Как узнать мощность импульсного трансформатора. Расчет и изготовление импульсного трансформатора для блока питания: пошаговое руководство

Сегодня же я хочу поговорить о ручном расчете импульсного трансформатора. «Зачем это нужно?», может спросить читатель. Во-первых, ручной расчет трансформатора подразумевает полное понимание процессов, происходящих в источнике питания, чего зачастую не происходит, если начинающий радиолюбитель рассчитывает трансформатор в специальном ПО. Во-вторых, ручной расчет позволяет выбирать оптимальные параметры функционирования источника (и иметь представление, какой параметр в какую сторону надо изменить для достижения заданного результата) еще на этапе разработки.

Итак, начнем. Структурная схема ОИП представлена на рис. 1. Он состоит из следующих основных функциональных узлов: ключ Sw, трансформатор Т1, выпрямитель выходного напряжения VD1 и C2, фильтр высокочастотных помех С1 и снаббер Snb.

Рис. 1

Работает такой источник следующим образом (см. упрощенные графики на рис. 2): в начальный момент времени t0 ключ Sw открывается, подавая входное напряжение Uin на первичную обмотку трансформатора Т1. В это время напряжение на нижнем выводе обмотки I (точка а) равно нулю (относительно отрицательного провода входного напряжения), в обмотке I начинает линейно нарастать ток, а на обмотке II появляется напряжение, пропорциональное коэффициенту трансформации Т1 (UoutInv). Но полярность этого напряжения оказывается отрицательной (на верхнем по схеме выводе обмотки II, точка b), поэтому диод VD1 закрыт и напряжение на выходной конденсатор С2 не проходит. За промежуток Ton (от t0 до t1) ток через обмотку I линейно нарастает до значения Imax, и энергия запасается внутри трансформатора Т1 в виде магнитного поля.

Рис. 2

В момент времени t1 ключ Sw резко закрывается, ток через обмотку I прекращается и в ней возникает ЭДС самоиндукции, направленная так, чтобы продолжить прекратившийся ток. В этот момент обмотка I сама становится источником напряжения. Так получается потому, что энергия в катушке индуктивности запасается в виде тока (на самом деле, в виде магнитного поля, но он пропорционален току через катушку, поэтому формула энергии в катушке A = LI²/2), но по закону сохранения энергии она не может исчезнуть бесследно, она должна куда-то перейти. Следовательно, ток в катушке не может прекратиться мгновенно, поэтому катушка сама становится источником напряжения, причем любой амплитуды (!) – такой, чтобы обеспечить сразу после закрытия ключа продолжение того же самого тока Imax. Это является первой важной особенностью катушки индуктивности, которую следует запомнить – при резком прекращении тока в катушке, она становится источником напряжения любой амплитуды, пытаясь поддержать прекратившийся в ней ток, как по направлению, так и по амплитуде. Какой же именно «любой» амплитуды? Достаточно большой, чтобы, например, вывести из строя высоковольтный ключ или образовать искру в свече зажигания автомобиля (да, в зажигании автомобиля использует именно это свойство катушек индуктивности).

Все, что описано выше так и происходило бы, если бы обмотка I была единственной обмоткой трансформатора Т1. Но в нем еще есть обмотка II, индуктивно связанная с I. Поэтому, в момент времени t1 в ней тоже возникает ЭДС, направленная так, что в точке b оказывается плюс по отношению к земле. Эта ЭДС открывает диод VD1 и начинает заряжать конденсатор C2 током I2max. Т.е. заряд конденсатора C2 и передача энергии в нагрузку происходит в тот момент времени, когда ключ Sw закрыт. Именно поэтому источники питания, построенные по такому принципу, называют обратноходовыми – потому что в них нет прямой передачи энергии из высоковольтной части в низковольтную, энергия сначала запасается в трансформаторе, а потом отдается потребителю.

В интервал времени от t1 до t2 линейно спадающий от I2max до 0 ток I2 вторичной обмотки поддерживает магнитное поле внутри катушки в соответствии с законом сохранения энергии и не дает напряжению на первичной обмотке (т.к. они индуктивно связаны) вырасти до неконтролируемого значения. Напряжение на обмотке I в этот момент становится равно напряжению выхода, умноженному на коэффициент трансформации Т1. Однако, полярность этого напряжения такова, что оно складывается с входным напряжением Uin и прикладывается к закрытому ключу Sw. Т.е. на закрытый ключ Sw прикладывается напряжение больше входного! Это также является важной особенностью ОИП, которую следует запомнить.

В момент времени t2 энергия, запасенная в трансформаторе Т1 заканчивается, диод VD1 закрывается, напряжение в точке b становится равным нулю, в точке a – входному напряжению питания, и все процессы в схеме прекращаются до момента t3, когда весь цикл повторяется с самого начала. При этом, в интервалах времени t0-t1 и t2-t4 питание нагрузки осуществляется исключительно за счет энергии, запасенной выходным конденсатором С2.

Описанный режим работы ОИП называется режимом разрывных токов – т.е. за интервал Toff (t1-t3) вся энергия, запасенная в трансформаторе Т1 передается в нагрузку, поэтому, в момент t3 ток через первичную обмотку I начинает нарастать с нуля. Существует также режим неразрывных токов, когда на момент t3 некоторая часть энергии еще продолжает находиться в трансформаторе Т1, и ток через обмотку I в момент t3 начинается не с нулевого значения. Данный режим имеет свои особенности, преимущества и недостатки, о которых мы поговорим в следующий раз.

Итак, какими основными особенностями обладает ОИП в режиме разрывных токов? Выпишем основные пункты:

1. Передача энергии от источника к потребителю в ОИП не идет напрямую, энергия сначала запасается в трансформаторе, а затем передается в нагрузку. Это однозначно определяет фазировку первичной и вторичной обмоток, а также заставляет использовать только однополупериодный выпрямитель на выходе блока. Также отсюда следует неявный вывод 2, который, как показала моя личная практика, к сожалению, не до конца понимают даже достаточно опытные конструкторы блоков питания.
2. Максимальная мощность, которую может выдать ОИП в нагрузку, кроме всего прочего, ограничена максимальным количеством энергии, которую может запасти трансформатор! А это, в свою очередь, определяется конструктивными особенностями сердечника и не зависит от обмоток и количества их витков (ниже в статье я рассмотрю данный «парадокс» отдельно и приведу математические доказательства). Эта особенность ограничивает применение ОИП там, где нужны большие выходные мощности.
3. Низковольтная цепь ОИП состоит из диода, конденсатора и, возможно, дополнительных фильтрующих элементов. Однако, в ОИП первым всегда стоит диод, затем идет конденсатор и никак иначе.
4. В установившемся режиме работы ОИП количество энергии, полученное первичной обмоткой I трансформатора Т1 за время Ton равно (без учета потерь) количеству энергии, отданному обмоткой II за время Toff. Поскольку скорость приема или отдачи энергии катушкой определяется напряжением на ней, то зависимость между напряжением «заряда» и «разряда» определяется именно интервалами Toff и Ton. Т.е., по сути, в самом сложном режиме работы блока Duty cycle (коэффициент заполнения, D), равный Ton/(Ton + Toff) определяет отношение обратного напряжения на обмотке I к напряжению питания Uin. Этот пункт будет пояснен подробнее ниже.
5. По закону сохранения энергии, ток I2max, отдаваемый обмоткой II в нагрузку в момент времени t1 численно равен току Imax, только что протекавшему в первичной обмотке, умноженному на отношение количества витков в обмотке I к количеству витков в обмотке II (пояснение ниже).
6. Импульсное значение тока I2max значительно превышает средний выходной ток блока питания (в 2.5 и более раз), поэтому на выпрямительном диоде VD1 может рассеиваться значительная мощность. Именно эта особенность ограничивает применение ОИП там, где нужны большие выходные токи.
7. То же самое (высокое импульсное значение тока) относится и к вторичной обмотке II.
8. Обратное напряжение на диоде VD1 в несколько раз выше выходного напряжения. Это происходит из-за того, что обычно обратное напряжение на первичной обмотке (которое является прямым для диода) выбирается в несколько раз ниже входного, поэтому входное (которое является обратным для диода) после трансформации оказывается в несколько раз выше выходного.

