Дроссели источников вторичного электропитания РЭС

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

(ДГТУ)

Кафедра «Радиоэлектроника»

Руденко Н.В.

ЛЕКЦИЯ № 7

Тема лекции: «Дроссели и трансформаторы»

по дисциплине «электропитание и элементы

электромеханики»

Ростов-на-Дону

ЛЕКЦИЯ № 7

Тема лекции: «Дроссели и трансформаторы»

Учебные вопросы

1. Дроссели источников вторичного электропитания

2. Назначение, классификация и принцип действия трансформатора

3. Режим холостого хода трансформатора

Литература

1. Бушуев В. М., Деминский В. А. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: учеб. пособие для вузов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2011. - с. 7 – 56.

Дроссели источников вторичного электропитания РЭС

Определение дросселя. Среди большого разнообразия электромагнитных устройств, используемых в силовых цепях ИВЭ РЭС, наряду с трансформаторами широкое применение находят индуктивные катушки.

Согласно ГОСТ 19880-74 индуктивная катушка есть элемент электрической цепи, предназначенный для использования его индуктивности.

В литературе по электросвязи часто такой элемент называют электрическим реактором, а в радиотехнике за ним утвердилось наименование "дроссель".

Дросселем будем называть статическое электромагнитное устройство, предназначенное специально для использования его индуктивности в цепях переменного или пульсирующего токов.

Конструкции дросселей. Конструктивно простейший низкочастотный дроссель состоит из замкнутого ферромагнитного магнитопровода и каркаса (гильзы). Магнитопровод обычно выполняется прямоугольной формы, шихтованным, набранным из листов электротехнической стали (рис.7.1,а), при этом обмотка заливается эпоксидной смолой и защищается металлическим корпусом (рис. 7.1, б). Магнитопровод может быть и кольцевым (рис. 7.1, в).

Применение в ИВЭ. Дроссели в источниках вторичного электропитания РЭС применяются:

- в цепях переменного тока в устройствах защиты ИВЭ от коротких замыканий;

- в цепях выпрямленного (пульсирующего) тока с целью уменьшения пульсаций выпрямленного тока в качестве элементов сглаживающих фильтров;

- в цепях управления работой ИВЭ в качестве управляемых реакторов (или дросселей насыщения) если снабжены дополнительными обмотками подмагничивания постоянным током.

Рисунок 7.1 - Конструкции дросселей:

а, б - прямоугольная форма; в - тороидальная форма.

Унификация НЧ - дросселей. Промышленностью для целей использования в радиоэлектронике разработаны серии унифицированных дросселей многих типоразмеров на магнитопроводах типа ШЛ, ШМ и ШЛР. Обозначения таких дросселей следующие: первой содержится буква Д (дроссель), первое число есть порядковый номер дросселя, вторая цифра - индуктивность (в генри), третье число - номинальный намагничивающий ток (в амперах). Пример Д8-0,08-56. Некоторые серии имеют только порядковый номер (Д201, Д60 и т.д.), а остальные данные приводятся в сопроводительных паспортах. Если дроссель работает в тяжелых условиях эксплуатации и имеет пониженный срок службы, его маркируют с буквой Т: Д201Т, Д274Т и т.д.

Обмотки дросселей. Простейший дроссель имеет только одну обмотку. Однако в разработанных унифицированных сериях типоразмеров дроссели, как правило, имеют две или несколько обмоток, как показано на рис.7.2.

Рисунок 7.2 - Обмотки унифицированных дросселей

Различают основные и компенсационные обмотки. В дросселе Д60 все три обмотки основные и одинаковые, в дросселях Д201Т...Д274Т - две одинаковые основные обмотки; в дросселях Д1...Д59 - одна основная (1-2) и три - компенсационные, в дросселях Д101...Д179 - только одна (основная) обмотка.

Такое разнообразие обмоток позволяет включать все обмотки последовательно с исходной основной, согласно (индуктивность дросселя увеличивается) или встречно (индуктивность дросселя уменьшается). Это один из способов подбора (настройки) дросселя по индуктивности.

Индуктивность дросселя. Уже из определения дросселя следует, что его основным параметром является индуктивность L. Чтобы установить факторы, определяющие величину L, надо использовать два закона, на которых базируется теория большинства электромагнитных аппаратов: закон электромагнитной индукции и закон полного тока.

