Практическое использование реактивной энергии
Вот цитата из учебника «Электротехника с основами электроники» авторов Зороховича и Калинина для техникумов. В параграфе «Активная и реактивная мощности» читаем на стр. 121:
«…только активная мощность может обеспечить в приёмнике преобразование электрической энергии в другие виды энергии».
«…Реактивная мощность никакой полезной работы не создаёт, так как её среднее значение в течение одного периода равно нулю…».
Цель опыта – это практическая проверка данной цитаты из учебника.
Вступление
В электрической сети совершаются гармонические и синфазные (!) колебания тока и напряжения с частотой 50 Гц. При этом ток и напряжение совпадают по фазе. В этом может убедиться каждый желающий, подключив через шунт 0,5 Ом к сети активную нагрузку (например, лампу накаливания) и подключив к ним осциллограф (соблюдая технику безопасности). Для этой цели лучше использовать сетевой разделительный трансформатор 220 на 220 В. Вначале нужно найти и пометить в розетке фазный и нулевой провод. Как на активной нагрузке будут выглядеть вместе колебания тока и напряжения, показано на Рис.1
Но если ко вторичной обмотке трансформатора подключить реактивную нагрузку в виде конденсатора, то колебания тока и напряжения будут сдвинуты относительно друг друга по фазе на 90º. Всё это можно проверить тем же способом, что и с активной нагрузкой, подключив осциллограф к шунту и к конденсатору. Осциллограммы тока и напряжения для этого случая приведены ниже на Рис.2
Подключение в качестве реактивной нагрузки катушки индуктивности приведёт к обратному явлению. В качестве индуктивности можно использовать первичную обмотку любого силового трансформатора. В цепи такой обмотки колебания тока по фазе будут отставать от колебаний напряжения на 90º.
Если у этого сетевого трансформатора есть вторичная обмотка (хорошо, если она будет на 12÷20 Вольт), то мы всегда можем собрать колебательный контур, состоящий из вторичной обмотки данного сетевого трансформатора и конденсатора, чтобы резонансная частота полученного колебательного контура совпала с частотой колебаний в сети (50 Гц).
Настройку колебательного контура лучше выполнить практически, а не по расчётам, чтобы убедиться в том, что данный колебательный контур действительно находится в резонансе с колебаниями сети. Для этого понадобится низкоомный амперметр. Если в хозяйстве нет амперметра на 20÷100 ампер, то можно в разрыв колебательного контура включить шунт сопротивлением приблизительно 0,05 Ом, подключить к нему осциллограф и установить величину реактивного тока в этом колебательном контуре. Значение реактивного тока в колебательном контуре может достигать десятков ампер. Затем, подключая параллельно к основному конденсатору любой конденсатор небольшой емкости, надо наблюдать, что происходит с амплитудой колебания тока в контуре. Если ток продолжает возрастать, то добавляем следующий конденсатор, пока ток в контуре не начнёт убывать. После чего удаляем этот последний конденсатор, измеряем общую ёмкость всех конденсаторов и заменяем их одним или двумя конденсаторами с мощными выводами, рассчитанными на большой реактивный ток.
Напомню о технике безопасности при работе с конденсаторами. Имея дело с полярными конденсаторами, помните, что их нельзя поодиночке включать в цепь переменного тока, а только парами, при условии, что они соединены последовательно и встречно. Это означает, что плюсовой вывод одного конденсатора нужно подключать к плюсовому выводу другого конденсатора или наоборот – соединять их вместе минусовыми выводами. Такие пары конденсаторов уже можно включать в цепь переменного тока, важно лишь, чтобы рабочее напряжение не превышало их паспортное значение.
Второй важный момент заключается в том, что надо следить за нагревом конденсаторов. Если нет возможности приобрести конденсаторы, рассчитанные на большую реактивную мощность (измеряемую в кВАр-ах), то допускается подключение конденсаторов, не рассчитанных на большой реактивный ток, но только на короткое время, при условии, что мы будем следить за их тепловым режимом и не допускать перегрева конденсаторов, что чревато их взрывом. Допускается нагрев до 60÷85º и более, в зависимости от типа конкретного конденсатора.
