . ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ ТЕЛЕФОННЫХ СТАНЦИЙ
В настояще,е ,вр~емя в основ.нам применяются автоматические
телефонные станц:ии декадно-шаговой (АТС-ДШ) и координатной
(АТС-К) ,систем коммутации . Дальнейшее развитие ав·юматич,е,с
кой электросвязи предполага·ет ши·р,окое в,н•ед:рени~е АТС квази
:элек тронной (КЭАТС) и электронной (ЭАТС) систем коммутации.
В за•виси.мости ·от типа, ~назначения 1и ем:~юсти телефонной стан
,ции, а также условий электроснабжения ее ЭПУ м,ож1ет быть вы-
1юл·нена по любому ,из •ра,ссмотренных в ,параграфе 13.3 пр ·и,нци
пов постро ·ения.
Электропита,ние аппаратуры междуго,родных и гор,одских те-
.л,ефонных станций д,е,кадно-шаговой и координатной систем ко3"1-
мутации, а также транJист,ор1ной аппа,ратуры уплотнения .их со~е
.. динительных
линий о,суще,ст,вляет,ся по,стоя•нным T,QJIOM напряже
•ния -60 В с допустимым,и пределами измене,ния 58 - 66 В. Оель
· ские координатные АТС 1и аппаратура упл·отнен·ия соедин,ителы-~ых
. л иний питается такж,е пост,оя·нным ток,ом напряж·ения -60 В ,с до
пустимыми пределами из.менения 54-72 ,В.
ПульсаI.I;ия напряжения как для АТС - К, так ,и А ТС-ДШ не
.долж,на превышать 5 мВ л:софометриче-ских. Для пр.ибор,01в , - не
:.включенных в •разгово,рные ,цепи ·и узлы бесконта ,ктного управле
ния (,на ·пример, марк1еры), допуска,ется пульсация ·напряжения до
100 мВ поофометрических .
Характерной оообенно,стью телефонных ,станций является то.
"что нагрузка ЭПУ существенно .ме-няется в течение суток. Поэто
му исходной •величиной при расч·ет-е ,источников электропитания
является вел·ич:ттна т,ока в час ·наибольшей .нагрузки (чнн). Ток
в чнн для А1С-ДШ ·на 1О ООО •номеров ,составляет 400-450 А,
. а для АТС-К 1на 10 ООО но,меров ,со-ответстве-нно 500- 550 А. Элек
· тропитающие установки для АТС-,К и АТiС-ДШ 1в ,основном схожи.
В настоящее в·ремя на междугородных, городских и ,се,1ь,ских
АТС - К .и АТС-ДШ все чаще прим,еняются ЭПУ, построенные по
••схеме рис. 13:5. Эта схе;.1а лозв •оляет создать ,полностью автома-
•т изированную, надежную, необслуживаемую ЭПУ с высокими энер
тет,ическими показателями. В кач·ес_тве б у фер,ных ·выпрямителей
.должны прим,е1няться автоматизированные у стройства типа ВУК,
..а
,в качест,ве а ,ккум у ляторов - ки ,сл ,отные аккумуляторы закрыт,о-
1.Г·О типа.
284
Бели ЭПУ телефонной ,станц,и.и оборудуется двухгрупп,ной акку
:муляrо,рной батареей в схему рис . 13 .5, добавляется вторая 1ветв ь.
•С ·секц·ионирова·нной аккумуля ·юрной бата,реей, которая для повы
шения ,надежн,ости ЭПУ ~д;олжна ком.мут,ироваться отдельным уст
-рой,ством ,6езо·бры:вной к,оммутаци:и, со св,оим зарядным вьшряии -
11елем ,и 1вьшря.мител ·ем с•одержшния .
На крупны х гор,од,ских ,и междугородных телефонных станция х
для гру,ппы электроснабжения IA .м·ожет .ислользовать,ся 6ез6ата
р·ейный пр,инцип построения ЭПУ с применением двухлучевой сх,е
мы включения вьшрямитель·ных у,стройс11в .
На сельских и служебных АТС , емкостью до 500 ,номеров де
кадно-шаговой ,и :к,оординат1ной с·истем коммутации (АТС-100/.500 М,.
АТС К:-50/200 и АТС К:-ЮО/ 500) ,в нас'I'оящее 1время применяются
ЭПУ, в которых в но,рмальном р,еж:име работы аппаратура пита·ет
ся от вьшрям.ительных у,стройств типа ВБ-60, а аккумуляторна~
батарея (несекционированная) отключена
от нагрузки и получает непрерывный под
заряд от отдельного выпрямителя. В ава
рийном режиме работы ЭПУ аппаратура
питается от аккумуляторной батареи, т. е. •3
-
,:
на время подключения ее к нагрузке
имеет место перерыв в питании . Схемы
ЭПУ с отключенной аккумуляторной ба
тареей приведены в [19, 35].
1•
ЭПУ-508
Для нормальной работы аппаратуры
АТС квазиэл~ктронной ·и электронной си-
tтем коммутации требуется не один, а не
сколько номиналов напряжения постоян- Рис. 113.8 . Структурная схе-
ма ЭПУ ЭАТС сельской,
наго тока . Так, для питания аппаратуры
связи :
ЭАТС сельской связи требуется шесть 1 _ сеть переменного тока ; 2 _
раЗЛИЧНЫХ напряжений (-60, -24, + 24 ,
потребители -60 В
-10, + 5 и -2,4 В) постоянного тока .
Для питания аппаратуры ЭАТС и К:ЭАТС сельской связи приме
няется одноба:тарейный принцип построения ЭПУ с аккумулятор
ной батареей на напряжение -60 В. Другие номиналы напряже
ний получают при помощи выпрямителей , подключаемых к инвер
тору, как показано на рис. 13 .8 . На напряжение
-60 В ЭПУ вы
полняется по схеме, аналогичной рис. 113.7 .
13.8 . ЭЛЕК:ТРОПИТАНИЕ ТЕЛЕГРАФНЫХ СТАНЦИИ
В насто'Ящее ,время на телеграфных станциях у,ста'Навл·иваетс я,
разнообразная аппаратура: тел,еграф,ные ап,па,раты, оборудован,ие
а6онент,ск,ого, т,онального и фототелеграфа , автоматизированное
оборудова•ние ста:нций прямых соединений .
Для нормалыной работы телеграфных а·ппаратов должно быт ь.
обеспечено электропита,ние линей,ных и местных цеп,ей, а также
дви•гателей э11их аппарато:в. Линейные :и местные цеп,и требуют
напряжений одинаковой величины, но разны х знаков. В соотве т-
285
етв.ии с ГОСТ 5237-69 электроп:итан.ие ка,к .м·ес11Ных, так линей
ных цепей долж,но осущест~вляться напряжениями -'60 В и +60 В
пост,оя,нного тока ,с допустимыми предела.ми ,изменения 58-68 В.
Дей,ствующее з.начен,ие пульсац:ии этих напр ,яже.н:ий 'Нlе должно
превышать 0,6 В;
Напряжения ± 120 В .и ± 160 В для питания л11,н.ейных цепей
используют только в о,ообых случаях, пр.и -ооответст~вующем . тех,ни
ческом обосно,вании.
Питание а.втоматических ,станций абонентс1юго тел,егр, аф:ирова
н,ия и ·прямых транзитных соединений ,как декадн·о-шаговой, так
и 1юординатной систем коммутац•ии также ,осуществляется 1напря- ·
жениями +60 В и -60 В, :при тех же пр,еде.лах 1измен,ения· и IЛ;О
пу,стимой пуль,сац,и·и, что .и для ·питан:ия местных и л,ин,ейных ц·е.пей
телеграфных аппаратов. Для питания . этих ,ста;нций . также необ
ходи.мо напряжение однофаз ,ного ~переменного тока 220 В.
Пита,н,ие аппаратуры вторичного уплотнения, :позволяющей ис
лольз,о:вать ,каналы тональной частоты для орга,низац•ии телег,раф
.ной связи (аппаратура тоналын,ого . телелра:ф,ир,ования) :1ши пере
дачи данных может осуществлять,ся •нешо·средст.венно " от. . оети ле.ре
.м:енного тока через ообственные выпрямители и стабилизаторы
или от ЭПУ на ,пряже~шем - 24 В постоянного т,ока. Некоторые
тилы аппа•ратуры юнального телеграфирования (АРК-ТТ-·20 и
ТД-1) 1'р,ебуют также •напряжений ± 60 В.
Питан:ие в,сей алпар ·ату,ры фототелеграфа, а также электр_одви
гателей телеграфных аппа,рато·в должно• осуществляться от оети
леремещюг,о тока ,напряжещ,1ем 22,0 В.
Характерной о,собенноегью ЭПУ телелрафных станций являет
·•Ся то, что . ,нагрузка носит импульсный . хара!:(тер и значительн,о
м,еняется в теченJiе суток. I}оэтому исх,од,ной величиной лри ра,с,
чете ·источ · нико .в . электр 'о,пита ,ния ,является вел.ичина.. тдка в час
,,наибольшей ,наtр'уз~и, а пульсац,и:и напряженJ;Iй .по,стоянного , тока
измеряются при ,работе ;на ч.нст,о омическую нагрузку.
,в зависимост11 , ОТ. мощности тел ·еграфной ,станции, а также
ус.пов.ий электр •оснабженJ;Iя ее ЭПУ мож•ет быть .выполнен·а .по лю
бо,м:у из рассмотрен:ных в параграфе 13.3 п•ри•нц,иJJов.
•Чаще ,нсеr ,о ЭПУ телеграфных . , с;га.нци,й · ,строя:гся по ,мноrоба
тар ,ейному пр,инц,ипу. В этом случае 1на на,пряжения -
·60Ви+60В·
устанавливают отделыные ЭПУ, . ,выполненные по схеме ·рис. 13.5, -
от кот,орых получают лита,ние м.естные и л,иней,ные цели телеграф
ных аппарато,в, а также автоматические станции аболенsnского те
леграфирования и· прямых соединений. Если иеобход1имая мощ
ность не ,может быть о·беслечена -выпускаемым.и ,промышленностью
выпрям:и~ельными устройствами типа ВУ ·или ВУК, ,на кажд,ое из
·напряжений -60 В 1и + 60 В уста,на ,вливают нес1юлько ЭIJY. Ава
рийное освещенr1е, а в нек,ото-рых ,случаях ,и .питание . ц•епей элек
тродвигателей т,елеr:рафньiх ·аппара1,ов ·обеспечи:ваетс:я от лосл,е
дователыю с·оеДиненных аккумулят,о.р,ных бсjтар,ей . +60' ,и -60 В.
Ап,паратура, :п,отребляющая энерг,ию переменного тюка, может пи
таться от сети .·через общий ,ста,билизатор ·нап,ряжения леремен-
286
наго тока (колеба,н:ия ,напряж,ения не д:олжны 1п,ревышать ± 3 % )
с •R_езервирова1нием от а1втопускаемого. ил:и ,от лоегоя.нно действую
щего УГП . Дл1я питания а·ппарату,ры то1нально,г,о телеграфа , тре
бующей ,на:пряжения -24 В, на тел:еграфных станция х может обо
:рудоваться отдельлая ЭПУ, выполненная 1по сх,еме рис. 13.4.
На крупны х телеграфных сташщях при группе эл·ектроснаб же
·Н'И·Я IA и ~наличии собст1венной ,резерв1нюй электр ,о,станц•ии мож:ет
использоваться безбата ,рейный ·пр:инцип построения ЭПУ ,с •п ри
менением двухлуче1в-ой схемы включения выпрям,ительных у,ст
ройст,в (см . :рис. 13.7) .
13.9 . ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ ПРЕДПРИЯТИЙ
МЕЖДУГОРОДНОЙ СВЯЗИ
К лредприятиям междугородной (дальн:ей) ,связи относятс я :
глав·ные, •обла,стные , межрайон 1ные ,и рай0iнные у злы связи ( ГУ,
ОУ, МРУ 1и РУ); междугородJные телефонные ста"Нции (МТС ) ~
око,нечные, :п,ерепр,и:емные и усилительные п у,нкты (ОП, ПП и У П )
:кабельных и воздушных, а таюке ·рад:ио,релей,ных ,магистрале й
связи.
В ,соответствии с ГОСТ 5237-69 электропи,тание т,ранзи•С'Юр
ной аппаратуры линейно-аппаратнют,о цех а (ЛАЦ) узла связи , а
также ОП , ПП ,и УП кабель·ных и ·воздушн.ых магистрал:ей связ и
должно ос уществляться 1нап,ряж~е.нием -24 1В± 10% .постоянног о
тока (первая сту,пень стабилизац,и,и) . Вторая ступень ,стабил :и за
ции с точностью не ниже ±3 % обеспеч,ивается индивидуал ь ным и
эл,ектронными ,ста<билизаторами, ,вх•одящими в с,о,став саl\ЮЙ а:пла-
1ратуры . Пита,ние накалыных цепей ламповой аппарат уры осущест -
1вл,яется напряжен.нем -21,2В±3% . Анодные цепи аппаратур ы
дальн1ей связи долж1ны ,питаться напряж ени,ем +206В±3% . Де й
ст,вующее значение п ульсац·ии ,напряжений для ,пита1шя т,ранзис
торной аппаратуры и а .нщI!НЫХ цепей ламповой аппаратуры н е
до•лж,но превышать 250 м1В в ди·апазо,не ча ,ст,от до 300 Гц и 115 мВ
при частоте 300 Гц :и выше. · Дей·ств у юще:е значение п ульсации на
пряж,ен,ия для .питания ,на,каль,ных це пей лампо-вqй аппаратуры н е
должно п.ревышат'ь 3 В . Различные в.спом,о,гательные цели аппа
ратуры дальней связи должны питаться напряжением -24 В± 1О %
(дей,ствующее значен,ие пу льсаци,и не должно превышать 1,2 В) .
Для литания н·екоторых видов аппарат уры · дальней связи тр1е
буе'l'ся напряжение 220 В перемеiН'ного тока.
Характерным для ЭЛУ ЛАЦ яв л яется то, ч.то нагр у зка прак
тиче,ски не меняет,ся в тече1н·ие суток .
Для предприятий межд у юродной связ.и ЭПУ должны обеспе
чивать бесперебойное ,питание не только аппарат уры ДАЦ, но
и 1всех ,других потребителей. Так, МТС (АМТС) может . быть сов
мещена с ОП ·и ПП. В этом ,сл у чае требуется ,обеслечивать пита
н,ие как аппарат у ры ЛАЦ , так и комм у таторного (автоматного )
цеха.
2S7
'
В насто,ящее время 1на ,кабельных и во,здушных ма~и,стралях ши
р1око применяется дистанционное питани;е У П . Поэтому обслужи
-ваемые усилителыные ,п у нкты (ОУП), с ко-горых осуществляегся
дистанционное питание, долж,ны 06ор удо1ваться соотве11ствующими
э лек-грол.итающими устано.вками.
В ырупных коммутационных узлах (ГУ, ОУ и МРУ), вх,одящих
:в общую сеть м,еждугородной с·вязи, при любой группе электро
.ана·бжения ЭПУ строятся по однобата ,рейному .принципу с приме
нением двухлучев1ой ,с х,емы включения выпрям.ительных устройств:
от сет.и пер ·е.менноrо тока и ,по·стоя-нно дей,ствующих УГП. Пита
н ие У ГП резервируется от аккум ул яторной батареи напряжени:ем
+220 ,В. Аппаратура , критичная ,к воздействию импульсных помех
, и толчк•ов ;налряжения в сети, пита -ется -от выпрямительных уст-
ройст:в, подключешных по ,двухлучевой схеме к двум УГП :[19].
В ыпрямителЬ'Ные устройс11ва устанавливаются ,непоср:едственно в
аппа.ратных залах.
На круп ны х МТС :и АМТС (,н,е ·н,иже о·бластного значения) при
г,р упп-е электроснабжен,ия IIA ЭПУ -стр 1оят,ся по безбатарейному
ч1ринципу ,с при,менением двухлучевой схемы включения 1выпрям,и
·телыных устройств (см . рис. 13.7). Вы1прямитель-ные устрой,ства
1шпа ВУЛ уста ,навливаются непосредств·ен,но в ЛАЦ :и коммута
·1юрном или авт-оматн ,ом цехе.
На МТС (АМТС) ниЖtе обла,стного з,начения и ,РУС при любой
гру ппе электро-снабжения ЭПУ строятся, как правило, по мноrо
·бата.рейному пр,Иiнципу . 1В этом случае для ·каждого из номинал -он
напряжения постоя ,нного тока у,станqвл,ивается отдельная :выпря
мительно-аккумуляторная у,становка. Транзис11орная аппаратура,
цепи сигнализации и другие ·вспю,м,огательные ц·ели ЛАЦ .питаются
- от выпрямительно-а,ккумулято,рной устано,вки :напряжен,ием
-2 4 В± 10%, ,выполненной по схем,е рис. 13.4.
В 1на,стояшее ,время питан,ие ,на.кальных цепей ла.мповой аппа
р атуры и транзисторной аппаратуры ЛАЦ, разработанной до 1970 г . ,
-о существляется от выпрямительно-аккумуляторной установки
-2 4 В± 10 % через уголЬ1ные регуляторы, устанавливаемые непо-
•Ср·едственн.о в ЛАЦ. Более ,целесообразным для пита,ния :nотреби
·тел·ей напряжения -21,·2 В±3% является ,применение выпрями
·т,елЬ1ню-аккумуляторной установки, .выполненной ;по -сх,еме рис. 13.6 .
Анодные цеп:и ламло,вой аппаратуры ЛАЦ питаются от ;выпрями
·тельно-аккумуляторной уста1н-овки (,см. рис . 13.5) ,налряжен,ием
+220 В± 10%, ч,ерез угольные •регуляторы ; устанавл,ива,емые .не
.пQсредственно ·в ЛАЦ 1ши от вьшря.мительно-аккумулят~орной уста
•НОВК,И (см. рис. 13 .6). В отдельных случаях, !При н·ебольшой мощ
ности, потребляемой а1нодным·и ц:епями, они •питаются от выпря-
1м1ительно - аккумуляторной установки напряжением - 24 В± 10%
·через стабилиз,ированные полупро,во,11.ни,ковые :nр,еобразовател ·и, ус
тановленные неП'о,средственно в ,ЛАЦ. Вьшрям,ителыно-а,к кумуля
торные у,становки коммутаторного (автоматного цеха) и аппа1ра
туры 11елеграфа рассмотрены в !Параграфах 13.7 ,и 13.8. При на
.личин 1на стающи потребителей, требующих га,рантиро:ва:нно,го ·пе-
288
1
/
ременного тока, оборудуется резервная установка гарантирован-
ного шитания (при всех лруплах электро,сн-абж,ен,ия, кр-оме IA).
