Что такое активная и индуктивная нагрузки. Щелкаем реле правильно: коммутация мощных нагрузок

Привет, Geektimes!

Управление мощными нагрузками - достаточно популярная тема среди людей, так или иначе касающихся автоматизации дома, причём в общем-то независимо от платформы: будь то Arduino, Rapsberry Pi, Unwired One или иная платформа, включать-выключать ей какой-нибудь обогреватель, котёл или канальный вентилятор рано или поздно приходится.

Традиционная дилемма здесь - чем, собственно, коммутировать. Как убедились многие на своём печальном опыте, китайские реле не обладают должной надёжностью - при коммутации мощной индуктивной нагрузки контакты сильно искрят, и в один прекрасный момент могут попросту залипнуть. Приходится ставить два реле - второе для подстраховки на размыкание.

Вместо реле можно поставить симистор или твердотельное реле (по сути, тот же тиристор или полевик со схемой управления логическим сигналом и опторазвязкой в одном корпусе), но у них другой минус - они греются. Соответственно, нужен радиатор, что увеличивает габариты конструкции.

Я же хочу рассказать про простую и довольно очевидную, но при этом редко встречающуюся схему, умеющую вот такое:

• Гальваническая развязка входа и нагрузки
• Коммутация индуктивных нагрузок без выбросов тока и напряжения
• Отсутствие значимого тепловыделения даже на максимальной мощности

Но сначала - чуть-чуть иллюстраций. Во всех случаях использовались реле TTI серий TRJ и TRIL, а в качестве нагрузки - пылесос мощностью 650 Вт.

Классическая схема - подключаем пылесос через обычное реле. Потом подключаем к пылесосу осциллограф (Осторожно! Либо осциллограф, либо пылесос - а лучше оба - должны быть гальванически развязаны от земли! Пальцами и яйцами в солонку не лазить! С 220 В не шутят!) и смотрим.

Включаем:

Пришлось почти на максимум сетевого напряжения (пытаться привязать электромагнитное реле к переходу через ноль - задача гиблая: оно слишком медленное). В обе стороны бабахнуло коротким выбросом с почти вертикальными фронтами, во все стороны полетели помехи. Ожидаемо.

Выключаем:

Резкое пропадание напряжения на индуктивной нагрузке не сулит ничего хорошего - ввысь полетел выброс. Кроме того, видите вот эти помехи на синусоиде за миллисекунды до собственно отключения? Это искрение начавших размыкаться контактов реле, из-за которого они однажды и прикипят.

Итак, «голым» реле коммутировать индуктивную нагрузку плохо. Что сделаем? Попробуем добавить снаббер - RC-цепочку из резистора 120 Ом и конденсатора 0,15 мкФ.

Включаем:

Лучше, но не сильно. Выброс сбавил в высоте, но в целом сохранился.

Выключаем:

Та же картина. Мусор остался, более того, осталось искрение контактов реле, хоть и сильно уменьшившееся.

Вывод: со снаббером лучше, чем без снаббера, но глобально проблемы он не решает. Тем не менее, если вы желаете коммутировать индуктивные нагрузки обычным реле - ставьте снаббер. Номиналы надо подбирать по конкретной нагрузке, но 1-Вт резистор на 100-120 Ом и конденсатор на 0,1 мкФ выглядят разумным вариантом для данного случая.

Литература по теме: Agilent - Application Note 1399, «Maximizing the Life Span of Your Relays ». При работе реле на худший тип нагрузки - мотор, который, помимо индуктивности, при старте имеет ещё и очень низкое сопротивление - добрые авторы рекомендуют уменьшить паспортный ресурс реле в пять раз .

А теперь сделаем ход конём - объединим симистор, симисторный драйвер с детектированием нуля и реле в одну схему.

Что есть на этой схеме? Слева - вход. При подаче на него «1» конденсатор C2 практически мгновенно заряжается через R1 и нижнюю половину D1; оптореле VO1 включается, дожидается ближайшего перехода через ноль (MOC3063 - со встроенной схемой детектора нуля) и включает симистор D4. Нагрузка запускается.

