Стабилизаторы с дросселем насыщения

Дроссели насыщения

Для получения большой индуктивности в фильтрах применяются дроссели со стальным сердечником.

Особенностью работы такого дросселя в качестве последовательного элемента фильтра является то, что по его обмотке протекает постоянная составляющая тока, вызывающая намагничивание сердечника.

Дросселем насыщения называется электромагнит­ный регулирующий аппарат перемен­ного тока, индуктивное сопротивление которого изменяется посредством управ­ляемого подмагничивающего постоян­ного тока.

Дроссель насыщения имеет рабочую обмотку (обмотку переменного тока) и одну или несколько обмоток подмагничивания. Магнитная цепь представляет собой стальной замкнутый сердечник.

Н а рис. 32 показано схематическое изображение однофаз­ного и трехфазного дросселей насыщения на электрических схе­мах. Рабочие обмотки обычно изображаются жирной линией.

Рисунок 32 - Изображение однофаз­ного и трехфазного дросселей насыщения на электрических схе­мах

Если сердечник дросселя не имеет воздушного зазора, то он намагничивается до насыщения. При этом изменения напряженности магнитного поля (Н), пропорциональные изменениям протекающего тока, вызывают незначительные изменения индукции (рис. 33, кривая 1 намагничивания стали участок а-б-1).

Отношение приращения индукции к приращению напряженности магнитного поля является динамической магнитной проницаемостью на частном цикле намагничивания:

На участке а-б кривой 1, соответствующем насыщению сердечника, магнитная проницаемость очень мала, так как мало приращение индукции: а-б = В2 - В1.

Индуктивность дросселя, а, следовательно, и коэффициент фильтрации фильтра пропорционален магнитной проницаемости и при насыщении тоже будут иметь очень малую величину. Чтобы сердечник не был насыщен, в магнитную цепь вводится воздушный зазор (рис. 33). Магнитное сопротивление цепи увеличивается, и насыщение наступает при большей величине напряженности магнитного поля, т. е. при больших значениях постоянного тока (см. рис. 33, кривая II). Тогда при той же величине постоянной составляющей тока кривая намагничивания будет еще достаточно крутой и магнитная проницаемость на участке а-б увеличится (велико а-б = В4—В), а, следовательно, возрастет коэффициент фильтрации звена фильтра.

П ри чрезмерно большой величине воздушного зазора (см. рис. 65, кривая III) магнитное сопротивление станет очень большим и наклон кривой намагничивания уменьшится, что вызовет уменьшение магнитной проницаемости и приведет к уменьшению коэффициента фильтрации. Таким образом, имеется какое-то наивыгоднейшее (оптимальное) значение величины воздушного зазора, при котором индуктивность и коэффициент фильтрации п олучаются наибольшими.

Рисунок 33

Величина оптимального воздушного зазора зависит от величин постоянной и переменной составляющих тока, числа витков и размеров дросселя.

Конструктивно дроссель фильтра представляет собой катушку медного изолированного провода, намотанного на каркас, который помещается на среднем стержне сердечника, собранного из Ш - образных пластик трансформаторной стали. Пластины изолируются друг от друга лаком или бумагой для уменьшения потерь на вихревые токи и собираются встык, а величина зазора регулируется специальной изоляционной прокладкой.

Принцип действия дросселя насыщения основан на изменении магнитной проницаемости ферромагнитных материалов при подмагничивании сердечника постоянным током. При насыщении ферромагнитных материалов увеличивается их магнитное сопро­тивление. Это приводит к уменьшению величины магнитного по­тока, создаваемого ампер-витками переменного тока, а следова­тельно, и к уменьшению э. д. с. самоиндукции, наводимой в этих обмотках. Таким образом, индуктивное сопротивление рабочих обмоток дросселя насыщения при увеличении тока подмагничивания уменьшается. Уменьшение тока в обмотке подмагничивания приводит к увеличению индуктивного сопротивления рабо­чих обмоток.

На рис. 34 изображена схема включения дросселя насыщения для ручного регулирования напряжения и тока на потребителе Z.

Рабочая обмотка дросселя насыщения включена последовательно с потребителем. Для регулирования величины индуктивного сопротивления этой обмотки служит цепь подмагничивания, включающая в себя источ­ник постоянного тока Е, реостат R и обмотку управления w_у.

