Можно ли использовать трансформатор для увеличения или уменьшения постоянного тока

Особенности применения силовых индуктивностей | «ЛЭПКОС», ИЦ «Северо-Западная Лаборатория»

Поскольку технические параметры современных электронных устройств постоянно совершенствуются, для БИС, используемых в таких изделиях, характерно снижение напряжения питания. В этой связи, энергопотребление может уменьшаться, а скорость работы увеличиваться.

Однако снижение напряжения источника питания также предполагает более жесткие требования, учитывающие колебания напряжения, что вприводит к необходимости использования высокопроизводительных DC-DC преобразователей. Силовые индуктивности при этом являются важными компонентами, существенно влияющими на эффективность преобразователей.

Компания TDK выпускает широкую линейку силовых индуктивностей.

В данной статье рассмотрены эффективные способы применения данных компонентов, а также ключевые особенности при выборе катушек индуктивности в соответствии с требуемыми характеристиками преобразователей постоянного тока.

Силовые индуктивности являются важными компонентами, влияющими на производительность DC-DC- преобразователей

Несмотря на то, что катушка индуктивности может плавно пропускать постоянный ток, при любом изменении его величины она будет генерировать ЭДС, препятствующую этим колебаниям. Такое явление известно как самоиндукция. При подключении к источнику переменного тока катушка индуктивности оказывает сопротивление проходящему по ней переменному току.

Таким образом, если ток прошел через индуктивность, он будет накапливаться в виде энергии, а если процесс передачи тока нарушен, эта энергия будет разряжаться. Данная отличительная особенность эффективно используется в цепях источников питания, в преобразователях постоянного тока. На рисунке 1 представлена основная схема понижающего преобразователя постоянного тока (диодный выпрямитель).

Силовые индуктивности являются ключевыми компонентами, оказывающие существенное влияние на его производительность.

Параметры, связанные с характеристиками индуктивности, имеют сложную компромиссную связь друг с другом

Сложности в процессе разработки силовых индуктивностей обусловлены изменчивостью характеристик в зависимости от степени воздействия таких факторов как температура и величина тока. Так, например, индуктивность (L) имеет тенденцию к снижению, поскольку величина тока становится больше (характеристика наложения тока DC), а рост температуры, вызванный повышением силы тока, может вызвать изменение как магнитной проницаемости (μ) сердечника, так и индукции насыщения (Bs).

Даже при одинаковых значениях индуктивности сопротивление постоянному току (Rdc) будет меняться в зависимости от толщины обмотки и количества витков, вызывающих изменения в степени тепловыделения. Различия в структуре магнитного экрана также могут влиять на шумовые характеристики.

Эти параметры имеют сложную компромиссную взаимосвязь, поэтому крайне важно выбрать наиболее подходящую индуктивность для требуемой области применения с учетом эффективности, размеров и стоимости преобразователей постоянного тока.

Ключевой момент: Силовые индуктивности могут быть классифицированы на моточные, многослойные и тонкопленочные в зависимости от различий в методах изготовления, с сердечниками на основе феррита или порошкового сплава. Ферриты характеризуются высокими значениями проницаемости (μ) и индуктивности, в то время как сердечники на основе порошковых материалов имеют высокие значения индукции насыщения, что делает их подходящими для использования при больших величинах тока.

Ключевой момент: Выделяется два определения номинального тока для силовых индуктивностей: допустимый ток при суперпозиции DC и допустимый ток при возрастании температуры. Если сердечник войдет в насыщение, величина его индуктивности будет снижена.

Рекомендуемая величина максимального тока, который может быть передан без достижения магнитного насыщения, соответствует допустимому току при наложении постоянного тока (пример: падение на 40% от начального значения индуктивности).

Ток, определяемый тепловыделением в соответствии с электрическим сопротивлением обмоток, является допустимым током при повышении температуры (например, повышение температуры на 40 °С в результате тепловыделения). В качестве номинального обычно принимают значение тока, меньшее из рассмотренных выше двух типов допустимых токов.

Условия, при которых возникают потери, будут меняться в зависимости от размеров и частотного диапазона нагрузок

Ключевой момент: К основным типам потерь, которые могут вызвать скачок температуры можно отнести: потери в меди, появляющиеся из-за обмотки проводом, а также потери в магнитопроводе.

Потери в меди возникают из-за сопротивления DC (RDC) обмотки и увеличиваются пропорционально величине тока в квадрате. Кроме того, когда частота переменного тока становится выше, существует тенденция концентрации тока в области недалеко от поверхности проводника и увеличения эффективного значения сопротивления (скин-эффект). В высокочастотном диапазоне также добавляются потери в меди, возникающие в результате протекания переменного тока.

Потери в магнитопроводе соответствуют сумме потерь на вихревые токи и на гистерезис. Потери на вихревые токи пропорциональны квадрату частоты, поэтому в высокочастотных областях потери в сердечнике, вызванные потерями на вихревые токи, становятся больше. Одним из ключевых моментов для повышения эффективности является выбор материалов сердечника, характеризующихся низкими потерями даже в высокочастотном диапазоне.