U(t) = L*(dI(t)/dt),

которая означает, что напряжение на катушке прямо пропорционально ее индуктивности, умноженной на скорость изменения тока в ней. Что это нам дает? Прежде всего, то, что если мы прикладываем к катушке постоянное напряжение U, то скорость изменения тока в ней постоянна. Это позволяет переписать формулу для постоянного напряжения без дифференциалов:

U = L*(ΔI/Δt),

и именно в соответствии с этой формулой графики тока на рис. 2 прямые. Далее, если мы прикладываем напряжение Uin к катушке на время Ton, ток в ней возрастет до значения

Imax = Uin*Ton/L

Теперь мы хотим (в самом нагруженном режиме работы), чтобы вся энергия катушки, которую мы только что набрали, была передана в нагрузку за интервал Toff, т.е. на момент t3 ток в катушке должен упасть до нуля. Здесь для упрощения представим, что мы как подаем, так и снимаем напряжение/ток с одной и той же катушки I, позже я объясню, почему такое допущение возможно. Посчитаем, на какое напряжение мы можем «разряжать» катушку, чтобы ток в момент t3 достиг нуля:

Udis = L*Imax/Toff,

Подставляем и упрощаем:

Udis = L*Uin*Ton/(L*Toff) = Uin*Ton/Toff

Т.е. напряжение, на которое мы должны «разряжать» катушку в моменты закрытия ключа Sw зависит только от входного напряжения и интервалов «заряда»-«разряда». Вспомним формулу коэффициента заполнения D:

D = Ton/(Ton + Toff),

таким образом:

Udis = Uin*D/(1 – D)

Но, напряжение, на которое мы «разряжаем» катушку – это и есть то обратное напряжение, которое возникает в первичной обмотке в моменты закрытия ключа. Т.е. мы получили, что оно зависит только от входного напряжения и коэффициента заполнения D и определяется формулой:

Uinv = Uin*D/(1 – D)

При работе в реальных условиях значение коэффициента заполнения D будет меняться в зависимости от входного напряжения и нагрузки блока питания. Свое максимальное значение D будет принимать при минимальном входном напряжении и максимальной выходной мощности — этот режим работы считается самым сложным, и данное максимальное значение D и задается при проектировании блока. Что будет в те моменты, когда входное напряжение блока будет выше или нагрузка будет неполной? D будет принимать меньшие значения, т.к. от более высокого напряжения энергия быстрее «запасется» в первичной обмотке, или же (в случае меньшей нагрузки) надо просто «запасать» меньшее количество энергии. В любом случае, обратное напряжение на первичной обмотке будет всегда одинаковым, т.к. оно жестко связано с выходным напряжением, а то, в свою очередь, стабилизируется схемой. Итак, максимальное обратное напряжение на ключе равно:

Usw = Umax + Umin*D/(1 – D)

Это важный момент при проектировании ОИП, т.к. обычно максимальное обратное напряжение на ключе является исходным параметром, т.е. максимальный коэффициент заполнения D также является исходной величиной. На практике обычно применяют следующие максимальные значения D: 25% (1/4), 33% (1/3) и реже 50% (1/2). Как вы понимаете, в последнем случае максимальное обратное напряжение на ключе будет равно удвоенному минимальному входному напряжению, что усложняет выбор полупроводникового прибора. Более низкие максимальные значения D, в свою очередь, снижают максимальную мощность при том же токе Imax, затрудняют процесс управления ключом Sw и снижают стабильность работы блока.

Почему же здесь мы применили допущение, что мы как подаем энергию, так и снимаем ее с первичной обмотки I, и что будет в реальности, когда снимается энергия с катушки II? То же самое. Напряжение на выводах любой обмотки трансформатора пропорционально скорости изменения магнитного поля в сердечнике (а поле пропорционально току, поэтому напряжение пропорционально скорости изменения тока). Поэтому не важно, с какой обмотки мы будем снимать энергию, если мы будем делать это с одной и той же скоростью, магнитное поле в трансформаторе будет уменьшаться одинаково, а на выводах первичной обмотки будет одно и то же напряжение. Но на какое напряжение надо «разряжать» вторичную обмотку, чтобы снятие энергии происходило с той же самой скоростью? Для этого сначала рассмотрим ток во вторичной обмотке.

Пояснение к п. 5. Пусть обмотка I имеет N1 витков, в то время как обмотка II – N2. Магнитное поле создается током, проходящим через каждый виток катушки, т.е. оно пропорционально произведению I*N. Тогда, получаем Imax*N1 = I2max*N2 (исходя из того, что обе обмотки намотаны в абсолютно одинаковых условиях), отсюда начальный ток вторичной обмотки:

I2max = Imax*N1/N2

Итак, ток во вторичной обмотке будет в N1/N2 раз выше, чем в первичной. Но на какое напряжение мы должны «разряжать» вторичную обмотку, чтобы к моменту t3 потратить всю энергию, запасенную в трансформаторе? Очевидно, что делать это мы должны с точно такой же скоростью; т.е. в каждый отдельный момент времени трансформатор будет терять одно и то же значение энергии dA(t). Но в первом случае dA(t) = Udis*I1(t)*dt (получено из A = W*T, W = U*I), а теперь это будет dA(t) = Uout*I2(t)*dt. Приравняем эти две функции:

Uout *I2(t) = Udis*I1(t), следовательно, в самом начале «разряда» моментальные мощности разряда должны быть равны:

Uout*I2max = Udis*Imax,

Uout = Udis*Imax/I2max = Udis*Imax/(Imax*N1/N2) = Udis*N2/N1

Т.е. для того, чтобы потратить всю энергию трансформатора к моменту t3, мы должны «разряжать» вторичную обмотку II на напряжение Udis*N2/N1, при этом ток разрядки будет линейно падать от Imax*N1/N2 до нуля. Таким образом, мы установили связь между выходным напряжением блока, количеством витков в обмотках и обратным напряжением на первичной обмотке трансформатора.

На этом сугубо теоретическая часть заканчивается, и мы можем перейти к практике. Первый вопрос, который, скорее всего, возникает на данный момент у читателя – это с чего вообще начать разработку ОИП? Ниже я приведу рекомендованную последовательность шагов. Начнем с ситуации, когда трансформатор планируется изготовить полностью самостоятельно (на него нет жестких ограничений).