При с-оптветствующем техн,ик10-экономиче,с1юм ·обо-оновании
ЭПУ МТ,С (АМТС) ,и РУС мюгут строиться по -одrюб,:tТарейному
принципу •С прим:ен,е~н,ием Д;вухлучев,ой схе'Уlы включения вьшряии
телыных устройств.
ЭПУ ОУП кабельных и воздушных магистралей, уплотняемых
м:.но ·лока 11-1 альным,и системам· и, выполненным: и ,на полупроводнико
вых приборах , при любой группе электроснабжения строятся ло
однобатарейному пр:111н ц ипу. В этом случае ·на ЭПУ оборудуется
только одна выпрям.ительно -- ак,ку.мулятор·ная установка на напря
жения -24 В±10% (,см. рис . 13.4) . ~Высокое напряжен,ие
,(до 1000 В) для ди,tтанциотюго пита,ния ап,паратуры не-обслужи
ваемых усил,ительных пунктов (НУП) пюлучают · ,от ;выпрямитель
но-аккумуляторной установки -24 В± 1О% п-р,и помощи по,лупро
.водник·овых п,реобраз,ователей.
Для воздушных и ,симметр·ичных кабелей магистралей лро,вод-
1юй связ·и, уплотня,емых многокан?льными системами, выпол,н·ен.
!НЫМИ 1на лампах при любой группе электро,сна·бжения Э П У ОУП,
.строятся, как пра1вило, по .мноrобата ,рейному принципу. ,В этом
«:лучае на ЭПУ оборудуется выпрямителыно - аккумуляторная уста
,нов,ка на напряжение -24 В± 10% ,и на ,на,пряж-ение +220 ·В± 10%.
Диста·нц,ионное питание аппаратуры НУП осуществляет,ся 1не
nо-оред,ств·енно от п,олупроводник,овых п•реобразователей, уста ·нав
.ливаемых на спец,иалыных стой,ках СППТ 1[19] в ЛАЦ или от вы
:п р ямительно-аккумуляторной установки напряжением +220 В и
.вольтодобавочных п олу,про,водНiиковых пре,образовател-ей. Полупр,о
iЮд•н·иковые преобразователи подключаются к выпрямителыно-ак-
1Кумуляторной установке ·напряжением -24 В.
Для маг,истрал,и кюак,сиального ка ,беля, упл,отня~ем,ого си,стема
,м,и связи К-1920 или К- 1920У, ЭПУ ОУП оборудуется ,выпрями
тельно-ак,кумуляюр,ной устшновкой напряжен,ием +220 В ± 10%,
выполненной по ,схеме, подобн,ой ри,с. 13 .5. Аккумуляторная бата
рея ,состоит ~из 117 элементо:в с отпайками от 105 ·и 111 эл,емен
т-ов. Вылрям,ительно-аккумулятор ·ная установка напряжением
+220 , В± 10% пр·едназначена для литания -однофазных т,иристор·
ных и.нвер-гор,ов или для питания двигателей постояннюго тока
1'.рехмашинных агрегат,ов (при л,ропал.ании ,сети перемен·ного тока),
.а такж,е а,варий,ного ,освещен·ия.
При нал·ичии на ОУП другой ламповой аппа·ратуры овяз,и (кро
ме а,ппаратуры коак,сиальноrо кабеля) эта выпрямит,ельно-а1шу
мулят,о,р~ная установка может использ ,о• ваться для п, итан.ия ее а1н -од
,ных цепей.
Питание аппаратуры ЛАЦ систем связи К-1920 и К-1920У, а
1'а ,кже ди,ста.нuион·но-е литан·ие аппаратуры НУП этих с,истем мо
жет подаваться •ОТ по·стюяннп дейст,вующих одн-офазных тир:ист,ор
,ных инвер11оров или тр-ехмашин. ных агрегатов.
Для п.итания аппа.ратуры НУП эл ,ектроэ1н1ергия п,о коаюсиаль
,ному кабелю передается однофазrным то,1юм ло нескольким цепям.
289
Глава четырнадцатая.
Дистанцffонное электропитание аппаратуры
усилительных пунктов на магистралях связи
14.1 . ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Внедрение на маг,истраля х п·ровод:ной связи новых многок а
•нальных систем передачи различной и1нформа,ции з,начительно рас - .
ширяет диапаз1он переда ,ваемых ча ,стот, а след ова 'Гельно, сокра
щает длины уча,стков усиления . Бели для системы пер,едачи КВ-12
дли·на уча•стка усиления равна примерно 27 км, то для си,стемы
f(-HO она ра•в,на при.мерно 20 км , а для ,разрабатываемой системы
К-3600 она б удет ооставлять 3 к м.
Уменьшение длины уча,стк·ов усилеrн:ия, а такж,е у величен:ие ,пр о
тяж,енно,ст,и са,мих магистрал·ей л-р,оводн-ой связи ,приводит к р-о•ст у
ч;и,сла усил,ителыных ·пушк'I'ов на них. При большом· их числ:е эко
номически ~невыгодно оборудовать каждый из них •собс-rвенной
ЭПУ. Поэтому на магистралях л•роводной связи широ1ю приме~
няется диста,нц:и,онное питание усил ·ительных л у нкто;з.
Дистанц·и·он1ным пита•н,ием (ДП) назыв'ается передача электри
ческой э,нерг,ии для электр·опитания аппаратуры связи и други х
вспом·оr:ателЬ'ных устр,ойст,в, уста•новл-енных на ,пром,ежуточны\
усилитель·ных пунктах, по тем же цепям, по 1<>оторыу1. организуетоi
связь.
В.озм,о,жiю ДП с оконеч1ных .п у нктов мали,стралей или ,сетевы х
узлов 'И п.ромежут,очных усил.ителыных пунктов с ЭПУ. Промеж у~
точные усилительные пункты, :из к,от,орых подает,ся ДП, называ
ются питающими или ,основными (опорными) у си.1ительными пунк'
тами (ОУП).
•
'
Усилительные пункты, аппарат ура кот•орых получа·ет ДП, на
кабельных малистралях называются питаемыми или •необсл у жи
ваемыми (НУП), а на воздушньiх магистралях, у плотняемых 12-ка~
нальной системой - вспомогательным:и (ВУП).
Эффективность системы ДП определяет,ся в основном ,соотно
шением на маги,страли· ,связ.и числа ОУП и НУП. Чем больше НУП
и .м,еньше ОУП, т . е . .ч:ем дл·иннее секция ДП (уча ,сто,к магистрали
между двумя ооседними ОУП), тем выше· технико-эко1н-омическ,ие
показател :и м:нистрали, поскольку НУП нам,н,о~;о дешевле ОУП
как по -капитальным затратам, так и по эксплуатацион -ным · расхо-
290
дам. Поэтому пр.и разрабике 'систе.м мн-огоканальн-ой связи и ДП
и.сх,одят из ·необходимости л-олучения на,ибольшей длины сею..r,ии
ДП, К,ром,е того, при раз·работке и ,выбор,е с:Истемы ДП д•олжны .
учитывать,ся следующие требования:
--
максимальная надежность и эк·оно;vщчностъ системы ДП в
целом;
-
отсутстsие или ми1н.имальное влия,н-и.е тока ДП на каналы
связи;
-
минима л ьная п,о,д:верженность в :1ия н йю с-о стороны ,различ
ных цосторонних ЭДС и токов как са:.1и х це пей ДП, та.к и кана
дов связи;
-
малогабаритность и просто та у стр,ойств пита1ния НУП.
Суще ств уют две основные сх е мы п,ода чи электроэнерги,и для
пи тания нагр у зок НУП: «провод~п р о в од » ·и «лр•овод-земля».
В п е р-вq м случае в каче.стве ·обратног.о п,ров-ода ДП исполь
зу ется цель, соста•в ленная из Ж·и л кабе л я ·или пр ,овод-ов воздушной
линиJ1,.., такая же , как цепь прям,ого пр овода , Во втором случае
:в _ качест в е .q брат ногю провода испо л ь зу ется эемля, и цепь создает-
ся· через заземления, оборудуемые на НУП ·и ОУП.
•
Cxe:v1a .«,пронод-пров,од» хорошо защищена от., ·поеюро,н,них
в .тшя·ний, воз1н.икающи х под влия<Н.ие м магнитных бурь, эдектрофи
ц иро,ванных же ле зных дорог ,и др у гих лричеiш, но н с •о·беспечивает
н еобходимой дальности действ ·ия и з-за большого с,ол.ротивления
л ини ,и д.истаюrионного литания.
Воз.м о жно ДП как п.остоянным, т. ак ,и переменным ''!'ОКОМ.
К преимущест,вам ДП ,по,~тоянным ток,ом по сравнен:ию с. ДП пе
р еменным то. ком ,сл~р_у ет -отн~сти :
-
большую э1юномиЧ1Н·Ость системы за счет применения схемы
<~ провод-земдя»;
,
-
прост,оту. у,ст.ройств питания н а . НУП, так ,как при ДП ло-
-стоя·н·ным током, .в отличие . от ДП, .п,еременщ,1м то1юм, не нужно
применение н а каждом НУП трансформаторов , выпрямителей и
<:Т лдживающи х ф:иль11ров; ,отсутст.в,ме в л:иянllя на каналы низкой
ча,ст,оты, при ДП переменным ток,ом , большие . мешающие влияни.я
треб уют слож н ы х и дорqrих фильтро:в для, организации ка,налоs
ни зкой част•оты, ,необходимых . для ,сл ужебной связи;
-, - возмqжносrь обеспеченrrя- бесперебойнос т и ДП
(пр,и на,ру
шении , внешнего электр ,оснабжен.ия ОУП) без ,_ лрименен.ия на ОУП
у стройств гара ;нтированноrо . переменного тока, у слож-няющих ЭПУ
и ,снижающи х ее . надежность;
-
п.ередач ~. электрич~ской э нергии постоянным · током более
благопр!;!ЯТН•а. в ,отношении электр,ической л.р,очност,и ,кабеля (мак
.си,мально•е напряж,ение ДП ,огра,нич-ивается эл е ктрической .проч
н остыQ к,абеля) ,[18]. Схе.ма « пр_ов-од- з е мля» применя:ет,ся тольк·о
пр и дп ПОСТ·ОЯН Н ЫМ током ,[2].
В, СССР ,принято ДП алла·рат у ры уп л отнения симметричного
к абеля и ,возд у шны х линий, а также тра нз исторных м.ногоканаль
нь1х оис,тем, на . ма гистр ал,ях коаксиально го каб еля осуществлять
ПОСТ·ОЯННЫМ 'i:QКOM.
291
Только ,на маги,стралях к,оа,юсиашт,оло кабеля , у плотн'Яемых си
стемами связи с лаllшов,ой аппара:ту;рой К-1920 и К-1920У, ;п,рим,е
,няет,ся ДП перем:енным т,оком пр,омышлешной ча,ст,оты 50 Гц.
14.2 . ДИСТАНЦИОННОЕ ПИТАНИЕ ЛАМПОВОЙ
АППАРАТУРЫ УПЛОТНЕНИЯ СИММЕТРИЧНОГО КАБЕЛЯ
Пары 1симметр:ичного кабеля, уплот,няемые мноrоканалЬ'ными
оистемам,и овяз'И, состоят из двух медных жил диам,етр1ом 1,2 мм
(с сопротивлением постоянному току 15,5 О,м/км), 11зо лированных
друг от друга ,бумажным ,или сти,рофлекс1ным корделем. Две 'Пары
свиваются вместе, образуя четверку . Наи,больше,е применение
нахо\дят четырехчетверочные (4 Х 4 Х 1,2), ,семичетверо:чные
(7Х4Х 1,2) и одночетверочные (1 Х4Х 1,2) кабели . Для лин,ий
,сельской ,связ,и применяются также одночет,в,ерочные кабели типа
КСПП с диаметром жилы 0,9 мм.
Применяются как двухкабелыные магистрали, уплотняемые
однополосными системами СВ'ЯЗИ К-24 -'2 и К - 60 (по каждому ка
белю передаются высо1юча,стотные си,гналы тольк,о ,в одном на
пра1влении), так и одно,кабмЬ'ные магистрали, уплогня,емые ,систе
мами связи КВ-12 и КРР 30/60. Система связи КРР 30/60 может
п,рименять,ся :и ,на двухкабельных маrи,стралях .
Осно:вн,ой схемой передачи эле,ктрической энергии для электро
питания аппаратуры НУП является «провод -земля» . Эта схема
обеспечивает большую далын1ость электропередачи по сравнеН'ИЮ
со ,схем,ой «провод-провод» ,и л,р,им,е~няется при любой ,системе
уплотнения, есл,и посторо1Нние ЭДС между заземлениям,и ОУП и
НУП, воз,никающие п,од влиянием земных бурь, электрофициро
ванных железных щорог и других причин, не ,п,р,евышают 75 В,
т . е . величину, которая может быть скомпенсирована при приме
нен,ии полупровод1ни,~ювых к,омпенсаторо1в.
Каждая ,с,и,стема уплотнения ,К-24-2, К-60, КВ-12 и ~рр 30/60
состоит из двух ламповых усилит,елей. В ,системах уплотнения
К-24-2 и К-60 пр,именяются универсаль,ные ч,етырехламповые уси
лител,и К-24-60. Анодное напряжение усилителей К-24 -60 состав
ляет 140 В. ,Каждый усилитель ,системы КВ-12 сюбран на трех лам
пах и его анодное напряжен,ие с,оста:вляет 130 В . Каждый усили
тель системы КУР 30/60 ,вьшол,нен на пяти лампах, для питания
анодных ,цепей которых ,необходим,о напряжещ1е 160 В.
Электрическая энергия на каждый НУП передается по отдель
ным цепям. ,В этом сл у ча ,е нагрузка в кажд1ой цепи ДП остается
неизменной (изм,енен,ие со,противления жил кабеля за счет изме
не1ния температуры нез,начительно). Поэт,ому для стаб,илиза,ции на
пряжения на НУП достат,очн,о ,стабилиз,и,ровать напряжение ДП
на ОУП.
По каждой цепи ДП питаются как анодные, так и накальные
цепи высокочастот,ных уси:штелей одной ,ил:и неск,ольких ,систем
уплотнения, а также низ,к,очастютные у,аилители ,служебlной связи.
Напряжение ,на каж1дом НУП определяется величиной, необходи-
292
мой для питания а·нодных цеп,ей усилителей да,нн-ой системы упл,от
нен:ия . Нит,и накала ламп ,соединяются между ,собой по,с.тiедователь
но, а а1ноды параллельно. Если 1напряже,ние, необх•одим,ое для ли
тания цепей накала, отличается от а,ноднот.о, то . в цепь накала ,или
а·нода включаются ре·зисторы. При большом ч·исле ламп, .питае- •
мых по одной цепи ДП; ,нити :накала· их м,оr:ут ,сю·еди1няться между
собой последовательно - па.раллельнр. Полупр·о,в,одник,овые УНЧ
,включаются -последовательно в .,цель накала. . чер1ез . не.h,иней1ные ,со
противления, в качеств·е кото-рых пр,и,:r.,:еняются п•олуп-р,оводни.ко,вые
диоды. Нелинейными согiрот:и-влениями• стабюшз:ируются напряже-
ния питания УНЧ.
•
__
... ,, ..
.
Цели ДП могут быть организованы по средним -• точкам пары
пров•одов, по средним точкам двух пар проводов (по че,тверке),
а та,кж•е выполняться 1юмби1нирован•ными, . т. е. как · no ср,е·дним
т•очкам д~ух ца_р .провqд9_в .J~~ _ gт,IJ.ельных усилительных участках), ·
так ·и п.о ср~дним точкам пары проводов .
•
-~,
По от.д.елыным жил .ам··кабеля цели · ДП не создаются, так как
при этом необходимо .на\ ОУП и НУП :р-азделять ц-епиДП (,постоян
ною тока) и вьюо•кочастотных сигнало:в . ,сле;ц,щшьнымr1 ф:ильтра-
NI,и, усложняющими устройства ДП.
•••
При о.рга,низации цепей ДП для •различ,ных НУП стремятся п,о
возмо}1шости получить -раВtные еолр·от,ивления эт,их цепей, что поз•
•валяет ум·еньшить потер:и_, энергии в устрой,ствах •ДП на ОУП и
НУП за с.чет исключения . гасящих резисторов -или уменьшения их
величин. Устройства ДП для ,вс•ех цепей ,одинако-вы. Ма;ке,имальное
напряжение, .по,да,ваемое в_ цепь ДП, огран.ич·иваеТ1ся электричес-
к,ой прочностью изоляции кабеля и сос.тавляет 460 В. .
.
Беслеребойно,сть пита1ния а.ппа,рату,ры при ч,исле НУП в сек~
ции ДП не более четырех и схеме 1«пров0д...,.,..земля» о:беспечr11вает,ся .
на д:вухкабелЬIНЫХ маг,ист,ра_лях ,нал.)'!'чием 100% резерва цепей ДП. •
При этом цепи ДП, •dрган:из·ованные по одному кабелю, .резерви
р у ются аналоличными. цепями ло второму ка,белю. Цепи заменя
ются · автоматич,ески : Рабочие и ,резерв,ные цепи ДП питаются с
одного ОУП.
На схем,е рис. 14.1 цепи ДП организуются по .средней точке
пары или четверки жил одного кабеля. По одной : цеп·и ДП пита
ют,ся две си·стемы -ВЧ (четыре четырехламповых усилител я) и
ОJ!;ИН дуплексный усилитель НЧ (двухламповый). Та,к как сопро
тивление цеп.и ДП .между ОУП и НУПI меньше оопротивле1ния
цепи ДП между ОУП ,и НУП2, то в первую цепь включен rа,сящий
резистор (гасящие рези·с11оры уста·навливаются в у,стройствах ДП
на ОУП и НУП в каждой ,цепи ДП) .
