Общая электротехника и электроника

Поскольку в основе работы ДУ лежит идеальная симметричность его плеч, а выполнить это практически возможно только при микроэлектронном исполнении, наиболее широко ДУ используются в интегральных микросхемах.

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель постоянного тока с дифференциальным входным каскадом, с очень высоким и стабильным коэффициентом усиления (от 1000 до 100000), широкой полосой пропускания сигнала (f_в=10-100 МГц), высоким входным сопротивлением (R_вх > 10 кОм); малым выходным сопротивлением (R_вых < 100 Ом), малым дрейфом нуля, высоким коэффициентом подавления синфазных сигналов, несимметричным выходом. Таким образом, это высококачественный универсальный усилитель.

Один из входов ОУ называют прямым, т.к сигнал на выходе и сигнал на этом входе имеют одинаковую полярность. Другой вход называют инвертирующим, т.к. сигнал на выходе имеет противоположную полярность по отношению к сигналу на этом входе. Питание ОУ осуществляется от двухполярного. источника со средней точкой, это дает возможность получить на выходе ОУ двухполярный сигнал. Существуют, различные варианты подачи входного сигнала (на один из входов, между двумя входами, два различных сигнала). Часто сигнал подают на неинвертирующий вход, а через инвертирующий вход ОУ охватывают глубокой обратной связью (ОС). В этом случае можно получить устройства с различными свойствами, которые будут определяться параметрами цепи ОС. С помощью такого ОУ можно осуществлять математические операции (умножение, интегрирование, дифференцирование, сравнение и др.). Операционный усилитель является универсальным устройством аналоговых (линейных) интегральных микросхем.

2.3. Трансформаторы

Трансформаторы - это электрические аппараты, предназначенные для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины.

Трансформатор имеет замкнутый магнитопровод из ферромагнитного материала, на котором расположены две или несколько обмоток, Принципиальная схема трансформатора представлена на рис. 2.23. На рисунке: 1 и 2 первичная и вторичная обмотки трансформатора с числом витков w₁ и w₂; 3 - магнитопровод.

Рис. 2.23. Принципиальная схема трансформатора

При подключении первичной обмотки к сети переменного тока напряжением U₁, по ней потечет ток I₁, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Этот поток, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней ЭДС E₂.

Пусть к первичной обмотке с числом витков w₁ приложено переменное напряжение:

Ему противодействует ЭДС самоиндукции

В соответствии с законом электромагнитной индукции величина e₁ также равна:

После совместного решения двух предыдущих уравнений для действующего значения ЭДС первичной обмотки получаем

Данное выражение называют формулой грансформагорной ЭДС, которая устанавливает связь амплитуды магнитного потока Ф_m, частоты его изменения в магнитопроводе и числа витков обмотки с величиной индуцированной в ней ЭДС.

Так как первичная и вторичная обмотки трансформатора (рис. 2.23) пронизываются одним и тем же потоком Ф, то по аналогии можем записать:

Отношение Е₁ к Е₂ называется коэффициентом трансформации

Это один из основных параметров трансформатора.

Потери энергии в трансформаторе.

Рис. 2.24. Кривая перемагничивания ферромагнетика

Другим важным параметром трансформатора является мощность Р₂, которую он способен передать потребителям, подключенным к его вторичной обмотке. Очевидно, что мощность Р₁, потребляемая из сети первичной обмоткой трансформатора, будет больше Р₂ на величину потерь в самом трансформаторе ДР.

где ДР_ст - мощность потерь в стали (магнитопроводе) трансформатора;

ДР_м - мощность потерь в меди (проводах обмоток).

В свою очередь потери в стали разделяют на два вида:

где ДР_г - потери на гистерезис;

ДР_в - потери на вихревые токи.

Потери на гистерезис пропорциональны площади (заштрихована) петли гистерезиса (см. рис. 2.24) и частоте перемагничивапия магнитонровола. На рис. 2.24: В_m - амплитуда магнитной индукции; Н_m - амплитуда напряженности магнитного поля (); - магнитная проницаемость вакуума; - относительная магнитная проницаемость; В_г - остаточная индукция.

Для снижения потерь на гистерезис магнитопроводы трансформаторов выполняют из магнитомягких материалов, имеющих узкую петлю гистерезиса и малые значения остаточной индукции В_г при максимальной величине относительной магнитной проницаемости (электротехнические стали, железоникелевые сплавы, ферриты и др.).