1. Определяем выходные напряжения и токи источника питания.
2. Увеличиваем выходные напряжения на величину, падающую на выпрямительных диодах (VD1). Лучше всего воспользоваться справочной информацией, но в первом приближении можно брать 1В для обычных кремниевых диодов и 0.3В для диодов Шоттки. Особую точность следует соблюдать, когда ОИП имеет несколько выходных обмоток с разным напряжением, т.к. стабилизовать напряжение возможно только на одной из них.
3. Считаем суммарную выходную мощность трансформатора.
4. Считаем расчетную входную мощность блока как Pin = Pout/0.8 (здесь берется КПД блока 80%).
5. Определяем частоту преобразования F. Обычно выбирается частота от 20КГц до 150КГц. Частоты ниже 20КГц могут быть слышны человеческому уху (блок будет «пищать»), частоты выше 150КГц накладывают более серьезные ограничения на элементную базу, также увеличиваются потери на переключение полупроводников (ключа и диодов). Увеличение частоты преобразования позволяет уменьшить габариты трансформатора, наиболее распространенный диапазон частот для ОИП: от 66 до 100 Кгц.
6. Вычисляем максимальное входное напряжение, от которого нам придется работать. Обычно оно вычисляется как выпрямленное напряжение сети +20%, т.е. Umax = Uсети*1.7 (391В для сети 230В). На это напряжение также должен быть рассчитан конденсатор входного фильтра (не менее 400В в данном случае).
7. Вычисляем минимальное входное напряжение, от которого нам придется работать. Обычно вычисляется как минимальное допустимое рабочее напряжение -20%, минус просадка напряжения на фильтрующем конденсаторе за полупериод входного напряжения. Для сети 230В и емкости конденсатора входного фильтра из расчета не менее 1мкф на 1 ватт нагрузки, можно брать (в среднем) значение Umin = 220В. Если представить, что напряжение на конденсаторе вообще не просаживается от одного полупериода входного напряжения до другого, то Umin можно взять 260В.
8. Определяем коэффициент заполнения D исходя из максимально допустимого обратного напряжения на ключе (считается по формуле Uinv = Umax + Umin*D/(1 – D)).
9. Рассчитываем количество энергии, которую необходимо передать во вторичную обмотку за один импульс: Aimp = Рin*1s/F = Рin/F.
10. Решаем систему уравнений для самого тяжелого режима работы: A = LImax²/2, Umin = LImax*F/D, получаем L = Umin²*D²/(2*Aimp*F²), Imax = Umin*D/(L*F) – это будет требуемая индуктивность первичной обмотки и максимальный ток, протекающий через нее.
11. Исходя из полученного Imax выбираем ключ.
12. Если Imax получился несколько больше, чем может обеспечить имеющийся (выбранный) ключ, меняем исходные параметры – увеличиваем D (насколько возможно исходя из допустимого обратного напряжения ключа), увеличиваем емкость фильтрующего конденсатора, чтобы поднять Umin. На первый взгляд может показаться удивительным, но максимальный ток в первичной обмотке не зависит от частоты – если всё подставить в формулы, получим Imax = 2*Pin/(Umin*D). Исходя из этой формулы, можно было рассчитать максимальный ток и на этапе 8 (сразу после выбора D), но там было бы сложно объяснить, откуда взялся такой расчет.
13. Если значение Imax все равно оказывается больше допустимого и увеличить его никак нельзя, следует рассмотреть конструкцию ОИП в режиме неразрывных токов.
14. Исходя из требуемой индуктивности первичной обмотки и максимального тока в ней, выбираем сердечник трансформатора, рассчитываем необходимый зазор и количество витков первичной обмотки (формулы будут ниже в статье).
15. По формуле N2 = Uout*N1*(1 – D)/(Umin*D) рассчитываем количество витков вторичной обмотки.
16. Определяем среднеквадратичное значение токов в обмотках трансформатора по формуле Irms = Imax*SQRT(D/3), исходя из которых рассчитываем диаметр провода, необходимого для намотки. Чаще всего в импульсных источниках питания применяется плотность тока от 2 до 5 А/мм².
17. Мотаем трансформатор по всем правилам намотки трансформаторов для ОИП.
18. Для того, чтобы убедиться в правильности намотки, измеряем индуктивность первичной обмотки.

Насколько же велико это максимальное значение плотности потока магнитной индукции? Для наиболее распространенного материала сердечников – феррита – оно считается равным 0.3Т. Это – среднее значение, оно может отличаться для каждого конкретного материала, поэтому здесь неплохо обратиться к справочнику. Также, оно зависит от температуры сердечника и, как вы, наверное, уже догадались, падает с ее увеличением. Если вы проектируете ОИП, предназначенный для работы в экстремальных условиях, где температура сердечника может доходить до 125 градусов, уменьшайте Bmax до 0.2Т.

Основная формула, которой вам придется пользоваться при расчете трансформаторов – это индуктивность обмотки по ее габаритам:

L = (μ0*μe*Se*N²)/le, где

μ0 – абсолютная магнитная проницаемость вакуума, 4πе-7,
μe – эффективная магнитная проницаемость сердечника,
Se – эффективная площадь сечения магнитопровода, м².
N – количество витков
le – длина средней магнитной линии сердечника, м

Плотность потока магнитной индукции в сердечнике:

B = (μ0*μe*I*N)/le, где

I – ток через обмотку, А

Таким образом, исходя из максимальной допустимой плотности потока магнитной индукции, максимально допустимый ток для обмотки будет равен:

Imax = (Bmax*le)/(μ0*μe*N)

А теперь еще один очень важный момент – на практике, если подставить реальные данные трансформатора в вышеприведенные формулы, окажется, что максимально допустимый ток в первичной обмотке оказывается в несколько раз меньше того, который нам нужен! Т.е. сердечник будет введен в насыщения еще до того, как мы сможем «вкачать» в него требуемую энергию Aimp. Так что же делать, не увеличивать же габариты трансформатора до неприличных значений?

Нет. Надо вводить в сердечник немагнитный зазор! Введение немагнитного зазора сильно снижает эффективную магнитную проницаемость сердечника, позволяя пропускать через обмотки значительно больший ток. Но, как вы понимаете, это потребует большего числа витков для достижения требуемой индуктивности обмотки.

Рассмотрим формулы для сердечника с зазором. Эффективная магнитная проницаемость сердечника с зазором:

μe = le/g, где

g – суммарная толщина зазора, м.

Следует отметить, что данная формула справедлива только если получаемая μe много меньше исходной магнитной проницаемости (несколько раз), а g много меньше размеров поперечного сечения сердечника. Итак, рассмотрим формулу индуктивности обмотки на сердечнике с зазором:

L = (μ0*Se*N²)/g

Формула от введения зазора стала только проще. Максимально допустимый ток через обмотку:

Imax = (Bmax*g)/(μ0*N)

Ну и последняя формула, которую можно вывести и самостоятельно. Размер зазора для заданного тока:

g = (I*μ0*N)/Bmax

А теперь сделаем интересный вывод. Как вы помните, энергия, запасенная в катушке, выражается формулой A = LI²/2. Так какую максимальную энергию можно запасти в каком-то абстрактном сердечнике? Подставим данные в формулы.

Amax = (μ0*Se*N²)*(Bmax*g) ²/((μ0*N) ²*2g) = Se*g*Bmax²/2μ0

Сейчас вы можете удивиться, но максимальная энергия, которую можно запасти в сердечнике, не зависит от того, какие обмотки на нем намотаны! Но это и логично, ведь энергия выражается в магнитном поле, а обмотки лишь позволяют его менять в ту или другую сторону! Количество витков в обмотках определяет только скорость, с которой магнитная индукция может достигнуть своего максимального значения при данном подведенном напряжении, но это максимальное значение определяется только конструкцией сердечника!

Данный вывод имеет огромное значение при проектировании ОИП на унифицированных сердечниках. Если перед вами стоит именно такая задача, то, прежде всего, вам необходимо рассчитать, какое максимальное количество энергии способен «впитать» выбранный сердечник за один импульс, чтобы понять, подходит ли он для вашей мощности блока. Как вы понимаете, в этом случае максимальную мощность блока можно повысить только за счет повышения частоты преобразования – чем чаще мы будем перекачивать энергию Amax от входа на выход, тем большую мощность блока в результате сможем получить.