Итак, при подключенном к вторичной обмотке нашего сетевого трансформатора реактивном элементе — конденсаторе, ток и напряжение в колебательном контуре окажутся сдвинутыми по фазе почти на 900, при условии, конечно, что сечение провода вторичной обмотки и реактивная мощность конденсатора окажутся приличными. Интересно отметить одну важную деталь. Наш трансформатор не только не заметит подключение такого настроенного конденсатора, но и ток его потребления от сети значительно снизится. Об этом я скажу в конце этой работы.
Но, если вместо конденсатора к вторичной обмотке этого же трансформатора подключить активную нагрузку (например, лампочку накаливания), то напряжение и ток снова будут стремиться стать синфазными (сдвиг фаз между их колебаниями будет стремиться к нулю). При этом ток потребления трансформатора немедленно повысится, в соответствии с величиной мощности подключенной активной нагрузки.
При подключении активной нагрузки к вторичной обмотке, сердечник трансформатора намагничивается пропорционально величине тока в нагрузке, а при коротком замыкании вторичной обмотки он может войти в насыщение. При насыщении сердечника трансформатора его магнитные свойства резко снижаются, в результате индуктивность первичной обмотки резко снижается, что сопровождается резким возрастанием тока в первичной обмотке трансформатора и, соответственно, возрастает потребляемая трансформатором от сети мощность. Но реактивные элементы (катушки и конденсаторы), подключаемые параллельно вторичной обмотке трансформатора и настроенные в резонанс с колебаниями в сети, такого эффекта не вызывают (!), несмотря на то, что в цепи колебательного контура вторичной обмотки реактивные токи будут достигать десятков ампер! Возникает интересный вопрос: а можно ли как-то использовать свободные реактивные мощности, достигающие в колебательных контурах огромных значений?
Я не стану рассматривать здесь все виды нагрузок. Кому надо, сами найдёте нужную вам информацию в книгах или в Интернете. А здесь пойдёт речь о возможности аккумулирования и использовании реактивной энергии, свободно гуляющей по колебательному контуру.
А что если в момент, когда напряжение во вторичной обмотке равно нулю, подключить к ней через диод конденсатор и в течение первой четверти периода его заряжать, при условии, что данный конденсатор и вторичная обмотка трансформатора составляют колебательный контур с резонансной частотой 50 Гц? Следовательно, зарядить конденсатор нужно успеть за 20/4=5ms, то есть за первую четверть одного периода колебания (50 Гц).
Если конденсатор зарядится, то, когда напряжение в контуре достигнет максимального значения, нужно отключить конденсатор от вторичной обмотки, так как он больше не сможет зарядиться, а затем разрядить его на активную нагрузку в течение второй четверти периода длительностью 5 ms.
Если этот опыт удастся, то мы можем надеяться, что когда-нибудь сможем научиться использовать свободно гуляющую реактивную мощность в практических целях.
Источник
КОАКСИАЛ, линии, колебательные контуры, трансформаторы, фильтры, сумматоры мощности
2___КОАКСИКАЛЬНЫЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ КОНТУРЫ
Благодаря своей конструкции, которая фактически представляет собой одновременно и два индуктивно связанных проводника, и длинный цилиндрический конденсатор, коаксиал нашёл множество альтернативных применений.
Начнём с рассмотрения колебательных контуров из коаксиала, о которых я упомянул в предыдущем ролике о TRAP-антеннах. Для лучшего понимания перед этим рассмотрим несколько более простых примеров.
Представим себе обычную однослойную циллиндрическую катушку. Очевидно, что такая катушка имеет существенную индуктивность. Но кроме индуктивности такая катушка будет иметь также и ёмкость. Эта ёмкость возникает между соседними витками катушки. Но так как витки катушки намотаны последовательно, то результирующая ёмкость её будет стремиться к нулю. Теоретически такую катушку можно рассматривать как колебательный контур, однако на практике из-за исчезающе малой ёмкости, высокой резонансной частоты и низкой добротности, т.е. быстрого затухания, получить стабильные колебания в такой катушке крайне сложно.
Другое дело бифилярная катушка. Такая катушка наматывается двойным проводом, и конец первого провода соединяется с началом второго. Количество витков бифилярной катушки при тех же габаритах и проводе совпадает с количеством витков обычной катушки, их индуктивности отличаются незначительно.
А вот ёмкость бифилярной катушки значительно выше. Это прямо связано с тем, что каждый виток первой половины индуктивности лежит рядом с витком второй половины индуктивности. Поэтому витки такой катушки одновременно являются обкладками полноценного конденсатора.
Благодаря возросшей ёмкости, а также лучшему потокосцеплению между половинами обмотки, добротность образованного колебательного контура весьма высока. И частота колебаний лежит уже в радиодиапазоне. Поэтому бифилярные катушки действительно применяются на практике. Однако, только на относительно высоких частотах. Т.к. для создания более низкочастотного контура придётся мотать огромный бифиляр.
А теперь вспомним про то, что у нас есть коаксиал с великолепной погонной ёмкостью. Намотаем коаксиальный кабель в форме катушки и соединим его проводники как в бифиляре: конец центральной жилы подпаяем к началу оплётки. И колебательный контур готов.
Благодаря большой ёмкости длинного конденсатора коаксиала мы можем работать в широком диапазоне частот от десятков килогерц до единиц Гигагерц. Более того, благодаря постоянным погонным параметрам, мы получаем точную воспроизводимость параметров колебательных контуров. Для катушек из кабеля одинаковой длины будут всегда одинаковые ёмкость и индуктивность колебательного контура. При изменении длины коаксила индуктивность и ёмкость будут менятся одновременно и пропорционально.
Из-за хорошей индуктивной связи и равномерной ёмкости между проводниками коаксиала колебательный контур получает очень хорошую добротность. Реактивное сопротивление такого контура на резонансной частоте может достигать единиц-десятков кОм, в зависимости от типа кабеля.
Благодаря таким свойствам его и применяют, как уже указывалось, в многодиапазоных антеннах. В TRAP-антеннах фаза колебаний в контуре напрямую связана с фазой колебаний в полуволновых отрезках. Они работают синхронно. Стрелками обозначено направление тока в TRAP-антенне. Когда в полотне ток течёт в одну сторону, в контурной индуктивности он течёт в противоположную. Параллельные контуры заменяют собой противофазные полуволновые отрезки. Равно как полуволновые отрезки аналогичны параллельным КК, как мы помним из ролика про согласование антенн.
3___КОАКСИАЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Равномерная индуктивная связь и ёмкость между проводниками коаксиала привела к широкому распространению коаксиальных трансформаторов. Они получаются с хорошо воспроизводимыми параметрами.
Центральная жила и оплётка в коаксиальных трансформаторах работают как обмотки в обычных фарадеевских трансформаторах. И потому их можно использовать аналогично. Однако стоит обратить внимание на то, что есть несколько разновидностей коаксиальных трансформаторов.
Самый простой тип коаксиального трансформатора подключается к источнику и нагрузке так же как обычный фарадеевский – источник подключается к одной обмотке, допустим цнтральной жиле, нагрузка — к другой обмотке, к оплетке.
Вы можете видеть схемы подключения таких трансформаторов 1:1 и 1:2 по напряжению, что соответствует 1:1 и 1:4 по сопротивлению. Думаю, принцип работы такого включения трансформаторов очевиден. Пожалуй, единственной отличительной чертой таких трансформаторов является весьма большая ёмкость между первичной и вторичной обмотками по сравнению с фарадеевскими трансформаторами.
Гораздо индереснее другое включение коаксиальных трансформаторов, которое называется последовательным или продольным. В этом случае источник подключается с одной стороны линии к обоим проводникам, а нагрузка – с другой стороны также к обоим проводникам. Вы можете возразить, что же это за трансформатор, если это обычная линия передачи?
Это действительно линия передачи, но одновременно и трансформатор 1:1, если нагрузка согласована с источником.
Как при помощи трансформаторов на длинных линиях достичь коэффициента трансформации отлично от 1:1? Поразительно, но это делается точно так же как и с фарадеевскими трансформаторами. Например, если нам нужен коэффицент трансформации 1:2 по напряжению или 1:4 по сопротивлению, мы должны взять два одинаковых коаксиальных трансформатора, включить их по входу параллельно, а по выходу последовательно.
Сравним на рисунке как это делается на фарадеевских трансформаторах и на длинных линиях. И в том и другом случае входы трансформирующих устройств мы соединяем параллельно, а выходы последовательно.
Трансформаторы на длинных линиях, трансформаторы Рутрофа, обладают рядом преимуществ перед фарадеевскими трансформаторами. Сейчас я не стану детально расписывать все недостатки фарадеевских трансформаторов, а скажу только, что из-за набора их паразитных параметров фарадеевские трансформаторы обладают весьма обрезанной АЧХ и не способны работать равномерно в широком диапазоне, в особенности на высоких частотах.
А вот трансформаторы Рутрофа обладают равомерными характеристиками в широчайшем диапазоне, от десятков килогерц до единиц гигагерц. В принципе и на более высоких частотах используются трансформаторы Рутрофа, но уже не на коаксиале, а на микрополосковых линиях.
Типичный трансформатор Рутрофа выглядит следующим образом. Это отрезок кабеля продетый сквозь ферритовую трубку или кольцо. На более низких частотах можно продеть несколько витков через кольцо для ещё лучшей индуктивной связи. Конструкция очень напоминает запорный дроссель, и это он и есть.
Главным свойством трансформаторов Рутрофа является то, что для противонаправленных токов в проводниках коаксиала, т.е для полезного сигнала, он представляет нулевое сопротивление, в то время как для сонаправленных или нескомпенсированных токов, коими обычно являются наводки и четные гармоники, трансформатор представляет очень большое сопротивление.
За счёт этого свойства трансформаторы Рутрофа часто используются как фильтры, и в т.ч. как фильтры гармоник.
4___ФИЛЬТРЫ ГАРМОНИК
Для того, чтобы понять, как работают фильтры гармоник, рассмотрим строение простого широкополосного малошумящего двухтактного усилителя мощности.
Сразу на входе усилителя мы видим трансформатор Рутрофа. Как мы уже сказали, для встречных токов его сопротивление стремится к нулю, а для сонаправленных – очень велико. Наводки и чётные гармоники как раз являются сонаправленными токами, и благодаря трансформатору Рутрофа они не проходят на затворы транзисторов. На затворы полевых транзисторов проходит только полезный сигнал.
Здесь я зделаю небольшое отступление, чтобы на примере первой и второй гармоник показать, зачем нам нужна фильтрация. В двухтактных усилителях первая гармоника представляет собой противофазные токи, которые, приходя на затворы транзисторов, усиливают полезный сигнал. А вторая гармоника и все чётные являются синфазными токами. Если бы линия была нагружена на одно сопротивление, то синфазные токи просто вычитались бы. Однако линия нагружена на отдельные транзисторы, значит чётные гармоники могут этим каскадом усиливаться.
Так вот для того, чтобы не пропустить синфазные токи, наводки и чётные гармоники, на каскад, перед ним стоит фильтр – трансформатор Рутрофа.
Из-за неидеальности каскада, какие-то синфазные компоненты всё-таки могут появиться на выходе транзисторов. Поэтому выходная цепь усилителя устроена ещё интересней.
Один из выходных трансформаторов ТР2 предназначен для ответвления чётных гармоник. Его обмотки включены встречно, а чётные гармоники плеч усилителя синфазны. Значит, чётные гармоники формируют противофазные токи в трансформаторе ТР2 и закорачиваются на корпус. Трансформатор ТР2 иногда называют трансформатором закоротки чётных гармоник.
В данной схеме чётные гармоники закорочены просто на корпус, но лучше закорачивать их через балластный резистор, сопротивение которого равно сопротивлению нагрузки, для того, чтобы избежать отражения волн обратно на транзисторы.
Перед нагрузкой у нас стоит ещё один трансформатор Рутрофа ТР3. И обмотки его включены сонаправленно, следовательно для чётных гармоник его сопротивление будет очень большим. Поэтому все чётные гармоники пойдут только в трансформатор закоротки чётных гармоник.
А полезный сигнал и нечётные гармоники ведут себя противоположным образом. Так как нечётные гармоники в плечах усилителя противофазны, то ТР2 для них представляет большое сопротивление, а ТР3 – наоборот, сопротивление, стремящееся к нолю. Поэтому первая и остальные нечётные гармоники пойдут в нагрузку.
В результате, трансформаторы ТР2 и ТР3 работают как вилка для чётных и нечётных гармоник.
Может показаться, что на выход усилителя проходят кроме полезного сигнала ещё и нечётные гармоники, 3-я, 5-я, 7-я. Однако не стоит забывать, что двухтактный усилитель работает с углом отсечки 90°. В этом режиме все нечётные гармоники, кроме первой, равны нулю.
Таким образом, благодаря применению трансформаторов Рутрофа мы получили простой широкополосный малошумящий энергоэффективный усилитель мощности.
5___СЛОЖЕНИЕ МОЩНОСТЕЙ
Применение коаксиальных трансформаторов этим, разумеется, не ограничивается. В радиотехнике часто возникает необходимость сложения мощностей. При чём в большинстве случаев требуются широкополосные схемы сложения мощностей.
Самая простая схема сумматора мощностей состоит из двух четвертьволновых отрезков длинной линии и баластного резистора. Это так называемая мостовая схема, синфазные токи источников идут в нагрузку, а противофазные в балластный резистор. При этом режим работы источников не зависит от степени рассогласования фаз.
Однако очевидно, что эта схема сильно частотозависима. Завязана на длину волны.
А нам нужна широкополосная схема сложения. Такие схемы давно существуют на фарадеевских трансформаторах. Они не зависят от конкретной частоты, однако из-за АЧХ фарадеевских трансформаторов такие схемы не могут работать на высоких частотах.
Как же быть? Как сделать широкополосную схему, чтобы она могла работать и на ВЧ, и при этом желательно мостового типа, чтобы работала стабильно, независимо от рассогласования источников.
И тут нам помогут как раз коаксиальные трансформаторы. Простейшая мостовая схема на коаксиальных трансформаторах представляет собой ничто иное как вилку фильтров. Синфазный ток от источников идёт на нагрузку через трансформатор Рутрофа, обмотки которого включены противофазно. А противофазный ток, проходя через трансформатор с прямых включением обмоток, поглощается балластным резистором.
6___ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Способ трансформирования напряжения и сопротивления, рассмотренный ранее, когда линии, например, включаются по входу параллельно, а по выходу последовательно, не единственный.
Существует способ трансформирования сигнала, основанный на использовании распределения тока и напряжения в стоячей волне внутри четвертьволнового отрезка кабеля. Этот способ, разумеется, частотозависим. И называются такие трансформаторы четвертьволновыми.
Расчёт согласования сопротивлений в четвертьволновом трансформаторе производится по следующей простой формуле:
Z_вх=〖ρ_0〗^2/Z_вых ,
где ρ_0 – волновое сопротивление кабеля, Zвх и Zвых – сопротивления источника и нагрузки.
Главное, что нужно понять из этой формулы, что выходное сопротивление обратно входному.
Для лучшего понимания рассмотрим следующие примеры.
Представим, что к кабелю с волновым сопротивлением 75 Ом подключен источник сигнала с сопротивлением 75 Ом и нагрузка сопротивлением 75 Ом. Очевидно, что 75=75^2/75. Никакого преобразования сопротивлений, а следовательно напряжений и токов нет. Это случай идеального согласования.
А теперь представим, что нагрузка резко отвалилась, например произошёл обрыв цепи. Теоретически это должно привести к тому, что сопротивление открытого конца должно устремиться к бесконечности. В реальности оно конечно не будет бесконечным из-за токов смещения и потерь, но оно будет очень большим. Допустим 7.5 кОм.
Очевидно, что 75 не = 75^2/7500. Равенство нарушено. От открытого конца возникает отраженная волна. Она не может уменьшить сопротивление открытого конца, поэтому она уменьшит сопротивление генератора. Как она это сделает?
Мы все знаем, что I = U/R. Следовательно, R = U / I. Напряжение на генераторе начинает падать, а ток расти. Мы наблюдаем картину типичной стоячей волны в четвертьволновом отрезке кабеля, с максимумом тока на источнике и с максимумом напряжения на открытом конце.
