книги / Электротехнические устройства радиосистем
..pdfВ. Е. КИТАЕВ
Э л Е К Т Р О -
ТЕХНИЧЕСКИЕ
УСТР ОЙСТ ВА
РАДИОСИСТЕМ
Допущено Министерством высшего и среднего специального образования РСФСР
в качестве учебного пособия для студентов радиотехнических специальностей вузов
«ЭНЕРГИЯ»
0 МОСКВА 1971
6Ф2.14 К 45
УДК 621.311.6.621.313
Китаев В. Е.
К 45 Электротехнические |
устройства радиосистем. |
||
Учебн. пособие для радиотехнических факультетов |
|||
вузов. М., |
«Энергия», 1971. |
||
1—344 с. |
е «л. |
|
|
В |
книге излагаются принципы |
действия, конструкции и важней |
|
шие |
характеристики основных |
электротехнических элементов и |
устройств электропитания радиотехнических систем.
Книга предназначена в основном в качестве учебного пособия для студентов радиотехнических факультетов.
3-4-3
6Ф2.14
259-71
Валентин Евгеньевич |
Китаев. |
|
|
||||
Электротехнические |
устройства радиосистем |
|
|
||||
Редакторы Ф. И. Барсуков, Б. М. Васильев |
|
|
|||||
Переплет художника А. А. Иванова |
|
|
|||||
Технический редактор |
Л. |
В. И в а н о в а |
|
|
|||
Корректор |
И, |
А. |
В о л о д я е в а |
|
|
||
Сдано в набор 30/XI 1970 г. |
Подписано к печати 15/III |
1971 г. |
Т-03087 |
||||
Формат 84x10873а |
|
|
|
Бумага типографская № 2 |
|||
Уел. печ. л. |
18,05 |
|
|
|
|
Уч.-изд. л. 20,25 |
|
Тираж 25 000 экз. |
|
|
|
Цена 86 коп. |
|
Зак. 1468 |
|
Издательство .Энергия-. Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10. |
|
|
|||||
Московская типография № 10 Главполиграфпрома |
|
|
|||||
Комитета по печати при Совете Министров СССР. |
|
|
|||||
Шлюзовая |
наб.. |
10. |
|
|
|
|
|
ВВЕДЕНИЕ
В современных радиотехнических системах значительное место занимают электротехнические эле менты и устройства, к которым относятся автономные автоматизированные электростанции, трансформаторы, электрические машины, коммутационная аппаратура, дроссели насыщения, магнитные усилители, выпрями тели, стабилизаторы напряжения (тока) и т. д.
Объем, занимаемый электротехническими устройст вами, часто достигает 70—80% общего объема, за нимаемого всей аппаратурой радиотехнической системы.
Выпрямители, сглаживающие фильтры, стабилизато ры, регуляторы напряжения (тока) образуют так назы ваемые вторичные источники питания, преобразующие электрическую энергию первичного источника в энергию постоянного тока с заданными параметрами (величиной напряжения, пульсацией, допустимыми пределами ре гулирования и т. д.). Объем, занимаемый вторичными источниками питания, обычно составляет от 20 до 80%
общего объема |
аппаратуры радиотехнической |
системы |
в зависимости |
от ее построения и требований, |
предъ |
являемых к ней. |
защита |
|
Управление |
радиотехническими системами, |
аппаратуры и источников питания от перегрузок и ко ротких замыканий, а также сигнализация о работоспо собности аппаратуры осуществляются коммутационными элементами (автоматами, контакторами и т. д.), состав ляющими систему автоматики. Объем, занимаемый эле ментами автоматики, составляет обычно от 2 до 10% общего объема аппаратуры радиотехнической системы.
В радиотехнических системах широко используются различного рода электрические машины (электродвига тели, сельсины, электромашинные усилители и преобра зователи). Электродвигатели постоянного и переменного тока применяются для вентиляторов, охлаждающих
аппаратуру, осуществляют поворот или вращение антенн,, выполняют перестройку и подстройку приемной и пере дающей радиотехнической аппаратуры и т. д. Сельсины используются для передачи углов поворота (вращения) от одного вала к другому (нескольким) без наличия механической связи между ними, например, для инди кации на пульте управления положения антенн с по мощью стрелочных указателей в вертикальной и гори зонтальной плоскостях.