Также, из полученной формулы видно, что количество энергии, которое может «уместиться» в сердечнике прямо пропорционально немагнитному зазору! Это позволяет использовать маленькие сердечники на больших мощностях за счет увеличения зазора в них. Ограничением теперь будет только физические размеры – увеличение зазора вызывает уменьшение магнитной проницаемости, что требует большее количество витков.

А теперь вернемся к структурной схеме ОИП на рис. 1. В ней остались два блока, о которых я ничего не сказал – это конденсатор С1 и снаббер Snb.

Назначение конденсатора С1 – заземление выходной части блока по высоким частотам. Дело в том, что любой трансформатор, даже намотанный по всем правилам с экранами, имеет какую-то межобмоточную емкость. Прямоугольное высокочастотное напряжение огромной амплитуды из точки а проходит через эту емкость в выходные цепи блока. Конденсатор С1, имеющий емкость намного больше емкости трансформатора Т1, заземляет выход блока по высоким частотам. Значение емкости этого конденсатора в ОИП чаще всего выбирают в районе 2нф, напряжение – около киловольта. Если предполагается жесткое заземление выхода блока (например, используется только розетка с заземлением), С1 можно не ставить.

Необходимость в Снаббере Snb также вытекает из неидеальности трансформатора Т1, но уже совсем другого рода. Не смотря на то, что обмотки I и II индуктивно связаны между собой, эта связь не составляет 100%. В схемотехнике ОИП принято говорить, что обмотка I представляет собой две части, соединенные последовательно, где первая полностью индуктивно связана с обмоткой II, а вторая – полностью изолирована от нее. Эту вторую часть обмотки I называют «индуктивностью рассеяния».

Когда в момент t1 ток в первичной обмотке (обоих частях ее) резко прекращается, индуктивность рассеяния также пытается его продолжить. А так, как она не связана ни с какой другой обмоткой, она генерирует высоковольтный импульс, прикладываемый к закрытому ключу Sw. Энергия этого импульса во много раз меньше полезной энергии Aimp (чем лучше трансформатор, тем она меньше вообще), но и ее может оказаться достаточно, чтобы повредить ключ (в случае с биполярным транзистором, например, ее вполне хватит для лавинного пробоя). Для защиты ключа от этого импульса, он гасится на специальном схемном решении.

Рис. 3

Самый простой вариант – RCD снаббер, выполненный из диода, конденсатора и резистора (см. рис. 3). Обратное напряжение, возникающее на обмотке I, открывает диод VD и начинает заряжать конденсатор С. В результате, вся энергия импульса передается в конденсатор. В перерывах между импульсами конденсатор разряжается через резистор R. Т.е. энергия, снимаемая с индуктивности рассеяния, превращается в конечном счете в тепло на резисторе R, поэтому мощность этого резистора должна быть значительной (достигает единиц ватт). Преимуществом снаббера можно считать его схемную простоту, и то, что часть энергии из конденсатора С можно выкачать обратно в трансформатор Т применяя медленный диод VD, но эти процессы уже несколько сложней нашей простой статьи. Основным же недостатком снаббера является то, что на нем падает и полезная мощность! Ведь рабочее обратное напряжение первичной обмотки Vinv также заряжает конденсатор до этого значения, т.е. полезная мощность Uinv²/R теряется впустую.

Схемным решением, лишенным этого недостатка является супрессор. Он представляет собой последовательно соединенный быстрый диод VD1 и мощный и быстрый стабилитрон VD2. Когда индуктивность рассеяния генерирует свой высоковольтный импульс, он открывает диод VD1, пробивает стабилитрон VD2 и энергия импульса рассеивается на нем. Стабилитрон VD2 выбирается с большим напряжением пробоя, чем обратное напряжение Uinv, поэтому он не рассеивает полезной мощности блока. К недостаткам супрессора можно отнести более высокий уровень электромагнитных помех, связанный с резким открытием и закрытием полупроводниковых приборов.

Что будет, если этот высоковольтный импульс не погасить ничем? В случае биполярного ключа, скорее всего, в нем возникнет лавинный пробой и блок питания перейдет в режим кипятильника. Современные же полевые транзисторы устойчивы к лавинному пробою и позволяют рассеивать некоторое количество энергии на стоке (это описано в документации), поэтому такой транзистор может работать и без снаббера или супрессора – его роль будет выполнять сам транзистор. Более того, я встречал некоторые дешевые китайские блоки питания, в которых так и было сделано. Однако, я настоятельно не рекомендую такой режим работы, т.к. он дополнительно снижает надежность блока. Супрессорный диод (стабилитрон) стоит очень дешево и рассчитан на колоссальные импульсные мощности (600W, 1.5KW), так почему бы не применять его по назначению?

Также из вышеописанного следует еще один вывод. Независимо от того, решили ли вы применять снаббер или супрессор, обратное напряжение на закрытом ключе будет еще выше, чем рабочее рассчитанное значение Usw! Это следует иметь в виду при выборе ключа.

Обычно современные ключевые транзисторы и микросхемы имеют допустимое обратное напряжение 600 – 800 вольт. При Umax = 391В, Umin = 220В, обратное напряжение на ключе Usw будет иметь следующие значения (в зависимости от D): D = 25%, Usw = 464B; D = 33%, Usw = 501B; D = 50%, Usw = 611B. Это означает, что для ключей с максимальным обратным напряжением 600В следует выбирать только D = 33% или меньше. Для ключей с обратным напряжением 700В можно выбирать D = 50%.

Ну и в завершении статьи приведу простой пример расчета ОИП. Допустим, мы хотим сделать простой блок питания, позволяющий получить на своем выходе 12В 1А. Рассчитаем его по пунктам:

1. Выход блока – 12В 1А.
2. До выходного диода (будем применять обычный кремниевый) должно быть 13В.
3. Выходная мощность трансформатора – 13Вт.
4. Расчетная входная мощность блока Pin = 13/0.8 = 16Вт.
5. F = 100 КГц.
6. Umax = 391В.
7. Umin = 220В (емкость конденсатора входного фильтра – 22мкф).
8. D = 33%, Uinv = 110В, Usw = 501В. Будем ориентироваться на ключи с обратным напряжением 600В.
9. Aimp = 16/100000 = 1.6e-4Дж = 160мкДж.
10. L = 1.65е-3Гн = 1.65мГн, Imax = 0.44А
11. Производим выбор сердечника, расчет параметров намотки и зазора.

1. Umax = 391B
2. Umin = 85B (емкость конденсатора фильтра надо будет увеличить до 47мкф)
3. D = 60%, Uinv = 128В, Usw = 519В, Будем ориентироваться на ключи с обратным напряжением 600В.
4. Aimp = 16/100000 = 1.6e-4Дж = 160мкДж.
5. L = 813мкГн, Imax = 0.63А

Возможно, в данной статье не до конца рассмотрены все нюансы построения ОИП, однако ее объем и так получился больше, чем планировалось. Но тем не менее, я надеюсь, что она сможет помочь начинающим радиолюбителям понять принципы и самостоятельно создавать обратноходовые источники питания.

Что такое импульсный трансформатор?