Вихревые токи появляются в электропроводящих материалах (металлах, сплавах, электролитах и т.п.), помещенных в изменяющееся магнитное поле. Они индуцируются в контурах, плоскости которых перпендикулярны силовым линиям магнитного поля (см. рис. 2.25,а).

а) б)

Рис. 2.25. Вихревые токи в магнитопроводе трансформатора

Величина наведенных вихревых токов, замыкающихся по периметру сечения магнитопровода, прямо пропорциональна величине наведенной в контуре ЭДС и обратно пропорциональна удельному электрическому сопротивлению материала магнитопровода.

Вихревые токи, во-первых, создают свое магнитное поле, ослабляющее основное поле; во-вторых, нагревая сердечник, бесполезно расходуют энергию, снижая КПД трансформатора.

Для уменьшения вихревых токов применяют.

- магнитопроводы из электротехнической стали и примесью кремния с увеличенным удельным электрическим сопротивлением;

- магнитопроводы выполняют шихтованными, т.е. из отдельных изолированных друг от друга листов стали толщиной 0,5 мм и менее (рис. 2.25,б).

Режимы работы трансформатора

Для исследования режимов работы трансформатора, расчета сетей целесообразно магнитную связь между первичным и вторичным контурами заменить электрической связью. На рис. 2.26 представлена Т-образная схема замещения трансформатора.

На схеме: X₁ ,X₂ ,R₁ ,R₂ - индуктивные и активные сопротивления первичной и вторичной обмоток; Z_H - сопротивление нагрузки; X₀ - индуктивное сопротивление, обусловленное основным магнитным потоком трансформатора; R₀ - активное сопротивление, обусловленное магнитными потерями мощности в магнитопроводе трансформатора; Rґ₂=R₂ n², Xґ₂ =X₂ n², Iґ₂ =I₂ /n, Uґ₂ = U₂ n - приведенные параметры вторичной обмотки трансформатора.

Рис. 2.26

При опыте холостого хода U₁ =U_1H , вторичная обмотка при этом разомкнута, в результате I₂₀ =0, в то время как процентное отношение тока холостого хода в первичной цепи

I₁₀*= I₁₀ /I_1H = (4 ч10)%

Активная мощность, потребляемая трансформатором P₀ затрачивается на потери мощности в магнитопроводе P_M

Рассчитываем: коэффициент трансформации

n = U₁ / U₂

Параметры схемы замещения

R₀ = P₀ / I_10H ²

Z₀ = U_1H / I_10H

cosц_0H = P₀ / (I_10HU_1H)

При расчете предполагается, что потери в первичной обмотке невелики.

При опыте короткого замыкания вторичная обмотка замкнута накоротко, а первичная включается на пониженное напряжение U_1k, при котором в обмотках трансформатора протекают номинальные токи I_1H и I_2H здесь U₂=0 и Z`_H = 0.

В этом случае вся мощность P_k ,потребляемая трансформатором, идет на нагрев его обмоток т.е. равна электрическим потерям Pэ в проводах обмоток.

Параметры упрощенной схемы замещения (рис 2.27):

Рис. 2.27

Напряжение короткого замыкания выражается обычно в процентах

КПД трансформатора - отношение полезной активной мощности P₂ ко всей активной мощности, поступающей из сети P₁.

,

где

S_H - полная мощность трансформатора

- коэффициент нагрузки

- коэффициент мощности потребителя электроэнергии.

ДP_M = P₀ ; ДPэ = R_kI₂² = R_kI_н² в² = в² P_k

КПД максимален при

Обмотки трехфазных трансформаторов могут соединяться звездой и треугольником. При симметричной нагрузке электромагнитные процессы в каждой фазе трехфазного трансформатора одинаковы, поэтому полученные ранее формулы для однофазного трансформатора могут быть применимы к трехфазным. Однако необходимо использовать фазные токи, напряжения и мощности.

Для трехфазного трансформатора активная мощность, потребляемая симметричной нагрузкой, равна:

где Р_Ф2 - мощность, потребляемая нагрузкой каждой фазы.

Для схемы соединения "звезда":

I_Ф2=I₂; U_Ф2 = ,

где I₂ и U₂ - линейный ток и линейное напряжение.

Для схемы соединения "треугольник*':

I_Ф2 = ; U_Ф2=U₂.

Следовательно, независимо от схемы соединения:

Умножая на 3, получают:

где

При I₂=I_2Н; U₂=U_2Н номинальную мощность трехфазного трансформатора определяют так:

Ее можно выразить через I_2Н и U_2Н: