Електричні машини

§ 21.1. Пікові і імпульсні трансформатори

§ 21.1. Пікові і імпульсні трансформатори
Під піковим трансформатором розуміють спеціальний тип трансформатора, що служить для перетворення первинної напруги синусоїдальної форми у вторинну напругу шпилястого виду. Ці трансформатори набутили практичного застосування в установках з тиратронами і ртутними випрямлячами, забезпеченими регулюючими сітками, і є в них одним з необхідних елементів. Вони також зустрічаються в системах автоматики й індикаторних схемах деяких радіоприладах для перетворення синусоїдальних коливань напруги в імпульсні.
Принцип одержання пікової форми кривої напруги в трансформаторі ґрунтується на ущільненні кривої магнітного поля в його сердечнику в часі. Якщо в первинну обмотку трансформатора з насиченим сердечником включити послідовно індуктивність незмінної величини (див. рис. 21.1), то при загальній синусоїдальній напрузі крива магнітного поля в часі в сердечнику трансформатора ущільнюється, а криві первинної й вторинної е.р.с., як похідні від поля за часом, загострюються. Цей принцип і лежить в основі роботи пікових трансформаторів.
По конструкції сердечника однофазні пікові трансформатори можуть бути наступних типів:
1) стержневого типу: а) з послідовно включеною в первинне коло індуктивною котушкою без сталевого сердечника (див. рис. 21.1); б) з магнітним шунтом 1 (рис. 21.3);
2) броньового типу з магнітними шунтами (рис. 21.4).
Для сердечників таких трансформаторів доцільно застосовувати спеціальні магнітні сплави, як, наприклад, пермалой або інші, які насичуються при перевищенні певного значення м.р.с. намагнічуючої обмотки.
Імпульсним трансформатором називають спеціальний тип трансформатора, що служить для трансформації короткочасних імпульсів напруги приблизно прямокутної форми тривалістю порядку декількох мікросекунд і менше, що періодично повторюються із частотою приблизно 500—2000 Гц або більше. У деяких випадках частота проходження імпульсів може бути значно вища зазначеної. Ці трансформатори знаходять широке застосування в радіолокації, телебаченні й імпульсному радіозв'язку. За їх допомогою у цих областях техніки здійснюється підвищення амплітуди імпульсу напруги, узгодження повних опорів джерела напруги і навантаження, зміна полярності імпульсів і міжкаскадний зв'язок у підсилювачах.
Імпульсні трансформатори повинні задовольняти вимозі можливо меншого викривлення передачі форми трансформуємих імпульсів напруги. Викривлення форми цих імпульсів обумовлюється виникненням у трансформаторах паразитних перехідних процесів внаслідок наявності в них ємностей і індуктивностей розсіювання обмоток. Ці параметри обмоток є значною перешкодою проходженню через трансформатор дуже коротких імпульсів напруги.
Для зменшення викривлення форми трансформуємих імпульсів напруги необхідно при проектуванні імпульсних трансформаторів прагнути до більшого зменшення зазначених параметрів їхніх обмоток шляхом застосування сердечників зі спеціальних магнітних сплавів і використання обмоток належної конструкції. При цьому велике значення має зменшення розмірів сердечника й числа витків обмоток.
По конструкції сердечників імпульсні трансформатори, як і звичайні силові трансформатори малої потужності, можуть бути стержневого й броньового типів. Однак малі імпульсні трансформатори, застосовувані, наприклад, для блокінг-генераторів або в якості міжкаскадних трансформаторів у підсилювачах, здебільшого виконуються стержневого типу.
Матеріалом для сердечників імпульсних трансформаторів зазвичай служить листова гарячекатана електротехнічна сталь марки Э44 і холоднокатана сталь марок Э310 і Э340 товщиною листа 0,10 ÷ 0,20 мм (ДЕРЖСТАНДАРТ 802-58). Застосовують також спеціальні магнітні сплави тієї ж або меншої товщини, як, наприклад, пермалой різних марок і т.д. Ці матеріали випускають як в листах, так і у вигляді стрічки. Вони мають підвищені магнітні властивості в напрямку прокатки, тому сердечники імпульсних трансформаторів часто виготовляють із довгої стрічки (навитого типу), спрямованої по шляху замикання магнітного поля (рис. 21.6).
Як ізоляція між аркушами сердечника цих трансформаторів служить порошкоподібний окис кремнію або магнію і оксидна ізоляція.