Импульсные трансформаторы — это тип трансформаторов, которые проводят и направляют электрические токи в импульсном ритме, повышаясь и падая в волнах с постоянной амплитудой. Эти пульсирующие волны иногда также называют прямоугольными импульсами из-за их формы вверх-вниз при нанесении на карту; они больше похожи на прямоугольники, чем на холмистые импульсы от таких вещей, как, например, человеческое сердце.Большинство трансформаторов, используемых для питания таких вещей, как городские сети и стандартные электрические операции, обеспечивают более или менее постоянный или постоянный ток. Пульсирующие прямоугольные волны обычно не используются в этих сценариях, но есть несколько ситуаций, в которых они являются идеальными, если не требуются. К ним относятся определенные телекоммуникационные схемы и ситуации цифровой логики, а также некоторые ситуации освещения, такие как вспышки фотокамер в сложном фотографическом оборудовании. Некоторые радиолокационные системы также используют их. Обычно существует два основных типа сигналов, а именно , сигнал и , мощность .Каждый из них имеет разный темп, но, как правило, имеет очень низкий допуск на распределенную емкость и индуктивность рассеяния, а также высокую индуктивность разомкнутой цепи. Сборка для любого типа импульсного трансформатора, как правило, довольно сложная задача, но во многих местах имеются монтажные комплекты для опытных экспертов или любителей электроники.

Основная цель

Как правило, трансформаторы проводят электричество и фильтруют сигналы в различные посты контролируемым, рассчитанным способом.Импульсные трансформаторы ничем не отличаются, но отличаются тем, как они регулируют выход. Прямоугольные электрические импульсы имеют быстрое время спада и нарастания и необходимы для приложений, в которых используются такие вещи, как переключающие элементы или требуемый сброс энергии. Самые маленькие модели часто очень маленькие и используются в портативной электронике и многих цифровых приложениях. Помимо прочего, более крупные трансформаторы часто необходимы для управления потоком в мощных полупроводниках.

Типы Сигналов

Размер устройства и, соответственно, общая конструкция трансформатора определяет его функцию.Существует два основных типа импульсных трансформаторов: сигнал и мощность. Типы сигналов, являющиеся более мелкими трансформаторами, обрабатывают относительно низкие уровни мощности и передают серию импульсов или импульсных сигналов. Они используются в ситуациях, когда требуется всего несколько вольт в течение нескольких микросекунд, например в телекоммуникационных цепях и приложениях цифровой логики. Даже в некоторых приложениях освещения используются небольшие импульсные трансформаторы.

Power Pulse Models

Другим основным типом импульсного трансформатора является силовой импульсный трансформатор.Эти устройства требуют низких емкостей связи, что имеет решающее значение для защиты цепей на его первичной стороне от переходных процессов с высоким напряжением от электрической нагрузки. Силовые модели также требуют высокого напряжения пробоя и сопротивления изоляции для эффективной работы. Они должны иметь адекватный переходный отклик, чтобы удерживать прямоугольную форму импульса, поскольку импульсы с неоптимальным временем нарастания и спада имеют тенденцию вызывать потери переключения в большинстве силовых полупроводниковых приборов.

Устройства, такие как контроллеры для вспышек камер или другие схемы управления питанием, часто используют так называемый импульсный трансформатор средней мощности.Большие модели используются в отрасли распределения электроэнергии, где они облегчают взаимодействие между низковольтными цепями и затворами более высокого напряжения, обнаруженными в силовых полупроводниках. Некоторые специальные версии используются в радиолокационных системах и других приложениях, которые требуют импульсов большой мощности.

Высоковольтные трансформаторы

Существуют также устройства, схожие по функциям с обычными импульсными трансформаторами, которые называются высоковольтными импульсными трансформаторами.В отличие от традиционных трансформаторов, конструкция этих трансформаторов открыта и обычно используется в высоковольтном изоляционном масле. Типичные импульсные выходные напряжения находятся в диапазоне от 100 до 500 кВ. Длина импульса может варьироваться от 0,25 микросекунд до 50 микросекунд.

Сборочные комплекты и другие инструменты для оптимизации

Сборки для этих трансформаторов включают полный набор инструментов и оборудования, которые могут оптимизировать работу любого трансформаторного устройства.В дополнение к генерирующему импульсы трансформатору устройство обычно включает в себя монитор тока и напряжения, байпасные конденсаторы и трансформатор нагревателя. Приспособленная сеть, гнездо клистрона и система водяного охлаждения также являются частью сборки. Все эти компоненты являются частью схемы, которая поддерживает постоянную передачу импульсов и низкий уровень искажений. Конкретные измерения для каждой сборки, такие как количество киловольт, мегаватт и длительность импульса в микросекундах, приведены на веб-сайте компании или на этикетке продукта.

6 непростых для понимания терминов, связанных с силовым трансформатором, которые вы должны понимать

Темная сторона трансформатора

Существует множество терминов, связанных с работой силового трансформатора, которые можно легко визуализировать, что особенно важно для учащихся, например, например, конструкция трансформатора или принцип нормальной работы. С другой стороны, немногие не так просто представить и понять термины, которые можно «увидеть» только на практике.

Основы понимания силового трансформатора

Итак, эта техническая статья проливает свет на некоторые термины, такие как пусковые и намагничивающие токи, регулировка напряжения, векторные группы и т. Д.

1. Пусковой ток
2. Ток намагничивания
3. Регулировка вторичного напряжения
4. Соединение трансформатора (вектор) группы
5. Сопротивление короткого замыкания
6. Сопротивление последовательности трансформатора

1. Пусковой ток

Итак, почему этот бросок тока такой специфический? Возбуждение трансформатора создает очень высокий переходный пусковой ток, который может достигать пиковых значений, в десять раз превышающих пиковый номинальный ток. Это естественное явление и защита не должна работать!

Автоматический выключатель обеспечивает высокую гибкость, позволяющую избежать тока отключения, при этом сохраняя хороший уровень защиты благодаря характеристике времени / тока электронного реле.

Величина пускового тока является статистической переменной, и поэтому каждый случай при подаче питания на силовой трансформатор может отличаться от предыдущих.

Существуют различные факторы, влияющие на величину и скорость затухания пускового тока

Можно выделить следующие основные факторы:

Фактор № 1 — Момент времени на кривой синусоидального напряжения, когда происходит подача питания. Наихудшая ситуация была бы, когда на трансформатор подается напряжение при пересечении нуля .

Подключение при пересечении нуля напряжения приведет к тому, что магнитный поток достигнет двойного значения во время нормальной работы. В результате сердечник будет насыщаться, сильно снижая реактивное сопротивление обмотки и увеличивая ток.

Фактор № 2 — Значение и направление остаточного потока в сердечнике трансформатора. Значение и направление этого остаточного потока зависят от момента времени, когда трансформатор был отключен от сети.

Если отключение происходит в то время, когда переменный поток имеет максимальное значение, остаток потока также будет иметь свое максимальное значение.

Фактор № 3 — Магнитные свойства сердечника.

Фактор № 4 — Размер трансформатора.

Коэффициент № 5 — Импеданс источника питающей сети. Если импеданс питающей сети относительно высок (слабая сеть), пусковой ток вызывает значительное падение напряжения на импедансе, что снижает уровень напряжения питания во время подачи питания.

Это снижает максимальное значение пускового тока, но также увеличивает время затухания.

Рисунок 1 — Пусковой ток силового трансформатора 16 МВА 63/11 кВ

У современных силовых трансформаторов пусковой ток, как правило, выше, чем у старых.

Причиной этого являются свойства современной стали с сердечником, что позволяет повысить плотность потока в конструкции трансформатора при нормальной работе и, следовательно, дает меньше «места» до насыщения сердечника при подключении к сети.

Остаточный ток, сумма фазных токов должен быть нулевым, если сердечник не насыщает и полюса закрываются точно в одно и то же время.В Y-образном и эффективно заземленном нейтральном силовом трансформаторе пусковой ток появляется также в нейтрали в случае насыщения сердечника.