При числе НУП , :в .секции ьт пят,и до восьми резервные ц,епи
не организуются (лр,и полном уплотне,нии ;магистрали), а .ДП ре
зе·рвируется от дередвижных усилительных станций: :В этом слу
чае по каждому кабелю 1питают,ся 50 % в,сех систем уплот,нен:ия .
'ЧТО обеспечивает сохрзнность 50 % связей п•р ,и снятии ;напряже
ния ДП с одного из кабелей.
293
Электрическая энергия ,в схеме р:ис. 14 .2 пер ,едается по схеме
«пров,о,д-земля». Как видно ,из рис . 14.2 , кабельные пары распре
деляю11ся между цепям.и ДП так, чтобы падение напряжения во
!fШ/3 !f!Jfll/ О!!П
12
О!IП
lfYП! !IYЛZ O!IR
~
'- !f{lZ/J!/3/(/1 ЦMIJ ДЛ: YHI/ (ооя l{/1ЛjJ(]#JleHl)!l)V t7de .
системы d'f ( f и 2 номера систем)
Рж. 14 .1. Схема uепей ДП аппаратуры К-24-'2 или К -60 при ЧР
тырех или двух НУП •в ~кuии
1о1
1о1
.
.
.
.
-=-
1
z
1------10;-----о
/fУП2
!IYПJ'
Рис. 1'4.2 . Схема uепей ДП аппарат у ры K-24 - i2 или К-6 0
при восьми и шести НУП в секци и
всех ц епя х, по возможности, было одинаковым (на рис. 14.2 пока
заны только две четверки одного ,кабеля, т а к как схе?>rы орган и
зации цепей по друг,им четверкам идентичны).
Если iHa двух1шбелЬ'ных мапктра ,1ях (при чис1е НУП ,в секщ1 ,1
от пяти до восьми) осуществляет,ся п,ервая очередь уплотнения, то
цепи ДП, предназначенные в дальнейшем для питания ,систем уп
Jrотнения второй очереди, временно используют для резервирован ия
цепей ДП действующих сис11ем у,плотнен,ия.
При передаче электрической эн,ергии по схеме «провбд-про
вод» ма~сималыное число НУП в ,сек ц ии сокращается в два ра за
294
(,не превышает четырех), п,о срав1н1ению •со ,схемой «провод- зем
ля». В этом случае резервные цепи ,сх,емы «лро·вод-земля» (см.
рис. 14.1) используются в качест•ве обратн ·ого проЕода це,п,И ДП.
На однокабельных магистралях ДП резервируется с против,о
·пол·ожного ОУП с,ек ции. Такое •резервирова·ние, называемое сквоз
ным, может быть использ,овано также на двух,кабельных магист
ралях . Недостатком ,ск·возного резервирования яв,,яется малая
длина ~сек ц ии ДП (по ,сравнению с резервированием от передвюк
ных усилителыных стан ц ий) .
Мак,симальное число НУП в секции Д П лри передач,е электри
ческой эне.рги:и по схеме «провод-земля» на однока,белыных ма
гистралях, уплотняемых системам,и КВ - 12 или К:Р.Р 30/60, равно
четырем .
Схемы ДП р и с. 14.3 составлены с двусторонним использова
нием резерв.ных ц,епей, что дает возможн·о,сть увели·чить длину сек-
а) ОУЛ Лшtип lfYЛf (нип 1 !f~П2 fлин~ H!JЛJ
'11
-- , , , , --+ -~ 1,,#r~- ,ffi 1~+--,;---f
~-- 1 :1 1-:1 1;:1 i +~1⁄4,
О)+--+---+-
::_ f!f~~р;;, НУЛ, Noн,лOYQ \
~1 .1
~~~-
Рис. 14.3. Схема организации цепей ДП аппаратуры КВ-· Н2:
а) · при трех НУП в секции; 6) при четыре;; НУП в секции
ции и уменьшить !{апряжение и•сточников электроэнергии. Для
устранения ура:внитель.ных т,оков при различных значениях на·пря
жений и,сточник,ов пита1ния на ОУП или пр·и ,наличии разности пю
те1Нциалов между заземлен,иями этих ОУП в резервные ц,епи 1вклю
чены лолулроводниковые вент,или. Сплошными линияии на .р·ис. 14.3
показаны рабочие цели Д П , а пунктир ·ным:и - резервные; черточ
ками указано число жил кабеля ·в цепи ДП. По каждой ,рабочей
ц,епи ДП питаются четыре .системы уплотнения ·и усилитель слу
жебной связи.
Цепи ДП для аппаратуры КРР 30/60 при трех м четырех НУП
в ,секцю.~ строятся т,очно такими, ка,к и для аппаратуры КВ-12
( рис. 14.3). Отличие заключается •в том, что нити на,кала ламп че- •
тырех сист,ем уплотнения соединяю'Гся между ,собой последова
тельно - параллельно, а ,не последо•ва11ельно как в аппаратуре
КВ - 1-2 . Это обу,словливается тем, что каждый лине·йный . усилитель.
295 .
_
,
КРР 30/60 вьшол·нен на пят,и лампах (в аппарат у ре КВ-12 - на
трех). Поэтому д:rя питан ия послед'о:ватель.н.о соеди,ненных нитей
накала ламп четырех систем требуется 1на,пряже,н:ие (не менее
252 В) , ·п,ревышающее допустимое значею1е межд v катодом и
нитью накала лампы 6.ЖlПЕ.
•
• При одном или д,вух НУП в се,кц·ни ДП аппаратуры КРР 30/60
энергия может передаваться по .схеме «п,ровод-провод». В эт,ом
случае по каждой цепи ДП ,пода,ется литан. и е для двух ,оистем
уплотнения. Uепь ДП (как прямой, так и обратный пров-од) орга
низует,ся п·о сред1ним точ,кам пары жил кабеля (через сре,дние точ
ки лин·ей·ных трансфо,рматоров) . Ск·в,оз,ное резервирова~ние ДП м о
жет бы ть ,осуществлено толь:ко при одном НУП ,в с,екции .
14.3 . ДИСТАНЦИОННОЕ ПИТАНИЕ ТРАНЗИСТОРНОЙ
АППАРАТУРЫ УПЛОТНЕНИЯ СИММЕТРИЧНОГО КАБЕЛЯ
Сейча•с на магистралях проводной .связи, а также городских
телефонны х ,сетях и ли,н.иях сельской связи в,се шире при меняются
многоканаль·ные ·си · стеыы уплотнеиия .на ,iюлупровод:никовых при-
J5ор ах .
,
!
•На
маrистра:rях симметрич·ного кабеля широко применяются
раз"1ичные 60-канальные транзисторные систем ы уплотнения . Нз
~.:згистралях м rюгочетверочного кабеля приме няется одiнополоснан
<:и-стс~1а у.плопrения К-бОП. 1v\агистра ,1и Од!НО'четверочног,о кабе .1я ,.;
у плотняются однополосными сист,емами К-24П-2, К-60П-2М,
К-б ОП -4 'И К-60П-3.
1l
В городских телефо,нных сетях тi л1 1 ,щях ,сельской ,связи 1внед
,ряются дв ух полосные транзисто : нше • с.иоемы упл отн ения
КРР 30/60 - «Кама» и ИКМ-12. Для городских телефонных сетей
ведется рэзработка системы уп лотн-ен.ия: с имп ульсно-кодовой мо - q
дуляцией ИI~М-32 .
н
Применение ,полупро·водниковых приборов вместю ламп в пр о
межуточньiх у,с:илителях на НУП позволяет значительно повысить ч
у ровень автоматизации ;кабельных маrи·с тралей за ·счет удл.и,не ния
секции ДП и эксплуатационную надежность систем связи.
Однако системы ДП, рассм,отренные в параграфе 14.2, не мо-
""
rу т быть использова1ны щля питания тра ,нзисторной аппа·ратуры
уплотнения, так как не •обеспечивают достаточно большую дли1ну
.с'ек·ции ДП. ' Длина секции ограничивается числ-ом цепей ДП, ко
торые можно о·рrанизо:вать на ' м.аrи,ст,рал:и. Так, · на двухкабель-ных
магн·стралях симметричного одноче"Гверочного кабеля при схеме
«прс,вод-пр ·ов,од» можн-о орга,низо,вать всего две цепи ДП, т. е.
максималыное чи,сло НУП в -секции равно четырем . Кроме того, 1.
,;ранзисторная алпарату,ра чувствительна к перенапряжения~•! и
перегрузкам по току, поэтому в системе ДП должна предусмат
риваться защита усилителей НУП В ' перех'Одных и аварийных ре-
жимах.
'
5 Транзисторные усиЛ"ители потребляют небольшую ,мощность
rfijи сравнительно низк·uх напряжениях. Поэтому п,о каждой цепи •
296
ДП осущес~вляется пит,ание у,сил·ит,елей в,сех НУП (полу,с,екции
или секци·и) од:ной или двух ,систем уплотнения, что обеспечивает
достаточно большую длину секции. При любой сипеме упло'Гн,е
ния все жилы кабеля 'и:::пользуются для организации ,рабочих це
пей ДП (резервные цепи не организуются) . В ;п,ре.делах ·одной си
стемы уплотнения все цеп.и ДП ,стр,оя'!'ся одинако,во.
В каждую цепь ДП (,см. рис. 14.4) ,нагрузки всех НУП (блоки
.дистанционного питания БДП) одной или двух си,стем упJiю11нения
включают,ся последовательно, чт,о, по сра,ннен,ию с параллельной
схемой включения, обеспеч,ив,а,ет бюльшую дальность ,и з1начитель
·но боле,е высокий КПД сис'!'емы ДП.
Защита т.ра,нз,истор1ных усилителей на НУП ,асуществляется
спе циальными устрой,ствами - БДП, представляющими собой па
раметр.ическ,ие или ко.мпенсацио~нные лолупроводни1Ковые ста:б:или
заторы напряж,ения посто.я,нного ,,ока. Для уменьше:Н'ия мощности.
рассеи•ваемой БДП, и у;в,ел.ичения длины секции на ОУП стаби
лизируется ,н,апряжение, пюдаваемо·е •в цепь ДП. Каждая цепь ДП
подключа·ется .на ОУП к инди.видуальному транзисторному п•ре
образователю . Стабилизация ,на,пряжения на НУП м,ожет 10,сущест
влять,ся также за счет стабилизации тока в цепи ДП, что харак
терн·о для новых разр,а·боток (ИКМ-12, ИКМ-32).
Л1аксимально·е напряжение, п,одаваемое ,с ОУЛ ,в цепь ДП,
а следовательно, длина секцюr ограничивается величиной электр·и
' I еской прочности :изоляции кабеля (суммарное значен·ие ,нап·ряже
,r1ия ДП и ЭДС, инду,ктируемых по,с'!'оронним.и источ1никами, не
~олжно превышать величины доп у стим•ого ,напряжен·ия для д,а1н
'-IОГО типа из,оляции жил ка,беля), Мак симальное напряжение ДП
п рин·имается ранным 475 В.
Схема «провод-з·емля» п,р·именяется на двухкабельных маг,ист
., алях, ущют,няемых си·стемой К-60П или К-бОП-3. Цепи ДП орга-
изуются .. :и бо по средним точкам пары жил ка:беля, либо по сред
· им точк,а ,.1 двух пар жил кабеля . На рис. 14.4 черточками указа
,ю '-шсло жил кабеля, входящих :в .прямой ·и обратный провод
цепи ДП.
В за·в.исимости от чи,сла систем уплотнения, ,питаемы х по одной
11.епи ДП, р азличают ·индив,идуаль,ную и групповую с;истемы ДП.
При ·ин дивидуаль ной системе по ·одной цепи .передается элек
,· рическая э,нергия для у силителей ,о,дной системы у п лотн•ения, раз
мещен1ных на всех НУП, п.итае.мых с да,н1ного ОУП. Пр:и группоной
системе пю одной цел.и передается электриче,ская энергия для у,с.и
лителей несколыких оистем связи .
При и.нди·вид у альной системе можно вк.1ючать и выключать
..· rюб'ую
систему уплотнения, подавая или снимая напряжение с С{)
ответствующей цеп1и .
Индивидуальная система не может приме•няться при передаче
, электричеокой энергии по •сх,еме «провод-провод» на од1накабель
ных магистралях (аппаратура «Кама» и ИКМ-12), а также на
двухкабель·ных магистралях при организации целей по средним
11-311
297
точкам двух па•р жил (,рис . 14.46, аппаратура К-бОП). Во ,всех
о,стальных случая х приме.няет,ся ·инд:и:видуальная система ДП.
Пр.и -о рга низаци и ДП по схемам рис. 14.4а, 6 :и в резерви.ро,ва
кие осущест вляет ся от ·пер,едв.ижн ых усилителыных станций, что
дает ,в,оз мож ность увел ичить длину секции по срав!Нению ,со скв,оз-
о: ,~~~Л!~~!μ (1/Н//Л~/IУЛЛ ~l
f!Jf! f! ЛliHliJJ~/p(~~~~ j о:оr
. а)+
.
lijfj[l
li}jj!l,
±
1⁄4f·
..
.•
•·
..
·_fn
ф% \::J:::~ 1-w1Q-t;~I ,:\~
--
~~~ ~7У~
-
~+ ~-7!
•
-l ~-,/r-~+
, 'jп_! \CJ-1!-~
•
_
)-~+7',,_ loJ\ •• 1·1п
.t ~~-л'-~-#--J--,+-,;---+;.o.,,-,i!+
~о/
'
'
•
llдл· •
•
'
l/4_'1111
-- .0
.. .,.. ,,__
'
..,Y--lr-U-~---,f'--1Нlf'-13
1
Рис. ,14.4 . Структурные схемы ДП транзисторной аппаратуры
уплот нения симметричного кабеля (прямоугольник - БДП):
а) с двух ОУП по схеме «провод-земля»; 6) с двух ОУП
по схеме «провод-провод»; в) с двух ОУЛ по схеме «про
вод-п роВ'Од »; г) с одного ОУП по схеме «п.ровод-провод».
о,-;_,.._....,... ----- 1-+t---#-'ittlЧ
,..._ + -,..... ,.-( }-'+ -, !'-- i'- (
}-"t-,~- +
0--л,оомеж!lтомrш т,оонсляция (tido усt1лuтелн)
•• 1 -- !JС11литель A/J!I
llдn
!Рис. 14.5 . Структурная схема организации ДП аппаратуры
«К:ама» при пяти НУП в секции
•ным резерв:иро:ва,нием (рис. 14.4г). Сквоз,н·ое резервирование при
:м:еня ется на однокабельных магистралях (а,ппаратура <~Кама»)
ТО,/IЫЮ при ,одном НУП в секцю1.
Схема ор·га,Низаци;и ДП на од:накабелыных .маг:истралях, уплот
!Няемых си,стемой «Ка,ма», при пят·и НУП в секции показана на
рис. 14.5. В этом случае с каждого ОУП обеспечивается ДП всей
аппа,рату,ры 1на двух IНУП, а на среднем (третьем НУП) только
полов ины аппаратуры . ,Напряжеш,е iпита,ния усилителей ,стабил,и
Gируе'J\ся параметрическJ:1.111.и стабилизаторами (роль гасящего ре
злст,ора выпотшет участок линии цепи ДП).
298
14.4 . ОБОРУДОВАНИЕ ОУП И НУП
ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ПИТАНИЯ
АППАРАТУРЫ УПЛОТНЕНИЯ СИММЕТРИЧНОГО КАБЕЛ Я
Осн0tв,ным оборудрванием для ДП ап"Парату,ры симмет.ричнюго
кабеля, у,ста:навл:ивае!l-юй на ОУП или ОП, я·вляются :
1. У,стройства, обеспечивающие высокое напряжение постоян
ного тока для ДП а,ппара:гуры НУП. Эти устройст,ва пред,ставляют
,с-,обой т,ранзисто,рные .преобразователи, ообран1ные ·по двухтак'Iiной:
,сх,ем-е с •самовозбуждением. В тра ,нз:исторнюй аппаратуре каждая
uепь ДП лодключает-ся к индивидуальному преобразователю.
В ламповой аппа.ратуре полупроводниковые ;преобраз,01ватели час
то используются в качест:ве •вольто,добаво1к оовмес11но с выпрями
-гельно-аккумулят-о·рн-ой уста~новкой на.пряжением 220 В. Полупро
водниковые преобразователи питаются от вылря.м:ителыю-а,ккуму
ляторных у,стано,вок на п ряжен:ием -24 В (в аппаратуре «Кама»
от -60 В) . Выходное ,нап,ряжение ,стабилизируется угольным;и •ре
гуляторами, ,включенными •н а входе .преобразователей.
В лаМ'повой аппа.ратур,е К!РР 30/'60 1вместо преобразователей
уста.навливают,ся полупроводниковые ,выпрям.ители с двухз :.шенны
ми LС-фильтра:м:и (.напряжение ,ст.абилизируеТtся ферр-орез,она,нс
ным ,ста6ил"ИЗатором) .
2. У-стро,йства передачи ДП, обеспеч:ивающее авт,оматиче-ское
отключение цепи ДП .при перег,рузке по току ·на 20-30 % от 1но
м-и,наль,н,ого. значения и обрыве в цепи ДП, а таа<же автом:атиче,с
ко,е включение резер ,внот10 устройства, регул,ирова·ние 1'О•Ка ,в цепи
ДП п.р:и по.мощи гасящего резистора и аварийную сиr~налиэа·ц.ию.
Это устройс'Гво таюке обеспечивает возможность изменения поляр
ности напряжения ' ДП, что ,необходимо для !Нахождения уча,стка
по·вр•еждения на магистрали. Пр.и ДП тра,нзисторiНОЙ ап·па,ратуры
у,строй,стно .передачи ДП обыч,но ,совмещается с попупр,оводн:и,к•о
вым пре-образователем, т . е. выполняется ,на одной лд.ате (па-не
ли) {18, 36, 37].