Рассмотрим простейший дроссель тороидальной формы при допущениях: электрическое сопротивление проводника катушки r пренебрежимо мало, витки обмотки намотаны так плотно, что рассеяние магнитного потока отсутствует, ферромагнетик магнитопровода имеет узкую петлю гистерезиса, а значит можно вместо нее использовать основную кривую намагничивания, и, наконец, ток изменяется достаточно медленно, а, значит можно использовать статическую кривую намагничивания.

Схема дросселя представлена на рис.7.3,а. На рисунке обозначены: w - число витков обмотки, l - длина средней магнитной линии, S -сечение магнитопровода.

Рисунок 7.3 – Дроссель и его характеристики:

а – схема дросселя, б – кривая намагничивания

и вебер-амперная характеристика, в – графики m а и L в функции тока

При подключении дросселя к сети в магнитопроводе возбуждается переменный магнитный поток Ф, который индуктирует в обмотке ЭДС. С учетом полного магнитного потока (потокосцепления Y = w Ф) можно записать:

(7.1)

Потокосцепление Y = L×i пропорционально току и основная формула для индуктивности L имеет вид:

(7.2)

По закону полного тока циркуляция вектора напряженности магнитного поля H по замкнутому контуру l, совпадающему с длиной средней магнитной линии равна полному току (то есть магнитодвижущей силе wi), охваченному этим контуром

(7.3)

Отметим, что напряженность магнитного поля H пропорциональна току, а магнитный поток Ф пропорционален магнитной индукции

(7.4)

и, кроме того, B = m _а× Н, где m _а - абсолютная магнитная проницаемость ферромагнетика магнитопровода.

С учетом последних соотношений получим

Окончательно:

(7.5)

где g - обобщенная величина, характеризующая геометрические (конструктивные) параметры дросселя.

Из последнего выражения легко установить, как, какими средствами можно увеличить индуктивность дросселя: увеличением числа витков (аналогично согласному включению нескольких обмоток); оптимальным соотношением поперечных и продольных размеров магнитопровода и воздействием на магнитную проницаемость материала магнитопровода m _а.

При заданной геометрии дросселя основной путь увеличения L - введением ферромагнитного сердечника. Поскольку у ферромагнетика m _а>> m ₀ (у электротехнической стали m _а=35×10³ m ₀), такой сердечник обеспечивает, во-первых, концентрацию магнитного поля в заданном объеме пространства (многократно усилить это поле) и, во-вторых - многократно увеличит индуктивность обмотки дросселя.

Здесь лежит ответ на вопрос - почему практически все электромагнитные аппараты (дроссели, трансформаторы, электромагнитные и магнитные реле, магнитные усилители, электрические магниты, контакторы и т.д.) при низких и средних частотах переменного тока и при постоянных токах имеют ферромагнитные магнитопроводы

Линейный и нелинейный режимы. Ферромагнетик замкнутого магнитопровода способен к насыщению. Это приводит к нелинейности как основной кривой намагничивания B = f (H), так и пропорциональной ей вебер-амперной характеристики Y = f ₁(i), что показано на рис.7.3,б.

Поскольку L = Y / i и m _а= B / Н зависят от намагничивающего тока одинаково, характер графиков этих величин в функции тока идентичен: пока магнитопровод ненасыщен L = const и m _а =const с насыщением L и m _а уменьшаются. А это означает, что с насыщением исчезает эффект резкого увеличения индуктивности и ее значения начинают уменьшаться (в пределе - до значение, имевшего место при отсутствии ферромагнитного магнитопровода).

В сглаживающих, например, фильтрах дроссель должен работать в линейном режиме в достаточно широком диапазоне значений тока.

Линеаризация дросселя осуществляется введением в магнитопровод немагнитного ("воздушного") зазора: магнитное сопротивление магнитопровода с зазором возрастает, магнитный поток уменьшается и рабочая точка на вебер-амперной характеристике перемещается на линейный участок.

Таким образом, регулируя ширину воздушного зазора, можно дополнительно регулировать величину индуктивности дросселя, которая существенно зависит от значения намагничивающего тока i (см. рис.7.3,в). Именно поэтому в обозначениях большинства дросселей индуктивность указывается одновременно со значением номинального намагничивающего тока I _н.