Пусковой ток содержит вторую гармонику, которую можно использовать для определения пускового состояния с помощью защитных реле трансформатора, например дифференциальной токовой защиты.

Поведение пускового тока с силовым трансформатором 16 МВА 63/11 кВ как функция времени показано на рисунке 1. Рисунок

.

Трансформатор находится под напряжением относительно слабой сети электропитания.Номинальный первичный ток рассматриваемого трансформатора составляет 147 А . Верхняя часть показывает форму волны каждого фазового тока, а нижняя часть показывает среднеквадратичное значение каждого фазового тока.

Из рисунка можно отметить, что пусковой ток включает в себя также относительно большую постоянную составляющую. Компонент постоянного тока может привести к насыщению измерительных трансформаторов тока, тем самым выдавая ложный вторичный сигнал на защитные реле.

Вернуться к содержанию ↑

2.Ток намагничивания

Ток намагничивания при номинальном напряжении очень мал, около 1% от номинального тока. Однако ток намагничивания сильно зависит от уровня напряжения питания.

Когда уровень напряжения питания увеличивается, ток намагничивания начинает быстро расти . Крутизна кривой восходящего тока зависит от магнитных свойств сердечника и плотности потока при номинальном напряжении.

На рисунке ниже показано поведение определенного силового трансформатора.

Рисунок 2 — Среднеквадратичное значение тока намагничивания как функция напряжения питания

Увеличивающийся ток намагничивания имеет высокое содержание пятой гармоники, которая может использоваться для обнаружения явлений. На следующем рисунке показана проблема и поведение определенного силового трансформатора.

Рисунок 3 — Содержание пятой гармоники в токе намагничивания как функция напряжения питания

Явление, связанное с увеличением тока намагничивания в результате увеличения напряжения питания, называется чрезмерным возбуждением.

Вернуться к содержанию ↑

3. Регулировка вторичного напряжения

Уровень напряжения, подаваемого на нагрузку от вторичных клемм трансформатора, должен поддерживаться в определенных пределах. Факторами, влияющими на колебания уровня вторичного напряжения, являются уровень напряжения первичной стороны и ток нагрузки вторичной стороны.

Чтобы регулировка вторичного напряжения могла компенсировать эти колебания, коэффициент трансформации напряжения силового трансформатора должен быть регулируемым.

Эта регулировка стала возможной благодаря введению нескольких ответвлений в обмотках . Эти отводы обычно размещаются в обмотках первичной стороны, чтобы минимизировать ток, проходящий через переключатель, обеспечивающий соединение с различными ответвлениями.

Этот переключатель может выполнять переключение ответвлений при подаче тока нагрузки, в этом случае он называется переключателем ответвлений под нагрузкой , или трансформатор должен быть обесточен, и в этом случае он называется переключателем ответвлений без нагрузки ( также используется устройство РПН).Определение «основной ответвление» относится к положению отвода, к которому относятся все номинальные величины, включая отношение номинальных напряжений.

Физическое размещение устройства РПН с силовым трансформатором может быть внутри основного бака (типа intank), другими словами, в том же маслонаполненном корпусе, где находятся обмотки.

Другая возможность заключается в том, чтобы устройство РПН находилось снаружи основного бака (в баке или в контейнере) внутри собственного заполненного маслом корпуса, прикрепленного к боковой стороне основного бака.

Можно выделить три различных принципа реализации переключателей, а именно:

1. Плюс-минус переключения,
2. Линейное переключение и
3. Грубое-точное переключение.

Из этих трех, первый, с переключением «плюс-минус», является наиболее распространенным . Принцип действия показан ниже.

Рисунок 4 — Принцип «переключателя плюс-минус» устройства РПН

Как правило, устройство РПН работает от двигателя, что обеспечивает возможность дистанционного управления.Устройство РПН чаще всего имеет только ручное управление, но также возможна работа двигателя.

Устройство РПН имеет несколько отводов, например ± 8 × 1,25% . Это указывает на возможность увеличения или уменьшения 8-ступенчатого, каждый 1,25% от номинального отношения напряжения. Устройство РПН имеет меньше ступеней, например, ± 2 × 2,5% .

Работа устройства РПН может быть автоматизирована с использованием автоматического регулятора напряжения (AVR), как описано здесь.

Как работает чейнджер под нагрузкой (ВИДЕО)

Это видео объясняет, как работает On Changer Changer (OLTC) . Устройства РПН используются в электрических трансформаторах с жидкостным погружением в энергетике. Целью устройства РПН является регулирование количества вторичных обмоток в цепи.

Изменяя количество проводника (обмоток) в изменяющемся магнитном поле, можно регулировать выходное напряжение.

Как работает чейнджер с разгрузкой (ВИДЕО)

Это 3D-анимационное видео объясняет, как работает устройство РПН.Устройства РПН устанавливаются на электрические трансформаторы и иногда называются обесточенными устройствами РПН или не имеют устройства РПН.

Вернуться к содержанию ↑

4. Группы подключения трансформатора

Группы подключения силового трансформатора обозначаются буквами и цифрами. Прописные буквы относятся к обмотке, имеющей самое высокое номинальное напряжение, и строчные буквы к обмотке (ам), имеющей более низкое номинальное напряжение.

• Y и y: относятся к обмотке со звездой.
• D и d: относятся к обмотке, соединенной треугольником
• Z и z: относятся к зигзагообразной обмотке
• III и iii: относятся к открытой (не подключенной) трехфазной обмотке.
• N и n: указывают, что нейтральный вывод обмотки, соединенной звездой, выведен на поверхность.
• a: указывает автоматический тип подключения обмотки.

Цифры используются для обозначения сдвига фаз между первичным и вторичным напряжениями .Точкой отсчета является фаза-земля напряжение первичной стороны, который по сравнению с аналогичным напряжением на вторичной стороне.

Используемые цифры от 1 до 12 (0) относятся к обычному таймеру.

Рисунок 5 — Расположение обмоток и соответствующий таймер силового трансформатора, подключенного к YNd11

Трехфазные трансформаторы обычно работают с обмотками высокого и низкого напряжения, подключенными к:

• Y (звезда),
• D (дельта) или
• Z (зигзагообразное) соединение.

Три стиля показаны на рисунке 6.

Рисунок 6 — Соединения трехфазной обмотки

В соединении звездой один конец каждой из трехфазных обмоток соединяется вместе в нейтральной точке N, а напряжение на линии подается на другой конец; это показано на рисунке 6 (а).

Преимущества звездообразного соединения:

1. дешевле для высоковольтной обмотки.
2. Нейтральная точка доступна.
3. Заземление возможно либо напрямую, либо через импеданс.
4. Пониженный уровень изоляции (градуированная изоляция) возможен на нейтрали.
5. Отводы обмотки и устройство РПН могут быть расположены на нейтральном конце каждой фазы с низким напряжением на землю и между фазами.
6. Возможна однофазная нагрузка при протекании нейтрального тока.

В соединении треугольником концы трех обмоток соединены между соседними фазами источника питания, как показано на рисунке 6 (b).

Преимущества дельта-соединения:

1. дешевле для сильноточной низковольтной обмотки
2. В сочетании со звездообразной обмоткой уменьшает полное сопротивление нулевой последовательности этой обмотки

Третичная обмотка, соединенная треугольником, часто используется в больших трехфазных автотрансформаторах , чтобы позволить токам нулевой последовательности циркулировать в обмотках , или чтобы протекать гармонические токи трехчастотной частоты, чтобы компенсировать гармонические потоки в ядро.