Для сердечників малих імпульсних трансформаторів, призначених для трансформування імпульсів напруги тривалістю менш 1 мкс при більших частотах їхнього проходження, застосовують магнітний матеріал, названий феритом. По своїх магнітних властивостях ферити відносяться до низькокоерцитивних магнітних матеріалів. Завдяки високому питомому електричному опору феритів магнітні втрати на вихрові струми в них у змінних магнітних полях при більших частотах виходять незначними. Ферити являють собою пресований матеріал із дрібнозернистою структурою. Вони мають значну твердість і тому погано піддаються обробці звичайним різальним інструментом. Їхня механічна обробка можлива тільки за допомогою абразивів.
Різні виконання сердечників малих імпульсних трансформаторів стрижневого типу представлені на рис. 21.6.
Обмотки малих імпульсних трансформаторів виконують зазвичай одно- або двошаровими циліндричного типу з метою зменшення індуктивності розсіювання. Особливістю конструкції малих імпульсних трансформаторів є компактність їхнього сердечника й обмоток для забезпечення можливо менших значень індуктивності розсіювання й розподіленої ємності. У зв'язку із цим при дуже малих потужностях в імпульсі нерідко доводиться застосовувати нерозрізні тороїдальні сердечники (див. рис. 21.6).
Принцип дії імпульсного трансформатора представляється в наступному вигляді. Якщо до первинної обмотки його підводиться прямокутний імпульс напруги u1=U1=const, то швидкість зміни магнітної індукції в сердечнику трансформатора повинна бути постійною, тому що
отже, індукція в сердечнику Вс = f(t) повинна наростати в часі за лінійним законом (рис. 21.7).
Збільшення магнітної індукції (Т) у сердечнику трансформатора
де w1 — число витків первинної обмотки; Qc — поперечний переріз стержня сердечника, см2; U1 — амплітуда імпульсу первинної напруги, В; t — час, мкс.
При лінійному наростанні в часі індукції в сердечнику намагнічуючий струм iм імпульсного трансформатора за час дії імпульсу напруги також наростає за лінійним законом (див. рис. 21.7).
До моменту закінчення дії імпульсу напруги t = τи збільшення індукції (Т) у сердечнику, відповідно до рівняння (21.6), досягає величини
де τи — тривалість імпульсу напруги, мкс.
При періодичному намагнічуванні сердечника імпульсного трансформатора в ньому має місце гістерезис, що характеризується певною петлею із залишковою індукцією Вr і коерцитивною силою Нс. У цьому випадку при періодично повторюваних з певною частотою прямокутних імпульсах напруги тривалістю τи мкс, процес намагнічування сердечника трансформатора буде протікати по ряду частотних циклів, поки не досягне граничного частотного циклу петлі гістерезису (рис. 21.8).
Петля граничного частотного циклу визначає магнітну проникність μΔ на цьому циклі:
де k' — масштабний коефіцієнт.
Для імпульсного режиму роботи трансформатора найбільш підходящими є такі магнітні матеріали, які мають низьку величину залишкової індукції Вr і високі значення індукції насичення Bs (див. рис. 21.8). Це дозволяє одержати досить високі наростання індукції в сердечниках трансформаторів:
ΔВмакс=Вs–Вr.
Навантаженням імпульсного трансформатора зазвичай є нелінійний опір, що має приблизно активний характер, як, наприклад, магнетронний генератор, ламповий генератор, коло сітки генераторної лампи або в деяких випадках чисто активний опір. Нелінійний характер опору навантаження за час дії імпульсу напруги порівняно мало впливає на перехідні процеси в трансформаторі, тому даний опір практично можна приймати активним, рівним деякому постійному середньому значенню. Через такий характер навантаження віддаваєма вторинною обмоткою імпульсного трансформатора потужність зазвичай вимірюється у ватах або кіловатах.
В імпульсних трансформаторах малої потужності віддаваєма вторинною обмоткою потужність в імпульсі перебуває в діапазоні від декількох десятків ват до декількох сотень кіловат, що відповідає середній потужності трансформатора за період посилки імпульсу в межах від одиниць до декількох сотень ват. Таке співвідношення між середньою й імпульсною потужностями трансформатора обумовлюється тим, що тривалість імпульсу τи вимірюється мікросекундами, а період посилки його Тп — мілісекундами, так що відношення τи до Тп становить величину порядку 10-3.
Середня віддаваєма потужність (Вт) імпульсного трансформатора
де P2 = U2I2 = U22/RH — потужність вторинної обмотки трансформатора в імпульсі, Вт; fп = 1/Тп — частота проходження імпульсів, Гц; τи – тривалість імпульсу напруги, с.