Конденсатор C1 заряжается через цепочку из R1 и R2, на что уходит примерно t=RC ~ 100 мс. Это несколько периодов сетевого напряжения, то есть, за это время симистор успеет включиться гарантированно. Далее открывается Q1 - и включается реле K1 (а также светодиод D2, светящий приятным изумрудным светом). Контакты реле шунтируют симистор, поэтому далее - до самого выключения - он в работе участия не принимает. И не греется.

Выключение - в обратном порядке. Как только на входе появляется «0», C1 быстро разряжается через верхнее плечо D1 и R1, реле выключается. А вот симистор остаётся включённым примерно 100 мс, так как C2 разряжается через 100-килоомный R3. Более того, так как симистор удерживается в открытом состоянии током, то даже после отключения VO1 он останется открытым, пока ток нагрузки не упадёт в очередном полупериоде ниже тока удержания симистора.

Включение:

Выключение:

Красиво, не правда ли? Причём при использовании современных симисторов, устойчивых к быстрым изменениям тока и напряжения (такие модели есть у всех основных производителей - NXP, ST, Onsemi, etc., наименования начинаются с «BTA»), снаббер не нужен вообще, ни в каком виде.

Более того, если вспомнить умных людей из Agilent и посмотреть, как меняется потребляемый мотором ток, получится вот такая картинка:

Стартовый ток превышает рабочий более чем в четыре раза. За первые пять периодов - то время, на которое симистор опережает реле в нашей схеме - ток падает примерно вдвое, что также существенно смягчает требования к реле и продлевает его жизнь.

Да, схема сложнее и дороже, чем обычное реле или обычный симистор. Но часто она того стоит.

Постановка пассивного сглаживающего фильтра на выходе выпрямителя существенно влияет на физические процессы в самом выпрямителе. Индуктивный характер имеет место при работе выпрямителя на фильтр, начинающийся с индуктивности или на обмотку реле, контактора, обмотки возбуждения электрических машин и др. Схема простейшего выпрямителя с индуктивным характером нагрузки приведена на рис.3.34. В этих схемах, как правило, выполняется условие >> т.е. индуктивное сопротивление дросселя на частоте пульсаций больше сопротивления нагрузки. Известно, что ток в индуктивности отстаёт от напряжения на π/2 и процесс нарастания и спада тока заканчивается в пределах одного периода.

Рисунок 3.34 – Однофазный, однотактный выпрямитель с

индуктивным характером нагрузки

Ток в цепи (i 2) несинусоидален, так как кроме ЭДС вторичной обмотки в ней действует ЭДС индукции дросселя .

При увеличении тока происходит накопление энергии в магнитном поле дросселя, а при уменьшении тока – освобождение этой энергии.

Таким образом, результатом включения индуктивности является “затягивание” тока вентиля. Угол протекания тока зависит от постоянной времени , где R=R Н + r Д + r 2 , r Д - сопротивление диода, r 2 - омическое сопротивление вторичной обмотки трансформатора (рис.3.35).

Рисунок 3.35 – Зависимость угла протекания тока от постоянной времени

Выполнить соотношение сложно т.к. возрастают потери в самом дросселе и существенно снижается общий КПД. Поэтому при индуктивном характере нагрузки применяют многофазные схемы p ≥ 2, где легко обеспечивается непрерывность тока за период пульсаций.

Возьмём трёхфазный однотактный выпрямитель (рис.3.36). На этом рисунке L S – индуктивность рассеяния вторичной обмотки; r – сопротивление потерь (r = r 2 + r 1 /n 2), которое обычно r << Rн; – угол перекрытия фаз. Поскольку >> ток в нагрузке неизменный, а ток через вентиль имеет форму прямоугольного импульса. Переход тока с вентиля на вентиль из-за индуктивности рассеяния не может произойти мгновенно. Её ЭДС самоиндукции препятствует изменению тока – в одной фазе он снижается, а в другой нарастает. В результате ток одновременно течёт по двум фазам. Это явление называется перекрытием токов фаз. Оно существенно влияет на качественные и количественные соотношения в схеме выпрямления.

