Неоновые трансформаторы с различными коэффициентами ограничения тока

Неоновые трансформаторы Tecnolux

Думаю, для начала стоит прояснить, что же такое неоновые трансформаторы и в чем их отличие от других видов трансформаторов. Существует несколько типов трансформаторов, каждый из которых создан для выполнения конкретных задач, связанных с изменением (трансформацией) параметров электрического тока. Неоновые трансформаторы были сконструированы специально для питания трубчатых газоразрядных ламп с холодным катодом. Никакой другой тип трансформатора для этой цели не подойдет.

Трансформаторы для неона - это повышающие трансформаторы, на вторичных обмотках которых создается высокое напряжение, необходимое для создания электрического пробоя в инертном газе, которым заполнены трубки. После пробоя в газе устанавливается устойчивый канал проводимости или тлеющий разряд, напряжение при этом значительно снижается.

Оригинальная конструкция сердечника неонового трансформатора не позволяет силе тока в трубке неконтролируемо возрастать с увеличением напряжения. Величину силы тока необходимо удерживать в определенном, достаточно узком, диапазоне, так как значительное отклонение силы тока от расчетной (как в большую, так и меньшую сторону) приведет к изменению других расчетных параметров газоразрядной трубки, что неизбежно скажется на ее работоспособности.

Например, если сила тока во вторичной цепи будет слишком велика, то газ в трубке будет нагреваться сильнее, в свою очередь, нагревая стекло выше расчетной температуры, что совсем не желательно для газоразрядной трубки данной конструкции.

Электроды также будут перегреваться, быстрее изнашиваясь и теряя свои рабочие качества, при этом значительно сократится общий ресурс газоразрядной лампы.

В то же время, работа на пониженной силе тока заметно понижает интенсивность свечения трубок.

При нормальном течении процесса, рабочая температура трубки обычно не превышает 38 - 45 оС, температура электродов при этом составляет приблизительно 70 - 80 оС, яркость свечения номинальная (зависит от световой отдачи люминофора).

Для того, чтобы электроды работали в оптимальном режиме, сила тока, протекающего через них, должна быть приблизительно на 25 - 30% меньше заявленного номинала электродов. При соблюдении этого условия электроды не нагреваются выше расчетной температуры, а отдача эмиссионного слоя близка к максимуму.

Как же происходит ограничение силы тока вторичной цепи трансформатора? Технически это осуществляется при помощи магнитных шунтов (см. рис. 1), встроенных в сердечник трансформатора, и рассеивающих часть электромагнитной энергии, производимой первичной катушкой и распространяющейся по металлическому сердечнику.

В результате, в тех участках сердечника, на которые намотаны вторичные обмотки, интенсивность магнитного потока значительно слабее, соответственно и интенсивность тока в этих обмотках значительно ниже.

Рис. 1 Отличия трансформаторов для неона

Трансформаторы для неона делятся на две большие подгруппы в соответствии с методом ограничения тока во вторичной цепи.

В мировой неоновой индустрии широко применяются в основном два способа ограничения силы тока вторичной цепи, соответствующие так называемым европейской и американской (или азиатской) традициям.

Европейские производители трансформаторов традиционно придерживаются модели, в которой сила тока короткого замыкания вторичных обмоток на 30 % - 40 % выше, чем рабочий ток (коэффициент 1,3). Американские и азиатские производители предпочитают другую модель, в которой ток короткого замыкания лишь на 20 % выше, чем рабочий ток (коэффициент 1,2).

Изначальная приверженность к той или иной традиции, по всей вероятности, обусловлена прежде всего соображениями целесообразности, которые, в свою очередь, проистекают из специфики условий внешней среды различных регионов, определяющих сложившиеся там требования к электробезопасности, а также из специфики менталитета населения этих регионов.

На первый взгляд отличие между коэффициентами не столь велико, но при ближайшем рассмотрении реальное их выражение оказывается весьма значительно. Так как у трансформаторов европейского стиля (коэфф. 1,3) ток короткого замыкания выше, они более эффективны, нежели трансформаторы американского типа (коэфф. 1,2). В числовом выражении трансформаторы европейского стиля эффективнее на 15 - 25%, в зависимости от номинала. Именно большая эффективность трансформаторов европейского стиля и делает их использование наиболее предпочтительным в подавляющем большинстве случаев.

В то же время, требования к точности расчета длины электрической нагрузки вторичной цепи для трансформаторов европейского стиля более жесткие, так как диапазон оптимальной длины электрической нагрузки более узок, нежели для трансформаторов американского стиля. Впрочем, выполнить точное согласование нагрузки несложно, требуется лишь потратить немного времени, чтобы измерить силу тока во вторичной цепи трансформатора после подключения нагрузки. Замер необходимо производить специально предназначенным для этого прибором.

Сегодня такой прибор Вы можете приобрести в нашей компании.

Подробнее о характеристиках прибора читайте здесь

Для трансформаторов с коэффициентом 1,3 (европейский стиль) сила тока во вторичной цепи не должна быть ниже 10 %, и быть выше 5 % от номинальной силы тока трансформатора (см. таблицу). Допустимый рабочий диапазон составляет 15%, что не так уж мало, поэтому подобрать нагрузку таким образом, чтобы ток вторичной цепи находился в рабочем диапазоне, обычно не составляет труда.