Зигзагообразное соединение используется для специальных целей, когда на каждой ножке имеются две обмотки, которые связаны между фазами, как показано на рис. 6 (с).

Основным преимуществом зигзагообразного соединения является: . Оно допускает нагрузку по нейтральному току с присущим низким сопротивлением нулевой последовательности и используется в заземляющих трансформаторах для создания искусственной нейтральной клеммы в системе

.

Трансформаторная группа векторов (ВИДЕО)

Это видео обрисовывает в общих чертах векторные группы, которые вы встретите на типичном трансформаторе, и объясняет принципы фазового сдвига.

Вернуться к содержанию ↑

5. Импеданс короткого замыкания

Следующее обсуждение представляет импедансы (последовательности) по отношению к трехфазным силовым трансформаторам.

Полное сопротивление короткого замыкания Z = R + jX [Ом / фаза] — это эквивалентное полное сопротивление при номинальной частоте и эталонной температуре на клеммах одной обмотки пары, когда клеммы другой обмотки закорочены и далее обмотки разомкнуты.

Для трехфазных трансформаторов сопротивление выражается как сопротивление фазы. Эта величина часто выражается в относительной безразмерной форме в виде доли z _pu эталонного сопротивления Z _ref [Ом / фаза] .

или в процентах:

Ссылка импеданса Z _исх [Ω / фаза] может быть вычислена из опорного напряжения U _исх [V], опорный ток I _исх [А] и опорный кажущаяся мощность S _исх [VA] следующим образом ,

Объединение приведенных выше формул приводит к:

А начиная с процентных значений:

Как отмечалось ранее, полное сопротивление Z короткого замыкания представляет собой комплексное число , имеющее вещественную и мнимую части .

Действительная часть полного сопротивления может быть рассчитана на основе номинальных потерь нагрузки P _L [Вт]. Следующая формула дает результат в процентах r% [%].

Мнимая часть x% [%] может быть рассчитана следующим образом:

Реальная R [Ω / фаза] и мнимая часть X [Ω / фаза] Z [Ω / фаза] может быть рассчитана следующим образом:

Вернуться к содержанию ↑

6.Импедансы последовательности трансформатора

Здесь представлены последовательности сопротивлений, связанные с силовыми трансформаторами. Используются следующие определения:

• Z ₁ — полное сопротивление прямой последовательности [Ом / фаза]
• Z ₂ — сопротивление обратной последовательности [Ом / фаза]
• Z ₀ — полное сопротивление нулевой последовательности [Ом / фаза]

Рисунок 7 — Измерение нулевой последовательности

Следующее уравнение, приведенное ниже, можно использовать для расчета полного сопротивления нулевой последовательности Z ₀ [Ом / фаза] с использованием напряжения U [V] и тока I [A], как определено на рисунке 7 выше.

с трансформаторами:

Полное сопротивление прямой и обратной последовательностей равно сопротивлению короткого замыкания, тогда как полное сопротивление нулевой последовательности значительно отличается.

Факторы, влияющие на сопротивление нулевой последовательности:

• Группа подключения трансформатора
• Конструкция с сердечником или оболочкой
• 3- или 5-конечный или трехфазный блок, построенный из однофазных блоков

Влияние группы соединений силового трансформатора на полное сопротивление нулевой последовательности изучено более подробно.Приведенные ниже относительные значения импеданса нулевой последовательности приведены только для ознакомления, а фактические значения должны быть проверены в таблицах данных трансформатора.

Кроме того, указанные значения относятся к конструкции типа сердечника с конструкцией из трех частей.

Были использованы следующие определения:

• В: Высоковольтная (первичная) обмотка
• L: Низковольтная (вторичная) обмотка
• T: Третичная обмотка
• E: Земной потенциал
• z: Относительное полное сопротивление короткого замыкания
• z _0HL : Относительное полное сопротивление нулевой последовательности от стороны высокого напряжения до стороны низкого напряжения
• z _0HE : Относительное полное сопротивление нулевой последовательности от стороны высокого напряжения до земли
• z _0LE : Относительное полное сопротивление нулевой последовательности со стороны низкого напряжения на землю

Рисунок 8 — Импедансы нулевой последовательности силовых трансформаторов, подключенных к YNyn и YNy, как отношение к сопротивлению короткого замыкания блоков

Если представленный выше силовой трансформатор имеет пятиконтактную конструкцию или трехфазный блок выполнен из однофазных блоков, значения Z _0HE и Z _0LE в основном бесконечны.

Рисунок 9 — Импедансы нулевой последовательности силовых трансформаторов, подключенных к YNd и Dyn, как отношение к сопротивлению короткого замыкания блоков

Если представленный выше силовой трансформатор имеет конструкцию с пятью ветвями или трехфазный блок состоит из однофазных блоков, то z _0HE в YNd-соединении равно z.

Рис. 10. Полное сопротивление нулевой последовательности силовых трансформаторов, подключенных к Yzn и YNynd, в зависимости от полного сопротивления короткого замыкания блоков

Нормальная процедура для мощности трансформатора производит это констатировать полное сопротивление нулевой последовательности в относительных величинах, либо в виде дроби или в процентах от эталонного импеданса.

Для расчета фактических омических значений могут использоваться те же уравнения, что и для расчетов полного сопротивления короткого замыкания.

С группами соединений трансформатора, позволяющими замкнутому контуру тока нулевой последовательности циркулировать, , как YNd , действительная и мнимая части полного сопротивления нулевой последовательности имеют такое же соотношение (отношение R / X), как и при соответствующем коротком замыкании сопротивление. С другими группами соединений ситуация более сложная, в то время как отношение R / X не обязательно является линейным.

Для трехобмоточных силовых трансформаторов расчет омических значений импеданса нулевой последовательности немного сложнее.

В этом примере следующая информация доступна в паспорте силового трансформатора.

Рисунок 11 — Данные для силового трансформатора, используемого в примере расчета

На следующем рисунке показаны компоненты полного сопротивления нулевой последовательности, омические значения которых должны быть рассчитаны на основе приведенных выше данных.

При этом предполагается, что импедансы являются чисто реактивное, и выбранный опорное напряжение 21 кВ (сторона низкого напряжения трансформатора) .

Рисунок 12 — Схема нулевой последовательности трансформатора, используемого в примере

Расчет омических значений на основе данных трансформатора:

Затем рассчитывается полное сопротивление компонента.

Импедансы последовательности трансформатора

Вернуться к содержанию ↑

Источники:

1. Элементы систем распределения электроэнергии ABB
2. Руководство по электрической установке Schneider Electric
3. Справочник энергетика Д.Ф. Варн

,

Как выполнить проверку соотношения витков силового трансформатора

Соотношение витков между обмотками

Проверка коэффициента оборотов силового трансформатора представляет собой тест низкого напряжения переменного тока , который определяет отношение обмотки высокого напряжения ко всем другим обмоткам без нагрузки. Проверка коэффициента витков выполняется на всех ответвлениях каждой обмотки.

Силовой трансформатор проверяет коэффициент трансформации

Тестер коэффициента оборотов трансформатора (TTR) — это устройство, используемое для измерения коэффициента оборотов между обмотками (пример показан ниже).

Напряжение подается на маркированные провода H и измеряется для маркированного провода X с помощью испытательного комплекта.

Измерения отношения проводятся во всех положениях отвода и рассчитываются путем деления показаний индуцированного напряжения на приложенное значение напряжения. Когда на трехфазных трансформаторах проводятся испытания отношения, отношение берется по одной фазе за раз с трехфазным TTR, пока измерения отношения всех трех фаз не будут завершены.

Рисунок 1 — Схема подключения трехфазных трансформаторов (TTR).

Измеренные отклонения должны быть в пределах 0,5% от маркировки на паспортной табличке.

Некоторые TTR могут выполнять измерение коэффициента трансформатора, а также оценивать, удовлетворительно ли работают контакты устройства РПН во время его перехода из одного положения ответвления в следующее положение.

Пример однофазного TTR с ручным заводом — набор для проверки коэффициентов оборотов трансформатора (Измеряет коэффициент оборотов и ток возбуждения обмоток в силовых, потенциальных и токовых трансформаторах.)

Процедура проверки коэффициента поворота, шаг за шагом

Шаг 1.

Изолируйте оборудование , примените рабочие заземления ко всем входящим и исходящим кабелям и отсоедините все входящие и исходящие кабели от соединений клемм ввода трансформатора.

Отсоединенные кабели должны иметь достаточный зазор от клемм КРУ, превышающий расстояние между фазами. Используйте нейлоновый трос, чтобы при необходимости удерживать кабель от входящих и исходящих терминалов.

Шаг 2.

Подсоедините обозначенный H трехфазный измерительный провод с разъемом в стиле милитари на одном конце к ответному соединению на тестовом наборе, помеченном буквой H. Убедитесь, что индексная выемка разъема расположена правильно.

Шаг 3.

Подсоедините обозначенный X трехфазный испытательный разъем свинцового разъема в стиле милитари на одном конце к ответному соединению на испытательном наборе, помеченном знаком X. Убедитесь, что индексная выемка разъема расположена правильно.

Шаг 4.

Подсоедините измерительный провод h2, h3, h4 к соответствующей клемме / вводу трансформатора h2, h3, h4. Подсоедините измерительный провод H0 , если имеется клемма / втулка H0.

См. Рисунок 1 .

Шаг 5.

Подключите измерительные провода, обозначенные X1, X2, X3, к соответствующим клеммам / вводам трансформатора X1, X2, X3. Подсоедините измерительный провод Х0, если имеется клемма / втулка Х0.

Шаг 6.

Выполните измерений передаточного числа для всех положений ответвления.

Шаг 7.

Убедитесь, что измеренные соотношения находятся в пределах 0,5% от рассчитанных соотношений.

Важное примечание:

Трансформаторы, которые имеют соединители с выводом, но не имеют выведенной нейтрали, должны быть проверены на соотношение с трехфазным источником питания.

Любое неравенство в характеристиках намагничивания трех фаз приведет к сдвигу нейтрали и, таким образом, к неравным фазным напряжениям.Когда такое неравенство обнаружено, соединение должно быть изменено либо на треугольное, либо на щелевое соединение, и измерены линейные напряжения.

Если установлено, что они равны друг другу и правильные значения (в 1,732 раза превышают фазные напряжения при подключении через контакт), соотношение является правильным .

Тестирование силового трансформатора

Автоматическое измерение соотношения и сопротивления обмотки всех отводов / фаз.

Ссылка: Курс по вводу в эксплуатацию подстанции — Раймонд Ли, Технический тренер

,

учиться | OpenEnergyMonitor

Мониторинг энергии через импульсный выход коммунального счетчика

Введение

Многие счетчики имеют импульсные выходы, например: однофазные и трехфазные счетчики электроэнергии, счетчики газа, счетчики воды.

Импульсный выход может быть мигающим светодиодом или переключающим реле (обычно твердотельным) или обоими.

В случае счетчика электроэнергии импульсный выход соответствует определенному количеству энергии, проходящей через счетчик (кВтч / ч).Для однофазных бытовых счетчиков электроэнергии (например, Elster A100c) каждый импульс обычно равен одному Wh (1000 импульсов на кВт-ч). В измерителях большей мощности (часто трехфазных) каждый импульс соответствует большему количеству энергии, например 2, или даже 10, Втч за импульс.

Пример счетчика

Что такое пульс?

Рисунок 1

Рисунок 1 иллюстрирует импульсный выход. Ширина импульса T_high варьируется в зависимости от метра. Некоторые измерители импульсного выхода позволяют устанавливать T_high.T_high остается постоянным во время работы. Для метра A100c T_high составляет 50 мс. Время между импульсами T_low показывает мощность, измеренную счетчиком.

Расчет энергии Для счетчика A100c каждый импульс представляет 1/1000 кВт-ч, т.е. 1 Втч, энергии, проходящей через счетчик.

Расчетная мощность 3600 секунд в час = 3600 Дж на импульс, то есть 1 Вт = 3600 Дж следовательно, мгновенная мощность P = 3600 / T , где T — время между задним фронтом каждого импульса.

Подсчет оптических импульсов: мигающие светодиоды

Многие счетчики электроэнергии не имеют подключений импульсных выходов или недоступны из-за ограничений, наложенных коммунальной компанией. Все современные счетчики имеют светодиодный выход оптического импульса. В таких случаях для взаимодействия с измерителем может использоваться оптический датчик.

Красный светодиод с импульсным выходом виден на рисунке A100c выше. Чтобы обнаружить импульсы от светодиода, вам нужен датчик освещенности. В Интернете имеется множество документов по использованию Arduino для обнаружения импульсного светодиодного выхода.

Примечания к оптическим датчикам (результаты начальных испытаний)

Преобразователь света в напряжение TLS257, подключенный напрямую к цифровому входу Arduino с резистором 10 кОм, смог обнаружить световой импульс от измерителя Reporter 5193B. TLS257 обнаруживает свет в видимом диапазоне. Сильно зависит от окружающего света. Нужно хорошее рассеянное освещение вокруг датчика. Сенсор имеет преимущество встроенного операционного усилителя, который обеспечивает хорошее колебание напряжения и позволяет прямое подключение Arduino.Низкая стоимость £ 1,31 (22/10/10).

Фотодиод TLS261 также был протестирован. Поскольку этот датчик является инфракрасным, он не подвержен влиянию окружающего освещения. Был в состоянии обнаружить импульсы от яркого светодиода, но не от измерителя Reporter 5193B.

Обнаружение проводных / коммутируемых выходных импульсов

Многие счетчики также имеют проводные / коммутируемые импульсные выходы. У многих есть схемы подключения, аналогичные той, которая поставляется с A100c. Два меньших отверстия являются импульсными выходными соединениями.Я добавил V _в и V _из , чтобы сделать его более понятным. V _в обеспечивается внешним источником питания. V _из — это выход измерителя, созданный переключением внутреннего твердотельного реле (например, переключение между V _в и V _из )

Проводное / коммутируемое выходное напряжение питания

Насколько я понимаю, 24 В является довольно стандартным источником питания для таких измерительных систем, но обычно можно использовать и другие напряжения.Измерители часто имеют достаточно широкий диапазон импульсного выходного напряжения от 3 до 35 В. Таким образом, можно использовать питание 5 В от Arduino. Более высокие напряжения желательны, когда в окружающей среде больше шума, а длина кабеля больше.

Безопасность

Остерегайтесь подключенных к сети импульсных выходов: Убедитесь, что импульсный выход вашего измерителя не подключен к сети высокого напряжения (внутри счетчика). Некоторые счетчики имеют один из разъемов импульсных выходов, подключенных к нейтрали.Если ваш счетчик является одним из них, вам потребуется схема изоляции для взаимодействия с Arduino.

Близость проводов под напряжением: Импульсные выходы обычно очень близки к проводам под напряжением, так что следите за ними!

Схема

Схема подключения импульсного выхода к Arduino:

Резистор 10k поддерживает цифровой вход на GND (цифровой уровень 0), когда импульсный выход «переключатель» разомкнут.

Дополнительная литература

,