Измерительные трансформаторы

К измерительным трансформаторам относятся трансформаторы тока и напряжения. Они служат для расширения пределов измерения электроизмерительных приборов, разделения высоковольтных силовых цепей и низковольтных измерительных цепей в электроустановках, а также для питания релейной и другой аппаратуры автоматического управления (рис.5.6).

Первичная обмотка трансформатора тока включается в линию последовательно, а вторичная обмотка замыкается непосредственно на амперметр, токовую обмотку ваттметра, счетчика или реле. Поскольку перечисленные приборы имеют очень малое сопротивление, то трансформаторы тока рассчитаны на режим работы, близкий к короткому замыканию. У трансформаторов тока, обычно включаемых первичной обмоткой последовательно в линию с достаточно большими токами, число витков этой обмотки невелико.

Для очень больших токов первичная обмотка выполняется в виде шины, продетой в окно стального сердечника, на котором намотаны витки вторичной обмотки. Вторичные обмотки измерительных трансформаторов тока обычно рассчитаны на ток 5 А независимо от того, на какой ток рассчитана первичная обмотка. В целях безопасности один вывод вторичной обмотки должен быть заземлен. При работе трансформатора тока нельзя допускать размыкания его вторичной обмотки, так как при этом на ней будет весьма высокое напряжение, что представляет опасность, как для изоляции, так и для обслуживающего персонала. В тех случаях, когда от вторичной обмотки трансформатора тока отключается прибор, на который он работал, саму вторичную обмотку следует обязательно закоротить, т.е. соединить между собой ее выводы. Трансформаторы напряжения по существу являются маломощными силовыми трансформаторами и по своей конструкции весьма близки к ним. Первичная обмотка трансформатора напряжения включается в цепь параллельно.

Вторичная обмотка подключается к вольтметру, обмоткам напряжения ваттметров, счетчиков или реле. Эти приборы имеют большое сопротивление, поэтому ток во вторичной обмотке трансформатора достаточно мал, т.е трансформатор напряжения работает в режиме, близким к холостому ходу. Вторичные обмотки трансформаторов напряжения обычно рассчитаны на 100В независимо от того, на какое напряжение рассчитана первичная обмотка. В целях безопасности один вывод вторичной обмотки должен быть заземлен. При отключении от вторичной обмотки трансформатора напряжения приборов, на которое он работал, саму вторичную обмотку, в отличие от таковой трансформатора тока, нельзя закорачивать, так как это может привести к выходу трансформатора из строя.

-28-

Выпрямители

Выпрямителями называются устройства, преобразующие переменный электрический ток в постоянный. По принципу действия выпрямители могут быть механическими, электронными, ионными, полупроводниковыми. Наибольшее широкое распространение получили полупроводниковые выпрямители. Существующие в природе вещества в зависимости от их способности проводить электрический ток разделяются на проводники, изоляторы и полупроводники. Проводники, к которым относятся металлы, а также водные растворы солей кислот и щелочей хорошо проводят электрический ток, обладая большой удельной проводимостью.

Изоляторы, которые называются также диэлектриками (фарфор, стекло, слюда, резина и др.), имеют очень малую удельную проводимость, т.е. практически не пропускают электрический ток.

Полупроводники, к которым относится большинство существующих в природе веществ, занимают промежуточное положение между изоляторами и проводниками. Для изготовления полупроводниковых выпрямителей чаще других используют селен, германий, кремний.

Среди полупроводниковых веществ особый интерес представляют так называемые электронные полупроводники, у которых, как и у металлов, носителями зарядов при прохождении электрического тока являются свободные электроны.

Способность металлов хорошо проводить электрический ток объясняется наличием в них большого количества свободных электронов. В полупроводниках же, чтобы перевести электрон из связанного состояния в свободное состояние, нужно извне сообщить ему некоторую добавочную энергию, например нагревом или облучением (освещением). В обычных условиях лишь сравнительно небольшое число электронов полупроводника получает добавочную энергию, достаточную, чтобы порвать связь со своими атомами и превратиться в свободные электроны. Атомы полупроводника, потерявшие электроны, превращаются в положительные ионы. При этом в кристаллической решетке полупроводникового вещества образуется незаполненная междуатомная связь – электронная дырка проводимости. Дырка проводимости легко может быть легко заполнена электроном соседнего нейтрального атома, который сам превратится в положительно заряженный ион. Этому вновь образованному иону может отдать свой электрон один из соседних атомов и т.д. Таким образом, местоположение в полупроводнике положительного иона меняется, т.е. положительный заряд, или электронная дырка проводимости, как бы перемещается. Таким образом, в чистом полупроводнике имеются равное количество носителей тока – свободные электроны (электроны проводимости) и дырки проводимости. Идеально чистые полупроводники в природе практически не встречаются, а изготовить их искусственно чрезвычайно трудно.

