Во вторичные обмотки этих трансформаторов включены вентили — устройства, обладающие односторонней проводимостью.
Рассмотрим работу однофазного трансформатора в схеме однополупериодного выпрямления (рис. 5.3, а). Ток во вторичной обмотке этого трансформатора i 2 является пульсирующим, так как он создается только положительными полуволнами вторичного напряжения U2 (рис. 5.3, б). Этот пульсирующий ток имеет две составляющие: постоянную
(5.2)
и переменную
(5.3)
Пренебрегая током х.х. и учитывая (5.3), уравнение МДС рассматриваемого трансформатора можно записать в виде
(5.4)
Рис. 5.3. Трансформатор в схеме выпрямления
В первичную обмотку трансформируется лишь переменная составляющая вторичного тока (5.3), поэтому МДС Idw2 остается неуравновешенной и создает в магнитопроводе трансформатора постоянный магнитный поток Фd, называемый потоком вынужденного намагничивания. Этот поток вызывает дополнительное магнитное насыщение элементов магнитопровода; для того чтобы это насыщение не превышало допустимого значения, необходимо увеличить сечение сердечников и ярм. Эта мера приводит к увеличению расхода стали и меди, т. е. ведет к повышению габаритов, веса и стоимости трансформатора. Этот недостаток однофазной однополупериодной схемы распространяется и на трехфазную однополупериодную схему при соединении вторичной обмотки трансформатора по схеме «звезда—звезда с нулевым выводом» (рис. 5.3, в). В этом случае магнитный поток вынужденного намагничивания Фd значительно меньше, так как, действуя одновременно во всех трех стержнях магнитопровода, он замыкается вне магнитопровода — через медь, воздух, стенки бака — аналогично третьим гармоникам основного магнитного потока (см. рис. 1.26). Однофазную однополупериодную схему применяют лишь для маломощных выпрямителей, что объясняется не только недостатком, вызванным наличием потока Фd, но и значительными пульсациями выпрямленного тока. Трехфазная однополупериодная схема соединения вторичной обмотки в звезду с нулевым выводом также ограничивается выпрямителями небольшой мощности. Если же вторичную обмотку соединить в равноплечий зигзаг с нулевым выводом (см. рис. 1.22), то недостатки однополупериодной схемы выпрямления, обусловленные возникновением потока Фd, устраняются. Объясняется это тем, что при соединении в равноплечий зигзаг (см. § 1.8) на каждом стержне оказываются две вторичные катушки со встречным соединением. При трехфазной однополупериодной схеме ток Id проходя по всем фазам вторичной обмотки, создает в каждом стержне два потока Фd/2, но так как эти потоки направлены в разные стороны, то они взаимно уравновешиваются. Это достоинство схемы соединения обмоток в зигзаг позволяет применять трехфазную однополупериодную схему при значительных мощностях.
|
|
|
|
В двухполупериодных схемах, когда ток во вторичной цепи трансформатора создается в течение обоих полупериодов, условия работы трансформатора оказываются намного лучше и неуравновешенной МДС не возникает.
Другим обстоятельством, нежелательно влияющим на работу трансформаторов в схемах выпрямления, является несинусоидальная форма токов в обмотках. В результате в первичной и вторичной обмотках появляются токи высших гармоник, ухудшающие эксплуатационные показатели трансформатора, в частности снижающие его КПД.
Количественно влияние различных причин на работу трансформаторов в схемах выпрямления зависит от ряда факторов: схем выпрямления, наличия сглаживающего фильтра, характера нагрузки.
В связи с тем что первичный и вторичный токи трансформаторов имеют разные действующие значения (из-за их несинусоидальности), расчетные мощности первичной и вторичной обмоток одного и того же трансформатора неодинаковы (S1ном ≠ S2ном ). Поэтому для оценки мощности трансформатора, работающего в выпрямительной схеме, вводятся понятия типовой мощности
(5.5)
и коэффициента типовой мощности
(5.6)
где выходная мощность, т. е. мощность, поступающая в потребитель постоянного тока,
(5.7) '
в номинальном режиме (при номинальных напряжениях Udном и токе Id ном).
Типовая мощность трансформатора всегда больше его выходной мощности, т.е. k т > 1. Объясняется это тем, что при любой схеме выпрямления U2 > Ud и I2> Id
Из этого следует, что габариты и вес трансформаторов для выпрямителей всегда больше, чем у трансформаторов такой же выходной мощности, но при синусоидальных токах в обмотках. Это объясняется тем, что в трансформаторах, работающих в выпрямительных схемах, полезная мощность определяется постоянной составляющей вторичного тока Id а нагрев обмоток — полным вторичным I2 и первичным I1 токами, содержащими высшие гармонические.
При выборе трансформатора для выпрямительной установки или же при его проектировании необходимо знать значение коэффициента k Т.
Значение переменного напряжения на выходе вторичной обмотки трансформатора, необходимого для получения заданного номинального значения постоянного напряжения Udном, определяется выражением
(5.8)
где kU— коэффициент напряжения.
Значения коэффициентов напряжения ku и типовой мощности k т для некоторых наиболее распространенных схем выпрямления приведены ниже.
Схемы выпрямляния | kU | kT |
Однофазная однополупериодная Однофазная двухполупериодная мостовая Однофазная двухполупериодная с нулевым выводом Трехфазная с нулевым выводом Трехфазная мостовая | 2,22 1,11 1,11 0,855 0,427 | 3,09 1,23 1,48 1,345 1,05 |
Сравнение различных схем выпрямления показывает, что лучшее использование трансформатора обеспечивается в мостовых схемах выпрямления, для которых коэффициент kT имеет минимальные значения.