3. У,стр•ойства защиты ц-епей ДП от галыза,н·ического влияния
лосторонсгих ЭДС, возi!-Iикающих под действием магнитных бурь
и электрофицированных желез•ных и городских дорог, ,р.аботающих
-на ,п,ост,оянном ток,е. Эти устрiОЙС'Гва, ,называемые полупро,в-однико
вым:и компенсаторам.и, представляют ,собой тра 1нзистор·ные ста·би
лизат-оры тока •и .применяются ,при ле,ре,даче электричеокой энерги.и
·по схем-е «п·р,о;вод-земля» во 1в,сех ,случаях, к-огда раз,но,сть поте.н
циало·в между заземлениям,и ОУП .и НУП ,не пр,евышает 7о .в (·но
более 1-5 В). ~омпенсатор типа ПК-70/0,3-2 ,состоит •из четырех
оди•нак,о·вых лоследо.ваrгельно соедине,н:ных ,блоков и рассчитан на
ком.пенсацию ,максималь~ной а.мпл.итуды :постороннвх ЭДС ±70 В
при ма,ксимальном юке ДП 0,3 А . Компенсато,р ПК-70/0,3-2 вклю
ч;~е1'ся последователь.но в каждую цепь ДП за устройс:r"Вом пере
дачи ДП (рис. 14.6) . Принцип работы ~стабилизаторов тока ,ра,с
смотрен в гл. 8.
11*
299
Основным оборудованием НУП являются платы при ем а ДП
(блоки ДП), размещаемые на стойке линейных усилителей . В тран
зисторных системах уплотнения блоки ДП стабилизируют напря
жения питания усилителей и устройств телемеханики, а т акже за
щищают их от больших разрядных токов конденсаторов защитных
устройств ЗУ при коротком замыкании цепи ДП. В ламповых си:
с темах уплотнения блоки ДП обеспечивают подключение нагрузок,
_
О!!Л
Лuнuя НУЛ регулирование и контроль за
Г Ь:Wff Лl(-70 /0,J-l
I
током и напряжением ДП, а
R,
11
1
также авт о матическое подклю
1
1
1
1
_J
осторошше вд,
Ри с. •14 .6 . Блок по лупроводI1III,ового I,0:-I -
п енсатора и схема ег о включен ия в цепь
ДП:
1 - устроiiство передачи ДП
ч ение нагру з ки к резервны м це
пям ДП.
При работе кабельной ма
гистрали в uепи ДП на линии
могут появиться продольные
ЭДС промышленной частоты,
наводимые
высоковольтными
линиям и э;rе1, тропередачи. В-:>з
можны также влия н и я меж ду
отдельными высокоч ас тот н ы:vш
цепями вследствие асимметрии
их и линейных трансформато
ров. Поэтому для защиты станционных устройств и кабеля от ин
дуктированных напряжений переменного тока, а также для раз
вязки между собой высокочастотных цепей на ОУП и НУП уста-
Лuнuя ~----<НУП! f------,
Лuния ,
/
,
'-- ----IEJ
Ji~ =1УП
,,...~_.г,Д;~~.....,~-~........'?_-+--,~т.:11
~1
1
,Т 1~~~Бд~~~ ~
,t=>1•
llдo<.п~'..,..,..,.,~-=-,..JV",-,_....~cr,v-ц_r:·, :''t__ : ~-~ - r"i 1
JIIL _
_J Тplflf_дп .:5:д,0,1
l,!/p}XЛ/JdТр!!l/1Д-8 1 1 1
11I 2
L_
i д-3 {_2_-=:_ _j L'__- "":_ .J
L-
_J
L_ -~i~--~
Д-8 •
1
JY
JY
'
Рис . 14.7.
..______,~
н=1
L___J
ТрВI/
1
схема · цепи ДП на магистрали одночетвероч
ного кабеля
навлив а ются специальные защитные (ЗУ) и развя з ывающие уст•
ройства.
Как видно из рис . 14.7, развязывающие устр о йства п,редстав
ляют ообой Г-образ н ые LС-фильтры, под кл ючаемые к оредним
300
точкам высокочастотных тра,нсформаторов. Полоса 1пр'опускания
фильтров Д-8 .не должна быть ,ниже 8 кГц, так как фа1нтом1ные
цепи используют,ся для орга ,низации ка,нало,в служебной ,связ.и.
Оба полузвена ф:ильтра подбираются попарно iю затуха,нию асим
м-етр:и.и и устанавливаются в лшнели ,стойки ,в,водно-кабельного
оборудова,ния .на ОУП ,и НУП. На ОУП и каждом НУП в п,рямой
и обра11ный провод (при шередаче электР'иче,ской энер_гии по чеме
«.провод-провод») цели ДП включ,ают,ся защи-гные устройства,
п,редставляющий собой Т-·образ1ные ФНЧ. В поперечное плечо Таоб
разного фильтра в1ключается емкость ил:и послмоват,ельный ~резо
нансный LС-контур, настроенный на чаеготу '50 Гц. В п-родоJI:~шое
,плечо Т-,образн·оrо фильт,ра включены два •одинак,овых дросоеля,
сердечники которых вьшол ,няются •с немаг.ни11ным зазор .ом .
Защитные у,стройст,ва исключают возможность сумм ,ирова!Нин .
ЭДС, на ·водимых линиями электропередач и электрифицшрованны
ми железными дорога,ми, на ,отдельных у,силителыных участках ма
r,ист.рали , так ,как для частоты 50 Гц раз·бивают цепь ДП 1на от
дельны е уч а ,стки, длина которы х р ·а В'на длин,е ус:ил.ителыног,о участ
к а . Защит,н ые устр,ой·ства та1кже •обеспечивают защит у аппара
туры О УП и НУП от ЭДС, 'Индуктиру е мых в жилах ка,беля ,на
длине уси л ительного уча,стка маrистрал 'и . К,роме того, ЗУ необх,о
димы для раз,деления низкоча,стотных сиnналов и то1юв ДП, т. е.
должны п р едста :влять собой большое сопроти·вление. для низко- .
частотны х сигналов.
Если вб л изи магистраJiи нет линий высоковольтных передач
и электрифицирован,ных желез'ных дорог, ЗУ выполняют .в 1в:иде
Г-,образных фильтров, т . е. ,в каждом ЗУ на ОУП и НУП закора
чиваются дроссели Др 1 (р-ис. 14._
7). Это дает возможность умень
шить паден,ие на 1пряжения в цепи ДП, за •счет чего мож-1-ю уве
л·ичить число НУП в се,1щии.
При организации цепи ДП по сред,ним точкам .пары жил кабеля
(р,ис. 14 .7) для пред,отвращен.ия закорачиван-ия цепи ДП между
полуобм,от11<ами низкочастотного трансфо,рматора ТРнч включает-сп
разделительный к,о,н,де,нсато,р.
.
Искровые разрядники защищают аппаратуру от грозо,вых ,ра3-
рядов. Разрядники п·одключаются параллельн,о ста,нционным о·б
моткам высокочастотных и низкочастотных тра,нсформаторов ил-и
между средними точками высок,очасто11ных т,рансформаторов и
з•емлей.
14.5 . ДИСТАНЦИОННОЕ ПИТАНИЕ ТРАНЗИСТОРНОЙ
АППАРАТУРЫ УПЛОТНЕНИЯ КОАКСИАЛЬНОГО КАБЕЛЯ
В настоящее 1время ,на магистралях коаксиальн,ого кабеля в,се
шире ,применяются тра'нзисто ,рные многока ,нальные сис1'еМ!:>I уп
л1011нен·ия.
Для о.рганизации в,нутр 'изоновой связ.и .пр:и.меняется одно·пар
ный коа ,к,сиалыный кабель, уплотняемый двухполосной системой
К-120. М"Ноrоларные коаксиальные кабели с парами малог,о диа-
301
·метра уплотняются однока-бельными однопо;1юс,ным.и си стемами
овязи К-300 1И I(- 1920П. Для уплотнения м нагопарных ко а,к,сиаль
ных ка·белей с пара,м:и р,аэ мером 2,6/9,4 .м м iПриме,няе т с я однока
·бельная однополосная систе м а ,связи I(- 192 0.П.
Передача элект•рической энергии для .питан и я тр анзисторно й
а:ппаратуры НУП систе м у.плот,н,ения коа1кс иалын,ого ,ка беля осу
ществляет,ся :постоянным токо м .высо1ко,r10 напряжения по схеме
-«про;вод-прово~» (,см . § 14.1 ).
В качестве mрямого про•в•ода цеп.и ДП испо л ьзуется цен т.р а ль-
1Ная жила ,одной коак,сиаль.ной .п,а ,ры , а в кач1ест.не обр атного про-
•0)
.
_} в ода-трубка это й же ко аксиал ьн ой
~.
F-- ____ ) Q\ пары (ри.с. 14.8а) или це.~тральная жи-
1
ла другои коаксиальнои па ры (рис.
Идп
_
.
Rн 14.86).
В I<аждую цепь ДП включается по-
о)==============---~ следовательно аппаратура одного или
3~~ ---- :
~ · обои~ направлений
передачи сигналов
u,
однои системы уплотнения всех НУ П,
-дп
• Rн , питаемых с данного ОУП.
•
_
_
_
_
••.
1
При организации цепи ДП по схеме
--- -- -J: С реле 14.Sa обеспечивается индивиду-
Рис . !114 .8. Схема организаци и алы-юе управление и защ и та ка ж дог о
дп ооособом:
из симплексньiх трактов ( п ри однопо-
а) «центральная жила-труб . лосной системе ) системы связ и . Это
ка »; б) «центральная жи ла-
це·нтральная жила»
по вышает гибкость и защищен но сть
магистрали в цел ом, что особенно ва ж
но при использовании коаксиальных пар для передач и теле виде
ния . Поэтому дистанционное питание аппаратуры К- 192 0П ор ган и
зуется по схеме рис. 14.8а . Недостатком этой с х емы пер едачи эле к
трической энергии является наличие потерь в обратно м про воде ,
что уменьшает длину секции ДП .
При орrа!Н,иза1.щи цепи ДП по •сх•еие .ри,с. 14.86 напря ж•ение Д П
может быть в д:ва 'раза больше напряжения долуст,им•о·го для сх е
мы рис. 14 .Sa. МаI<симальное :напряжение ДП, а следов ател ьнl() ,
дли.на оекци,и ,огра1ничи.вается эл ,е,ктрическ,ой пр,очность ю из оля
ции ка·беля. Поэтому электрическая энергия для ДП аппа р атуры
сист.ем .связ·и , ,не предусматр ,ивающих использ,ование мн ог,о па рны х
Jюа1ксиальных к,а•белей для п,р,ограмм телевидения (,К-300 ), лере
дает,ся .по •схеме ,ри,с, 14.86 .
Защита транзисторных усил,ител,ей •на НУП от ,пере напр яже
ний обеспеч.ивается парам,етрическиМ'и или компенсационны м и ста
бил·иза торами ~напряжения по,с-юянног,о тока . Для умЕш ь шени я
мощности , рассеиваемой стаб:илизаторами НУП, осущест,вл яет.ся
цент,рализ'о1ванная стабилизация т,ока в цепи ДП .
В ,некоторых -с:исте,мах (К- 120 и К-1920П) усилени,е уси ли теле й
НУП р,егул.ирует,ся автоматически за ,счет ,изменения то,к а в це
·пи ДП.
Тракты передачи ДП и ·передачи ,сигнало в связи раз дел яютс я
фильтра .ми ли'Га :ния ФП.
302
Все коаксиал1:;ные. па,ры ,иопользуют,ся для ,о,рrаниза,ци:и рабо
чих цепей ДП. Р,езервирование ДП осущес11вляется с противопо
ложною ОУП секции (,сквозное резервир •Оiвание) или от передв!Иж
ных усилительrных станций.
Ра·ссмотр,им р:ис. 14.9 . По од,ной цепи ДП юсуществляет,ся пи
тание :на каждом НУП двух усилителей ,одной системы ,связи . Мак-
Н!JЛ! .. \IIШ!lffl lt!f!l\ НУП П ')
.5'д'I
'
УМ
[>
.
[>
Рис. 114.9 . Структурная схема организации ДП аппа-
ратуры К-ЗIОО
симальное число НУП ,в ·полiс-е~кции ДП ,ра1ано 20, чт,о соот,в-ет
ствует длине секции - 240 км. Максимально допу,стимо,е rна,пряж,е
ние ДП - 1000 В. Ток в цепи ДП - 0,03'5 А. Для ,вырав,нивания
,потенциалов прямого и •обратного провод,ов цепи ДП .по 011ноше
нию к земл,е :на послед:нем НУП полусек,ции ее ср,едняя точка за
з,емляет,ся. Резервирование ДП осуществляется от передвижной
усилительной ,ста.нции ПУС-8. Защита у,силителей НУП обеспечи
вае тс я ла·ра.метрическими стаб.ил,изатораМ'и на,пряжения постоян
ного тока (,р,оль. гасящего рез:и,стора вьшол1няет уча,сток линии
цепи ДП). Осно•вным оборудованием ОУП для ДП является С'ГОЙ-
1ка ди станu:ио.нного пита1Ния типа СДП К-300 .и платы д,иста!нцишr
ноrо ~питания усилителей служ,ебной связи, у,станавливаемые на
стойке т,елемеханики СТ ДП [18, 19].
Структурная ,схема орга ·н•изаu;ии ДП аппаратуры НУП систе
мы связи К-120 приведена на рис. 14.10. Диста1нцион,ное питание
всех НУП с-екций м,оже'Г о,существляться с любого из ·О1ко1нечных
пу:н,ктов и резервир ,оваться с другого вручную или автоматич·ескн
(сквозное ,резерви.рова!ние). При эт,ом мак•с:имально.е на,n,ряжение,
303
пода,ваемое .в Л'ИНИЮ, не превышает 500 В, а максимальное число
НУП в секци,и ДП равно 19 при прокладке кабеля ·в земле или
14 при лодве,ск,е кабеля на опорах (дл•и,на усил,ительного участка
ра,в,на 10 км) . Стабилизап:ия т,ока ,в ,ц,еп:и ДП, а также из,менени.::
ело в пределах ±5 м,А от 1Номи~нальног,о значения 0,07-5 А для ре
гулирования усиления лин,ейных у силителей обеспечивается уст
ройством д,и,станционного литан.ия УДП (19, 3·8].
Принципиальная ,схем,а бл,О1ка ДП (БДП) НУП лрив,едена на
рисi ·14 .11. Стабилизац,ия нап·ряжения л,итания ли.нейного у сили
теля НУП обеспечивается стабилизатором, вьшол1не~нным IНа т,ран
зисторе Т, стабилитронах дз,
Д4 и резисторах Rз, tR1-. Так как
при изменении тока в цепи ДП
ток коллектора транзистора Т
остается ·неизменным, то изме
няется ток через подогреватель
термистора , установленного в
цепи обратной связи линейны х
усилителей, т . е. изменяется
усиление эти х усилителей .
В случае обрыва в цепи ДП
Рис . 1'4 .1'1 . Принципиальная схема бло - через нормально з амкнутые
ка ДП НУП аппаратуры K-I Q,O
контакты реле Р1 и Р2 имеется
возможность дис т анционно пи
тать все НУП с обоих ОП до места обрыва . Диоды Д5, Д6 защи
щают аппаратуру от токов обратной полярности .
Диста:Iци,онное лита 1н·ие аппа-ратуры НУП ,системы К-1920П
(при числе НУП в ,секции ,не более 15) осу ще,ствляется так ж•е,
как ,в системе К-120 . При чи,сле НУП в ,секции более 1'5 (до 30)
р•езервирование ДП осуществля,ется от ,пер ,едвижны х усюшт е лышх
станций . По каждой цепи ДП питает,ся аппарат у ра, работающаil
по этой коакеиальной ларе.
Диста:нцио1нное пита,ние усилителей у плотнения ,сигна л ыных жи.п
осуществляется по отдельным целям, о,бразу емым самими у пл1от
няемыми парами (ло ,схем.е « пров,од-провод») .
14.6 . ДИСТАНЦИОННОЕ ПИТАНИЕ АППАРАТУРЫ
УПЛОТНЕНИЯ К-1920 (К- 1920У)
Энергия для ДП ламповой аппаратуры ушю11нения коаксиаль
ного кабеля (сиС'гемы ,связ.и К- 1920 ·и К- 1920У) передается пере
менным т·оком лро,мышленной частоты . В этом случае передаче
подлежат с.равнителыно больши,е мощности, а п,рименение ДП пе
реме,нным то1юм дает возмож1Ность у:ве.т::ичить дли,н у ,секци,и ДП
за сч,ет ло·вышения ,напряжения на каждом НУП при помощи
а:втотра 1н,сфо,рматоро,в , т . е . у ме,ньшить потери в линии цепи ДП .
Кроме того, лри ДП переменным то~юм ,нити ,накала ламл у,сили
тел,ей на НУП можно •соеди1нять параллельно между собой, что
не требует та,сящих сопр,отивлен:ий и подбора ламп, отс у тствует
304
коррозия оболочки кабеля, а также от,сут,ствует гальваническая
связь между це.пя.ми высокого !И ,низкого напряж,ен:ий, что облег- .
чает создан.ие условий более безопасной работы на ОУП .и НУП
обслуживающего пероо,нала .
1 Для коак,сиаль,ной пары размером 2,5/9,4 мм при содержании
ее .под в.оздуш:ным давлением мо,жет быть допущено напряжен:ие
1000 В (действующее значение) . При 1напо1111нен,ии кабеля вьюо1ю
молекулярным газом ( фреон 22) ,напряж,ен,ие может быть увели
чено до 2000 В.
Энерг,щr передает,ся по центральным жилам двух коаксилыных
пар (рис. 14.86), что дает возмо·ж~но,сть у;величлть длину •секции
по сравн-ению ,со схемой рис. 14.8а . tВ это,м случае напряжение ДП
может ,составлять ·2000 В л•ри оодержа 1нии кабеля под в,оздуllilным
давлением.
Схема организации ДП аппарату,ры К:-1920 приведена на
Р'ИС. 14.12.
О!/Л
l'ft-c _~ ]-, qJfl
L
Рис. 14.12 . Схема цепи ДП аппаратуры K-19i2IO:
1 - повышающий автотрансформатор; 2 - вспомогательная нагруз
ка; З - стабилизатор и выпрямитель
На ,каждом НУП ло •одной цепи ДП питаются .тшнейные уси
л.и'Гели Од!НОЙ системы К-1920, у,с:илители служебной связ1и, усили
тели ,системы уп111от,нения К-24К 11 в,слом,огательнъrе нагрузк·и.