Ключевой момент: Потери в меди становятся доминирующими в случае подключения умеренной или интенсивной нагрузки, в то время как вклад потерь в магнитопроводе становится существенным уже при включении небольшой нагрузки.

Для тока, протекающего через индуктивность при включении умеренной и большой нагрузки, вклад смещения (DC bias current) достаточно велик, в этой связи потери в меди, появляющиеся в результате сопротивления постоянному току (RDC), становятся доминирующими. С другой стороны, при подключении неполной нагрузки тока смещения (DC bias) практически нет.

В этой связи, уровень потерь в меди снижается, но поскольку операция переключения с постоянной частотой выполняется даже в режиме ожидания, потери в сердечнике из-за особенностей материала феррита становятся существенными , а эффективность значительно уменьшается (рисунок 3).

Важно установить соответствующие требованиям значения индуктивности с учетом таких факторов, как пульсирующий ток

Ключевой момент: использование компонентов в режиме прерывистого тока влияет на стабильность источников питания.

В силовых индуктивностях, применяемых в понижающих DC-DC преобразователях, будет протекать пульсирующий ток (ΔIL) с формой непрерывных треугольных волн в сочетании с операцией ВКЛ/ВЫКЛ для переключающих элементов (рисунок 4).

В ходе подключения нагрузки от умеренной до интенсивной ΔIL будет накладываться на смещение по постоянному току, поэтому ток индуктивности будет протекать непрерывно (режим непрерывного тока (Iвых ＞ 1 / 2ΔIL)). Однако в преобразователях постоянного тока с диодным выпрямлением при подключении легкой нагрузки, где Iвых ＜ 1/2ΔIL, будут периоды, когда ток индуктивности станет нулевым.

В этом состоянии (режим прерывистого тока) ток индуктивности будет периодически прерываться, что, в свою очередь, будет влиять на стабильность источника питания. Кроме того, если катушка индуктивности работает в режиме прерывистого тока, также будет возникать акустический шум.

В результате переключения будет генерироваться импульсный сигнал напряжения, что будет способствовать появлению шума.

Ключевой момент: Необходимо задавать такую величину индуктивности, чтобы вклад пульсирующего тока составлял 20-30% от номинального тока.

Величина пульсирующего тока связана с индуктивностью. В этой связи, преобразователи постоянного тока с диодным выпрямлением должны быть спроектированы таким образом, чтобы избежать проблем, связанных с работой в режиме прерывистого тока путем ограничения вклада пульсирующего тока. Если предпочтительно применение компонента с небольшим значением индуктивности из-за размеров или стоимости, величина пульсирующего тока станет больше.

И наоборот, если требуется уменьшить пульсирующий ток, необходима большая индуктивность, что может привести к недостаткам, связанным с размером или стоимостью, а также вызвать ухудшение характеристик переходного процесса при внезапных изменениях нагрузки.

Таким образом, обычно принято указывать такое значение индуктивности, при которой величина пульсирующего тока будет составлять 20-30% от номинального (прерывистый ток будет фиксироваться в области, когда пульсирующий ток будет составлять примерно 10% от номинального).

Ключевой момент: выбор правильного подхода при снижении значения индуктивности может улучшить характеристики отклика нагрузки . В случае, когда, например, отмечается внезапный рост нагрузки, будет происходить падение выходного напряжения.

В ходе последующего восстановления через индуктивность в течение короткого времени может протекать аномально большой пиковый ток для зарядки выходного конденсатора совместно с током нагрузки. Однако, если будет установлено небольшое значение пульсирующего тока, достичь требуемых характеристик переходного процесса для быстрого восстановления после внезапного падения выходного напряжения будет невозможно.

Одним из способов решения этой ситуации могло бы стать уменьшение значения индуктивности и, таким образом, увеличение величины пульсирующего тока. Как показано на рисунке 6, выходное напряжение существенно падает, если характеристики отклика нагрузки плохие.

В то же время, если значение индуктивности соответствующим образом снижается, и пульсирующий ток увеличивается, изменение величины тока индуктивности становится более существенным, что вызывает снижение вклада падения напряжения и способствует более быстрому восстановлению. Однако при понижении значения индуктивности важно использовать настройку, которая учитывает общий баланс системы.

Источник: http://ferrite.ru/publications/power_inductors_application/

Теория реактивной мощности

Появление термина «реактивная» мощность связано с необходимостью выделения мощности, потребляемой нагрузкой, составляющей, которая формирует электромагнитные поля и обеспечивает вращающий момент двигателя. Эта составляющая имеет место при индуктивном характере нагрузки. Например, при подключении электродвигателей. Практически вся бытовая нагрузка, не говоря о промышленном производстве, в той или иной степени имеет индуктивный характер.

В электрических цепях, когда нагрузка имеет активный (резистивный) характер, протекающий ток синфазен (не опережает и не запаздывает) от напряжения. Если нагрузка имеет индуктивный характер (двигатели, трансформаторы на холостом ходу), ток отстает от напряжения. Когда нагрузка имеет емкостной характер (конденсаторы), ток опережает напряжение.

ЭТО ИНТЕРЕСНО: Что лучше заливать в аккумулятор электролит или воду

Суммарный ток, потребляемый двигателем, определяется векторной суммой:

Iа — активный ток
Iри — реактивный ток индуктивного характера

К этим токам привязаны мощности потребляемые двигателем.

Р – активная мощность привязана к Iа (по всем гармоникам суммарно)
Q – реактивная мощность привязана к Iри (по всем гармоникам суммарно)
A – полная мощность потребляемая двигателем. (по всем гармоникам суммарно)

Реактивная мощность не производит механической работы, хотя она и необходима для работы двигателя, поэтому ее необходимо получать на месте, чтобы не потреблять ее от энергоснабжающей организации. Тем самым мы снижаем нагрузку на провода и кабели, повышаем напряжение на клеммах двигателя, снижаем платежи за реактивную мощность, имеем возможность подключить дополнительные станки за счет снижения тока потребляемого с силового трансформатора.

Параметр определяющий потребление реактивной мощности называется Cos (φ)

Cos (φ) = P1гарм / A1гарм

где:

P1гарм — активная мощность первой гармоники 50 Гц
A1гарм — полная мощность первой гармоники 50 Гц

где:

A = √P² + Q²

Таким образом, сos (φ) уменьшается, когда потребление реактивной мощности нагрузкой увеличивается. Необходимо стремиться к повышению сos (φ), т.к. низкий сos (φ) несет следующие проблемы:

Высокие потери мощности в электрических линиях (протекание тока реактивной мощности);
Высокие перепады напряжения в электрических линиях (например 330370 В, вместо 380 В);
Необходимость увеличения габаритной мощности генераторов, сечения кабелей, мощности силовых трансформаторов.

Из всего вышеприведенного, понятно, что компенсация реактивной мощности необходима. Чего легко можно достичь применением активных компенсирующих установок. Конденсаторы в которых будут компенсировать реактивную мощность двигателей.

Потребители реактивной мощности

Потребителями реактивной мощности, необходимой для создания магнитных полей, являются как отдельные звенья электропередачи (трансформаторы, линии, реакторы), так и такие электроприёмники, преобразующие электроэнергию в другой вид энергии которые по принципу своего действия используют магнитное поле (асинхронные двигатели, индукционные печи и т.п.). До 80-85% всей реактивной мощности, связанной с образованием магнитных полей, потребляют асинхронные двигатели и трансформаторы. Относительно небольшая часть в общем балансе реактивной мощности приходится на долю прочих её потребителей, например на индукционные печи, сварочные трансформаторы, преобразовательные установки, люминисцентное освещение и т.п.

Трансформатор как потребитель реактивной мощности. Трансформатор является одним из основных звеньев в передаче электроэнергии от электростанции до потребителя. В зависимости от расстояния между электростанцией и потребителем и от схемы передачи электроэнергии число ступеней трансформации лежит в пределах от двух до шести.

Поэтому установленная трансформаторная мощность обычно в несколько раз превышает суммарную мощность генераторов энергосистемы. Каждый трансформатор сам является потребителем реактивной мощности.

Реактивная мощность необходима для создания переменного магнитного потока, при помощи которого энергия из одной обмотки трансформатора передаётся в другую.

Асинхронный двигатель как потребитель реактивной мощности. Асинхронные двигатели наряду с активной мощностью потребляют до 60-65% всей реактивной мощности нагрузок энергосистемы. По принципу действия асинхронный двигатель подобен трансформатору. Как и в трансформаторе, энергия первичной обмотки двигателя – статора передаётся во вторичную – ротор посредствам магнитного поля.

Индукционные печи как потребители реактивной мощности. К крупным электроприемникам, требующим для своего действия большой реактивной мощности, прежде всего, относятся индукционные печи промышленной частоты для плавки металлов. По существу эти печи представляют собой мощные, но не совершенные с точки зрения трансформаторостроения трансформаторы, вторичной обмоткой которых является металл (садка), расплавляемый индуктированными в нём токами.

Преобразовательные установки, преобразующие переменный ток в постоянный при помощи выпрямителей, также относятся к крупным потребителям реактивной мощности. Выпрямительные установки нашли широкое применение в промышленности и на транспорте.

Так, установки большей мощности с ртутными преобразователями используются для питания электроизоляционных ванн, например при производстве алюминия, каустической соды и др.

Железнодорожный транспорт в нашей стране почти полностью электрифицирован, причём значительная часть железных дорог использует постоянный ток преобразовательных установок.

Компенсация реактивной мощности в электрических сетях

С другой стороны, элементы распределительной сети (линии электропередачи, повышающие и понижающие трансформаторы) в силу особенностей конструктивного исполнения имеют продольное индуктивное сопротивление.

Поэтому, даже для нагрузки потребляющей только активную мощность, в начале распределительной сети будет иметь место индуктивная составляющая – реактивная мощность.

Величина этой реактивной мощности зависит от индуктивного сопротивления распределительной сети и полностью расходуется на потери в элементах этой распределительной сети.

Действительно, для простейшей схемы:

Р – активная мощность в центре питания,
Рн – активная мощность на шинах потребителя,
R – активное сопротивление распределительной сети,
Q – реактивная мощность в центре питания,
Qн – реактивная мощность на шинах потребителя.
U – напряжение в центре питания,
Uн – напряжение на шинах потребителя,
Х – индуктивное сопротивление распределительной сети.

В результате, независимо от характера нагрузки, по распределительной сети от источника питания будет передаваться реактивная мощность Q. При двигательном характере нагрузки ситуация ухудшается – значения мощности в центре питания увеличивается и становится равными:

Р = Рн + ( Рн² + Qн² ) * R / Uн²;

Q = Qн + ( Рн² + Qн² ) * X / Uн².

Передаваемая от источника питания к потребителю реактивная мощность имеет следующие недостатки:

В распределительной сети возникают дополнительные потери активной мощности – потери при транспорте электрической энергии:
δР = ( Рн² + Qн² ) * R ,

часть которых (а иногда и значительную) составляют потери от транспорта реактивной мощности.
Величина напряжения у потребителя, а, следовательно, и качество электрической энергии, снижается:
Uн = U – ( P * R + Q * X ) / U.
Увеличивается распределительной сети током, что лишает потребителя возможности перспективного развития.

Таким образом, транспортировка реактивной мощности по распределительным сетям от центров питания к потребителям превращается в сложную технико-экономическую проблему, затрагивающую как вопросы экономичности так и вопросы надежности систем электроснабжения.

Классическим решением данной проблемы в распределительных сетях является компенсация реактивной мощности у потребителя путём установки у него дополнительных источников реактивной мощности – потребительских статических конденсаторов.

Компенсация реактивной мощности применяется:

по условию баланса реактивной мощности;
как важное мероприятие для снижения потерь электрической энергии в сетях;
для регулирования напряжения.

Источник: https://www.nucon.ru/reactive-power/theory-of-reactive-power.php

Статьи

За последние 3 года центр электромагнитной безопасности исследовал в Москве состояние систем электроснабжения в крупнейших зданиях, имеющих сети с сотнями и тысячами компьютеров.

Анализ собственных данных и зарубежных публикаций, привели специалистов к выводу, что Россия столкнулась с новой серьезнейшей проблемой.

Ее суть в том, что сети электроснабжения 0,4 кВ в зданиях, оснащенных компьютерной техникой, «заражены» высшими по отношению к промышленной частоте (50 Гц) гармониками.

В случаях, когда мощность нелинейных электропотребителей не превышает 10-15 %, каких-либо особенностей в эксплуатации системы электроснабжения не возникает. При превышении указанного предела появляются различные проблемы в эксплуатации. В зданиях, имеющих долю нелинейной нагрузки свыше 25%, отдельные проблемы могут проявиться сразу [3,6]. Аналогичная проблема возникает при наличии нелинейных нагрузок типа полупроводниковых [9].

Реальная часто встречающаяся форма напряжения показана на рис. 1, а идеальная, в сравнении с синусоидальной – на рис. 2

Рис. 1. Реальная форма напряжения при нелинейной нагрузке [12]

Рис.2. Искажение синусоидального напряжения и появление гармонических составляющих [15]

Эффект гармоник кратных третьей:

Высшие гармоники тока кратные трем (т.е. 3, 9, 15, 21 и т. д.), определяющие высокое значение коэффициента амплитуды и генерируемые однофазными нагрузками, имеют специфическое результирующее воздействие в трехфазных системах.

В сбалансированной (симметричной) трехфазной системе гармонические (синусоидальные) токи во всех трех фазах сдвинуты на 120 градусов по отношению друг к другу, и в результате сумма токов в нейтральном проводнике равна нулю.

Следовательно, не возникает и падения напряжения на проводнике нейтрали в кабеле.

Это утверждение остается справедливым для большинства гармоник. Однако некоторые из них имеют направление вращения вектора тока в ту же сторону, что и основная гармоника (первая, «фундаментальная», т.е. 50 Гц), то есть они имеют прямую последовательность. Другие же вращаются в обратном направлении и, таким образом, имеют обратную последовательность. Это не относится к гармоникам, кратным третьей.

В трехфазных цепях они сдвинуты на 360 градусов друг к другу, совпадают по фазе и образуют нулевую последовательность. Нечетные гармоники, кратные третьей, суммируются в проводнике нейтрали. В результате, с учетом того, что они составляют большую долю в действующем значении фазных токов, общий ток в нейтрали может превышать фазные токи.

Гармоники, кратные третьей, приводят к падениям напряжения как в нейтрали, так и в фазных проводниках, вызывая искажения формы напряжения на других нагрузках, подключенных к этой сети [6]

Активный ток Ia совпадает по фазе а напряжением сети. Реактивный ток Ir сдвинут на 90 градусов относительно активного или же отстает при индуктивной нагрузки и опережает для емкостной нагрузки. Полный ток It – результирующий первых двух составляющих, протекающий от источника к потребителю.