Электромашинные усилители применяют для усиле ния сигналов управления положением антенн; генера торы и электромашинные преобразователи вырабаты вают напряжение постоянного или переменного тока, необходимое для питания радиотехнической аппаратуры.
Электромашинные преобразователи в радиотехниче ских системах преобразовывают энергию переменного тока с частотой 50 гц в энергию переменного тока по вышенной частоты (обычно 400 или 500 гц) со значи тельно большей стабильностью напряжения, чем ис ходное.
Источником энергии, как правило, является сеть переменного тока, а при ее отсутствии или в случаепрекращения подачи энергии — автономная дизельэлектрическая или газотурбинная электростанция.
Применение повышенной частоты для питания радио технической аппаратуры позволяет в значительной сте пени уменьшить вес и габариты выпрямителей, сглажи вающих фильтров, трансформаторов, магнитных усили телей, электродвигателей и т. д.
Снижение веса и габаритов источников электропита ния в настоящее время является одной из наиболее серьезных проблем при построении радиотехнических систем. Объясняется это тем, что при широком внедре нии микросхем вес и габариты радиотехнической аппа ратуры резко уменьшились, в то время как относитель ный объем и вес вторичных источников питания воз росли, так как на выходе их требуется низкое напряже ние при больших токах (десятки ампер). Повышение надежности и уменьшение веса, габаритов и стоимости радиотехнического устройства (изделия) в значительной степени зависят от правильного выбора и построения системы, образованной электротехническими элемента ми и устройствами. Так, например, автономная радио техническая система, содержащая в комплексе приемно-
4
передающую аппаратуру с суммарной мощностью 10 кет при питании от сети с частотой тока 50 гц, может быть размещена в четырех транспортных единицах грузоподъемностью по 6 г, из которых одна является автономной электростанцией, содержащей два (основной и резервный) дизель-генераторных агрегата мощностью по 10 кет каждые. При питании той же аппаратуры через электромашинный преобразователь током с часто той 400 гц количество транспортных единиц уменьшится на одну за счет уменьшения объема и веса вторичных источников питания. Это сравнение сделано в предпо ложении, что каждый радиотехнический блок, шкаф, устройство получает электропитание от своего автоном ного блока питания. Такой способ электропитания ши роко распространен.
Если же -в пределах каждой транспортной единицы радиотехнической аппаратуры выполнить вторичные источники питания (блоки питания) таким образом, что бы по каждому номиналу выходного напряжения ток был достаточный для питания всей аппаратуры, разме щенной в данной транспортной единице, то в этом слу чае аппаратура может быть размещена в двух транс портных единицах, из которых одна содержит два дизель-генераторных агрегата частотой 50 гц и мощ ностью 15 кет каждый и электромашинный преобразо ватель на частоту 400 гц. Некоторое увеличение мощ ности дизель-генераторных агрегатов объясняется не обходимостью питания от них электромашинного пре образователя, к. п. д. которого составляет примерно 70%.
Таким образом, на этом примере видно, какое зна чительное снижение стоимости и габаритов можно по лучить при правильном выборе, расчете и проектирова нии электротехнических устройств, входящих в радио техническую систему.
Г л а в а п е р в а я
ТРАНСФОРМАТОРЫ
1-1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА
Статический электромагнитный аппарат, пре образующий переменны^ ток одного напряжения в пере
менный ток другого |
напряжения, |
называется т р а н с |
ф о р м а т о р о м . |
|
|
Трансформаторы |
нашли очень |
широкое применение |
в системах передачи и распределения электрической энергии, в устройствах регулирования напряжений, пуска в ход двигателей переменного тока и т. д. В ра диотехнических системах различного назначения транс форматоры являются выжнейшими элементами блоков питания, преобразователей и согласующих устройств.
Работа трансформатора основана на электромагнит ном взаимодействии двух или, в общем случае, несколь ких электрически несвязанных между собой контуров (обмоток). Если одну из таких обмоток включить в сеть переменного тока, то под действием переменного маг нитного поля, создаваемого этой обмоткой, в другой обмотке, магнитно связанной с первой, будет наводиться (индуктироваться) э. д. с. При подключении к зажимам второй обмотки некоторой нагрузки по цепи этой обмот ки будет протекать переменный ток, т. е. энергия из одной цепи будет передаваться во вторую без электри ческой (гальванической) связи между ними.