Рисунок 34 - Схема включения дросселя насыщения

Изменением величины сопротивления R можно регулировать величину тока, проходящего через обмотку управления. Если, например, напряжение на потребителе по какой-либо причине стало меньше, то для увеличения этого напряжения до нужной величины необходимо увеличить

ток подмагничивания, что достигается изменением вели­чины сопротивления R. Увеличение тока в обмотке w приведет к насыщению сердечника дросселя насыщения, и индуктивное сопротивление его рабочей обмотки станет меньше. Произойдет перераспределение напряжений между дросселем и потребителем, в результате которого напряжение на дросселе станет меньше, а на потребителе возрастет. Для контроля за величиной напряже­ния на потребителе служит вольтметр.

Дроссели насыщения, применяемые в качестве регулирующих устройств, имеют ряд преимуществ перед другими ви­дами регуляторов. Укажем на некоторые из них:

1. плавность регулирования;

2. широкий диапазон регулирования величины индуктивного сопротивления дросселя;

3. регулирование можно производить под нагрузкой;

4. дроссели насыщения не имеют сильно нагревающихся частей и искрящих контактов и потому безопасны в пожарном отношении;

5. благодаря малым потерям активной мощности установки с дросселями насыщения имеют высокий КПД;

6. мощность, расходуемая на нагрев обмотки подмагничивания, незначительна (составляет 2—5% от регулируемой мощности;

7) возможность автоматического регулирования при сравни­тельной простоте регулирующих устройств.

Благодаря перечисленным свойствам дроссели насыщения широко применяются как для ручного, так и для автоматического регулирования напряжения и тока.

Недостатками дросселей насыщения явля­ются:

- необходимость источника постоянного тока;

- поглощение реактивной мощности при работе в качестве аппарата, регулирующего ток или напряжение, и уменьшение величины коэффициента мощности;

- искажение формы кривой тока и напряжения в цепи, в ко­торую включен дроссель.

Однако применение специальных схем значительно уменьшает искажения, а для трехфазных дросселей искажения этого вида могут быть практически полностью устра­нены.

Дроссели с регулируемым зазором

Измене­ние индуктивности дросселя может осуществляться за счет изменения величины воздушного зазора в магнитной цепи, и тогда он называется регулировочным дросселем. Дроссель с регулируемым зазором позволяет осуществлять плавное регулирование в широких пределах. Недостатком его является сложность устройства, обеспечивающего необходи­мое изменение зазора без ощутимой вибрации сердечника.

Устройство дросселей насыщения

Для работы в цепях однофазного тока применяются одно­фазные дроссели насыщения, а для работы в цепях трехфазного тока - трехфазные дроссели насыщения. По своему устройству эти дроссели имеют ряд конструктивных отличий.

Устройство однофазных дросселей насыщения. Обмотки дрос­селя насыщения располагаются на сердечнике таким образом, чтобы переменный магнитный поток, создаваемый его рабочей обмоткой, не наводил в обмотке управления переменную ЭДС. Необходимость такого расположения обмоток объясняется тем, что при наведении переменной ЭДС в обмотке управления на­рушается нормальная работа источника постоянного тока и, кро­ме того, имеет место передача энергии из рабочей обмотки в об­мотку управления.

Устройство однофазного дросселя насыщения с Ш-образным сердечником показано на рис. 35. Обмотка управления располагается на среднем стержне, а рабочая обмотка состоит из двух одинаковых катушек, которые помещаются на крайних стержнях. Рабочие обмотки могут соединяться параллельно или последовательно таким образом, чтобы и магнитные потоки в среднем стержне были направлены встреч­но. В этом случае результирующий переменный магнитный поток в среднем стержне равен нулю и в обмотке управления не наводится переменная ЭДС.

Рисунок35- Схема однофазного дросселя насыщения с Ш-образным сердечником с последовательным включением рабочих обмоток

Магнитная цепь однофазного дросселя насыщения может со­стоять из двух стержневых сер­дечников. Обмотка управления при этом должна располагаться так, как показано на рис. 35. Две рабочих обмотки соединя­ются, как и на Ш-образном сердечнике, параллельно или последовательно таким образом, чтобы наведенные в обеих поло­винах обмотки управления пе­ременные ЭДС были направ­лены встречно и результирую­щая переменная ЭДС в цепи подмагничивания отсутствовала.