Рис. 1. Векторная диаграмма токов [14]

It = √ Ia² + Ir²

Ia = I cos φ

Ir = I sin φ

Если умножить ток на общее напряжение, то получаются составляющие по мощности:

полная мощность S = UI (кВа),

активная мощность P = UI cos φ (кВт).

реактивная мощность Q = U I sin φ (квар)

Рис. 2. Векторная диаграмма мощностей

Коэффициент мощности КМ определяется так:

Источник: http://klmengineering.ru/ru/engineers/articles/vliyanie-garmonik-napryazheniya-i-toka/

Как повысить напряжение постоянного и переменного тока?

В быту и на производстве широко используются электрические и электронные приборы различного назначения. Необходимое условие их функционирования — подключение к электрической сети или иному источнику электрической энергии. Из соображений упрощения создания и последующей эксплуатации сети или источника целесообразно, чтобы выходное напряжение имело определенное значение. Например 220 В бытовой сети переменного тока и 12 В автомобильной сети постоянного тока.

На практике применяются сети как постоянного, так и переменного тока. Например, бытовая 220-вольтовая сеть функционирует на переменном токе, а бортовая автомобильная сеть использует постоянный ток. В зависимости от разновидности сети повышение напряжения до нужного значения решается в них по-разному.

При обращении к современной микроэлектронной элементной базе реализующие эти функции устройства при солидной выходной мощности обладают очень хорошими массогабаритными показателями. Для иллюстрации этого положения на рисунке 1 показан пример платы со снятым корпусом повышающего преобразователя постоянного тока.

Рис. 1. Повышающий преобразователь постоянного тока бестрансформаторного типа

В этой статье мы рассмотрим, как повысить напряжение постоянного и переменного тока и как это делать правильно.

Разновидности трансформаторов

Наиболее простой способ увеличения переменного напряжения – установка между выходом сети и питаемой нагрузкой повышающего трансформатора. Применяемые на практике устройства делятся на две основные разновидности. Первая — классические трансформаторы, вторая — автотрансформаторы. Схемы этих устройств приведены на рисунке 2.

Рис. 2. Схемы трансформатора и автотрансформатора

Классический трансформатор содержит две обмотки: первичную или входную с числом витков W1, а также вторичную или выходную с числом витков W2. Для трансформатора действует правило Uвыхода = K×Uвхода, где K = W2/W1 – коэффициент трансформации. Таким образом, в повышающем трансформаторе количество витков вторичной обмотки превышает таковое у первичной.

Повышающий авторансформатор содержит единственную обмотку с W2 витками. Сеть подключается на часть W1 ее витков. Повышение U происходит за счет того, что магнитное поле, создаваемое при протекании тока через входную часть общей обмотки, наводит ток уже во всей обмотке W2. Расчетная формула автотрансформатора аналогична обычному: Uвыхода = K×Uвхода, где K = W2/W1 – коэффициент трансформации.

Особенности трансформаторов

Эффективность функционирования трансформаторов наращивают применением сердечника из электротехнической стали. Этот компонент

увеличивает КПД устройства за счет уменьшения рассеяния магнитного поля в окружающем пространстве;
выполняет функцию несущей силовой основы для обмоток.

Неизбежные потери на вихревые тока уменьшают тем, что сердечник представляет собой наборный пакет из тонких профилированных изолированных пластин.

При прочих равных условиях целесообразно использовать трансформатор. Это связано с тем, что не пропускает постоянный ток, т.е. обеспечивает гальваническую развязку сети от приемника, позволяя добиться большей электробезопасности.

Особенность трансформатора — его обратимый характер, т.е. в зависимости от ситуации он может одинаково успешно выполнять функции повышающего и понижающего устройства. Единственное серьезное ограничение — необходимость соблюдения штатных режимов работы первичной и вторичной обмоток.

В отличие от компьютерных розеток, называемых RJ45, в различных странах при устройстве бытовых сетей электроснабжения устанавливают различные типа розеток. Известны, например, розетки, немецкого, французского, английского и иных стандартов или стилей. Поэтому на трансформатор малой мощности целесообразно возложить функции адаптера, который за счет разных типов вилок и гнезд обеспечивает механическое согласование сети и нагрузки. Пример такого устройства изображен на рисунке 3.

Рис. 3. Пример обратимого маломощного трансформатора с возможностью согласования типов розеток

Лабораторные автотрансформаторы ЛАТР

Сильная сторона автотрансформатора – простота регулирования выходного напряжения простым перемещением токосъемного контакта по обмотке. Устройства, допускающие выполнение этой опции, известны как лабораторные автотрансформаторы ЛАТР. Отличаются характерным внешним видом за счет наличия регулятора напряжения и вольтметра для его контроля, рисунок 4.