Рисунок 3.36 – Трёхфазный однотактный выпрямитель

В однотактной однофазной схеме нет перехода тока с одного вентиля на другой, поэтому Ls в ней на физические процессы практически не влияет. В трёхфазной схеме имеет место конечное время перехода тока (переключение фаз). Если пренебречь сопротивлением вентилей и трансформатора, то затягивания тока не будет – переключение мгновенное. Из-за перекрытия фаз постоянная составляющая U 0 уменьшается на величину площади треугольника в напряжении U d .

В итоге наличие r и Ls приводит к более резкому падению внешней характеристики выпрямителя (т.е. повышению Rвых), которая показана на рис.3.37.

Рисунок 3.37 – Внешняя характеристика выпрямителя с индуктивным

характером нагрузки

Здесь, при токе нагрузки меньше некоторой величины I 0кр соотношение перестает выполняться. Ток дросселя становится прерывистым, он разряжается полностью и напряжение возрастает.

По выпрямителям с индуктивным характером нагрузки можно сделать следующие выводы:

1) Индуктивная составляющая сопротивления и нагрузки должна быть соизмерима с Rн (иначе КПД будет низким).

2) Форма кривой тока вентиля приближается к прямоугольной.

3) Длительность работы каждой фазы не зависит от индуктивности в цепи нагрузки, а определяется числом фаз выпрямления (пульсностью) и индуктивностью рассеяния трансформатора.

4) Наличие индуктивности рассеяния приводит к перекрытию токов фаз, при этом U 0 снижается, а пульсации на входе сглаживающего фильтра возрастают.

Мкостный характер нагрузки

Ёмкостный характер нагрузки имеет место при работе выпрямителя на фильтр, начинающийся с ёмкости, как это показано на рис.3.38.

Постоянная цепи заряда много меньше постоянной цепи разряда , поэтому время заряда (угол ) много меньше времени разряда конденсатора фильтра на нагрузку. Имеет место отсечка тока вентиля . При увеличении R H замедляется разряд и точка пересечения U 2 и U C сдвигается, угол уменьшается, пульсации напряжения тоже уменьшаются. При токе

Рисунок 3.38 – Простейший выпрямитель с ёмкостной нагрузкой

нагрузки равном нулю конденсатор не разряжается и U 0 =U m 2 . Обратное напряжение на вентиле тоже максимально и равно . Внешняя характеристика нелинейна и выходное сопротивление можно определить только в рабочей точке через приращения (рисунок 3.39).

Рисунок 3.39 – Внешняя характеристика выпрямителя с ёмкостной

нагрузкой

Однофазная однотактная схема выпрямления имеет довольно высокие пульсации при низкой частоте основной гармоники и плохо используется трансформатор. Однако, простота однотактных схем делает их более привлекательными перед двухтактными для получения высоких напряжений.

Рассмотрим схему удвоения напряжения. Она приведена на рис. 3.40 и состоит их двух однотактных выпрямителей, каждый из которых использует свою

Рисунок 3.40 – Схема удвоения напряжения (симметричная)

полуволну напряжения сети. Напряжение на нагрузке складывается из напряжений на конденсаторах С 1 и С 2 . Если пульсации малы, то постоянная составляющая на нагрузке

При сложении компенсируются все нечётные гармоники в том числе и первая (р=2). Недостатком схемы является отсутствие общей точки между трансформатором и нагрузкой, что неудобно с точки зрения электробезопасности.

Ещё одна схема удвоения приведена на рис.3.41. Она называется несимметричной и имеет общую точку сети и нагрузки.

Рисунок 3.41 – Несимметричная схема удвоения напряжения

В этой схеме частота первой гармоники пульсаций равна частоте сети. Конденсатор С 1 выполняет функцию промежуточного накопителя энергии, поэтому масса и объём несимметричного удвоителя больше чем у симметричного.

Зато получилась регулярная структура, которую можно наращивать, как показано на рис.3.42.

Рисунок 3.42 – Несимметричная схема удвоения напряжения (а) и

умножитель напряжения на шесть (б)

В умножителе напряжения нагрузку можно подключить и к верхней группе конденсаторов – получим умножитель на пять. Умножители выпускают в виде неразборного блока. Число конденсаторов равно коэффициенту умножения. Выходное сопротивление исчисляется килоомами.