Устройство трехфазных дрос­селей насыщения. Одна из кон­струкций трехфазного дросселя насыщения изображена на рис. 35. Магнитная цепь дросселя состоит из трех Ш-образных сердечников, на средних стержнях которых располагаются ра­бочие обмотки. Поверх этих обмоток наматывается одна общая обмотка постоянного тока, охватывающая все три стержня. При таком расположении обмотки управления постоянный ток на­сыщает одновременно все три сердечника и в цепи подмагничивания не наводится переменная ЭДС, так как обмотку управ­ления пронизывают одновременно три переменных потока, сдви­нутых по фазе относительно друг друга на 120°. Как известно, сумма трех равных синусоидальных величин, сдвинутых относи­тельно друг друга на угол 120°, равна нулю.

Рисунок 36. Устройство трехфазных дросселей насыщения: а - дроссель насыщения, собранный на трех

Ш-образных сердечниках, б - дроссель насыщения, собранный на шести Ш-образных сердечниках

Для подавления небольшой переменной ЭДС, индуктируе­мой в обмотке управления за счет искажения формы кривой и не­ссиметрии магнитных потоков, часть витков обмотки управле­ния (около 10%) замыкается накоротко. В этом случае за счет возникшей переменной ЭДС в обмотке управления возникает переменный ток, который циркулирует по короткозамкнутым вит­кам и создает по правилу Ленца свой переменный магнитный по­ток, стремящийся уменьшить магнитный поток, вызвавший ЭДС. Магнитный поток, возникший за счет искажения формы кривой и нессимметрии потоков, ослабляется и величина переменной ЭДС в обмотке управления становится значительно меньшей.

На рис. 36, б дана другая схема трехфазного дросселя на­сыщения. Магнитная цепь набирается из Ш-образного железа, но, в отличие от первого случая, состоит из шести однофазных дросселей насыщения (по два дросселя в каждой фазе). Рабо­чие обмотки (обмотки переменного тока) и обмотки управле­ния располагаются на средних стержнях. Обе половины рабочей обмотки каждой фазы соединяются последовательно. Обмотки управления всех шести дросселей соединены также последователь­но, но таким образом, что в двух дросселях одной фазы их витки были бы направлены встречно. При таком соединении переменные ЭДС, наводимые в обмотках управления двух дросселей одной фазы, равны по величине и противоположны по знаку и в цепи подмагничивания переменная ЭДС отсутствует. Соединение об­моток видно из рис. 36, б.

Усилительные свойства дросселей насыщения

Дроссель на­сыщения обладает усилительными свойствами. Регулируемая мощность переменного тока ответствует реактивной мощности дросселя со стороны перемен­ного тока, которая определяется реактивным сопротивлением этих обмоток. У всех дросселей реактивное сопротивление обмоток в несколько десятков раз больше их активного сопротивления. По этой причине мощность тепловых потерь в обмотках переменно­го тока дросселя насыщения в десятки раз меньше его реактив­ной мощности. В обмотке управления (подмагничивания) проис­ходят только потери энергии на тепло и поэтому можно счи­тать, что мощность подмагничивания примерно равна мощности тепловых потерь в рабочей обмотке (в обмотке переменного тока), т. е. она в десятки раз меньше реактивной мощности дросселя. Ввиду этого при затрате мощности подмагничивания в несколько десятков или сотен Ватт удается регулировать мощность приемника переменного тока в несколько десятков киловатт.

Благодаря указанным свойствам дроссель насыщения исполь­зуется чаще всего для автоматизации процесса регулирования электрического режима приемника, так как для этого требуются небольшие по размерам маломощные автоматические регуляторы.

Дроссель насыщения может быть использован либо в качестве устройства, регулирующего режим работы приемников электри­ческой энергии, либо в качестве усилительного устройства. В пер­вом случае за ним сохраняется название дросселя насыщения, во втором случае его принято называть магнитным усилителем.

Магнитные усилители по принципу работы не отличаются от дросселей насыщения. Это деление является чисто условным. Все зависит от того, для чего предназначен дроссель в данной схеме. Обычно принято считать, что дроссели насыщения приме­няются главным образом как регулирующие устройства.