ЛАТР востребованы не только в лабораториях. Они массово применяются в гаражах, на садовых участках и других местах, где из-за перегрузки и износа линии напряжение в розетке оказывается ниже минимально допустимого.

При колебаниях сетевого напряжения вместо обычного ЛАТР целесообразно использовать стабилизатор, куда он входит в виде одного из блоков.

Рис. 4. Внешний вид одного из вариантов ЛАТР

Общий принцип увеличения постоянного напряжения в произвольное число раз

Трансформаторный способ увеличения напряжения не может применяться в сетях постоянного тока. Поэтому при необходимости решения этой задачи используют более сложные устройства, в основу функционирования которых положена следующая схема: постоянный входной ток используется для питания генератора, с выхода которого снимают переменный сигнал. Переменное напряжение увеличивают тем или иным образом, после чего выпрямляют и сглаживают для получения более высокого постоянного.

Структурная схема такого преобразователя показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Обобщенная структурная схема повышающего преобразователя

Отдельные разновидности схем отличаются между собой:

формой сигнала, снимаемого с выхода генератора (синусоидальное или близкое к нему, пилообразное, импульсное и т.д.);
принципом увеличения генерируемого напряжения (трансформатор, умножитель);
типом выпрямления и сглаживания напряжения перед подачей его на выход устройства.

В продаже доступны микроэлектронная элементная база, которая позволяет собирать преобразователи данной разновидности при наличии даже начальных навыков радиомонтажника.

Умножители

Умножители применяют в тех случаях, когда из переменного входного напряжения нужно получить постоянное, которое в кратное количество раз превышает входное.

Существует большое количество схем умножителей. Одна из них показана на рисунке 6.

Рис. 6. Принципиальная схема умножителя

Коэффициент умножения можно нарастить увеличением количества каскадов.

Рис. 7. Еще пример: умножитель в 6 и 8 разРис. 8. Учетверитель напряжения

Общее для таких схем:

мостовой принцип реализации для увеличения общего КПД устройства;
использование конденсаторов для накапливания заряда;
применение диодов как элемента выпрямления.

Техника безопасности

При сборке и использовании повышающих устройств вне зависимости от их разновидности необходимо соблюдать базовые положения правил техники безопасности. Главные из них:

ни при каких условиях нельзя касаться незащищенными частями тела токоведущих элементов схем;
запрещается даже кратковременное превышение максимальной нагрузки;
устройства в обычном офисном исполнении нельзя эксплуатировать во влажных помещениях;
оборудование следует защищать от попадания брызг воды.

Заключение

Приведем несколько областей использования устройств для увеличения напряжения.

Для переменного тока наиболее распространено использование повышающих трансформаторов для подключения различной европейской электронной и электротехнической техники к бытовой 110-вольтовой сети в США.

Примеры из области постоянного напряжения:

мощность широко распространенных USB-зарядников достаточна для питания СД-ленты, но последние требуют для работы напряжения 12 В; для такой выгодно ситуации применение повышающего преобразователя;
на 3,3-вольтовых литиевых аккумуляторах можно собрать power bank для мобильных телефонов;
регулируемые устройства хорошо востребованы при выполнении настроек автомобильных генераторов.

Автомобильный аккумулятор с подключенным к нему повышающим преобразователем может эффективно питать за городом такие 220-вольтовые устройства как телевизор, магнитофон, дрель.

Устройства для увеличения постоянного и переменного напряжения имеют обширную область применения, серьезно отличаясь друг от друга схемотехнически.

Выбор конкретной реализации зависит от ряда факторов, основные среди которых:

соотношение входного и выходного напряжения;
мощность питаемой нагрузки
уровень жесткости требований электробезопасности.

На практике можно воспользоваться как покупными, так и самодельными устройствами. Большинство самодельных схем доступны для воспроизведения при наличии даже среднего уровня подготовки в области электротехники и схемотехники.

Источник: https://www.asutpp.ru/kak-povysit-napryazhenie.html

Принцип действия трансформатора для повышения напряжения — Станок

Из соображений упрощения создания и последующей эксплуатации сети или источника целесообразно, чтобы выходное напряжение имело определенное значение.

Например 220 В бытовой сети переменного тока и 12 В автомобильной сети постоянного тока.

Рис. 1. Повышающий преобразователь постоянного тока бестрансформаторного типа

Преобразовательный трансформатор — для установок постоянного тока и электролиза аллюминия

Данные трансформаторы применяются для питания мостовых выпрямителей в установках постоянного тока и различных электролизных производствах (для таких металлов, как алюминий, магний, медь и цинк, а также химических веществ, например, хлора).

Электролиз является непрерывным и стабильным процессом, но с постоянно высокой нагрузкой и высоким уровнем токовых гармоник.

В сочетании с тиристорными или диодными выпрямителями эти трансформаторы являются связующим звеном между системами переменного и постоянного тока промышленной установки.

Их разработка и производство требуют большого опыта, а также обширных знаний специальных способов и технологий производства, поскольку эти трансформаторы работают в условиях высоких рабочих токов и значительного уровня высших гармоник.