Зная сопротивление кабеля 75 Ом и сопротивление открытого конца 7500 Ом, мы с легкостью рассчитаем, какое у нас стало сопротивление на генераторе:
75^2/7500 = 0.75 Ом.
Ситуация для генератора ужасная, это короткое замыкание, т.е. для него такая линия стала перемычкой с сопротивлением 0.75 Ом. И если у него нет защиты от перегрузки по току, он просто сгорит. Вот почему обрыв кабеля и сильное рассогласование так опасны для генераторов.
Ещё раз повторим, если на выходе четвертьволнового трансформатора обрыв, то на генераторе короткое замыкание.
Рассмотрим противоположный случай. Мы замкнули выход кабеля перемычкой в 0.75 Ом. Не сложно догадаться, что после этого у нас входное сопротивление линии стало 7500 Ом. И генератор стал работать как на холостом ходу.
В линии установилась стоячая волна с максимумом тока на дальнем замкнутом конце и с максимумом напряжения и сопротивления на стороне генератора.
Зачем применяются четвертьволновые трансформаторы? Главным свойством четвертьволновых трансформаторов является возможность согласовать кардинально разные сопротивления.
Допустим, что у нас есть генератор переменного сигнала, который может выдать много тока, но его выходное напряжение составляет максимум 22 Вольта. И есть высокоомная нагрузка, например драйвер для светодиодных ламп, который потребляет мало тока, но может работать только от 220 В.
Понятно, что если мы такой драйвер подключим к низковольтному источнику напрямую, он даже не запустится. Но если между ними мы пустим отрезок кабеля, составляющий четверть длины волны генератора, то на драйвер будет поступать уже трансформированный сигнал, напряжение которого будет пропорционально входному сопротивлению драйвера. Иначе говоря, генератор выдаёт 22 Вольта в линию, а драйвер из линии получает 220 Вольт. Система согласована.
7___ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Как мы уже сказали, четвертьволновые коаксиальные трансформаторы привязаны к длине волны, поэтому узкополосны. Но существуют такие продольные коаксиальные трансформаторы, параметры которых почти не зависят от частоты. Речь идёт об экспоненциальных трансформаторах.
Экспоненциальный трансформатор – это линия передачи с плавно меняющимся волновым сопротивлением. Достигается это тем, что расстояние между центральной жилой и оплёткой делается переменным напротяжении всей линии.
Допустим, на входе линии максимальное расстояние между проводниками, следовательно максимальное сопротивление. А на выходе – минимальное расстояние между проводниками, следовательно минимальное сопротивление.
Экспоненциальный трансформатор не завязан на длину волны и может работать и в системах со стоячими волнами, и в режиме бегущей волны. По своей природе он полностью соответствует согласующему отрезку линии, применяемому во многих высокоомных антеннах для согласования с низкоомным кабелем. Вследствии того, что ему не требуется режим стоячей волны с определённой длиной, его параметры не зависят от частоты сигнала, поэтому экспоненциальный трансформатор очень широкополосен.
А теперь давайте закрепим главное:
1. Электрическое (и магнитное) поле коаксиальной линии полностью сосредоточено внутри неё, что уменьшает потери на излучение до минимума
2. Коаксиал обладает внушительной погонной ёмкостью и постоянством параметров, что делает оправданным использование колебательных контуров из него
3. Благодаря хорошей и равномерной индуктивной связи между проводниками коаксиала целесообразно применение коаксиальных трансформаторов и фильтров
4. Коаксиальные трансформаторы позволяют создавать предельно простые вилки фильтров и мостовые схемы сложения мощностей
5. Четвертьволновые трансформаторы позволяют согласовывать кардинально отличные сопротивления
6. Экспоненциальные трансформаторы позволяют согласовывать сопротивления в широком диапазоне частот
Надеюсь, данный ролик был для Вас полезен. Вопросы и предложения для следующих выпусков оставляйте в комментариях. Ставьте лайк и обязательно делитесь роликом, этим Вы очень поможете каналу.
Всем спасибо, удачи!
Источник
