Главная | Обратная связь

Свойства феррорезонансного трансформатора

Великолепное изобретение Джозефа Солы – феррорезонансный трансформатор – было изначально предназначено для работы в качестве стабилизатора напряжения. Первый патент (1938 года) на это устройство так и назывался: "трансформатор постоянного напряжения". Феррорезонансный трансформатор представляет собой совокупность двух магнитных цепей со слабой связью между ними. Выходная цепь содержит параллельный колебательный контур, подпитываемый от первичной цепи для компенсации мощности, поступающей в нагрузку. Сам процесс ферромагнитного резонанса вполне аналогичен резонансу в линейных цепях, состоящих из индуктивностей и емкостей. В нелинейной цепи, такой как феррорезонансный трансформатор, резонанс используется для уменьшения колебаний напряжения во вторичной цепи.

Любое магнитное устройство представляет собой прибор с нелинейной характеристикой. Если магнитный поток меньше некоторой граничной величины, то магнитное сопротивление прибора пропорционально магнитному потоку. Если же магнитный поток превышает предельное значение, то магнитное сопротивление прибора скачкообразно возрастает (говорят, что наступает насыщение). В феррорезонансном трансформаторе одна из магнитных цепей (выходная) находится в режиме насыщения, а другая (входная) не достигает насыщения. Большие изменения входного напряжения не могут привести к значительным изменениям напряжения на выходе из-за насыщения выходной магнитной цепи . Все помнят, конечно, советские стабилизаторы напряжения, использовавшиеся для питания телевизоров в сельской местности, а зачастую и в городах. Они построены на основе феррорезонансного трансформатора. Эти стабилизаторы имели (и имеют до сих пор) отличный диапазон входных напряжений (от примерно 130 В при неполной нагрузке). Имеют они и множество недостатков. Главные из них – это огромные гармонические искажения выходного напряжения и неблагоприятный тепловой режим при отсутствии нагрузки.

Современные феррорезонансные трансформаторы устроены несколько сложнее, чем изобретенный в 1938 году. Они имеют нейтрализующую обмотку, специально предназначенную для уменьшения гармонических искажений выходного напряжения. Нейтрализующая обмотка устроена так, что в ней генерируются гармоники, находящиеся в противофазе к гармоникам в основной выходной обмотке. Правильный подбор числа витков и магнитных сопротивлений позволяет за счет последовательного соединения нейтрализующей и основной выходной обмоток полностью компенсировать гармонические искажения. Более того, даже если напряжение на входе имеет сильные гармонические искажения, то применение феррорезонансного трансформатора позволяет почти полностью уменьшить гармонические искажения выходного напряжения. Ток, потребляемый феррорезонансным трансформатором почти синусоидальный. Коэффициент гармонических искажений тока очень невелик.

Наиболее важно то, что коэффициент гармонических искажений остается небольшим независимо от того, какая нагрузка подключена к трансформатору: линейная или нелинейная. Таким свойством феррорезонансный трансформатор обязан слабой связи между входной и выходной магнитной цепями.

На рисунке 16 представлена основная для любого стабилизатора напряжения характеристика – зависимость выходного напряжения от напряжения на входе.

Собственно на рисунке приведена половина симметричной характеристики: при повышении и понижении входного напряжения в окрестности средней точки феррорезонансный трансформатор ведет себя аналогично. При полной нагрузке феррорезонансный трансформатор обеспечивает стабилизацию напряжения с погрешностью около 1% при изменении напряжения на входе на 15% относительно номинального. Наибольшие возможности феррорезонансный трансформатор предоставляет, если его нагрузка меньше номинальной. Так, при нагрузке около 50%, диапазон входных напряжений невероятно расширяется: более, чем до 50% от номинального входного напряжения. Особенностью входной характеристики трансформатора является то, что даже на режиме холостого хода (отсутствия нагрузки) резонансная цепь феррорезонансного трансформатора находится под напряжением и потребляет около 10% номинальной мощности трансформатора. Вообще в тепловом отношении режим холостого хода является наиболее напряженным для феррорезонансного трансформатора. Феррорезонансный трансформатор способен выдерживать любые перегрузки. При уменьшении сопротивления нагрузки выходное напряжение уменьшается и трансформатор не перегревается. Даже при коротком замыкании выходной ток трансформатора ограничивается примерно 150-200% от номинального тока. Суммарная мощность, потребляемая трансформатором от сети во время короткого замыкания, не превышает 10% от номинальной. Недостатком феррорезонансного трансформатора является зависимость выходного напряжения от частоты электрической сети. При изменении частоты на 1% выходное напряжение изменяется примерно на 1-1.5%. Увеличение частоты приводит к увеличению напряжения.

В феррорезонансном ИБП кроме стабилизации напряжения феррорезонансный трансформатор выполняет и несколько других функций. В случае сбоя электрической сети феррорезонансный трансформатор снабжает компьютер электричеством за счет энергии, накопленной в его магнитном поле. Это продолжается 8-16 миллисекунд. Этого времени достаточно для всех необходимых переключений и выхода инвертора на номинальный режим работы. Таким образом феррорезонансный ИБП обеспечивает действительно бесперебойное питание компьютера, обладая свойствами on-line ИБП. Феррорезонансный трансформатор также обеспечивает эффективное подавление шумов и импульсов, что дает возможность не использовать других, специальных, схем для их подавления. Феррорезонансный трансформатор, используемый в ИБП, имеет независимые первичные и вторичные обмотки, т.е. обеспечивает полную гальваническую изоляцию нагрузки от электрической сети. Это свойство повышает надежность систем бесперебойного питания и позволяет использовать феррорезонансные ИБП для защиты компьютерных сетей, в том числе расположенных в разных зданиях. Трансформатор для феррорезонансного ИБП является и входным устройством: на входе Ferrups нет уязвимых полупроводниковых элементов. Поэтому при сильных колебаниях входного напряжения, в том числе значительных импульсных нагрузках, этот ИБП не выходит из строя.

Сущемствуют модификации Ferrups, предназначенные для подключению не к фазному, а к линейному напряжению (т.е. напряжению 380 В). Выходное напряжение этих ИБП равно 220 В. Подключение ИБП к двум линейным проводам имеет несколько преимуществ и приближает эти модификации феррорезонансных ИБП к ИБП с трехфазным входом. Среди преимуществ: отсутсвие перекоса фаз при подключении значительной однофазной нагрузки, более широкий диапазон условий эксплуатации ИБП за счет меньшего изменения линейного напряжения по сравнеию с фазным напряжением, отсутствие перегрузки нейтрали.