Феррорезонансный стабилизатор напряжения: достоинства и недостатки

Как классифицируется стабилизатор напряжения по классу напряжения

По классу напряжения стабилизаторы делят на две категории: однофазные и трехфазные. Каждый из данных видов имеет свои технические показатели, принцип действия и сферу применения.

Однофазный стабилизатор напряжения

Прибор обеспечивает поддержку напряжения на уровне 220 В, защищает электротехнику от возможных поломок во время скачков в сети, а также обеспечивает работу приборов при понижении до 170-190 В.

Параметры оборудования:

• мощность — указывает на величину нагрузки, при которой стабилизатор способен правильно функционировать — 500-7000 Вт;
• диапазон стабилизации — подбирается относительно конкретной сети — 140-260 В;
• точность стабилизации — важный показатель для работы чувствительной аппаратуры — 2-10 %;
• транзитный режим — наличие режима позволяет направить электроэнергию без использования стабилизатора.

По принципу работы однофазное оборудование делится на два типа: электромеханическое и электронное.

Трехфазный стабилизатор напряжения

Прибор используется в промышленной сфере и предохраняет оборудование от повреждений, связанных с изменениями напряжения в 380 В.

Параметры оборудования:

• мощность — выбор прибора базируется на суммарной нагрузке — 200 кВт и выше;
• диапазон стабилизации — определяет возможность оборудования работать при скачках напряжения — 240-430 В;
• точность стабилизации — для чувствительного оборудования 2-3 %, для бытовых устройств 5-7 %;
• скорость реакции — 10-30 мс.

Трехфазные стабилизаторы также делятся на электромеханические и электронные аппараты. Механические отличаются плавностью при регулировании и медленной реакцией. При этом электронные реагируют быстрее, проявляют устойчивость к перегрузкам в работе, однако выдают высокую погрешность во время стабилизации.

Технология стабилизации напряжения, основанная на эффекте феррорезонанса

В 1938 году был изобретен и запатентован феррорезонансный трансформатор (автор Джозеф Сола). Именно это устройство, изначально названное «трансформатор постоянного напряжения», стали впервые использовать для стабилизации параметров электрической энергии, так как оно за счет электромагнитного явления, называемого феррорезонансом, при колебаниях входного напряжения сохраняло неизменным значение выходного.

Отметим, что феррорезонансный эффект не регулирует напряжение напрямую, однако при правильном применении позволяет минимизировать влияние первичного (входного) напряжения на вторичное (выходное).

Феррорезонансный трансформатор включает в себя две магнитные цепи (обмотки) со слабой связью друг с другом. Магнитопроводы цепей имеют различную магнитную проницаемость, поэтому во время работы выходная цепь находится в режиме постоянного насыщения, а входная, наоборот, не достигает насыщенности. Благодаря этому даже значительные отклонения напряжения на входе не приводят к существенным колебаниям на выходе. Разница между величиной фактически снимаемого с трансформатора напряжения и его номинальным значением обычно не превышает пяти процентов (при соблюдении определённых условий).

Феррорезонансные трансформаторы выпускаются по сей день, правда, современные модели из-за высокой цены и некоторых особенностей эксплуатации, практически не используются в качестве стабилизаторов напряжения.

Феррорезонанс в трансформаторе напряжения

Когда трансформатор напряжения подключается к сети, в ней формируются последовательно совмещённые LC-цепи, являющие собой контур резонансного типа. При последовательном подключении индуктивного элемента с нелинейным вольт-амперным свойством к элементу ёмкостного типа напряжение в этой зоне цепи характеризуется как активно-индуктивное.

По окончании определённого временного периода значение напряжения на индуктивном элементе становится пиковым, магнитопровод питается, а напряжение на компоненте ёмкостного типа продолжает расти. Феррорезонанс в трансформаторе напряжения наступает, когда напряжение индуктивности и ёмкостного элемента становится равнозначным.

Принцип действия феррорезонансных стабилизаторов

Первичная обмотка, на которую приходит напряжение входа, находится на участке 2 магнитопровода. Он имеет значительное поперечное сечение, чтобы сердечник был в ненасыщенном состоянии. На входе напряжение образует магнитный поток Ф2.

На зажимах вторичной обмотки создается напряжение выхода. К ней подключается нагрузка, находящаяся на 3 участке сердечника, и имеет малое сечение, и насыщенное состояние. при отклонениях напряжения сети и магнитного потока, величина его почти не меняется, а также не изменится ЭДС. При повышении магнитного потока некоторая часть его будет замыкаться по магнитному шунту.

Поток Ф2 становится синусоидальным. Если поток Ф2 подходит к амплитудной величине, то третий участок переходит в насыщение, а магнитный поток перестает повышаться, и возникает поток Ф1. В результате поток по магнитному шунту будет замыкаться только тогда, когда магнитный поток №2 по величине сравнивается с амплитудным. Это создает поток Ф3 несинусоидальным, а напряжение становится тоже не синусоидальным.

Наличие конденсатора дает возможность прибору работать с повышенным коэффициентом мощности. А коэффициент стабилизации зависит от наклона горизонтальной кривой 2 к абсциссе. Этот участок обладает большим наклоном, поэтому получить большую стабилизацию без вспомогательных приборов не получится. Прямая передача тока дает возможность добиться повышенного усиления.

Устройство трансформатора

Схема включения

Каждый фазоповоротный трансформатор принцип работы которого был рассмотрен в предыдущем разделе, состоит из двух преобразователей напряжения, отличающихся схемой включения. В его состав входят:

• параллельный трансформатор (ПТ);
• последовательное его дополнение (можно обозначить его как ПсТ).

Первичные обмотки ПТ включается параллельно линейной цепи по общеизвестной схеме типа «треугольник» (смотрите рисунок выше).

Вторичные же выполнены в виде полностью изолированных катушек с отводами от отдельных витков. Одним своим концом они подключаются к первичным обмоткам ПсТ, ответные части которых наглухо заземляются.

Вторичные обмотки последовательного трансформатора – это три изолированные фазы, включенные в разрыв основных питающих цепей. Из приведенной выше схемы следует, что трансформатор ПсТ подключается по схеме «звезда» (с наглухо заземленной нейтралью).

Важно! Такое включение обеспечивает дополнительный сдвиг фазы питающего напряжения на 90 градусов относительно сигнала, приходящего со станционного оборудования. По этой причине другое название этих устройств – фазоповоротный или кросс-трансформатор

Они способны работать как самостоятельно, так и в составе агрегатов, в которые входят преобразователи других типов

Из схемы включения также видно, что нагрузки к нему подключается через фазные вторичные обмотки ПсТ

Они способны работать как самостоятельно, так и в составе агрегатов, в которые входят преобразователи других типов. Из схемы включения также видно, что нагрузки к нему подключается через фазные вторичные обмотки ПсТ

По этой причине другое название этих устройств – фазоповоротный или кросс-трансформатор. Они способны работать как самостоятельно, так и в составе агрегатов, в которые входят преобразователи других типов. Из схемы включения также видно, что нагрузки к нему подключается через фазные вторичные обмотки ПсТ.

Эффект коррекции фаз

Последствия коррекции фаз могут быть представлены в виде поправок, которые вносятся в цепи после установки в них фазовращательных устройств. Для успешной работы таких трансформаторов при их проектировании должны учитываться следующие моменты:

• В нагрузках формируется питающее напряжение, состоящее из суммы двух компонентов (вектора источника и величины, вносимой фазовращателем).
• Добиться компенсации потерь в линии удается за счет изменения второй компоненты.
• Для управления характеристиками ФТ во вторичной обмотке ПТ предусмотрены регулируемые отводы в виде реостата.
• При изменении положения движка регулятора меняется вторая составляющая фазной суммы, компенсируя «набежавший» в линии сдвиг.

Таким путем осуществляется коррекция фазной разницы между векторами напряжений источника и потребителя, возникающего из-за распределенных параметров линий и неравномерности нагрузки.

6.17. ФЕРРОРЕЗОНАНСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Вследствие падения напряжения в сопротивлениях источника и проводов электрической сети напряжение приемников не остается постоянным. Для уменьшения колебания напряжения некоторые приемники снабжаются стабилизаторами напряжения. Существуют различные стабилизаторы напряжения. Одним из них является феррорезонансный стабилизатор.

Электрическая схема простейшего феррорезонансного стабилизатора напряжения и в. а. х. U2(IL), U1(I) его элементов хL и хL1 приведены на рис. 6.37 и 6.38; в. а. х. U2 (IС) элемента хС дана на рис. 6.39, а. Выводы аb стабилизатора подключаются к источнику синусоидального напряжения, выводы cd — к приемнику электрической энергии.

Стабилизирующее действие стабилизатора напряжения объясняется тем, что в. а. х. U2(IL) обмотки 2 с ферромагнитным магнитопроводом имеет участок fg (см. рис, 6.38), на котором при изменении в широких пределах тока IL напряжение обмотки U2 и, следовательно, приемника изменяется незначительно.

Для получения лучшего стабилизирующего эффекта обмотка 1 с ферромагнитным магнитопроводом должна быть рассчитана так, чтобы при наибольшем напряжении на ней ферромагнитный материал магнитопровода был не насыщен и в. а, х. обмотки U1 (I) была практически прямолинейной. С этой целью магнитопровод обмотки 1 выполняется, в частности, с воздушным зазором.

С целью упрощения анализа соотношений в цепи стабилизатора напряжения будем считать, что: обмотки 1 и 2 идеализированные и, кроме того, отсутствуют потери мощности в магнитопроводах; несинусоидальные токи катушки заменены эквивалентными синусоидальными; приемник отключен.

Рис. 6.37. Схема феррорезонансного стабилизатора напряжения

Рис. 6.38. В. а. х. индуктивных элементов xl и xl1

Рассмотрим, что происходит в цепи стабилизатора при изменении напряжения U источника, считая пока, что конденсатор с сопротивлением хC отсутствует и I = IL.

Допустим, что напряжение U увеличилось на ΔU. Это приведет к увеличению тока I = IL на ΔI = ΔIL напряжений U1 и U2 соответ­ственно на ΔU1 и ΔU2. Очевидно, при сделанных допущениях ΔU1 + ΔU2 = ΔU.

Как следует из рис. 6.38, при изменении напряжения источника U напряжение U2 на обмотке 2 изменяется незначительно; изменение напряжения U приводит в основном к изменению напряжения U1 обмотки 1.

Участку fg в. а. х. U2(IL) обмотки 2 соответствует при отсутствии конденсатора значительный ток обмотки 1 и источника, что нежелательно. Для уменьшения тока обмотки 1 и источника параллельно с обмоткой 2 включают конденсатор.

Для выявления соотношения между приращениями входного U и выходного U2 напряжений стабилизатора при наличии конденсатора произведем следующие преобразования: заменим мысленно параллельно соединенные обмотку 2 и конденсатор эквивалентным элементом хэк , имеющим соответственно эквивалентную в. а. х. U2(I); заменим элемент хэк и обмотку 1 эквивалентным элементом хэк1, имеющим в. а. х. U (I).

Построение в. а. х. U2(I) производится на основании следующих соображений: так как ток IL отстает по фазе относительно напряжения U2 на угол π/2, а ток IC опережает указанное напряжение на такой же угол, то при любом напряжении U2 между токами должно существовать соотношение: I = |IL – IC|.

В. а. х. U2(I), построенная в соответствии с указанными соотноше­нием с помощью в. а. х. U2(IL) и U2(IC), приведена на рис. 6.39, а. Резонанс токов в цепи наступает при напряжении U2 = Uk, при котором IL = IC и I = 0. Участок klО в. а. х

U2(I), на котором IL

Построение в. а. х. U(I) производится на основании следующих соображений: поскольку  напряжение U2 (при IL > IC) и напряжение

Рис.  6.39. К   построению в. а. х. U2(I) и U(I) феррорезонансного стабилизатора напряжения

U опережают ток I на угол π/2, при любом значении тока I между напряжениями существует следующее соотношение:

U = U1 + U2:

В. а. х. U(I), построенная в соответствии с указанным соотношением с помощью в. а. х. U1(I) и U2(I),дана на рис. 6.39, б.

Как видно, при значительном изменении напряжения источника ΔU = U” – U’ выходное напряжение изменяется на относительно небольшое значение ΔU2 = U”2 – U’2.

Путем небольшого усложнения электрической цепи стабилизатора напряжения можно получить практически неизменное напряжение U2 при колебании напряжения источника.

Феррорезонансные стабилизаторы просты по устройству, надежны в работе, имеют относительно небольшую стоимость и практически неограниченный срок службы. К недостаткам следует отнести несинусоидальность формы кривой выходного напряжения и относительно большую массу.

Феррорезонанс: как это работает

Феррорезонанс — это явление, которое возникает в трансформаторе напряжения при совпадении частоты (резонансной частоты) вторичной обмотки с собственной резонансной частотой ферромагнитного материала, используемого в сердечнике трансформатора.

Основной принцип работы феррорезонансного трансформатора заключается в эффекте увеличения выходного напряжения за счет резонансного эффекта между вторичной обмоткой и ферромагнитным материалом сердечника.

Когда частота вторичного сигнала совпадает с резонансной частотой сердечника, возникает эффект феррорезонанса. В этом случае импеданс вторичной обмотки снижается, а выходное напряжение увеличивается. Это позволяет эффективно использовать трансформатор для увеличения напряжения.

Преимущества феррорезонансного трансформатора:

1. Увеличение выходного напряжения при сниженной потере энергии.
2. Увеличение эффективности преобразования энергии.
3. Меньший размер и вес трансформатора по сравнению с традиционными трансформаторами.
4. Большая стабильность работы в широком диапазоне номинальных напряжений.

Важно отметить, что использование феррорезонансного трансформатора требует точного совпадения резонансной частоты сердечника с работающей частотой вторичного сигнала. Несоответствие может привести к нежелательным эффектам и потере эффективности

Основные принципы работы трансформаторов напряжения

Трансформаторы напряжения – это электрические устройства, которые используются для перевода высокого напряжения в низкое или наоборот. Они часто применяются в электроэнергетике, предоставляя безопасный и эффективный способ измерения и защиты.

Основной принцип работы трансформаторов напряжения базируется на физическом явлении электромагнитной индукции. Они состоят из двух или более обмоток, разделенных изолированной магнитной структурой, называемой сердечником. Обмотки называются первичной и вторичной.

Когда переменный ток проходит через первичную обмотку, создается переменное магнитное поле, которое связано с вторичной обмоткой через сердечник. Вторичная обмотка получает электрическое напряжение, которое пропорционально отношению числа витков в первичной и вторичной обмотках.

Важной характеристикой трансформаторов напряжения является их коэффициент трансформации. Он определяет отношение напряжений на первичной и вторичной обмотках

Например, трансформатор с коэффициентом трансформации 1:10 будет преобразовывать высокое напряжение в 10 раз меньшее низкое напряжение.

Трансформаторы напряжения имеют ряд преимуществ, включая:

• Изоляция: обмотки трансформатора разделены, что обеспечивает электрическую изоляцию между системами с разными потенциалами.
• Эффективность: трансформаторы имеют высокую эффективность, что позволяет эффективно передавать электрическую энергию.
• Простота использования: трансформаторы легко подключаются к системе, требуя минимум настроек и обслуживания.
• Масштабируемость: трансформаторы могут быть разработаны для работы с различными уровнями напряжения и мощности в зависимости от конкретных потребностей.

Трансформаторы напряжения играют важную роль в электроэнергетике, обеспечивая перевод и перемещение электрической энергии по сетям с минимальными потерями.

Принцип работы феррорезонанса

Феррорезонансный трансформатор напряжения — это устройство, основанное на явлении феррорезонанса, которое является физическим эффектом, описывающим явление резонансного перехода энергии между катушками индуктивностей при определенной частоте внешнего переменного напряжения.

Принцип работы феррорезонанса основан на известной формуле для вычисления резонансной частоты, которая равна инверсии произведения 2π умножить f на квадратный корень из L и C, соответственно, где f — частота, L — индуктивность, C — ёмкость. В случае феррорезонансного трансформатора напряжения резонансная частота достигается путем подбора значения индуктивности и ёмкости.

Когда внешнее напряжение подается на феррорезонансный трансформатор, система находится вне резонанса. Трансформатор работает как обычный трансформатор, преобразуя напряжение и ток. Однако, когда частота внешнего напряжения приближается к резонансной частоте, происходит явление феррорезонанса.

Во время феррорезонанса трансформатор начинает работать по-разному. Входное напряжение и ток остаются пропорциональными, но амплитуды значительно увеличиваются, а фазовое смещение между ними уменьшается. Это позволяет использовать трансформатор для преобразования и передачи высоких напряжений на большие расстояния без больших потерь энергии.

Преимущества феррорезонансного трансформатора напряжения включают в себя высокую эффективность, снижение потерь энергии, улучшенную стабильность выходного напряжения и возможность передачи высоких напряжений на большие расстояния. Это делает его очень полезным в современных электроэнергетических системах и оборудовании.

Особенности работы трансформатора с феррорезонансом

Трансформатор с феррорезонансом является особым типом трансформатора, использующим явление феррорезонанса для регулировки напряжения и улучшения эффективности работы. Он представляет собой комбинацию обычного трансформатора и феррорезонансной цепи.

Феррорезонанс — это явление, при котором резонансное изменение магнитной проницаемости ферромагнитного материала происходит при определенной частоте. В случае феррорезонансного трансформатора этот эффект используется для поддержания постоянства выходного напряжения при изменении нагрузки.

Работа трансформатора с феррорезонансом осуществляется следующим образом:

1. На входе трансформатора подается переменное напряжение с постоянной частотой.
2. Первичная обмотка трансформатора передает энергию на феррорезонансную цепь.
3. Феррорезонансная цепь включает в себя ферромагнитный материал с определенной резонансной частотой.
4. При достижении резонансной частоты, магнитная проницаемость ферромагнитного материала резко возрастает, что приводит к увеличению индуктивности феррорезонансной цепи.
5. Увеличение индуктивности приводит к изменению реактивного значения импеданса цепи и компенсации изменений величины внешней нагрузки.
6. Выходное напряжение трансформатора поддерживается на постоянном уровне, несмотря на изменение нагрузки или внешние факторы.

Одним из главных преимуществ работы трансформатора с феррорезонансом является его высокая эффективность. Благодаря использованию резонансного эффекта, потери энергии в трансформаторе значительно уменьшаются, что позволяет сэкономить электроэнергию и улучшить общую эффективность системы.

Также, трансформаторы с феррорезонансом обладают более широким диапазоном работы, чем обычные трансформаторы. Они могут эффективно работать при больших изменениях нагрузки, что дает большую гибкость и надежность в использовании.

Несмотря на свои преимущества, трансформаторы с феррорезонансом имеют и некоторые недостатки. Они требуют более сложной настройки и контроля, а также более дорогих компонентов. В некоторых случаях, феррорезонанс может вызвать нежелательные явления, такие как резонансные колебания и гармоники.

В целом, трансформаторы с феррорезонансом являются эффективным и гибким решением для регулировки напряжения в различных системах. Их преимущества перевешивают недостатки, и они широко применяются в различных отраслях, где требуется стабильное и эффективное электрическое питание.