Искажение формы кривой тока является результатом работы преобразователя и приводит к увеличению потерь и повышенному нагреву трансформатора.

КОНСТРУКЦИЯ

При создании данного типа трансформаторов необходимо учитывать следующие факторы:

При использовании тиристорного выпрямителя следует предусмотреть регулировку переключателя ответвлений ПБВ;
При использовании диодного выпрямителя с большим диапазоном и большим количеством ступеней напряжения в трансформаторе следует предусмотреть регулировку переключателя РПН;
Компоновка обмоток НН обеспечивающая уменьшение локального перегрева и снижения уровня гармоник;
Компоновка вводов НН, соответствующая конструкции выпрямительной установки;
В одном блоке доступны различные конфигурации: одинарный мост, двойной мост и др.;
Различные варианты многопульсных исполнений от 6-/12-пульсных до 72-пульсных;
Различные группы соединений;
Вариант конструкции обмоток с фазовым сдвигом;
Регулирующий автотрансформатор, устанавливаемый в том же баке, или устройство РПН, работающее на ответвлениях первичных обмоток, для грубой регулировки напряжения под нагрузкой;
Насыщающиеся реакторы, устанавливаемые в том же баке, для точной регулировки напряжения под нагрузкой;
Особое внимание уделяется системе охлаждения, чтобы избежать больших потерь вихревых токов, вызванных высоким уровнем гармоник.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Номинальная мощность: до 80 МВА
Номинальный вторичный ток: до 50 кА

Источник: https://energybase.ru/equipment/hreobrazovatelnii-transformator-dlya-ustanovok-postoyannogo-toka-i-elektroliza-allyuminiya

IT News

Дата Категория: Физика

Используемая человеком электрическая энергия в основном вырабатывается на крупных электростанциях. Эти предприятия передают электричество на районные подстанции, которые затем распределяют его по потребителям.

Так как линии электропередач обладают электрическим сопротивлением, часть энергии электрического тока теряется, превращаясь в теплоту. Постоянный ток (DC) течет в одном направлении; переменный ток (АС) периодически изменяет свое направление.

Первоначально для электроснабжения применялся только постоянный ток. По ряду причин передача и преобразование постоянного тока связаны со значительными трудностями, поэтому по соображениям безопасности электростанции передавали его под низким напряжением.

Однако к тому времени, когда постоянный ток достигал потребителей, сопротивление съедало 45 процентов его энергии.

Выход был найден в передаче переменного тока высокого напряжения, которое может быть легко изменено при помощи трансформатора (рисунок внизу).

Так как высоковольтным линиям требуется меньший ток для передачи одного и того же количества энергии, ее потери на преодоление сопротивления стали намного меньшими.

Когда переменный ток покидает электростанцию, повышающие трансформаторы увеличивают его напряжение с 22 000 до 765 000 вольт, а перед поступлением в дома другие трансформаторы, понижающие, уменьшают его до ПО или 220 вольт.

Принцип действия трансформатора

Трансформаторы увеличивают или уменьшают напряжение переменного тока. Преобразуемый переменный ток проходит по первичной обмотке, охватывающей стальной сердечник (рисунок сверху). Периодически изменяющийся ток создает в сердечнике переменное магнитное поле. При перемещении во вторичную обмотку это магнитное поле генерирует в ней переменный ток. Если вторичная обмотка имеет больше витков, чем первичная, выходное напряжение будет выше, чем входное.

Потери энергии при протекании постоянного тока

Электрическая мощность (Р) вычисляется путем умножения силы тока (I) на напряжение (V), т.е. Р = I х V. Если напряжение возрастает, сила тока, необходимая для обеспечения заданной мощности, уменьшается. Низковольтная мощность постоянного тока требует большей силы тока, чем высоковольтная мощность переменного, чтобы передать одно и то же количество электроэнергии.

Переменный ток легко трансформируется

В отличие от постоянного, переменный ток периодически изменяет свое направление. Если переменный ток проходит по первичной обмотке трансформатора (рисунок слева), образующееся переменное магнитное поле индуцирует ток во вторичной обмотке. При протекании по первичной обмотке постоянного тока (рисунок справа), во вторичной обмотке ток не возникает.

Источник: http://information-technology.ru/sci-pop-articles/23-physics/235-kak-rabotaet-transformator

Постоянный и переменный ток. Значение трансформаторов

Без электричества и электрических приборов уже попросту невозможно представить современный мир. Всё к чему мы так привыкли: освещение, бытовые приборы, компьютеры, телевизоры – так или иначе связано с электропитанием. Однако, стоит отметить, что одни приборы работают от переменного тока, а другие – питаются от источников постоянного тока.

Постоянным током называют ток, который в течение некоторого промежутка времени не меняет своего направления и величины. Таким образом, постоянный ток имеет постоянное напряжение и силу тока.