Управляемые выпрямители

Управляемым называют выпрямитель, у которого при неизменном входном напряжении можно регулировать выходное напряжение.

Управлять выходным напряжением можно с помощью переключения витков первичной или вторичной обмоток трансформатора, лабораторным автотрансформатором (ЛАТРом) или введением реостата в цепь тока. Первый способ даёт дискретность регулировки, что не всегда приемлемо, второй – из-за наличия скользящих контактов имеет низкую надёжность, а третий (с помощью реостатов) – низкий КПД. Поэтому используют управляемые вентили, включаемые вместо неуправляемых в схему выпрямления.

В качестве таких вентилей используют тиристоры - четырёхслойные p-n-p-n структуры. На рис.3.43а,б,в приведены соответственно условное обозначение, схема замещения и ВАХ тиристора (триака). :

Рисунок 3.43 – Условное обозначение, схема замещения и ВАХ тиристора

В обычном состоянии тиристор заперт. В схеме существует два устойчивых состояния: открытое (точка А) и закрытое (точка В).

Повышение напряжения источника от 0 до Е при Iуэ = 0 приводит к перемещению рабочей точки по нижнему участку характеристики. Если подать импульс тока управления Iуэ достаточный для включения, то р.т. перейдет в точку А и цепь управления перестанет влиять на процессы в анодной цепи тиристора – цепь управления не нужна. Это система с внутренней положительной обратной связью, поэтому тиристоры имеют большой коэффициент усиления по мощности.

Обычно Е всегда меньше напряжения включения «по аноду» (U amax) на 20…30%. Выключить тиристор можно только путём уменьшения Iа до уровня меньше тока удержания (Iуд), за счёт увеличения Rн или уменьшения Е.

В открытом состоянии тиристоры пропускают большие токи (сотни ампер), но они инерционны, время включения составляет 0,1…10 мкс, а время выключения 1…100 мкс.

Наряду с рассмотренным тиристором имеется группа четырёхслойных приборов с разнообразными свойствами это динисторы, симисторы и запираемые тиристоры. Они приведены на рис. 3.44.

Рисунок 3.44 – Условное обозначение динистора (а), симистора(б)

и запираемого тиристора (в).

У динистора регламентировано напряжение включения по аноду. Это двухэлектродный прибор. Симистор предназначен для работы в цепях переменного тока при этом сигнал управления можно подавать относительно катода или относительно анода. Все названные выше приборы выключаются только путём уменьшения его анодного тока ниже тока удержания.

Однако имеются и так называемые запираемые тиристоры, т.е. путём подачи тока в цепь УЭ обратного направления тиристор может быть выключен. Но при этом коэффициент усиления по выключению на порядок ниже, чем по включению.

Все названные приборы широко используются в устройствах автоматики и источниках питания в качестве регуляторов, стабилизаторов и устройств защиты.

Обычно тиристор ставят в схему выпрямления вместо неуправляемого вентиля. Возьмём однофазный мост (рис.3.45). На этом рисунке - угол включения тиристора (угол относительно точки естественного включения неуправляемого вентиля).

Рисунок 3.45 – Однофазный управляемый мост

Найдём постоянную составляющую напряжения на нагрузке.

Учитывая, что напряжение U 2 гармоническое , то

(3.44) Если в (3.44) принять , то - напряжение на выходе неуправляемого выпрямителя; если , то . Зависимость есть регулировочная характеристика управляемого выпрямителя. Она приведена на рис.3.46 и имеет нелинейный характер.

Рисунок 3.49 – Несимметричный управляемый выпрямитель

Здесь диоды и играют роль нулевого вентиля, поэтому ; асимметрия может быть любой (неуправляемые вентили могут стоять в анодной или в катодной группе или как на рис.3.49).

Тиристоры используют и в вольтодобавочных схемах, которые по сравнению с рассмотренными, имеют более высокий КПД, поскольку преобразуют только часть энергии для нагрузки. Схема выпрямителя с вольтодобавкой приведена на рис.3.50. Здесь минимальное напряжение на выходе

Рисунок 3.50 – Выпрямитель с вольтодобавкой

обеспечивается неуправляемым выпрямителем VD1 и VD2. Повышение напряжения достигается включением тиристоров VS1 и VS2. В максимальном режиме диоды всегда закрыты и угол включения . Такие схемы имеют хорошие энергетические показатели, но требуются дополнительные обмотки на трансформаторе.