Требования к эксплуатации

Антирезонансные трансформаторы должны эксплуатироваться с соблюдением следующих требований:

• устанавливаться на высоте от уровня моря в пределах до 1 км,
• колебания температуры окружающей среды должны находиться от 15 до 35 градусов тепла, при отсутствии колебаний более 5 градусов,
• состав воздуха должен включать достаточное количество кислорода и азота, с принадлежностью атмосферы ко второму типу,
• обязательное соблюдение правил пожарной безопасности, предусмотренных государственными нормативными актами,
• подключение трансформатора к сети с характеристиками, на которые рассчитано данное оборудование,
• в процессе эксплуатации должна соблюдаться схема технического обслуживания и проведения планово-предупредительных текущих и капитальных ремонтов, в соответствии с требованиями, установленными заводом-изготовителем и другими регламентирующими документами,
• к обслуживанию агрегатов необходимо допускать обученный и аттестованный персонал, с организацией безопасного отключения установки от сети и выполнением установленных нормами по охране труда мер безопасности.

Учитывая эксплуатационные требования, такие трансформаторы не могут работать на открытом воздухе. Их необходимо устанавливать в помещениях, обеспечивающих соответствующий температурный и влажностный режим.

От правильности эксплуатации зависит безопасность работы данного оборудования и продолжительность его использования. Паспортный срок службы будет обеспечен только при условии обязательного выполнения требований, установленных изготовителем.

Антирезонансные трансформаторы – относительно новая разработка в области электротехники. Это оборудование получает всё более широкий спектр применения и продолжает всё более совершенствоваться.

Принцип работы

Основу феррорезонансного стабилизатора составляет пара дросселей, на один из них приходит напряжение, а с помощью другого происходит формирование эталонного значения.

Также значимой составляющей являются конденсаторы, которые тоже принимают участие в преобразовании напряжения. Следует учитывать тот факт, что на устройство не должны попадать прямые солнечные лучи, иначе срок его службы значительно сократиться.

Система охлаждения установленная в стабилизаторе пассивная и представлена небольшими радиаторами и корпусов. Но этого вполне достаточно, чтобы прибор не перегревался во время работы.

Интервал стабилизации может быть самым различным, чем он выше, тем дороже будет стоимость стабилизатора. Но стоит учитывать тот факт, что чем меньше нагрузка, тем больше становится интервал стабилизации. В паспорте он указан для пиковой нагрузки.

Существуют модели одно-, двух- и трехфазные, с гальванической развязкой или без таковой. Стабилизаторы могут функционировать при различном входном и выходном напряжении, с частотой 50, 60 или 400 Гц.

Мощность может варьироваться в диапазоне от нескольких ватт, до нескольких десятков киловатт. Могут быть выполнены в виде напольного, настенного или настольного агрегата.

Преимущества и недостатки трансформатора с феррорезонансом

Преимущества:

• Высокий КПД: трансформатор с феррорезонансом имеет высокий коэффициент полезного действия, что позволяет увеличить эффективность работы системы.
• Экономия энергии: за счет высокого КПД, трансформатор с феррорезонансом может существенно сократить потери энергии при передаче и преобразовании напряжения.
• Уменьшение размеров и веса: благодаря особенностям принципа работы, трансформатор с феррорезонансом может быть компактным и легким, что упрощает его установку и эксплуатацию.
• Низкий уровень шума: поскольку в таком трансформаторе отсутствуют магнитные процессы, шум от его работы снижается до минимума.
• Улучшенное сопротивление перегрузкам: трансформатор с феррорезонансом может легко справляться с колебаниями нагрузки, обеспечивая стабильный выходной сигнал.

Недостатки:

• Чувствительность к изменению параметров сети: из-за особенностей работы трансформатора с феррорезонансом, любые изменения в напряжении питания или нагрузке могут существенно сказаться на его работе.
• Требуется дополнительная настройка: для достижения оптимального режима работы, трансформатор с феррорезонансом требует настройки резонансных параметров и подбора соответствующих компонентов.
• Более сложная конструкция: в сравнении с обычными трансформаторами, устройство с феррорезонансом имеет более сложную конструкцию, что может удорожить его производство и обслуживание.