Малейшие следы примесей коренным образом изменяют свойства полупроводников. В одних случаях влияние примесей проявляется в том, что ток в полупроводнике протекает главным образом за счет направленного перемещения свободных электронов. Это полупроводники n – типа. В других случаях из-за наличия примеси ток в полупроводнике протекает главным образом за счет направленного перемещения дырок. Это полупроводники р – типа. Устройство состоящее из полупроводников р и n проводимостей называется полупроводниковым диодом.

Если к полупроводниковому диоду подключить источник переменного синусоидального напряжения, то в течении тех полупериодов, когда напряжение будет прямым, т.е направленным от анода к катоду, в цепи будет протекать достаточно большой электрический ток, а в течение тех полупериодов, когда напряжение обратное, от катода на анод, ток в цепи будет мал, то есть практически отсутствует. Таким образом, благодаря полупроводниковому прибору диоду в цепи получается не переменный, а пульсирующий выпрямленный ток одного направления.

-29-

При чрезмерном повышении температуры полупроводника вентильные свойства диода нарушаются и полупроводниковый прибор перестает работать в качестве выпрямителя. Поэтому температура германиевых диодов не должна превышать 60 градусов, кремниевых 150 градусов из арсенид галлия 250 градусов. Причиной чрезмерного нагрева полупроводникового диода может быть слишком большой проходящий ток. Работа диода также может быть нарушена при чрезмерном большом обратном напряжении, которое «пробивает» запирающий слой.

Вентильные свойства полупроводникового диода, хорошо видны на его вольт-амперной характеристике, представляющей собой график зависимости тока через полупроводник от приложенного напряжения. С увеличением прямого напряжения Uпр, направленного от р-зоны к n-зоне, прямой ток Iпр, имеющий то же направление, быстро растет. Рост же обратного напряжения Uоб, имеющего направление от зоны n к зоне р, до определенного предела почти не увеличивает обратный ток Iобр.

-

Промышленность производит электрические вентили: германиевые, кремниевые, селеновые и медно-закисные. Германиевые и кремниевые вентили изготавливают двух типов: точечные и плоскостные. У точечного германиевого диода (рис.135,а) помещен кристалл 5 с электронной проводимостью, в который острием входит контактный пружинящий вывод анода 3. Под контактным острием в результате специальной термической обработки создается область с дырочной проводимостью. В плоскостном германиевом диоде (рс.135,б) на пластину германия 5 с электронной проводимостью накладывается таблетка из индия, которая в процессе изготовления диода нагревается до 500 градусов и плавится так, что ее атомы диффундируют в германий, образуя область с дырочной проводимостью. На границе двух областей (с электронной и дырочной проводимостью) появляется запирающий p-n переход. Как в точечном, так и в плоскостном диоде германий 5 припоем 4 укреплен на кристаллодержателе 6, к которому приварен вывод катода (нижний) 7. Вывод анода 3 также припоем 4 укрепляется в области с дырочной проводимостью и выводится наружу в верхний части диода. Металлический корпус 2 сварен с кристаллодержателем 6 и стеклянным изолятором 1.

-30-

Схемы выпрямителей тока. В зависимости от назначения выпрямительного устройства, а также от требуемого соотношения между напряжением переменного и выпрямленного тока применяют различные схемы выпрямления.

В схеме однополуперидного (однотактного) выпрямителя трехфазного тока использован трехфазный трансформатор, у которого как первичная, так и вторичная обмотки соединены по схеме «звезда». В каждую фазу вторичной обмотки трансформатора включен полупроводниковый диод. В тот промежуток времени, когда напряжение какой-либо фазы вторичной обмотки имеет положительное (по отношению к диоду) и наибольшее по сравнению с другими фазами значение, ток протекает через эту фазу, диод и нагрузку.

Так как наибольшее положительные напряжения на фазах вторичной обмотки сдвинуты во времени на одну треть периода, то график выпрямленного тока, протекающего по нагрузке, имеет такую форму, как показано на графике. В этой схеме ток и напряжение на нагрузке получаются пульсирующими. При этом глубина пульсаций получается меньше, а частота пульсаций большая. Достоинством схемы является равномерность нагрузки всех трех фаз трансформатора.

В схеме двухполупериодного (двухтактного) выпрямителя со средней точкой (рис.4.7, а) использованы два диода, действующие поочередно через каждые полпериода. Ток протекает по тому из диодов В1 или В2, у которого в течение данного полупериода анод положителен по отношению к катоду. В результате совместного действия обоих диодов по нагрузке протекает ток одного направления. Пульсации выпрямленного тока и напряжения здесь получаются небольшими, а частота пульсаций равна удвоенной частоте сети.