Рассмотрим поведение идеальной катушки индуктивности, если ее подключить к источнику синусоидальной ЭДС . Выясним, как изменяется ток в цепи с течением времени.

Запишем второй закон Кирхгофа для рассматриваемого контура: сумма падений напряжений вдоль замкнутого контура равна сумме ЭДС, действующих вдоль этого контура.

Учтем, что активное сопротивление идеальной катушки равно нулю. Тогда

После интегрирования получаем

Применим формулы приведения

Видим, что по катушке индуктивности течет переменный ток, частота которого совпадает с частотой генератора. Однако, колебания тока и напряжения на катушке не совпадают по фазе – ток отстает от напряжения на .

Анализ графиков зависимостей и показывает, что между мгновенными значениями тока и напряжения отсутствует пропорциональность. Это означает, что в цепи переменного тока, содержащей индуктивность, закон Ома для мгновенных значений тока и напряжения не выполняется.

Однако, максимальное значение тока прямо пропорционально амплитудному значению напряжения. Следовательно, для амплитудных значений тока и напряжения выполняется закон Ома.

Величина играет роль сопротивления и называется индуктивным сопротивлением. Видим, что кроме индуктивности сопротивление катушки зависит еще и от частоты протекающего по ней тока.

Сопротивление катушки растет при увеличении частоты тока. Таким образом, катушка, в отличие от конденсатора, хорошо пропускает низкочастотный ток, и плохо – высокочастотный.

Цепь, содержащая индуктивность, как и цепь с емкостной нагрузкой, не потребляет энергии от сети, ибо сдвиг по фазе между током и напряжением равен . Строго говоря, четверть периода, когда ток в катушке нарастает, она потребляет энергию от источника, в течение этой четверти периода мгновенная мощность положительна. Следующую четверть периода ток в катушке убывает, энергия отдается источнику, мгновенная мощность отрицательна. Так что в целом за период на индуктивной нагрузке не происходит необратимого преобразования электрической энергии в другие виды энергии. По этой причине индуктивную и емкостную нагрузки в цепи переменного тока называют реактивной нагрузкой.

Как известно, при холостом ходе трансформатора в первичной обмотке протекает ток I 0 , который создает м. д. с. I 0 ω 1 , а эта м.д.с. создает основной магнитный поток Ф и поток рассеяния Ф рс1 . Основной магнитный поток Ф индуктирует в обмотках трансформатора э. д. с. Е 1 и Е 2 . Если к зажимам вторичной обмотки трансфор­матора ах подсоединить нагрузку с сопротивлением z нг, то по вторичной обмотке потечет ток I 2 , отстающий от э.д. с. Е 2 на угол ψ(рис. 92, а).

Рис 92 Работа трансформатора при нагрузке:

а - принципиальная схема нагруженного трансформатора,

б - векторная диаграмма м.д.с. трансформатора

Умножив ток I 2 на число витков вторичной обмотки ω 2 , получим вектор м. д. с. вторичной обмотки I 2 ω 2 , который отложим по направлению вектора тока I 2 , так же как м. д. с. при холостом ходе I 0 ω 1 (рис. 92, б).

При появлении тока нагрузки во вторичной обмотке соответственно увеличивается ток в первичной обмотке, где вместо тока I 0 протекает ток I 1 создающий м. д. с. I 1 ω 1 . По формуле (77) э. д. с. первичной обмотки Е 1 = = 4,44 f 1 ω 1 Ф м. Пренебрегая падением напряжения в пер­вичной обмотке, предположим, что

Если напряжение и частота в сети постоянны по величине, то можно написать следующее равенство:

Но в формуле 4,44, f 1 и ω 1 - постоянные числа, сле­довательно при постоянном напряжении и частоте в сети магнитный поток трансформатора будет величиной по­стоянной и от нагрузки зависеть не будет, т. е.

Это уравнение называют уравнением м. д. с. трансфор­матора. М. д. с. трансформатора при холостом ходе I 0 ω 1 и во вторичной обмотке I 2 ω 2 нанесены на диаграмму.