Отбор мощно,сти на НУП о,существляется п,о трансформаторной
схеме •от ли1н,еЙ!НЫх автотрансформаторов, ,воос-та,навливаюших н~
пряжение в це,пи ДП до 2000 В. Стаб.ил,изац·ия напряжения на НУП
обеспеч:ивается феррорезона •нсным стабилиза'Гором, включен~ным в
цепь ,обм·ОТ!КИ ,напряжением 220 В (2, 27].
Для ,выравнива :ния потенциалов ц,ентралыных жил к10ак.си.аль
ных пар ло отношению к земл,е на ОУП заземляет,ся средняя точ
ка высоковольтных трансформаторов.
Си,стема К-1920У предназначена для упло11нения к•омбиниро
ва.н,ных кабелей, ,имеющих 2, 4, 6 и 8 коаксиальных пар диамет
ром 2,5/9,4 мм. Средняя иощность ·пот,ребляемая .из цели ДП 060 -
305
рудовани-ем каждой ,с.истемы у.плотнения К-19 2 0У 1Неск•Qль ко б о л ь
ше, ч,ем системы К-1920 и ,с,о,:::тавляет 310 Вт .
Оборудова•ни•е электроп·итания НУП системы К- 1920 У •отли
чается тем , что вместо феррорезонансных ста·би ,1иза·ю-ро в на лря- .
жения в цепи пита:ния усил·ителей при менен т.ир•и,сторный ста би
лизатор ,напряжения .п,е,ре менн,ог~о тока комп ,енсаци ·он ног-о ти па,
нечу,вствитель,ный к коле-ба1ниям ча ,стоты то к а п·итан,ия .
На ОУП 1вьюоковольтные трансформаторы подк л юча ютс я к
устройствам гарантированно·rо •питааия ,перем енным тюком чер ез
трашсформато•ры Скотта (п:р:и 1пр,именении трехмашин,ны х arpera-
'I 'OB) или ,непосредств,енно (при применен·ии ,однофазных тир ·и,с тор
ных .и,н:верт,ор,ов) .
Высок,о,вольТ!ные трансфо.рмат,оры устанавливаются на ОУП
в шкафах дистанцло.нноf\о .п.ита1ния ЩДП .
Оборудrование ЭПУ ОУП системы К-1920У отл,ичает,с я от
К- 1920 'Голько 'Гем, что ,вме.сто ЩДП-5 устанавл :ивае-гся ЩДП- 7.
Этqт шк.аф, кроме высок<}вольтны х тра,н.сформа-горов, с•одер жи т
аппаратуру мак,симальной и н улевой защиты ко,аксиа .11ьных пар,
устройства, обе-спечивающие возможность определения хар актер а
и .места повреждения в цепи ДП, а также ком.м утациО1нную а1ппа
ратуру для обхода УГП (;в этом случае питание осуще-ств ляе тс я
от внешней ,сети ) .
Глава пятнадцатая.
Электроустановки радиорелейных линий
15.1 . ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Радио релей1ные лин ии рабо'Гают 1в диапазоне ультра,~юр,отки х
в олн . В диапазоне УКВ пол,осу пропускания радиопередающи х и
р.ад,ио пр:и ем,ных устр ·ойств можно ,сделать ,очень широк,ой, что
по з вол яет пер·еда-вать ,по л:и,н,ии ,евязи сообщения , занимающие
широ кую ,полосу ча ,стот, налр ,имер , одновремеН1но лередавать сотни
1и тыс я чи телефон1ных разговюров ил·и телевизионную программу.
Кро·ме того, ,евязь на ультр.а.1юр,отких волнах ,отл~ичается вьюо,кой
помехо у,ст,ойчивостью и ,над:еж!Ностью .
.
Рад:и·орелей.ная линия ,сост,аит из цепочки .п:р.иемо-передающих
ста,нщий. Про.межуточные ,станции у.с-га,на:вливаются так, чтобы
межд у антеннами ·сосед,них ,станций ,существ-о:вала прямая вид:и
,мость. Станции расшолаг~ются на расс'l\оя,нии 40-•60 км .
iНа радиорелейных л:иниях сооружаются станци,и трех типов :
-
,ок,ОJнечные станции, откуда п€р•едаются все соо-бщения в
о,щну еюрону .и где зака1нч~ивается 'прием сигнал ·ов, лрих•одящих с
другого налравл,ен·ия;
-
промежуточные ,ста1нц.ии, на которых усиливает,ся приходя
щий ,сиnнал без демодуляции (.исключая 'тел,евидение и программы
радиовещания);
•
-
узловые -ст.анu:ии, на юо!Горых 11южно ,выделять ,и вв,од,ить
новые ,каналы ,связ·и .
Тра с-са РРЛ выбирается так, чт,обы око:нечные и узловые ,ста,н
ции бьши -расположены 1в городах . Как пр.а.вило, эти станции по
л учают элект.роэнер·гию -от •в1нешних источников . Пр-омежуточ1ные
станци и ·могут ра,сполагаться 'В местах, где нет из,нешних ~источни
ко в эл ект роэнергии; в этих ,случаях -они работают от -сrобст·венных
эл ектр ост а,нц.ий .
В me p иo,rr. оозда1ния .первых РРЛ допу,скались перерывы .в по
д а че эл ект,р•оэнергии длительно,стью в 0,6 ,и 4 ,с лри условии, 'ЧТО
они дос та т,очно ред1ш .
В н аст-оящее в,ремя требования к бе,сперебой1юй работе РРЛ
в озро сл и , особенно в ,связи с передачей по РРЛ сигналов тональ
ного телеграфа, для к,оторог,о ,перерывы в 0,16-0,6 ,с недопу
сти.мы .
307
Опыт ра-б0'1rы РРЛ показал, что станций , не имеющих пере
рьш,ов :в п;одаче питания, -н е существует. Даже при лита-нии от
мощных э-не.рг,осистем ,перерывы ,в подач ,е электроэнергии воз
мож,ны.
В ,связ,и с этим, в настоящее время , почти в·се ,ста·нции РРЛ
обо,рудованы ,р-езервными электростанциями, состоящими из двух
дизель-генератор,ных уста 1новок. Обе дизель-генераторные у,ста
новки ,при .пропадании ,напряжения во ·внешней сети запускаются
одновреме:нно. Питание станци•и пр·имет -на себя та установка, за
пуск которой завершается ,раньше, а другая автоматически от
ключается.
В н.а,стоящее время обратимые машины и мотор-генера'Горы
на станциях РРЛ не применяются. На.иболе-е широко п,римен я
ют,ся агрегаты с маховиками. Применение та~их агрегатов позво
лило упрост.ить Э'!~сплуатацию станции, так как 1в этом случае не
тр.ебуют,ся аккумулято,рные батареи напряжением 220 В з,начи
тельной емкости. На каждой ста1нции на оди,н полукомплект аппа
ратуры устанавл.ива·ется два агрегата с маховиками - рабочий и
резервный.
Махов.ики аГ~регатов -обладают значителын,ой масс,ой и за счет
его энергии ,сглаж-ивают,ся ,скачки напряжения, которые неизбеж
ны ;в ,промышленных сетях. Таким ,образ-ом, п•ри.ме:нение рез,ервных
дизель-генераторов и агрегатов с мах•овиками позвол .ило исклю
чить перерывы в работе ,ста,нции пр·и пропадан.ии ,напряжения во
внешней сет,и . Создана аппаратура, предназначенная для ,ра,боты
со сдво ,ен,ным, ,пространст.в,е,н,но разнесенным приемом п-ри ~парал
лельной работе передатчи,ко:в на одJной частот,е. Для реализации
преимущест,в сдвоенного ,пр,иема полуко-мплекты оборудовашrя пи
таются от . двух независимых ис1ючни,ков.
Электроустановки магистральных РРЛ ,строят-ся •С применением
автоматиз.ир,ованных дизель-ген-ера торов ДГА-1\1, резерв·ирующих
в:н,еШ1нюю сеть, и_ агрега-гов гарантир-ова,нн,ого литания с инерцион
ным маховиком типов АГМ-7,5; АГМП-7,5 и АГМ-20. Устано:вка
агрега-го·в позволяет обеспечивать бесперебойность п.ита 1н,ия аппа
ратуры, поддерживать 1нео·бходимую стабильность . -напряже,ния и
пол,но-стью оградить аппаратуру от колебаний и скачков напря
жения с-ети.
't
15.2 . ЭЛЕКТРОУСТАНОВКА РРЛ
Пр1щцилиаль.ная сх,е,ма электроу,ста,новок радиорелейной стан
ции определя,ется типом и мощно,стью устанавливаемой аппарату
ры и наличием ил1и -от,сутст,вием в'нешнего источника электроонаб
жения.
Для увеличен:ия надежности электр-ос,набжения узловые стан
ции РРЛ проектируются с ,п,итанием -от в,нешней сети и от еоб
ств•енной электростанц.и,и, оборудова1н,ной автоматизирован·ными
дизель-генератор ам·и.
308
'Пита:ние от ине:шней сети ,м сжет быть 'П,Олучено 'ПО •о:дной или
д·вум ЛЭП, чт10 за 1вИС!ИТ ,о,т 1ра1с.п,о,ло1же1ния станции. Бели -под1во
дит1ся ,эн,е~ргия в ысокrо!ГО напряжвния , 110 на террит'ОРИ'И сrа'н ции
д:ОЛ)КIНа быть т·ра :нсфо1рматор,ная п,оsдстю-щия.
Ос1-юв1ные поrгре·бите JI'И ста 1нц-ии, опюсящиеся в ча,сти ,обе,спе
ЧШI'И я 'Надежности эл-ектроона ·бжения ,к ка ·тегс,р1и-1 1, шодраздел я
ются ·1-1а •потр·ебител ей ,кат,егор 'ии 1а и l ·б.
По11ребители J<ате,г,ории 1а, I< 'Iют,о,р,ой относится ,основная ап
'парат ур а ,ста :нцИ'и, не допу1С1кают пе:р,ерыв-ов ·в :пита1нии . ~роме тог о ,
,ста-бил ьн,о,сть питающе го нап,ряжения для ,них должна 1нах1Одиться
в л1р,еделах ±2% ,о,т ,н,о,м•и·налыного з11-шч ения.
Пот:р,е:бители . категlО'рии 1б допускают ,перерыв ,в 'пита,нии н а
в:ре:-.1я, не превышающее .ЗО 1с, т. е. ·.н а вр,емя за,п,у,с,к,а и ,п,р:инятия
1н а 'rру.зки а ,вт.оматиз'и ,рованным дизель - генерато р•о'м . К та·ким по
Т'Р'е:б ителя:м Iот1-юся rся электродв'иг а тели 1в,е:нтилят:о,ров, эле:кт:рю1п1рн
'В'О ды засл,011-101<, ос.в,еще:н1ие, элекгрод.витатели 1ю!fелын,ой.
Прочие ,п,от:ре-бител'и станции, ка1к-то: подоr;р .ев за,сл,01н:ок, ,элек
т11юдви гат,ел'и ст:оян ки маши1н и т. д. ,01тно1сятоя к ·потребител я.м
т,реть,е й 1катего,р!И'И.
На рис . 15 . 1 'п~риведе·на 1схе:ма электро:питания уз ло'вой радио -
1релейной стшнции с ,в~нешни,м и1сточ1ниюо·м эле,ктро сна бжения.
При1нциП'иальная ,схема электр,о,пита1ния ,ста1нщи'и выпюлнена для
,сл учая п1итания по двум ,раб:очим ввода,м.
В ,1-юр,мальн·ом :р-ежиме а 'ппа,ратура по,дооеди1нена :к двум ра6о
ЧИ'М а,г,ре1гата ,м гара1нти,рова1нного 'П'Итаrния АЛПМ-7,5 . Один 1полу
ком·пле·кт а,rюаратуры пита,е'Гся от АГПМ - 7 , 5 No 2, а В'Го1рой л,олу-
1компле.кт -от АЛПМ - 7,5 No 3.
•
Есл1и в~нешнее напряжвняе исчезает ,или по:ншжа,ется на 1,5%
и более ,от ню,м'И'налыню1г,о. значе'!-I'и,я, контактор КТ,В Ю'ГКлюч·ает се:ть,
ко1нтакто1ры К1 отключают 'питани,е двигателей а-гр,е,гатов АГ1ПМ-7,5,
а д'изель-генера'Горы :получают ·им'П'уль·с 1на запуск . Пода,ча и,м
пульса ,н,а :в1ключение ,О:д!НО1време:нно всех диз,ель -г енер · ато,р•О'В га'ран
т ир ует их запуск. До запуска резервных дизель-генераторов а ппа-
1ратура питае11ся от а'rрета 'Ю'В АГПМ - 7,б за счет 1и1не:рщиrи 'ИХ 1мах о~
вююв . При этом чи,сл,о, о,б,о,р,тюв а·грегатов гар ·антиров-а,нного пи
тания :и ча,с'Гота тока ,генераторов 1пюс'!'епенню ·падают. Зат,е,м вво
д:ит1с я в действие и :прини:мает ·на ,себя на ;nр уз 1ку дизель-генератор
No 3. Он под·кшоча ,ет:ся 1юнтакторо1м КТ. Если ,д:из·ель -тенерат,Jр
No 3 :н,е запу стился, 11-1агруз'КУ 'Прини,мают диз,ель-,генерато:ры No 1
и No 2, ,к;оrгорые 1ра·бю1тают на ,ра здельные шины.
1⁄2о'нта:кт,оры К1 агрегато,в за,мыкаю11ся, и ,о,бю,р,о·ты д'В!Иrателей
вновь 1в,о,з:ра 1стают д!О ·номиналын,ото з,начения. Реализу,ет:ся т.а'К на
зываемый 1р·ежим ,«,що,гона» . В этом 1р,еЖ'и:ме 1Воз,растает .потреб
л,явмый двигателем то1к, о,грз1ничение :к,;:J1то,рю 110 ,п:ред,усмат1р•и,ваетс я
сх,емо й щита ЩАГПМ-7,5.
В 1случае аварии рабочегю а·прегата А1ГПМ-7,Б пол учает и:-.1-
1пуль,с на запу,ск 1рез·ерв-ный а1грегат, а шгрегат, вышедший из ,строя,
·отк люча ,етс:я. К-:)нтакта:ры Ко :ра6оч,е,гю, и :резе~рв ·ноло аnр,егатов
309
Рис. !15Jl. Структурна я
имеют 1взаимную блокир•овку, предотвращая возмож1ность их па
раллел ьной работы .
Продолжительн,о,сть лерво,началыноr,о разго1н,а а·грегата до ,номи
нальн ых обор 1отов составляет 15-18 мин . В Э1'о время аппа,рат у,рэ.
.переключается 1на пита,ние ,о,т ши1н перемен,ног•о тока через ,стаби
л·иза-го ,ры напряжения .
Есл;и .мощность аппаратуры не пр,евышает 7,5 кВт, например ,
на промежуюч1Ных ст а1нц:иях, то пита,1-ше может осущес~влять,с я
;ПО одному фидер у. В этом ,случае дизель-г,внера-гор No 3, агр·егаты
АГПМ-7,5, No 2, No 4 не у,станавл.ивают~я, а ши:ны ;питания •на гру
зок кате гории 1б (секций No 1 и No 2) соеди-няют,ся перемычкой .
При ·отсутстви.и -на станции внешнего источника 01н заменяет,ся
дизель-генератором .
Пр:и применен·ии у ста1-юв-ок гарантирова•нното лита;н.ия любог•о
типа пр-ед усмат рнвает,ся авто мат изация ,осн•о·вных и в,спом,огател ь-
1ных лрОЦ€'С·СО ·В.
Для автоматического включен,ия . ·и ·вьшлючения фидеро,в от
внешних источников исп ользуютс я щиты контактора ввода ЩКВ .
Щит предусма тр.ив ает отключе ние в1н ешней ,сети при понижени и
напряжения ,на 15% от ,номинального значе~н.ия. Одновременно с
{Уrключ·е нием внешн е й •се ти, ав томатикой щита предусмотрена вы
дач а ,сигналов ,на запуск дизель-генерато,ров.
Опер.а ции авт,ом ати ческоло управления выполняются с по
мо щью щита ЩАВ.
310
схема ЭПУ РРЛ
Автомат.ика щита nредусматр'Ивает: т,елеупра,влен~,е ъ:О1нтакто
ром КТВ; преп ят.ствует одновременному включеш,ию двух t 1сточнJI
ков на ,сбор·ные шины; предусматривает отклю чение ,1ю н та,ктора
КТВ пр:и и,счезновен·ил ~напряжения 1на :вводе или з1-1а ч : 1~елыном
от-кло,неюш его от :но-м:иналы-юг,о з· начения, ,од:новременно ~п осыла я
с.игнал 1на запуск дизель-генератора .
Приборы щита автомат,йки колтроли.руют и ,регулир уют те м
пературу в пом,ещении ста1ндюr, у правляют ,систем ой ве,жпиляци:и,
:rюнтролируют уров,ень 11опл ;ива .и реги-стри,руют :rюличе,ство вклю
чений ,и время работы уста,1-ювок гарант,иро ва,н ного л ит.ан.ия и
внешних :и,сточников .
Глава шестнадцатая.
Электроустановки предприятий
радиосвязи и радиовещания
16.1 . ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ РАДИОЦЕНТРОВ
В 1бо.льши1н1ств,е сл;уча ,е,в электр I0,анаlбжен·ие 'Передающих :рад:ио
центров ·осуществляется ·от энер •госи ·ст.ем 1иm1и •крупIных эле.к'Гро
ста1нu:ий. Раосмо1)ри,м рис . 16.1. Высо1юе :н•аIп•ряжен,и,е (6 или 1О кВ)
поступает на понижающую трансформаторную подстанцию радио-
, . J.Sк8
Ji'i ,'fB
_.
центра по высоковольтному кабелю.
Этот кабель подключается к другой по
нижающей трансформаторной подстан
ции, которая подключена к линии элеl{
т,р:опер,едачи 1высО'КJ0Iг,о наП1ряж·епrия :3S
или 110 кВ. Для бесперебойной рабо
ты электроснабжение радиоцентра осу
ществляется от двух независимых ис
точников электроэнергии ( см. гл. 11) ,
2
J
5
4
пере amqvк !У!
!О!!!2k 11/
15
На ·п•о,д:стаrн·ц·ии ·радиоцентра •высо
кое напряж•ен,ие (6 1или 10 ыВ) 'Рра•нс
ф,01рУ1ируется в ·н1изIкое (400/1230 В). Низ
кое 1нап :ряжени,е 'П'ОС'Гупа,ет на ,сило,вой
ра,сп~ределителыный щит р·ащи:оцентра,
L !б а зат,ем ·на отдель:ные •у,стр ойст:ва.
-
...
-
Анодные цеши .мощных ·пер·едатчи-
бf78g
Рис. 16.1 . Схем а электрос наб-
передающ его радио- кIо·в питаются от ,силов-о ·го • ра 1 с пре.де:л11-
центра:
телыного щита на •п1ряжонием 3180 / 2·20 В .
женин
1 - линия электропередачи: 2 - по
нижающая трансформаторная под
станция; З - подстанция техническо•
ro радиоцентра; 4 - шины низкого
напряжения 400 В; 5 - распределн
тельный щит: 6 - накал; 7 -· к
~ыnрямителю смещения; 8 - к вып·
J)ямптелю эк ранирующей се тки;
~ - к выпрямителю анодного пита•
ння; 10 - к передатчику No 2; 11 -
к передатчику No 3; 12 - в на сосную;
13 - освещение· N
-
питание цепей
низкого напря)кения; /5 - питание
анодов мощных ламп; 16 - мощный
передатчик
Од·на ,ко пр•и д,0Iста"Гочн ,о бю,лыших •м ощ
ню•стях .пе~реда·тчиюов ·их :ц е:лесоо браз•но
питать неп ,оюр,ед;стве:нн,о ·С ,шиIн вьюско
го ,напр~яж,е:ния (16 ·или 1О ·юВ). Эт,о объ
ясня ·ется т•ем, чт,о мощные вьшрям · ите
ли :выходных ,ка,ска,дов 'Потребляют о·ко
.rю 65-75% ~всей 1м,ощIн~ост1и ,пвр.едатчн
ка и и•с1с~ючение двюйной тра·н,с форма
ц·и·и Iна.п,ряж е~Н'!-1Я лю:зволяет з·начитель-
312
но сократить потери энергии и упростить схему электроснабжения
передающего радиоцентра.
При большом к,оличестве передатчиков такая авТ'оном,ная схе
ма электро,п:итания усложня ,ет оборудование . На радиоцентре, где
имеется большое к,ол:ичество ,од,нотипных пе,редатчшков, может п·ри
меняться схема централизованного питания. При централизован
ном питании передатчики одного типа питаются от общего мощ
ного выпрямителя. Схема щентрализова1н,ног,о питания является
бол,ее простой и э,кономичной. К ,недостаткам централиз,ованного
пита ,ния ,следует отнести: :наличие ,гальва ,ниче,ско:й с1в,яз·и м,ежду
передатчика1ми через 1и1сточник пит,а ·ния ·и н,еобх1од:и1мость пр·о:клад-
11~и ра·спредел 'ителI:Jных ,сетей л'О'стоя , н rно,rо тока ·с , ма.1ыми п·отеря·~Iи
напряже~ния.
В настоящее время большинство передатчиков имеют автоном
ное пита1ни,е. Элек11р0,п•итающее устrрюй~ст,во :п,е.редаТ'чика ,со,стоит нз
·вьюо:конольт1-юго вьшря ,м1ителя для ,питания мощных ла•мп; ,выпря
мит,ел.ей для лита:н:ия а,нrо,Д1ных цеп,ей 'Мал1оиошJных ступ,е:ней ,п•ере
,д:атчика и цепей экра1ни1рующих се11ок; вы:пря;мит,ел·ей ,сеточного
смещения и тра1н,оформаторов накала.
16.2. РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ МОЩНЫХ
ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ И ИХ ЗАЩИТА
Для питания мощных ступеней передатчиков применяются мно
гофазные регулируемые выпрямители. В большинстве случаев - ре -
гулирование осуществляется в
нения угла регулирования уп
равляемого вентиля. В качест
ве вент илей в управляемых
выпрямителях
применяются
тира~р,оны и ти1р'и~с11оры.
Мющ1ные упра:вляе1мые ,вып
ряМ'ители работают в о,сн·Jв
нюrм 'На ~фильтр, начинающийся
с 'И1ндукти1в1но1сти. Среднее з1на
чен1ие вых·одн1ого ·напrряжен·ия
ош1р·ед:еляется величиной углс1
регулирова:ния 'Вентиля а и для
и1ндуктив,ной :нагрузки
ити.
:11
0=-
2msш-cosa.
:п;
,п
самом выпрямителе за счет изме-
(Х
Рис. 16.2 . Измен е ние напряжения управ
ляемого выпрямителя, работающ е го 11а
индуктивную нагрузку
К•риrва .я и:з: менения на,пряж,ен:ия дл я ,случая иrндуктнююй на
груз:ки из,01браже:н·а на :Р'И'С. 16 .2 .
В.ентили ,в 1р,егулир,уемых вьшр,ямителях упра'вляются по~;~,о,жи
т,елЬ'ными :им;пулыса ·м'и ,с ·большой К'рутизшrай фрrо1нта. Им•пульсы
фо•р1ми1р:уют1ся пи,к - 11ра'Нсфор'м·а'тlО'ром или электронной ,схеi\ЮЙ у п
ра,вления .
313
На сетки тиратро:нов (р;ис. 16.3) ,от •специа.1ь.ного выпрямителя
смещения через ,в·юричные о,бмотки ,пик-тра!Нсфориаторов 1юсту
пает отr111uательное напряжение, необх,одимо~ для их надеж•1ю·го
запира·н.ия. Напряжени,е на л,ерrвичные обмотки п·и к-трансфо рм а
тора по,сту.пает от фазовращателя . При ·во,зrншш,ов-ении положи
тельного импульса во вторичной обмотке ·пик-тра!нсформатора за
жигается тиратр,он. Импульсы в-о втюр:ИЧ!J-IЫХ обм-отках ,пик-тра 1н,с
форма'Гора ,сдвинуты друг ,отн,о-сите-лыно друга на 120°. Фаза ·им
АТ~----------..,. пульсов изменяется фазо-
вращателем. Изм енен ие
Ео фазы импульсов пик-
трансформатора приведет
---пт
Г1РР
~
1
Рис . ! 16.З. Схема управления трехфазным ти
ратронным выпрямителем :
1 - от фазорегулятора
к изменению момен та за
жигания
тиратрона
и
средыее- значение выход
ного напряжения выпрн
мителя изменяется.
Одной из наиболее ча
стых аварий в мощны х пе
редатчиках бывает «газо
вый прюб.ой» в лампах.
При внезапном выделении
газа в лампе напряжение
на ней с нескольки х ты-
сяч вольт падает до нес
колышх десятков вольт.
При этом ток в анодной
цепи может возрасти в десятки и даже сотни раз. Это может при
вести к перегреву электродов и выделению дополнительно большо
го количества газа. Лампа в этом случае выходит из строя . Для
ограничения тока короткого замыкания в анодные цепи мощных
ламп включаются «антигазовые сопротивления». Величина его- со
гласно указаниям заводов-изготовителей ламп, должна бы ть та~~о :й,
чтобы при пробое ток не превосходил 6-8-кратного значени я мак
симального импульса анодного тока при номинальной рабо те в ре
жиме усиления мощности класса С. В этих сопротивлениях тратит
ся мощность порядка 5% от мощности, подводимой к лампам, и,
кроме того, они повышают коэффициент нелинейных искажений в
радиовещательных передатчиках. Однако ставить их приходится,
иначе лампы часто выходят из строя. Изъять эти сопротивления
можно только при применении быстродействующей электронно-им
пульсной системы защиты.
Другой ·вид ча,стых аваrрий - это обрат,1юе зажига,ние •в одно.м
из ,вентилей. В этом случае 1вентиль нач·и:Нает :пр,оводить ·юк в обе
,ст,ороны; а Э'Ю э,квшзалентн,о .пrолному к,ороткому замыка:нию транс
форматора. При этом уста~н,овившийся ток к,ороткого замыкания
может превосходить в 115-20 раз. НОМ'и1наль:ный ток. Для: умень-
314
шения тока кор•от1югю замыкан:ия в перв;ичную цепь тра,нсформа
·юра в,ключают,ся ,ограничительные ( активные ИЛ:И !реактивные)
сопротивле:ния.
Маломощные выпрям.ительные устшн,овки, 1в кото,рых ток ко
,рот,кого замыка1н,ия невелик, защищают от коротких замыка1ний,
обра т,ных зажига,ний в в,ештилях ·и других .авар'ИЙ при помощи
предохранителей с пла,вкими ,вста:вками.
В.о :всех мощных вьшрям.ительных уста1новках з.ащита осущест
вля ется ,с о·тключением по ,целям перем,ен.ноr,о тока. Принцип дей
стви я ·быстродействующей защиты основа :н 1на запирании управ
ляемых в-енти:;ей выпрямит,еля. На ,р:и,с . 16.3 :изображе1на схема
быстродействующей защиты тира11ронного ,выпрямителя. До тех
пор, п ока ток в первич,ной обмотке тра1нсформа·юра АТ не превы
шает номи1нального, напряжение, .развиваемое на ·вт,о,ричных об
мот ках трансформа1'оро;в тока ТТ, а ,следовательно, тра:нсформа
тор а И Т, :нев,елико, ,и топ< чер-ез в,ент.или В1 не идет, так как в .их
цепь в ключена 1навстречу часть напряже,ния выпрямителя iВС, рав -
ная Ез.
•
При ав.ар·ии :или перегрузке выпрям·ителя ~напряжение на вт,о-
1ричны х обмотках тра.нсфо.рматоров тока ТТ увел.ичивае'J.iся, и че
рез вентил.и В 1 заряжается ко1нденсато:р С1. Это 1напряж,ение ,сум
,м:ирует-ся с на,пряжешием -смещения Ее. При этом отрицател~шое
,напряжение на ,сетках тиратронов превышает -напряжение пик
тра нс форматор1ов, и тиратроны 11юлностью за:п:и.раются. Напrряже
н:ие выпрямителя Ео ·падает д:о нуля, и т,ок через ~нагрузку прекра
щается . Через некоторое время ко1ндЕжсатор С1 разрядится через
оопр,отивл·е:ние R1 ,и :выпрямитель ,снова включ·ит,ся . Если :прич.и1на
броока тока за это время -сам,оу-стра!н:илась (на,пример, случайный
пр ·о6ой лри ле-ремодуляции ·или небольшое выделение газа в лам
:пе), 'Ю п1о•сле .включения вьшрям.итель будет продолжать ,рабо
тать . Если же короткое замыкание осталось, то после включения
!Произ,ойдет :н,ов,ое отключение и т. д. Обычно в •сх,ему доба·вляются
специаль,ные ,реле, к-ото,рые :после двух-трех ,срабатыва ,ний сеточ
ной защиты отключают выпрямитель. •
Время сра,6атыва1ния этой ,схемы за·В'и,сит, в ,п·ервую очередь,
от ,сжорости нара-ста.ния 11ока в первичной: обм,оrтк,е, ·которая опре
деляется ·скоро-стью на•раста'н:ия :вьшрямлен!ного тока . Чем больш~
индукти-вно,сть дросселя фильтра, тем медленнее будет ,нарастать
~вып р ямленный т,ок и позднее вrключи11ся :выпрям.итель. Кроме тог-о,
м,ом ент запирания тиратронов зависит от скорости за .ряда емко
сти С1 . Чем меньше будет ,с-о-противление ве:нтилей В1 и м,е:ньше
емкость С1, тем меньше время заряда.
Од нако значительно уменьшать емкость С1 нельзя так, как при
этом у меньшается время заряда конденсатора (он разряжается че
рез сопротивление R1 и за счет обратного тока через вентили В1) .
При этом происходит слишком быстро~ повторное включение вы
прямителя. Емкость конденсатора обычно берется порядка микро
фарады.
315
16.3. ПИТАЕИЕ ЦЕПЕЙ НАКАЛОВ И СЕТОК ЛАМП
В ПЕРЕ ДАТЧИКАХ
К источника м питания н акала ла~ш предъявляются сл едую щи е
о сновные требования: пос тоя нство нап ряж: е ния , ми ни мальная ве
личина фона , обеспечение допусти м ого п у ск ового ток2.
Питание нака ла (рис . 16.4) в на ст оящ е е время осуществ л яетс я
,как от источн·иков перемеююго т о,ка че,р,ез н ака .1ы1ые т р ю1 ,с фо'j)
,матrо'Ры, та•к И от и,сТ•ОЧ'НИ'КОВ ,П,01СТОЯIНIН,ОЛО ТО'К3.
При 'пита1нии от сети ,пе,ре,ме~нного тока с ча1сгото(r '50 Гц воз
'JI'икает параз:итная моду.1яция cj:юн o:vi с ч астото1t 50 и 100 Гц. Па-
о)
Рис . !6.4 . Сх ема питании нак ала Рис. ! 6.5. Схемы питания нак ала ламп п е -
ламп пер еме нным токо м
ременным током
1р,а1зитная ;мо,дуляц:ия 1с ча ·стото,й БО Гц 1вlО!з1ни'ка ,ет ·всл,едств'ие того ,
что п:ри ,сс,единении ~нити ~накала, ·шо!каза1н·ню1:v~ 1на ·рис 16.4, м-ежд'У
концом нити накала б и сеткой возникает переменное напряжени е,
равное напряже1н1ию :н•а 1кала.
Этот в·ид фо·на м10,жно з1начителыно осла1бить п1р·имен,ен·ием та к
называемых «1с,редних точе,ю> 1на1к ала. Оред1нюю ·го,ч,ку мож~но пол у
чить выв,одо'м сред1ней точк и 'на ,каль·ной обмютки (1рис . l 6.5a) и ~1'и
IСIО·Здать ИСКу'1ССТВ-ен:н,о Л'ри ПЮ1МОЩИ дв ух СО'П'Р'ОТИ!ВЛеlН'ИЙ (~рис . 16.56).
В этю,м случае, 1в тот ,момеlНт, 'КО!Гда по1тен:ц-иал катода а
(,рис. 1 6.5а) относителыню земл'и ра 1в,ен ~Ен /2 , пот,е,}щиал хо·нца 5
ра ,вен ±Ен/2. Оред1-ги й пО'Генциал катюда 1В'Сегда рав-е,н 1Нулю, и
фо1н 1с ча,стот·ой 50 Гц ,о'J1сут,ст:в'Ует. Для ю1рю1п'У ска 1ния л-ер ,ем-ен,ной
,составляющей анодно•го тока ко1нцы ,н·ити 6ло:ки1р у ют н,а землю
uюндбнсатю-ра,м'и та ·кой -е,мкости, что·бы со-п1рютивл ,ени ,е ,конд,енсато
'РО-В для Jсил ·иваемых ч·ас11от 6ылю м·еныше ,солро-тивлен·ий для 1вы
вrода оре д·ней тючки, :и:наче возниюнет •о'Г:рицателы н ая юб~рат,ная связь .
Солро11и1вл ен1ие ср,ед:н,ей точки ~выбирают ·из ,ооо<браж,ения 1наиме~нь
wнх: потерь энерги·и ,в н ем ·и, с.1·едова Т1ел ыно , ,на'и.м,е1н ьших его 1раз
·м,е р'о1в.
Па,рази11ная 'м·одул яция с ча:стот-о-й 100 Гц пр и питании от 1с-е тч
'50 Гц ·в,оз1никает под влия1ти1ем 1ра:зл1ич1ных фактюр~01в. Ос1нов·1-1 ые из
·них: ·нещостат1Очная т,е п ло:ва я ·и ,1-те~рд'ИЯ 'Катода в ла 1м пах с то~1-п<1И·МИ
питя,ми; В·О1з:ни1кнове~ние си лыю 1го ,магни'ТIНО'ГIО 1поля (юообен:но в 'lVIOЩ-
316
ных лам пах), удлиняюще го путь электронов, летящих от катода
(магнетронны й эфф ект, механические вибрации катода, особенно
заметные в мощных лампах).
Для ослабления этой паразитной модуляции в современ.ных пе
редатчиках ,на1< алы ге,нераторных лам:тт, ,работающих параллелыно
(или в двухтакт ной схеме), питают переменным током разных фаз.
Частота паразитной модуляции ,при этом увеличивае т,ся, а глу
бина ум,ен ьшается.
Если включить дв-е лампы с фазам,и напряжения накала , сдви
нутыми на 90°, то о,сновная ,слагающая паразитного фона будет
иметь ча,стот у 200 Гц, а глубина его уменьшится примерно в два
раза. П ри :включении трех ламп, сдв.инутых на 120° по фазе, ос·
новная частота паразитной модуляции будет равна 300 Гц, а глу
би на ее умень шает ся приблизителын,о в шесть раз.
Анало ги чный результат можно получ·ить , применяя лампы с
трехфазным катодом, питаемым тр ех фазным переменным током .
В этом случае величи,на фона будет еще меньше за счет ослабле
ния магнетр,о,нного эффекта. В .маломощных п ереда-гчиках пр,име
•няют лампы с подогрев н ым катодом; в i\Ющных же лампах подо
гревный катод при ме ня ется редко .
Для преюбразования трехфазного леремен,ною тока в двухфаз ,
ный, нео,бход:имый для п:ита:ния четног,о количества ламп с одно
фазными катодами, наибольшее раслростра•н,ение ,получила схема
Скотта. В ,ступени ус,илителя высокой ча,стоты все сетки и анодь1
по низкой частот,е с,ое,д,инены параллельно . Поэтому в отношении
модулирующего фона нет ,раз,н ицы между параллельным и двух
тактным .включением ламп . К:атоды лр,от.ив,опол,ожных плеч двух
тактного ген,ера-гора могут питаться со ,сдвиг,ом фаз 90°.
В усилителях же н.изкой частоты и модуляторах сдви г фа з
между налряж,ением накала нужен т,олько- для ламп, работающих
.параллельно или в од,ном из плеч двухта:ктной ,схемы . К:атоды про ·
тивоположных плеч двухтактного усили1'еля •низкой частоты, в ,от
личие от усилителя высокой частоты, должны питаться токами оди ,
наковых фаз. Т,о,гда пульсации :и,сточ~ника питания ,создают в обо-их
пл,ечах схемы пуль,сирующие токи, имеющие оди:наковые фазы . Эти
токи созда ют в обеи х половинах анодного трансформатора взаим
но уничтожающиеся переменные ма,гнитные поля. При полной
симметрии плеч во вторичной обмотке отсутствуют напря же ния ,
во з никающие в рез ультате пульсаций источников питания.
Сдвиг фаз между напряжениями накала в противополо жных
пл еча х двухтактного ус илителя низкой частоты уничтожил бы вы
шеуказанное гrреи му щество его и привел бы н е к ослаб лению, а
к увелич,ен,ию фона.
Дл,я у~мен ьшения ,п•ускюв ы х то,~юв п•рименяют,ся "лра'Н'сфор•ма то
ры 'На~(ала с ПО'ВЫШе:НН,ОЙ 'ИIН,дуК'Г'ИБ!НIQIСТЬЮ ,р аосеяния.
Для ,обесп-еч,е1ния тр,е,б,уем,о'l'!О отн,ошения пуоковоло т,о,ка 'К рэ
бочему (пор ядка 1,5) индуктивное сопротивление рассе яния Ls
долж1но ·быть ;ра:нн,о оо'тт:ротиsлению ~н ити ла•;vrпы ,в го1рячем 1со1сто-я
нии. Та к ка:к ЭДС -вrо:рич:ной о,бм,о,тки трансфо1р ,мат•о1р а овязмrа
317
,~ падением напряжения нити
Ин и величиной Их соотношением
Е~ = И~-И~ = ([нRн)2 + (/нroL8)2,
топриroL8=Rн Е2=V2Ин,
Если 1п:ренебр·ечь ,оо,пр,отивлением ,н,ити ,накала в х,олодном со
.стоя1н%и, то лр:и 1включени.и ток -будёт в V 2 раза больше номи
наль-ноr~о.
Очеви дно·,
о)
что индукт.ивность Ls м,о жн о не ,создавать 'В само м
о)
трансформаторе, а включить
Ев2'-- в цепь накала в виде отдель
ной катушки.
Кроме цепи анода , пос
тоянно е напряжение подает
R2 Есг о ся на экранирующие и уп
равляющие сетки ламп.
Н а экранирующие сетки
дол ж но подаваться поло ж и
!'ельное напряжение. В ма ,10 -
мощных пентодах это напря- •
жение имеет величину, близ
кую к напряжению анода , и
в большинстве случаев пода
ется от источника анодного
Ри,с. Н6.6. Схемы питания цепей экранирую. питания . У мощных пентодов
щи х сеток
разница в напряжениях на
аноде и экранирующей сетке
~в е л ика и экономически выгоднее питать сетки от отдельного вып
рямителя . Питани е сети может производиться через гасящее соп
р отивление R1 (рис . 16 . ба) или через делитель (рис . 16.66) .
16.4 . ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ПРИЕМНЫХ РАД~ОЦЕНТРОВ
И РАДИОВЕЩАТЕЛЬНЫХ УЗЛОВ
Осн,ов•ным ·источником элек-гр:ическ·ой эн ерги,и п,р·ием,ных ради,о
центр о в и радиовещательных узло,в явл яется энергетическая си
•Стема . Так как мощность, лотр,ебля,емая .пр:иемным радиоц,е,нтром ,
,составля,ет ,несколько десятков киловатт, то эле,ктроснабже,ние осу
ще,стыrяет,ся -от посторшшей тра,нсформа,rор,нюй .подстанции ,с шю-1
400/230 Б .
.
Электропитание пр.иемников может ос уществляться через соб
<:твенные выпрямитель,ные устройства, у стана:вл:иваемые ,в стой
•к ах аппаратуры или от ЭПУ. Резер:в:иро•в а н:ие •внешнего электро
,с,н а бжения ,осущес твляе11ся ,от собствен.ной автоматизированной ди
зе.ль - ге,нераторной электр:останц:ии.
Однако при перех•оде с •источн,ика внешнет,о электроона,бж·ени я
,на резернную эле,ктроста•нцию перерыв в электр,оснабжении ,еостав -
318
ля,ет не менее 20-30 с. Для исключения перерыв.он в элеюrр,о,п и
та,н:ю1 аппаратуры применяются УГП пер,емен,ным т0:ком .
В качестве ,ис'Гоч1ника энергии этих УГП применяют,ся ки,слот
ные ак,кумулят~о•ры. :Кисл,отные аккумуляторы эк,сплуатируются ·в
режим€ непр ·ерьшного подзаряда .
16. 5 . ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ РАДИОТРАНСЛЯЦИОННЫХ УЗЛОВ
J\11,ощные .радиоузлы в городах ·в 6ольшинст1ве случаев пюлvттают
электроп.ита,ние от го,р,одской оет,и перемен,юго тока и лишь 1,чогда
для бесперебойной работы требуют :нал:ич:ия ·резервных автоном
ных электросташщй .
В ·больших гор,одах к •радиоузлам могут быть подведены два
.питающих фидера от двух .различ1ных трансформзторных п,од
,ста1нций.
При крупных ,радиоузлах оборудуются ,собственные т,ра,нсфор
мато·р1ные подстанции .
В ,сельских ,местноегях в настоящее время пр.име1няю'Гся тран
зисторные автоматиз:ирова,нные рад:иоузлы. Та1к, ,прю111ышленн,остью
разработано транз:истор,ное у,ст.ройст,в•о прово,щногю веща,ния
ТУПВ-О,25Х2 общей выходной 1vющн,остью 500 Вт, пр,едназначен
ное для ·радиофикации сельских 1населен1ных лункто1в . Эта аппа
рату:ра прииешяе-гся вмест,о лампо,вой (ТУ-100, ТУ-600) на 1вс-ех
радиоузлах ,с ,наг.рузкой до 1500 ,радио-гочек.
А1ппаратура ТУПВ (р~и,с. 16.7) питается от ,сети перем,ешного
110;,:а напряжением 220 ,В. На.пряжение ,с,ети стаб:ил :излрует,ся фер-
рорезонансным ста-билизатором 1
u
типа С -0 ,715, выпрямляется выпря
мителем 2, стабилизирует,ся тран
з-исторным стабилизатором 3. По
стоянное стабилизированное нап
ряжение -
·24 В поступает для
питания аппаратуры . Резервным
ЭПУ
Рис . 16.7. Стр уктурна я схема
источником является аккумуля-
ТУПВ
торная батарея 4, которая работа-
ет в буферном режиме и состоит из пяти аккумуляторов типа
5ЖН-60 . При отсутствии напряжения сети аппаратура может рабо
тать от аккумуляторной батареи в течении двух-трех суток без
ухудшения качественных показателей .
На •рис. 16 .8 представлена лр:инципи.альная электр.ическая схема
блока выпрям:ителя. Напряжение сети 220 В поступает ,на клеммы
1, 2, затем через выключатель В1, ,предохранители Пр1, Пр2, клем
мы 3, 4 поступает на феррор•ез,она1н,сный стабилизатор нап·ряже:ния
тила С-0,75. Феррорез,о,наноный ~табил.из.атор -стабилизирует на
пряжение сети , та.к ка,к 01но может ,изменятьоя в з1нач:итель:ных
пределах (от 160 до 260 ,В).
Стабилизи-р,ованное нап,ряжениё с выхода фе.ррорезо:нансно·ю
,стабилизатора п1оступает :в1н,01вь :в блок выпрямителя (клеммы 5,6)
,на первичную обмотку силового трансфо·рмат.ора Тр . Ооновной вы -
319
Г " Сеть" -- - -- - д;...1 ы.--. ------ 1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
!81
ЛР1
1Тр
2
Лд2 .5А
+-C
___
zi lH.IIIЛp4 j
1
1
1
1
1
---
---- -
---------~
Рис . 16.8. Схема выпрямителя Т'У\ПБ
прямите.ль бл,ока ,ообра1н ,по двух п·олу.п ери,одной схеме со средней
точк,ой (диоды д2, дз). Вьr:п.ря.мленное ,напряжени,е фильтруется
Г-,о·бразным LС -фил ь11ром. Резе р в:ная аIккумуляторная батарея че
рез кл,еммы 7,8, выклю ч а1'ель В 2 ·и пр-е.д:охран:итель ПРз подклю
ча ется к выходу фильтра и работает в режиме не п рерывного под-
1r2
, з.аряда.
Включени•е аrыкумулятор-
_
!;J
ной Iбата1реи Iна выход филь-гр а по-
з1вюляет значителыню ,у;ме, нышить
п:улыса ц ию вьшряIмл-енн,О1го :нап:р,я
ЖЕшия . Из -за •раз!ряда и зшряда
а,к1к у;мулято:р1ной батареи нап,ря
ж,ение :на I вых10де фильтра мо11Кет
•изм,еняться ,в ш и1рI0,ких ·шредела х
{от 27 'В •п•р·и разIряде до 43 ,В при
1z
3 за•ряде). Для У'МеlНьшения влияния
+lч
-Zl/8
-358
изм,енений вьшря.мл ,е:нноrо ,нап:ря-
+J58
жения ·на •рабО''Гу аП'п·а~ратуры а
Ри с. 16.9 . Схема стаби л из а тора ТУПВ электропитающую установку вве-
.
ден транзисторный стабилизатор
rrос тоян но,го напряжения. Транзисторный стабили з атор (рис. 16 .9)
вып ол н е н в виде отдельного блока , который питается от блока вы
прямителя.
Ста били з атор состоит и з регулирующего эл е мента , в который
~ входят 1'8 юаралл,елыню вкл юч,ен:ных тр·анз·и,сторов Т4- Т21, а та:юке
т•ран з·ис11оры Т2, Тз, усилитель пос11ояIнн,0Irо ТО'Ка Т 1 , иIсточни1ка эта
ло·н·1-ю110 1н а•пIр,яж е1шя (,стабили11роны д1, д2) и де л ите.ля натт:ряж,е-
320
ния RэR5. В цеПtи эмиттеров транзиС'юров J4-T21 включены баласт
ные рез,исторы ,R7-•R24 для вырав,нива-ния их токов.
Налряже•ние питания 36 В поступает на вход ст.а,бил:изатора
(клеммы 1, 3) от блока выпрямителя (клеммы 17, 19). Выходное
напряжение стабилизатора (24 В) снимается с клемм 2, 3 и вновь
поступает в блок выпрями'Геля (клеммы 17, 18). При изменении
напряжения на входе стабилиза'Гора (например, увеличении) в
первый , .J\11ом,ент возрастает его выходное ,напряжение. Увеличение .
выходн•ого •напряжения прив,одит к увел-ич·ению напряж-е~н·ия на
резист,оре Rз, что, в свою очередь, вызывает увел.ичение отрица
телыного потенциала на базе тра .нзи,стора Т1. Токи базы и коллек
тора транзистора Т1 в-озрастают, а токи базы транзис-юров Т2, Тз,
Т4, Т2 1 уменьшаются. Ум-еньшение то•1юв базы т,ра,нзи,стор,о:в Т4, Т21
приводит к увеличению напряж,ен :ия коллектюр-эм.иттер этих тран
зисторов, и выходное на,пряже!Н.ие стабил.изатора уменьшает,ся до
первоначальной вел:ичи -ны . Выходн,ое •нашряжение стабил:из.атора
вн0:вь поступает в блок выпрямителя (клеммы 17, 18) , а затем
через предохранители ПPs, Пр 8 , нормально замкнутые контакты
реле Р2 и клеммы 12-15 - •на а:ппарату,ру ТУПВ.
В -блоке .выпрями'Геля предусм-отрена схема защиты, ко то рая
срабатывает при перенапряжениях ~на выход!е стабилизатора.
В нормальнюм режиме работы напряжен,и,е ,на выходе стабили
затора равно 24 В . При .пробое тра ,нзисторов Т4, Т21 выrодное на
пряже_н:ие ,ста ·билизатора м,о:жет увел ич·и ть,ся -свыше 30 В.
Для защиты аппаратуры от ,пер,енапряжения :в сх,ем-е пр·еду,смот
рено реле Р2, обм•отка которого включена последователь·но с,о ста
бил.итронам.и дs, дв. ПР'и нормальном .напряже:ни,и на выходе ста
б:ил.изатюра на.пряжение на обмотке ,реле Р2 мало. В случае пр ,о
боя транзисторов Т4, Т21, напря:ж,ение •на выходе стабилизатора
резко увел:ичиваетоя, что ·вызывает срабатывание р,еле Р2. Н ор
мально зам1юнутые контакты реле Р2 ( 11, 12, 21, 22) размыкают,с я
и ,напряжение питания сн,имае'Гся •с аппаратуры (с кл -емм 14, 15).
На,шряжения с ,кл•ем1м 12, 13 в •случае а1ва•р1и•и н,е ,с·н и1мают,ся, так
·как э11и нап'Р'я:ж,ения ~поступают на ,мющ1ные ~к.а1с;кады УНЧ, т1ра,1-
зиегюры .которых выдержи1вают 1напря:же'Н'и•е д!О 5б В. 1ПР'и •Сlра~баты
.ва :н~ш ,реле Р2 ,на па·нели выпрямит,еля заго;ра ·ет,ся ,сигна•лыная ла •м-
1Па Л2 -«<А1ва •рия ег:а·билизатю:ра», а 1с клем1мы 13 ,в ·райо1нный 1радио-
11ра~н,слящи,01н,ный узел ч-ер.ез аппа ,ратуру ·]{101н11р,о-ля и 1р,ез ерв1но,го уп
'Ра 'вления ,п~О1ст,у,па,ет с•ит1нал 1неи1С'прав:н1О•сти.
При п.рюпада ·нии напря,ж-ени ,я ,сети о6ест,оч·тт:ва,ет,ся ,о,6,мотка .реле
Р 1 л на па:н,ели вып~ря·мителя з·а,го1рается сиnналыная ла·м:па Л1
«Аша;р11я оети». С ;клем1мы 9 через а:ппа1ратуру 1Кон11р1О•ля 1и 1рез,е~рв-
1но•го ушра·вле-ния поступает ,сигнал ·неи1спра •в1н,о,сти на ,райо·н1ный
1радJио11рансляци1О1н1ный ,уз,ел. Од:ню,вр·еменно ·ко1нта:кты 11, 12 1ре.;1е
Р1 через п1ро,меж уточ:ные ~реле отключают один УН:Ч, та 1к что• при
отсутствии напряжения сети работает один УНЧ и· величина по
требляемой электроэнергии ум-е:ньша ,етоя в два раза.
321
ПРЕД,МЕТНЫй УiКАЗАТЕЛЬ
Автоматическое включение резерва
246
Автотрансформатор 25
Аккумулятор железо-никелевый 22.З
-
кадмиево-никелевый 234
-
кислотный 2.27
-
серебряно-цинковый 235
-
щелочный 2313
Асинхронный двигатель однофазный
70
-
-
трехфазный 64
,Векторная диаграмма трансформато
ра9,12,14
Внешняя характеристи](а генератора
постоянного тока i04, ,106
-
-
тра:нrформатора 31
Внутреннее сопротивле,ние стабилиза-
тора 179
-
-
-
параметрического 183
-
-
-
компенсационного ,193
Вольтамперная хара](теристика вен
тиш1 114
-
-
газоразряд•ноrо стабилитрона
·1·80
-
-
](рем.ниевоrо стабилитрона 180
-
- ,- - тиристора 1117
Вращающий момент двигателя асин
хронного 67, 71
-
-
-
ПОСТОЯННОГО ТО](а 108
-
-
-
синхронного -85
Вынужденное намагничивание транс
форма тора 126
Выпрямитель НЗ
:габаритная мощность тра.н~сформато-
ра 126
г~льванические элементы 225
Генератор постоянного тока 97
-
-
-
независимого возбуждения
99
-
-
-
параллельного возбуждения
,100
-
-
-
последовательного возбуж
дения 100
-
-
-
смешаннGго возбуждения
100
:Группы трехфазных трансформато
ров 23
Двигатель постояююrо тока 107
-
-
.-
параллельного возбуждения
·11 0
-
-
-
последовательного возбуж
дения 111 •
Дизель-генераторная эле](тростанция
242
.Дистанционное электропитание аппа
ратуры уплотнения коаксиального
кабеля 301, 304
322
-
-
-
-
симметричного кабеля
292, 295
К,оммутация в машинах постоянного
тока 94
:Конструкцня магнитного усилителя
418
-
машин постоянного тока 86
-
синхронного генератора 73
-
трансформатора 1s: 22 .