Мостовая схема двухполуперидного однофазного выпрямителя (схема Гретца) (рис.4.7, б) не требует вывода средней точки на вторичной обмотке трансформатора Тр. Здесь в течение одного полупериода ток протекает через последовательно соединенные диоды В1, сопротивление нагрузки Rн и диод В3, а во второй полупериод – через диод В2, сопротивление Rн и диод В4. Характер изменения тока в нагрузке и пульсации такие же, как и для схемы со средней точкой.

-31-

В трехфазной мостовой двухполупериодной схеме выпрямителя (схема Ларионова), показанной на рис.4.8, как и в схеме трехфазного однопулопериоднго выпрямителя, фазы трансформатора работают поочередно. В тот отрезок времени, когда наибольшее положительное напряжение будет между фазами 1 и 2 (плюс на выводе фазы 1), ток протекает через диод В1, сопротивление нагрузки Rн и диод В2. Через 1/6 часть периода, когда большее положительное напряжение будет между фазами 1 и 3, ток потечет через диод В1, сопротивление Rн и диод В3.

Так каждую шестую часть периода будут меняться пары последовательно соединенных диодов, а на нагрузке будет напряжение одного и того же направления. На рис.4.8 пунктиром показано возможное включение нагрузки на половинное напряжение. К достоинствам рассматриваемой схемы выпрямителя относятся малая пульсация выпрямленного напряжения с частотой, в шесть раз большей, чем частота сети, а также равномерная нагрузка фаз и хорошее использование обмоток трансформатора. Трехфазная мостовая схема часто используется для питания выпрямленным током обмоток возбуждения самовозбуждающихся синхронных генераторов.

-32-

Тиристоры

Четырехслойный кремниевый вентиль, имеющий два электрода (анод и катод), называется динистором. Если кроме анода и катода имеется третий (управляющий) электрод, то вентиль становится управляемым и называется тиристором. Тиристор, а также динистор выполняют четырехслойными: р-п-р-п. Средняя область р тиристора имеет вывод – управляющий электрод у. При отключенном управляющем электроде тиристор превращается в динистор. Если между анодом и катодом вентиля будет приложено небольшое постоянное напряжение в прямом направлении, то переходы П1 и П3 окажутся открытыми и их сопротивление мало. Переход П2 будет включен в обратном (непроводящем) направлении и его сопротивление велико, так что все приложенное к тиристору напряжение будет практически на переходе П2, а ток в цепи мал. При повышении напряжения на тиристоре ток в цепи увеличивается незначительно, так как ограничивается большим сопротивлением перехода П2, и вольт-амперная характеристика тиристора будет подобна обратной ветви характеристики диода. Если напряжение достигнет некоторого определенного значения, называемого напряжением переключения, то в переходе П2 напряженность электрического поля становится достаточной для ионизации и образования новых свободных носителей зарядов (электронов и дырок), его сопротивление резко уменьшится и тиристор открывается. Наибольший ток тиристора лимитируется предельно допустимой мощностью, рассеиваемой им. Если уменьшить ток через открытый тиристор, то он будет оставаться открытым до тех пор, пока ток тиристора достаточен для поддержания процесса образования носителей зарядов в переходе П2. При токе, меньшем определенного значения, называемым током удержания тиристор закрывается, т.е. возвращается в непроводящее состояние.

Если на управляющий электрод подать положительный потенциал от постороннего источника, то в переходе П2 возникает ток управления и появятся дополнительные носители зарядов, вследствие чего уменьшится напряжение переключения этого перехода и тиристор откроется при меньшем напряжении. Чем больше ток управления, тем больше дополнительных зарядов в переходе П2 и меньше напряжение переключения тиристора. При определенном значении тока управления тиристор будет работать как неуправляемый вентиль, т.е. будет открыт при любом положительном напряжении на его аноде. Таким образом, тиристор открывается как при подаче на его анод напряжения переключения, так и при включении тока управления достаточного значения. Так как управляющий электрод после открытия тиристора перестает оказывать влияние на его работу, то в цепи управляющего электрода проходит кратковременный импульс тока прямоугольной формы и длительностью примерно 10 мкс.

При подаче на зажимы тиристора обратного напряжения он будет закрыт обратно включенными переходами П1 и П3 независимо от управляющего тока и его вольт-амперная характеристика практически не отличается от обратной ветви вольт-амперной характеристики неуправляемого вентиля.

Тиристоры имеют два устойчивых состояния: при закрытом тиристоре его сопротивление очень велико, при открытом – мало. Поэтому тиристоры находят применение как бесконтактные переключатели в инверторах, регулируемых выпрямителях, в схемах защиты и т.д.

Конструкция мощного тиристора показана на рисунке. Четырехслойная кристаллическая структура 4, укрепленная на кристаллодержателе 3, помещена в металлическом корпусе 2, в нижней части которого находится резьбовой вывод катода 1. К верхнему р-слою припоем 5 крепится плетеный вывод анода 7. В среднюю р-область вводится вывод управляющего электрода 8. Выводы анода и управляющего электрода закрепляют в корпусе изолятором 6.

-33-