Постоянный ток используется:

для передачи электроэнергии на высоковольтных линиях электропередач (например, 500кV). Это связано с тем, что если применять переменный ток того же напряжения, с учетом амплитудных значений напряжений и их перепада, то такие напряжения могут превышать величину напряжения постоянного тока в несколько раз.
Использование переменного тока в высоковольтных проводах приведет к дополнительным тратам на изоляционные материалы, что значительно увеличит стоимость ЛЭП;
в контактных сетях электрического транспорта – троллейбусов и трамваев – до 3000V;
в сетях до 1000V для электродвигателей с тяжелыми условиями пуска – прокатные станы, центрифуги, и др.
для электросетей до 500V, используемых для грузоподъемных механизмов – подъемных электрических кранов;
в качестве источника питания различных переносных бытовых приборов – фонарики, аудиоприёмники, диагностические приборы, мультиметры, мобильные телефоны.

Стоит отметить, что в условиях тяжелого пуска – т.е.

если пусковой момент высок, а требуется плавное регулирование скорости, тягового усилия и пускового момента – применяются двигатели постоянного тока. Таковыми, например, являются двигатели элетротранспорта, электрических мельниц, центрифуг.

Постоянный ток, чаще всего можно встретить в различных элементах питания – аккумуляторах и батарейках. Скажем, в автомобилях используется аккумуляторы постоянного тока напряжением 12V; для строительной техники – экскаваторов, бульдозеров, и др. используются аккумуляторы, имеющие напряжение в 24V. Аккумулятор мобильного телефона автора статьи – постоянного тока напряжением 3,7V.

Каждый источник постоянного тока имеет две клеммы или разъема, обозначаемые как плюс (+) и минус (-). Считается, что постоянный ток движется от плюсовой клеммы (+) к минусовой(-), при этом, между ними можно подключить оборудование (например лампочку). На рисунке 1 представлена схема работы постоянного тока с подключенной лампой.

Рис 1. Схема работы постоянного тока с подключенной лампой

На самом деле, процессы, протекающие в электросети постоянного тока происходят очень быстро, и изобразить их в реальном времени не представляется возможным.

Схематично, действие постоянного тока в простейшей сети, многократно замедленное, представлено на рисунке 2. Оно дает наиболее полное представление о процессах, происходящих в сети постоянного тока.

Рис 2. Схема действия постоянного тока в простейшей сети

Переменный ток – это ток, который за определенный промежуток времени, меняет свое направление. Частота смены направления измеряется в герцах. 1 герц (Гц)– означает, что за одну секунду совершен полный цикл смены направления (туда-обратно). В Европейских странах, в том числе и в России, в бытовых электросетях используется однофазный переменный ток, имеющий частоту 50Гц, т.е. меняющий своё направление 100 раз в секунду.

Таким образом, за одну секунду через нить лампы, горящей на обычном письменном столе, ток проходит 50 раз в одном направлении и пятьдесят раз в обратном (Рисунок 3).

Рис 3. Схема работы переменного тока с подключенной лампой

В американских и канадских электросетях используется переменный ток с частотой в 60 Гц, вместо общепринятого переменного тока с частотой в 50 Гц.

Также, как источник постоянного тока имеет две клеммы – плюсовую и минусовую, источник однофазного переменного тока имеет две клеммы или разъема, называемые «фаза» и «ноль».

Кстати, переменный ток в домашней розетке называется однофазным, как раз из-за наличия одного разъема «фаза» (рисунок 4). Величина напряжения переменного однофазного тока равна 220V.

Рис 4. Схема действия переменного тока в простейшей сети

Как видно из схемы замедленного действия однофазного переменного тока в простейшей сети, переменный ток действует следующим образом: переменный ток начинает движение из «фазы» в сторону «нуля», доходит до него, останавливается, и затем, движется в обратном направлении.

Особенностями переменного однофазного тока являются:

Среднее значение силы переменного тока за период равняется нулю.
Переменный ток за период меняет не только направление движения, но и свою величину.
Действующее значение силы переменного тока – это сила такого постоянного тока, при которой средняя мощность, которая выделяется в проводнике в цепи переменного тока, равна мощности, которая выделяется в том же проводнике в цепи постоянного тока.
Когда говорят о токах и напряжении в сети переменного тока, имеют в виду их действующие значения.

Действующее напряжение сети переменного тока в обыкновенной бытовой розетке составляет напряжение в сети 220 вольт.

Широкое применение переменного тока в технике и для бытовых нужд вызвано тем, что, переменный ток легко трансформируется. Напряжение в сети переменного тока может быть легко повышено или понижено при помощи специального устройства – трансформатора.

Трансформатор — электромагнитное устройство, которое преобразует посредством электромагнитной индукции переменный ток таким образом, что напряжение в сети уменьшается либо увеличивается в несколько раз без изменения частоты, и практически без потери мощности.

Для преобразования напряжения переменного тока в сторону уменьшения (например, силовые трансформаторы с 10 000V городских сетей до 220V домашней сети) применяются понижающие трансформаторы. Для преобразования напряжения сетей в сторону повышения – повышающие трансформаторы.

Источник: https://www.tdtransformator.ru/podderzhka/stati/statya/