Магнитные усилители применяются для усиления слабых сиг­налов или как чувствительные реле, и мощность на их входе и вы­ходе сравнительно мала. Основное назначение магнитных усилителей - усиливать слабые сигналы постоянного тока и превра­щать их в более мощные сигналы переменного или постоянного тока.

Магнитные усилители можно сравнить с ламповыми усилите­лями, где вместо электронной лампы применяется дроссель с подмагничиванием. В ламповом усили­теле усиливаемый сигнал подается на управляющую сетку. Поло­жение рабочей точки на анодно-сеточной характеристике лампы определяется величиной напряжения смещения, приложенного между сеткой и катодом. В ламповом усилителе используется автоматическое смещение, усиленный сигнал снимается с анодной нагрузки.

В магнитном усилителе роль сетки лампы выполняет обмотка управления (обмотка подмагничивания). Усиливаемый сигнал поступает в эту обмотку. Положение рабочей точки на кривой намагничивания сердечника определяется ампервитками обмот­ки смещения (обмотки размагничивания). Ампервитки этой обмотки направлены встречно ампервиткам обмотки управления. Усиленный сигнал снимается с нагрузки, включенной в цепь рабочей обмотки. Как и в ламповом усилителе, в маг­нитном усилителе легко осуществляется обратная связь.

Магнитные усилители имеют ряд преимуществ перед лампо­выми. Основные из них следующие: возможность магнитного усилителя управлять сколько угодно низким напряжением, вы­сокий по сравнению с ламповыми усилителями КПД, большая механическая прочность и очень большой срок службы.

Недостатками магнитных усилителей являются их инерци­онность и зависимость усиления от частоты.

Вольтамперные характеристики дросселей насыщения. На практике для расчетов широко используются семейства вольтамперных характеристик дросселя насыщения. Каждая из

характеристик выражает зависимость величины напряжения на рабочей обмотке от тока, проходящего через эту обмотку при неизменном значении тока управления, т. е.

U~ = f(I~) при I = const.

На рис. 6 представлены вольтамперные характеристики дросселя насыщения. По внешнему виду они напоминают анод­ные характеристики триода. Левая кривая снята при отсутствии тока в цепи подмагничивания. Каждая из последующих кривых соответствует большему значению тока уп­равления, чем предыдущая. Из характеристик видно, что чем больше величина тока управления, тем больше соответствующая характеристика отличает­ся от кривой, снятой при отсутствии его.

Рисунок 37 - Вольтамперные характеристики дросселя насыщения

Благодаря тому, что при заданных значениях числа витков рабочей об­мотки и площади сечения сердечника напряжение на рабочей обмотке дроссе­ля насыщения пропорци­онально величине перемен­ной магнитной индукции, а величина перемен­ного тока пропорциональна намагничивающим переменным ампер-виткам, вольтамперные характеристики дросселя насыщения в другом масштабе являются кривыми одновременного намагничи­вания стали переменным и постоянным током.

Режимы работы дросселей насыщения

1. Режим усиления мощности. Если рабочую обмотку дросселя насыщения подключить последовательно с по­требителем к напряжению сети, то при малых значениях тока управления (например, при I_у = 0) практически все напряжение сети теряется на дросселе и в цепи переменного тока благодаря боль­шому индуктивному сопротивлению рабочей обмотки дросселя идет малый ток. Следовательно, в этом случае мощность на потреби­теле мала.

2. Режим стабилизации тока. При работе дрос­селя насыщения в режиме стабилизации тока ток в цепи подмагничивания изменяют таким образом, чтобы величина переменного тока, проходящего через дроссель и потребитель, оставалась неизменной при колебаниях сетевого напря­жения или изменениях сопро­тивления потребителя.

3. Режим магнитного усилителя. При работе в режиме магнитного усилителя для случая, когда сопротивление потребителя во много раз меньше индуктивного сопротивления рабочей обмотки, траектория рабочей точки на вольтамперных характеристиках дросселя насыщения будет выражаться прямой, параллельной оси абсцисс.

Во всех разобранных режимах работы дросселя насыщения его выгодно эксплуатировать только в пределах прямолинейных участ­ков динамических характеристик, так как при заходе в криволи­нейную область трудно создать устройства, обеспечивающие не­обходимые изменения тока управления.