Из уравнения м. д. с. определим м. д. с. первичной об­мотки, она равна:

т. е. для получения м. д. с. первичной обмотки I 1 ω 1 нужно к м. д. с. холостого хода I 0 ω 1 прибавить м. д. с. вто­ричной обмотки I 2 ω 2 с обратным знаком, т. е. повернув вектор этой м. д. с. на 180°.

Сложив векторы этих м. д. с, получим м. д. с. первичной обмотки I 1 ω 1 (рис. 92, б). Как видно из векторной диаграммы, м. д. с. первичной обмотки намагничивает сердечник трансформатора, а м. д. с. вторичной обмотки его размагничивает. Геометрическая сумма векторов м. д. с. первичной и вторичной обмоток дает вектор результирующей м. д. с, которая равна м. д. с. трансформатора при холостом ходе I 0 ω 1 и создает магнитный поток Ф.

Можно рассматривать вопрос и так, что м. д. с. пер­вичной обмотки создает магнитный поток Ф 1 , намагни­чивающий трансформатор, а м. д. с. вторичной обмотки магнитный поток Ф 2 , размагничивающий его, в резуль­тате в сердечнике образуется магнитный поток Ф.

Ток в первичной обмотке I 1 создает также магнитный поток рассеяния Ф РС1 , силовые линии которого не сцеп­ляются с вторичной обмоткой, а замыкаются по воздуху, а ток вторичной обмотки I 2 создает аналогично магнитный поток рассеяния Ф рс2 .

Разделим обе части уравнения м. д. с. трансформатора на ω 1 :

Величину называют приведенным током.

Рассмотрим, что такое приведенная величина и какова цель приведения.

Так как числа витков первичной и вторичной обмоток трансформатора разные, то э. д. с. и токи в этих обмотках также неодинаковы. Они отличаются в k или в 1/k раз.

Поэтому сопоставлять эти величины или строить вектор­ные диаграммы, где величины вторичной и первичной обмоток нужно складывать, нельзя, как нельзя сложить расстояния, измеренные на картах разных масштабов, не приведя их к одному масштабу.

Например, нельзя было бы получить величину паде­ния напряжения в нагруженном трансформаторе путем непосредственного суммирования падений напряжения каждой из обмоток. Так как эти обмотки имеют разные по величине токи и сопротивления, то и векторы, выра­жающие величину падений напряжения, неодинаковы по величине для каждой обмотки.

В трансформаторах величины вторичной обмотки при­водят к первичной так же, как расстояния, измеренные на картах разных масштабов, приводят к одному масштабу, т. е. обычный трансформатор заменяют приведенным, у ко­торого число витков первичной обмотки ω 1 равно числу витков вторичной обмотки ω 2 или k= 1. Приведенные величины обозначают штрихом вверху. Для приведения э. д. с. ее нужно умножить на коэф­фициент трансформации, так как во вторичной обмотке она меньше в kраз

(83)

Аналогично приводится напряжение и другие э. д. с. в трансформаторе.

При приведении тока соблюдают условие, чтобы кажу­щаяся мощность вторичной обмотки после приведения не изменилась, т. е. Е 2 I 2 = Е 2 ’ . I 2 ’ Отсюда

(84)

т. е. для приведения тока его нужно разделить на коэф­фициент трансформации.

При приведении активного сопротивления исходят из условия, чтобы потери в меди приведенного трансфор­матора не изменились

(85)

т. е. для приведения активного сопротивления его нужно умножить на квадрат коэффициента трансформации.

Так как E рс2 = I 2 x 2 , то

(86)

т. е. аналогично с активным сопротивлением.

значит, для приведения любого сопротивления его нужно умножить на квадрат коэффициента трансформации.

Построим векторную диаграмму трансформатора при активно-емкостной нагрузке. В этом случае ток опережает э. д. с. на угол ψ 2 . Построение ведем как и для векторной диаграммы при активно-индуктивной нагрузке.

Рис. 94. Векторная диаграмма трансформатора при активно-емкостной нагрузке:

а - полная, б - для вторичной обмотки.

Как видно из диаграммы (рис. 94), в этом случае с уве­личением нагрузки напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора возрастает.

