Когда наступает насыщение дросселя

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.

1.2. Дроссели

Дросселем называется статическое электромагнитное устройство, предназначенное для использования в качестве регулируемого и нерегулируемого индуктивного сопротивления.

В зависимости от назначения дроссели можно подразделить на дроссели переменного тока (катушки индуктивности или электрические реакторы), регулирующие дроссели (магнитные усилители) и сглаживающие дроссели.

Дроссели переменного тока применяются в качестве токоограничивающих сопротивлений, например, при включении двигателей, а также в импульсных ИВЭП.

1.2.1. Сглаживающие дроссели

Дроссели насыщения используются в стабилизаторах. Они работают в нелинейном режиме.

Рис.1.2.1. Вебер-амперная характеристика дросселя

глаживающие дроссели предназначены для ослабления пульсации выпрямленного напряжения. Такой дроссель имеет обычно немагнитный зазор. Дело в том, что в обмотке дросселя протекают как переменные, так и постоянные токи: , где  первая гармоника переменной составляющей.

Высшие гармоники можно не учитывать, так как растет с ростом частоты., то есть существует постоянное подмагничивание, которое вызывает насыщение сердечника и, как следствие этого, уменьшение и L дросселя.

Если уменьшается Ф, то уменьшается L. При введении в магнитопровод немагнитного зазора шириной b, имеющего линейную характеристику намагничивания, суммарная кривая намагничивания приближается к линейной, и насыщение наступает при большем токе , чем у дросселя без зазора.

1.2.2. Магнитные усилители

Рис.1.2.2. Зависимость индуктивности дросселя от толщины немагнитного зазора

Магнитные усилители (МУ) или дроссели с подмагничиванием применяются для автоматического регулирования напряжения. МУ представляют собой индуктивную катушку со стальным сердечником, подмагничиваемым постоянным током. Изменение тока подмагничивающей обмотки (тока управления) позволяет менять степень насыщения магнитопровода и тем самым регулировать индуктивное сопротивление рабочей катушки МУ.

Анализ работы дросселя насыщения. Принцип действия магнитного усилителя.

Дроссель насыщения – катушка со стальным сердечником, на котором размещены 2 обмотки: рабочая и управляющая.

На рисунке показана схема регулирования силы переменного тока при помощи дросселя насыщения.

Задачи этой схемы изменить силу тока через сопротивление нагрузки.

Рабочая обмотка ωр соединяется последовательно с нагрузкой Rн , а управляющая обмотка ωу замкнута на источник постоянного тока. Этот тока подмагничивает стальной сердечник, изменяя магнитную проницаемость катушки, а следовательно индуктивное сопротивление на стороне переменного тока. Увеличение постоянного тока в управляющей обмотке уменьшает сопротивление рабочей обмотки, следовательно ток будет увеличиваться.

Для сердечников дросселей насыщения необходимо использование быстро насыщаемых материалов, например пермаллоя.

Кривую намагничивания подобных материалов можно приближенно изобразить в виде двух прямолинейных участков.

— дифференциальная (динамическая) индуктивность

На первом участке кривой намагничивания и относительно велики, следовательно тоже будет иметь большое значение.

На втором участке кривой намагничивания сердечник насыщен и дифференциальная индуктивность близка к 0, следовательно мало и индуктивное сопротивление.

Пусть к рабочей цепи подведено синусоидальное напряжение.

Если цепь постоянного тока разомкнута (управляющая), а переменное напряжение относительно мало, то катушка работает в режиме первого участка кривой намагничивания (сердечник ненасыщен), индуктивное сопротивление будет большим. В этих условиях режима возбуждения намагничивающий ток катушки весьма мал, а следовательно мало напряжение и на зажимах нагрузки.

Таким образом, при отсутствии постоянного намагничивания, дроссель насыщения в течении всего периода запирает цепь переменного тока. Влияние активных сопротивлений в этих условиях ничтожно, поэтому напряжение.

U=Umsinωt =-e =,

а поток в сердечнике Ф=Фмsin(ωt-)

При включении постоянно постоянного управления, его намагничивающая сила половину периода будет направлена согласно намагничивающей силе переменного тока рабочей обмотки, другую половину периода эти намагничивающие силы будут направлены встречно.

При согласованном воздействии переменной и постоянной намагничивающей силы, поток в сердечнике достигает значения насыщения.

В условиях режима насыщения индуктивное сопротивление дросселя насыщения падает практически до нуля, следовательно, при переходе от режима возбуждения к режиму насыщения цепь переменного тока отпирается.

Этот переход можно считать скачкообразным, если петля гистерезиса сердечника прямоугольная.

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.

На 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.

При 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 получаются 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.