Для улучшения магнитной связи между обмотками помещают стальной сердечник.
Трансформатор выполняется из двух или в общем случае нескольких обмоток (многообмоточные транс форматоры), размещенных на стальном сердечнике.
Обмотки трансформатора могут иметь различное число витков. Обмотка с большим числом витков назы-
6
бается о б м о т к о й в ы с ш е г о н а п р я ж е н и я (ВН),
а обмотка |
с меньшим числом |
витков — о б м о т к о й |
|
н и з ш е г о н а п р я ж е н и я |
(НН). |
|
|
Обмотку, |
включенную |
в сеть |
источника электриче |
ской энергии, считают первичной, обмотку же, к кото рой подключается нагрузка, — вторичной. Различают по нижающие и повышающие трансформаторы. У повы шающих трансформаторов первичной обмоткой являет ся обмотка высшего напряжения, а вторичной — обмотка низшего напряжения. В повышающем трансформаторе в качестве первичной обмотки используется обмотка низшего напряжения, а вторичной — обмотка высшего напряжения.
1-2. РЕЖИМ ХОЛОСТОГО ХОДА ТРАНСФОРМАТОРА
При холостом ходе вторичная обмотка транс форматора разомкнута и в ней тока нет (/2= 0 ) .
Опыт холостого хода, позволяющий определить коэф фициент трансформации, потери холостого хода и вход
ное |
сопротивление |
трансформа |
|
|||||
тора на холостом ходу, произво |
|
|||||||
дится следующим образом. |
|
|
||||||
|
При |
разом к11уто й |
вторичной |
|
||||
обмотке первичную обмотку тран |
|
|||||||
сформатора включают в сеть пе |
|
|||||||
ременного |
тока |
с |
номинальным |
|
||||
напряжением Ui (рис. 1-1). Под |
|
|||||||
действием |
приложенного |
напря |
|
|||||
жения 'В первичной обмотке про |
|
|||||||
текает |
ток I\ = / Q, |
равный току |
|
|||||
холостого |
хода, |
который |
обычно |
Рис. 1-1. Схема транс |
||||
составляет |
величину порядка 5% |
форматора при холостом |
||||||
от |
номинального, |
а |
в трансфор |
ходе. |
маторах малой мощности (десят ки вольт-ампер)— 25—30% и более от номинального.
Намагничивающая сила первичной обмотки транс форматора равна:
F0= I 0W U
где — число последовательно соединенных витков первичной обмотки.
Намагничивающая сила (НС) F0— возбуждает маг нитное поле, большая часть силовых линий которого за
мыкается по магиитопроводу, образуя основной поток трансформатора Ф0, сцепленный со всеми витками пер вичной и вторичной обмоток. Меньшая часть силовых линий замыкается по немагнитной среде, образуя поток рассеяния Ф«1, сцепленный только с витками первичной
обмотки. Поток рассеяния Фл индуктирует в первичной обмотке э. д. с. рассеяния
Основной поток индуктирует в первичной и вторичной обмотках э. д. с., равных соответственно.
dФ. * « = - • » - а * -:
d<$t
= — ша — ,
где w2— число последовательно соединенных витков вторичной обмотки.
Если основной магнитный поток изменяется во вре мени по синусоидальному закону при синусоидальной форме питающего напряжения, т. е.
|
|
Фо— Фмакс sin о>/, |
|
|
|
|
то э. д. с. первичной обмотки будет |
равна: |
|
|
|||
б , = — ИУ^Фмаис COS (Ot= |
sin fwt--------- ^ J • |
|||||
Таким образом, э. д. с. первичной обмотки ei изме |
||||||
няется во времени синусоидально, причем |
отстает по |
|||||
фазе от Фь на четверть периода |
(я/2). |
|
|
|||
Действующее значение э. д. с. первичной обмотки |
||||||
|
Е\т |
2” |
|
4,44ш1/Фмпкс |
( 1- 1) |
|
Ег |
V2 |
V2 ^i/^макс |
|
|||
и вторичной обмотки |
|
|
|
|
||
|
|
£ 2= 4 ,4 4 ДОг/Фмакс. |
|
|
(1-1а) |
В формулах (1-1) и (1-1а) магнитный поток Фмакс выра жен в веберах.
8
Отношение напряжений обмоток при холостом ходе и2
= -ф - = |
= п называется к о э ф ф и ц и е н т о м транс- |
tL2 |
Ш2 |
формации.
Первичная обмотка обладает активным сопротивле нием Ги так что падение напряжения в активном сопро тивлении этой обмотки равно Ла . Обычно это падение напряжения очень мало по сравнению с э. д. с. Уравне ние равновесия э. д. с. для первичной обмотки можно записать в следующем виде:
|
U , - - ( E , |
+ ESl)+ |
i0r , |
(1-2) |
Практически поток рассеяния много меньше основ |
||||
ного |
потока 'трансформатора (Ф«1<СФмакс)- |
Поэтому |
||
э. д. |
с. рассеяния также |
очень |
мала по |
сравнению |
с э. д. с., индуктируемой основным магнитным потоком
(Esi<^.Ei).
Если пренебречь за малостью падением напряжения в активном сопротивлении первичной обмотки и э. д. с. рассеяния, то можно считать, что приложенное к пер вичной обмотке напряжение в любой момент уравнове шивается э. д. с., индуктируемой основным магнитным потоком ( u i= —ei). Поэтому при синусоидальном пи тающем напряжении э. д. с. и индуктирующий ее основной магнитный поток также будут синусоидальны ми функциями времени.
Если представить э. д. с. рассеяния первичной об мотки в виде падения напряжения в индуктивном со противлении Xi этой обмотки, обусловленным потоком рассеяния Ф*1, т. е.
— Ев| = /10АГ1,
то уравнение равновесия э. д. с. для первичной обмотки
примет |
вид: |
|
|
U . ^ - E . + V . + z V ^ - E . + I.Z,, |
(1-3) |
где Zi = |
rl + jXi — полное сопротивление первичной |
об |
мотки трансформатора. |
|
Для возбуждения магнитного поля в магнитопроводе трансформатор потребляет из сети реактивную мощ ность, Вследствие перемагничивания стали магнитопро
вода в нем возникают потери на гистерезис и вихревые токи. Мощность, потребляемая трансформатором при холостом ходе Р0, расходуется в основном на покрытие потерь в стали Р с, так как потери в первичной обмотке
(I* Г\) при этом очень малы. Ток холостого хода транс
форматора помимо реактивной составляющей / имеет активную составляющую //t. Его величина определяется
из выражения / 0 = |/7 ^ -f-12
Реактивная составляющая тока холостого хода воз буждает магнитное поле в сердечнике трансформатора. Зна чение определяется из расчета магнитной цепи, проводи мого в следующем порядке. Приняв E1= U lH из [(1-1) при
заданных частоте f и числе витков первичной обмотки ш,, рассчитывается магнитный поток Фмакс. По известным Ф Мпкс
и площади поперечного сечения магнитопровода вычисляет ся магнитная индукция Вмакс. Затем по кривым намагничи вания для стали, из которой сделан магнитопровод, нахо дят соответствующее значение напряженности поля Яс. Далее, умножив найденное значение Нс на среднюю длину магнитных линий магнитопровода /с, определяют намагни
чивающую силу, необходимую для возбуждения магнитного поля в сердечнике Hcl0 = Y 2 I wv Если поперечное сече
ние магнитопровода различно по всей длине магнитного пути (стержня и ярма), то следует определить магнит ную индукцию в стержне и ярме раздельно и по кривым намагничивания найти соответствующие значения на пряженности поля для проведения магнитного потока через стержни и ярмо. Если на пути магнитного потока встречаются немагнитные промежутки (между стержнем и ярмом), то следует прибавить еще намагничивающую силу, необходимую для проведения магнитного потока через эти промежутки.
При более точных расчетах приходится считаться с нелинейностью магнитной характеристики, вследствие которой ток холостого хода не является синусоидальной функцией времени. При построении векторных диаграмм ток холостого хода принимают синусоидальным и рав ным действующему значению истинного тока холостого хода, которое может быть определено с помощью ампер метра при опыте холостого хода.