Для рассмотрения процессов, происходящих в транс­форматорах, пользуются схемой замещения. В схеме замещения каждая обмотка трансформатора заме­щена реальными активным и индуктивным сопротивле­ниями, которыми она обладает, и идеальной обмоткой без сопротивления. Кроме этого, принимаем, что дей­ствие э. д. с. рассеяния эквивалентно падениям напря­жения на индуктивных сопротивлениях обмоток транс­форматора, а действие э. д. с. активных сопротивлений - падениям напряжения на активных сопротивлениях об­моток.

Таким образом, первичная обмотка состоит из реаль­ных сопротивлений х 1 и r 1 и идеальной обмотки z 1 M , а вто­ричная соответственно из х" 2 , r" 2 и Z" 2 M (рис. 95, а). Обмотки z 1 m и Z" 2 m связаны между собой электромагнитно посред­ством магнитного потока Ф м, создающего в обмотках транс­форматора э. д. с. Е 1 и Е" 2 .

Так как мы рассматриваем приведенный трансформа­тор, у которого ω 2 = ω 1 а k = 1, то можно электромаг­нитную связь заменить электрической, объединив об­мотки z lM и z’ 2 m в одну z 12 , по которой течет ток,

Обмотку z 12 называют намагничивающей обмоткой, или намагничивающей ветвью, в которой создается магнитный поток Ф м током I 0 (рис. 95, б). Напряжение на зажимах намагничивающей обмотки равно Е 1 = Е" 2 .

Данная схема замещения соответствует полной век­торной диаграмме трансформатора (рис. 93).

Схему замещения трансформатора и соответственно векторную диаграмму можно упростить. С этой целью пре­небрегают намагничивающим током I 0 , так как он не пре­вышает в среднем 5% I Н для большинства трансформа­торов, и намагничивающей ветвью схемы замещения z 12 .

Тогда упрощенная схема замещения будет состоять из последовательно соединенных сопротивлений г 1 , х 1 и r" 2 , х 2 , по которым протекает ток I 1 , так как в приведен­ном трансформаторе ток I 1 = I 2 , если пренебречь током холостого хода.

К зажимам АХ в схеме замещения подведено напря­жение U 1 , а на зажимах ах мы получаем напряжение U" 2 , которое меньше U 1 , на величину изменения напряжения

Рис. 95. Схема замещения трансформатора при нагрузке:

а - схема трансформатора, б - схема замещения трансформатора;

в - упрощенная схема замещения, г - упрощенная векторная

диаграмма

вследствие падения напряжения в обмотках трансфор­матора от тока нагрузки I 1 (рис. 95, в).

Соответствующую этой схеме замещения упрощенную векторную диаграмму трансформатора строим, исходя из тех же соображений - вектором тока холостого хода пренебрегаем, а все вторичные векторы поворачиваем на 180°. Вектор тока I 1 = I" 2 проводим вертикально, затем под углом φ 2 откладываем вектор напряжения U" 2 (рис. 95, г). С вектором тока совпадает по фазе падение напряжения на активном сопротивлении вторичной об­мотки I" 2 r" 2 , а перпендикулярно к вектору тока - падение напряжения на индуктивном сопротивлении вторичной обмотки I" 2 x" 2 - Замыкающий вектор ОА - это вектор э. д. с. Е 1 = Е" 2 .

Рис. 96. Упрощенная схема замещения трансформатора при нагрузке:

a - схема замещения; б - упрощенная векторная диаграмма.

С конца вектора э. д. с. откладываем вектор падения напряжения на активном сопротивлении первичной об­мотки I 1 r 1 , а перпендикулярно к вектору тока - на индук­тивном I 1 x 1 . Вектор ОВ - напряжение сети U 1 .

Падения напряжения на активных сопротивлениях обеих обмоток можно объединить, то же можно сделать и по отношению падений напряжения на индуктивных сопротивлениях обеих обмоток

Сопротивления

а также z K называют активным, индуктивным и пол­ным сопротивлениями короткого замыкания трансфор­матора, или параметрами короткого замыкания трансфор­матора.