-
трехфазного асинхронного двига-
теля 61
:Коропюе замыкание трансформато
ра 29
Коэффициент полезного действия ста-
билизатора 180, 1134, 1~. 6
-
-
-
трансформатора 32
К,оэффициент пульсации 124
-
сглаживания 167
-
стабилизации 179, ,183, 184, 193
-
трансформации 12
-
усиления МУ 39, 4:8
Магнитное поле машин переыенного
тока 57, 58, 60
Магнитный усилитель дроссельный
35, 43
-
-
с внутренней обратной связью
44
Обмотка машин переменного тока
55, 62,
-
-
ПОСТОЯННОГО тока 89
Обмот](И МУ 34
-
-
обратной связи 43
-
-
рабочие 34
-
-
смещения 42
-
-
управления 34
Обмот](и трансформатора 21
-
-
двойные концентрические 21
-
-
д.ИС](овые чередующиеся 21
-
-
простые к•онцентрические 21
Обратное напряжение 115
Параметры вентиля ;! 15
-
выпря·мителя :1211 •
-
стабилизатора 179
Перекрытие фаз НО
Преобразователь тиристорный ыосто-
вой 2,22
-
-
с обратными диодами 224
-
-
со средней точкой 223
Преобразователь транзисторный, мос
товой 221
-
-
со средней точкой 218, 221'
Пульсация напряжения псофометри
ческая 167
-
-
эффективная 167
Реакция якоря машин постоянного
ТО](а 92
-
-
синхронного генератора 76
Синхронный генератор 7:3'
-
двигатель 83
Сопротивление фазы вЫJпрямителя
129
Стабилизаторы ВЫСОК'ОВОЛЬТНЫе 210
-
импульсные :196
-
компенсационные l'i18, 186
-
линейные транзисторные ,189
-
непрерывно-импульсные 205
-
параметрические 180, 213
с двумя регулирующими элемен
тами 2'1,2
с регулятором в цепи переменного
тока '207
тирнсторные 21'1
феррорезонансные 21·3
-
электронные 188
Структурная схема выпрямителя 1;13
-
-
импульсного стабилизатора 196
-
-
компенсационного стабилизато-
ра 1187
-
-
непрерывно-импуль сного стаби
лизатора 205
-
-
организации ,ДП аппаратуры
iK-lZG 303
-
-
организаций ДП аппаратуры
К-300 30:3
-
-
стабилизатора напряжения по
стоянного тока с двумя регулиру
ющими элементами .2112
-
электроу,отановки крупной стан
ции 283
ЭПУ РРЛ 3,10
-
-
ЭПУ ТУПВ 318
-
-
ЭПУ ЭАТС 285
Схема выпрямления, двенадцатифаз-
на51 ,[60
,:.(вухполупериод-ная 147
однополупериодная 144
однофазная мостовая 151
трехфазная мостовая llbl
трехфазная однотактная 156
-
-
удвоения напряжения 154
-
-
умножения напряжения 15 5
Схема соединения обмоток трансфор
матора 22
Трансформатор броневой 6, 'l 7
-
приведенный .1'2
стержневой 17
тороидальный 17
трехфазный 22
Трансформатор·ные подстанции
236, 238
УГП с автопускаемым агрегатом 249,
-
с двойным преобразованием энер
гии 253
-
с инерционным маховиком 264
-
с обратимым преобразователем
251
-
с тиристорным инвертором 250
-
с трехмашинным агрегатом 254
Управляемый выпрямител ь 160
-
-
с вольтодобавкой 164
-
-
с обратным диодом 163,
Уравнение намагничивающих сил
трансформатора .Ш, 26
-
равновесия ЭДС генератора по с-
тоянного тока 98
-
двигателя постоянного тока 1108
-
синхронного генератора 78, 80
-
трансформатора 9, 1,1
Фильтр Г-образный LC 169
-
-
,R.C 174
Фильтр емкостной 169,
-
индукmвный 168
-
.многозвенный -172
-
П-образный CLC 171
-
П-обр.аз:ный CR.C Jli'4:
-
резонансный ,1:75
-
с компенсацией переменной· со --
ставляющей '1' , 1 6
Характеристики асинхронного двига-
теля 69
-
генератора по-стоянноrо 110ка 102'
-
двигателя постоянного тока l-10 -
-
управления ДМУ 39, 42
-
управления МУ с внутренней
обратной ·СВЯЗЬЮ 47
Холостой ход трансформатора 7, 28 '
Эквивалентная схема трансформатора,
9, 1·5, 30
-
-
параметр ,ического стабилизато
ра 182
Электромагнитный момент генерато
ра постоянного тока 99•
-
-
синхронного генератора 79
Электроустановки предприятий про
водной связи 268
-
междугородной связи 28,7 .
-
радиорелейных линий 308
радиотрансляционных узлов 3'18 ,
радиоцентров 3,1 1
телеграфных станций 285
телефонных станций, ,284
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бальян Р. Х. Трансформаторы для радиоэлектроники. М., «Сов етское радио>,
i971. 720 с.
2. Энергетика пред п риятий связи. М . , «Связь», 1965. 615 с.
3. Китаев •В. Е. Электротехнические устройства радиосистем . М.. ,
«Энергия»,
1971. 344 с .
4. Китаев В. Е., Бокуняев А. А. Проектирование источников электропитания
устройств связи. М., «Связь» , 1972. 200 с.
5. Белопольский И. И. Источники питания радиоустройств. М . , «Энергия», 1971.
312 с.
6. Сторм Г. Ф. Магнитные усилители. М., «ИЛ», 1957. 300 с.
7. Львов Е. Л. М.агнитные усилители в технике автоматического регулирования .
М ., «Эне ргия», 1972. 552 с.
8. Розенблат М. А. Магнитные усилители . М., «Советское радио», 1956. 824 с.
9. Векслер Г. С., Тетельбаум Я . И. Электропитание радиоустройств. Киев, «Тех
ника», 1964. 383 с .
1О. Ак се нов В. Н. Выпрямители и трансформаторные подстанции. М . , Связь
издат, 1961. 439 с.
11 . Мазель К. Б. Теория и расчет выпрямителя, работающего н~ емкость с уче
том индуктивност и рассеян ия трансформатора . М . , Госэнергоиздат, 1967.
110 с.
12. Каганов И. Л. Электронные и ионные преобразователи . Ч. I. Л., Госэнерго
издат, 1950. 664 с.
13. Источники электропитания на по лу проводниковых приборах. Под ред . С. Д.
Дод ик а и Е . И. Гальперин а . М., «Советское радио», 1969. 448 с.
14. Шевелев В. С. Пособие по проектированию преобразователей напряжения на
тиристо рах. М ., ВЗЭИС, 1966. 84 с.
15. Ве1(сл ер Г. С., Мачинський В. К., Штильман В. Т. Транзисторные сглаживаю
щи е фильтры. Киев, «Техника», 1964. 171 с.
16. Алек сандров Ф. И., Сиваков А. Р. Импульсные полупроводниковые преобра
зователи II стабилизаторы постоянного на пр яжения. Л., «Энергия», 1970.
188 с.
17. Конев Ю. И. Транзисторные имп ул ьсные устройства управления электродви
га телями и электромагнитными м еханизмами. М.-Л., «Энергия», 1964. 120 с.
18 . Дистан ционн ое питание полупроводниковой аппаратуры необслуживаемых
усилительных пунктов кабельных магистралей связи. М ., «Связь», 1969. 56 с.
19. П и онпювский Б. А., Серяков Н. И. Электропитание предприятий проводной
связи. М., «Связь», 1972. 464 с.
20. Трошанов Н. Л . Электропитание судовых радиоустройств. М., «Транспорт»,
1971. 248 с.
2 i. Любский Г. С . , Лятковская А. Д., Шилова И . Р. Автоматизированные элек
троустановки радиорелейных станций. 1\11 ., «Связь», 1969. 119 с.
22. Jl ятковская А. Д. Электропитание станций радиорелейных линий связи с
при менением системы «Рассвет-2». Экспресс-информация, серия « Прое ктирова
ние сооружений связи», 1972, No 1, с. 10-14.
23. Устройства электропитания мощных радиоси сте м. П од ред. А. А. Ткаче в а.
М., « Энергия», 1972. 16 8 с.
24. Краткий справочник конструктора РЭА. Под ред. Р. Г. В а р л а м о в а. М.,
«Со ветское радио», 1972 . 856 с.
25. Вайнел Д. Аккумул ято рн ые батареи. М. - Л., Госэнергоиздат, 1960. 480 с.
26 . Инженерно -т е хнический справочник по электросвязи. Электр оу становки . 1962.
671 с.
27 . Система многоканальной связи К - 1920. В кн.: Техника с>1язи. М . , « С 11 язь»,
1968 . 480 с.
324
28. Автоматизированные устройства гарантированного питания аппаратуры свя
зи. В кн.: Техника связи. М., «Связь», 1964. 133 с.
29. Правила устройства электроустановок. ,М., «Энергия», 1966. 684 с.
30. Правила технической эксплуатации . Правила техники безопасности при экс
плуатации электр оустановок потребителей . Министерство энергетики и элек
трификации СССР. Государственная инспекция по энергетическому надзору.
М., Атомиздат, 1972. 352 с.
31. Казаринов И- А., Идбриль 3. Я. Автоматизация ЭПУ - 24 В. - «Вестник
связи», 1972, No 5, с.
32 . Казаринов И. А. Проектирова,ние электропитающих установох предприятий
прово;Дн.ой связи. М . , «Связ,ь », 1974. 400 с .
33. Идбриль 3. Я. Автоматизация Э:ПУ буферной блочной системы с зарядно
буферным выпрямительным устройством. Экспресс - информация. Серия «Про
ектирование сооружений связи . Проводная связь и радиофикация». 1973, No 3,
С. 8-26.
34 . Коссов О. А. J<0 силители мощности на транзисторах в режиме перевключения.
М., «Энергия», 1971. 432 с.
35. Мордухович З. Я. ЭПУ для сельских АТС на 100-200 номеров. - «Вестник
связи», 1970, No 1, с. 12-14 .
36. Дистанционное питание на воздушных и кабельных магистралях связи. МС
СССР, институт «Типросвязь», 1970. 11 8 с.
37. 60-канальные высокочасто т ные системы передачи по кабельным линиям свя
зи. В кн.: Техника связи. М ., «Связь», 1969. 404 с.
38 . Устройства элеиропитания аппаратуры К-120.
-
«Вестник связи», 1971, No 10,
с. 12-13 .
39. Казаринов И. А. Установки гарантированного электропитания переменным
током. Экспресс-информация. Серия «Проектирование сооружений связи.
Проводная связь и радиофикация». 1973, No 2, с. 5-41.
40 . Бушуев В . М . , Серrейчева Н. М. Принципы построения системы электропи
тания комбинированного кабеля. - «Электросвязь» , 1971, No 9, с. 56-62.
41 . Иванов-Цыганов А. И. Электротехнические устройства радиосистем. М . , «Выс
шая школа», 1973. 384 с.
42. Рив1шн Г. Л. Преобразовательные устройства. М., «Энергия», 1970. 544 с.
43. Лекорrийе Ж. Управляемые электрические вентили и их при,мене ние . Пер. с
франц. под ред. Г. А. Р и в к ин а . ,М., «Энергия», 1971. 503 с.
44 . Электронная и ионная техника. Под ред. С. Н. 3 а с ори на. М., «Транс
порт», 1973. 439 с .
45. Галевский В. Д. Настройка и регулировка радиовещательных передатчиков
с анодной модуляцией. М., «Связь», 1971. 216 с.
46. Филатов Б. Н., Шершакова А. В. Автоматизированный радиоузел мощностью
500 Вт типа ТУПВ-О,25Х2 на транзисторах. М., «Связь», 1972. 54 с .
Предисловие
Глава первая.
ТРАНСФОРМАТОРЫ
ОГЛАВЛЕНИЕ
3
1.1 . Основные определения
6
1.2 . Режим холостого хода
7
1.3 . Рабочий режим
.
.
11
1.4 . Однофазные трансформаторы
15
1.5 . Трехф аз ные трансформаТО{)Ы
.
22
1.6 . Автотрансформаторы
.
25
1.7 . Опыты холостого хода и короткого замыкания трансформатора
28
1.8 . Из мене ние напряжения на зажимах вторичной обмотки нагруженного
трансформатора
31
1.9 . КПД трансформатора
32
Глава вторая .
МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
2.1 . Общие сведения
.
.
.
.
2.2 . Однотактный дроссельный МУ
.
2.3 . Компенсация НС обмотки управления
2.4 . МУ с внутренней обратной связью
2.5 . Устройство МУ
Глава третья .
АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ
.
.
.
и обратная связь в МУ
3.1 . Общие сведения об электрических машинах
3.2 . Обмотки машин переменного тока
3.3. ЭДС машины переменного тока
.
3.4 . Намагничиэающая сила обмотки машины переменного тока
3.5 . Устройство трехфазного асинхронного двигателя
3.6 . Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя
.
3.7 . Работа нагруженного трехфазного асинхронного двиг а теля
3.8 . Вращающий момент асинхронного двигателя
3.9 . Рабочие характерисп:м1 трехфазного асинхронного двигателя
3.1 0. Однофазные асинхро,шые двигатели
Глава четвертая.
СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ
4.1. Принцип действия и устройство синхронного генератора
4.2 . Работа нагруженного синхронного генератора
4.3 . Пар1ллельная работа синхронного генератора
4.4 . ,Устройство и принцип действия синхронного двигателя
4.5 . Работа нагруженного синхронного двигателя
Глава пятая.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
5.1 . Устройство машины постоянного тока
.
5.2. Обмотки якорей машин постоянного тока
5.3 . ЭДС машины постоянного тока
.
5.4 . Магнитное поле нагруженной машины
5.5. Коммутация тока
.
.
.
5.6 . Генер1тор ПОСТОЯННОГО тока
.
.
.
5.7 . Возбуждение генератора постоянного тока
5.8 . Характеристики генератора постоянного тока
5.9 . Двигатель постоянного тока •
5.1 О. Характеристики дэигателя постоянного тока
326
34
35
42
44
48
51
54
56
57
61
64
65
67
69
70
73
75
81
83
85
86
89
91
92
94
97
99
102
107
110
9
Глава шестая.
ВЫПРЯМИТЕЛИ
6.1 . Н азначение и устройство
113
5.2 . Ве нтили и их пар1метры
114
6.3. Реж имы работы и параметры
120
6.4 . Р абота на активную нагрузку
121
6.5 . Работа на нагрузку емкостного характера
127
6.6 . Работа на нагрузку индуктивного характера
.
.
.
.
.
.
.
137
6.7 . Схемы выирямления , питающиеся .от однофазной сети переменного тока 144
5.8. Мн огофазные схемы выпрямления
156
6.9 . Регул ирование напряжения выпрямителей
160
Глава седьмая.
СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ
7!1. Об щие сведения
.
.
7.2 . Сгл аживающие фильтры из одной индуктивности или емкости
7.3 . LС-фильтры
7.4 . RС-фил ьтры
7.5 . Резонанс ные фильтры и фильтры с компенсацией переменной состав-
ляющей
Глава восьмая.
СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА
166
168
169
174
175
8.1 . Типы стабилизаторов и их основные параметры
177
8.2. Парамет рические стабилизаторы постоянного напряжения и тока
180
8.3. Компенс ационные стабилизаторы постоянного напряжения с непрерыв-
ным регулированием
186
8.4 . Импульс ные стабилизаторы постоянного напряжения
.
196
8.5. Стабилиз аторы постоянного напряжения с непрерьгзно-импульсным
регулированием
205
8.6 . Стабил изаторы постоянного напряжения с регулятором в цепи пере-
менноготока........
207
8.7 . Стабилиз аторы постоянного напряжения с двумя регулирующими
элементами.........
212
8.8. Па раметрически е стабилизаторы переменного напряжения
213
Глава девятая.
ПР ЕОБРА ЗОВАТЕЛИ ПОСТОЩП-ЮГО ТОКА
9.1. Об щие сведения
.
.
.
.
9.2. Т ранзисторные преобразователи напряжения
9.3 . Преобразователи на тиристорах
Глава десятая.
ИСТ ОЧН ИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
10.1 . Гальва н ические элементы и батареи
10._
2. Кислотные аккумуляторы
10.3 . Щелочные аккумуляторы
Гла ва одиннадцатая.
ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОй ЭНЕРГИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
217
217
222
225
227
233
11.1. Об щие сведения
.
.
.
236
11.2 . Трансформаторные подстанции
.
.
.
238
11.3. Автоматизи р ованные дизель-гене р аторные электростанции предприя-
тийсвязи.....
.
.
.
.
.
.
242
И .4 . Авт оматическое резерsирование электроснабжения предприятий связи 246
327
Глава двенадцатая.
УСТРОЙСТВА ГАРАНТИРОВАННОГО ПИТАНИЯ ПЕРЕМЕННЫМ
током
12 . 1 . Назначение устройств гарантированного питания (УГП)
248
12.2. УГП с автоматически запускаемыми (резервными) преобразователями 249
12.3. УГП с обратимым преобразователем
251
12.4. УГП с дво йны м преобразованием энергии
253
12.5 . УГП с трехмашинными агрегатами с приводом от постоянного и пе-
• -р еменного · тока
254
12.6. УГП с инерционным м 01ховиком
264
Глава тринадцатая.
ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ ПРЕДПРИЯТИЙ ПРОВОДНОИ СВЯЗt 3
13_11 . Требования, предъявляемые к электроустановкам
13.2. Классификация электроустановок предприятий связ11
13 .3. Принципы построения электропитающих установок
13.4 . Стабилизация и регулирование напряжения в ЭПУ
13.5 . Оборудо'Зание элект ро установок предприятий проводной связн
13.6. Типовые схемы эпу· предприятий проводной св я зи
13.7. Электропитание тел ефонных станций
13.8. Электропитание телеграфных станций
13.9. Электропитание предприятий между городной связи
Глава четырнадцатая .
ДИСТАНЦИОННОЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ АППАРАТУРЫ
УСИЛИТЕЛЬНЫХ ПУНКТОВ НА МАГИСТРАЛЯХ СВЯЗИ
268
269
270
273
276
279
284
285
287
14.1. Общие сведения
.
.
.
.
.
290
14. 2 . Дистзнционное питание ламповой аппаратуры уплотнения симметрич-
ного кабеля
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
292
14.3. Дистанционное питани е транзисторной аппаратуры уплотнения сим-
метричного кабеля
.
.
.
.
.
.
.
.
296
14.4. Оборудование ОУП и НУП для дистанционного питания аппаратуры
уплотнения симметричного кабеля . .
.
.
.
299
14. 5. Дистанционное пнтание транзисторной аппарнуры уплотне ния коак-
сиального кабеля
.
.
.
.
301
14.6 . Дистанционное питание аппаратуры уплотнения К-1920 (К-1920У)
304
Глава пятнадцатая.
ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ РАДИОРЕЛЕЙНЫХ ЛИНИй
15.1 . Общие сведения
15.2 . Электроустановка РРЛ
Глава шестнадцатая.
ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ ПРЕДПРИЯТИЙ РАДИОСВЯЗИ
И РАДИОВЕЩАНИЯ
307
308
16.1 . Электроснабжение радиоцентров
.
312
16.2 . Регулирование напряжения мощных выпрямителей и их защита
313
16.3 . Питание цепей накалов и сеток ламп в передатчиках
316
16.4 . Электроснабжение приемных радиоцентров и радиовещательных узлов 318
16.5 . Электропитание радиотрансляционны х узло'З
319
Предметный указатель
322
Список литературы .
324