Тогда схема замещения трансформатора упрощается еще больше. Она будет состоять из двух сопротивлений r к и х к, по которым протекает ток I 1 (рис. 96, а).

Соответствующая этой схеме замещения векторная диаграмма приведена на рисунке 96, б. Обычно

Что произойдет, если разомкнуть переключатель, управляющий током через индуктивность? Индуктивность, как известно, характеризуется следующим свойством: а из этого следует, что ток нельзя выключить моментально, так как при этом на индуктивности появилось бы бесконечное напряжение. На самом деле напряжение на индуктивности резко возрастает и продолжает увеличиваться до тех пор, пока не появится ток. Электронные устройства, которые управляют индуктивными нагрузками, могут не выдержать такого роста напряжения, особенно это относится к компонентам, в которых при некоторых значениях напряжения наступает «пробой». Рассмотрим схему, представленную на рис. 1.94.

Рис. 1.94. Индуктивный «бросок».

В исходном состоянии переключатель замкнут и через индуктивность (в качестве которой может выступать, например, обмотка реле) протекает ток. Когда переключатель разомкнут, индуктивность «стремится» обеспечить ток между точками А и В, протекающий в том же направлении, что и при замкнутом переключателе. Это значит, что потенциал точки В становится более положительным, чем потенциал точки А. В нашем случае разница потенциалов может достичь 1000 В, прежде чем в переключателе возникнет электрическая дуга, которая и замкнет цепь. При этом укорачивается срок службы переключателя и возникают импульсные наводки, которые могут оказывать влияние на работу близлежащих схем. Если представить себе, что в качестве переключателя используется транзистор, то срок службы такого переключателя не укорачивается, а просто становится равным нулю!

Чтобы избежать подобных неприятностей лучше всего подключить к индуктивности диод, как показано на рис. 1.95. Когда переключатель замкнут, диод смещен в обратном направлении (за счет падения напряжения постоянного тока на обмотке катушки индуктивности). При размыкании переключателя диод открывается и потенциал контакта переключателя становится выше потенциала положительного питающего напряжения на величину падения напряжения на диоде. Диод нужно подобрать так, чтобы он выдерживал начальный ток, равный току, протекающему в установившемся режиме через индуктивность; подойдет, например диод типа .

Рис. 1.95. Блокирование индуктивного броска.

Единственным недостатком описанной схемы является то, что она затягивает затухание тока, протекающего через катушку, так как скорость изменения этого тока пропорциональна напряжению на индуктивности. В тех случаях, когда ток должен затухать быстро (например, быстродействующие контактные печатающие устройства, быстродействующие реле и т.д.), лучший результат можно получить, если к катушке индуктивности подключить резистор, подобрав его так, чтобы величина не превышала максимального допустимого напряжения на переключателе. (Самое быстрое затухание для данного максимального напряжения можно получить, если подключить к индуктивности зенеровский диод, который обеспечивает затухание по линейному, а не по экспоненциальному закону.)

Диодную защиту нельзя использовать для схем переменного тока, содержащих индуктивности (трансформаторы, реле переменного тока), так как диод будет открыт на тех полупериодах сигнала, когда переключатель замкнут. В подобных, случаях рекомендуется использовать так называемую RС-демпфирующую цепочку (рис. 1.96). Приведенные на схеме значения R и С являются типовыми для небольших индуктивных нагрузок, подключаемых к силовым линиям переменного тока. Демпфер такого типа следует предусматривать во всех приборах, работающих от напряжений силовых линий переменного тока, так как трансформатор представляет собой индуктивную нагрузку. Для защиты можно также использовать такой элемент, как металлоксидный варистор.

Рис. 1.96. RC-"демпфер" для подавления индуктивного броска.

Он представляет собой недорогой элемент, похожий по внешнему виду на керамический конденсатор, а по электрическим характеристикам на двунаправленный зенеровский диод. Его можно использовать в диапазоне напряжений от 10 до 1000 В для значений токов, достигающих тысяч ампер (см. разд. 6.11 и табл. 6.2). Подключение варистора к внешним выводам схемы позволяет не только предотвратить индуктивные наводки на близлежащие приборы, но также погасить большие всплески сигнала, возникающие иногда в силовой линии и представляющие серьезную угрозу для оборудования.