Если по показаниям прибора видно, что сила тока во вторичной цепи трансформатора превышает максимально допустимое значение диапазона (см. таблицу), то это означает, что длина трубок, подключенных к трансформатору, слишком мала, то есть, трансформатор недогружен.

Исправить положение можно двумя способами: либо увеличить количество трубок, подключенных к трансформатору, либо установить трансформатор с меньшим номиналом напряжения, после чего повторно измерить силу тока вторичной цепи трансформатора.

Предварительно трансформатор для имеющейся нагрузки можно подобрать, используя данные из таблицы нагрузок. При этом не следует забывать, что в таблице приводятся усредненные значения длины нагрузки в электрических метрах для прямых трубок. Например, для трубок сложной формы, с большим количеством загибов и переходов потребуется трансформатор с большим номиналом напряжения вторичной обмотки.

Выбор нужного трансформатора не связан с какими-либо сложностями, так как товарная линейка трансформаторов Технолюкс европейского стиля сделана достаточно широкой. Трансформаторы Технолюкс европейского стиля выпускаются с интервалом напряжений вторичных обмоток в 1000 вольт. Это создает достаточную степень свободы при подборе трансформатора практически под любую длину нагрузки.

Количество теплоты, производимое обмотками трансформаторов европейского и американского стилей с одинаковыми номиналами, при правильно согласованной нагрузке примерно одинаково, так как сила тока, протекающего в медном проводе, сечение которого почти совпадает, отличается незначительно.

В то же время, шунты трансформатора европейского стиля в меньшей степени рассеивают магнитный поток в сердечнике, именно благодаря этому обстоятельству трансформаторы европейского стиля более эффективны и более экономичны, так как меньшее количество электроэнергии перерабатывается в тепло и растрачивается впустую, магнитопровод при этом греется несколько меньше.

Таким образом, при большей общей длине электрической нагрузки потребляется меньшее количество электроэнергии с меньшим выделением тепла.

На рисунке 2 пунктирными линиями отмечены диапазоны допустимых нагрузок трансформаторов с разным коэффициентом ограничения тока вторичной обмотки. Диапазон допустимой нагрузки для трансформатора с коэффициентом 1,2 несколько шире.

При внимательном рассмотрении и сравнении графиков на рисунках 2 и 3 становится понятно, что причиной увеличения диапазона допустимой нагрузки является не столько разный коэффициент ограничения тока, сколько различное напряжение на вторичных обмотках, так как на диаграмме представлены графики трансформаторов не только с разными коэффициентами, но и с разными номиналами. Что показательно, длина электрической нагрузки для этих двух трансформаторов примерно одинакова.

Для трансформатора 10 кВ / 25 мА оптимальная нагрузка варьируется в пределах от 15,1 до 18,7 электрических метров (см. рис. 2). Для трансформатора 12 кВ / 30 мА нагрузка того же диаметра и с тем же заполнением варьируется в более широком диапазоне: от 14,3 до 19,3 электрических метров.

Рис. 2

На графиках рис. 3 видно, что диапазон оптимальной длины электрической нагрузки для трансформаторов с одинаковым напряжением вторичной обмотки, но разным коэффициентом ограничения тока уже не так сильно отличается, но длина электрической нагрузки отличается значительно и в пользу трансформатора с коэффициентом 1,3.

Рис. 3

Рис. 4

Несмотря на то, что трансформаторы американско-азиатского стиля (коэфф. 1,2) проигрывают трансформаторам европейского стиля (коэфф. 1,3) по мощности и экономичности, в некоторых случаях их использование является более целесообразным, так как благодаря более высокому значению вторичного напряжения при меньшей длине электрической нагрузки, они имеют большую гибкость в отношении нагрузки.

Ниже приводятся наиболее распространенные ситуации, в которых использование трансформаторов американского стиля является более предпочтительным, нежели использование трансформаторов европейского стиля. В основном это касается случаев, когда используется нагрузка в виде трубок, заполненных чистым неоном.

1. Если напряжение питания в городской сети со стабильной периодичностью в течение суток понижается, то использование трансформаторов американского стиля уместнее, так как поможет избежать мерцания или угасания трубок с чистым неоном. Это так, потому что при одинаковой длине подключенной электрической нагрузки трансформатор с коэффициентом 1,2 имеет большее номинальное напряжение, следовательно, даже значительное понижение напряжения в городской сети не приведет к падению напряжения на его вторичных обмотках, которое будет критично для нагрузки в виде трубок с неоном.

2. Если трубки, заполненные чистым неоном, не могут быть изготовлены профессионально. Например, когда трубки изготавливаются на оборудовании, которое давно не обслуживалось или заведомо низкого качества. В этом случае имеют место непредсказуемые градации величины сопротивления у каждой отдельно взятой трубки и, как следствие, изменение общего сопротивления нагрузки в процессе эксплуатации с течением времени. Использование трансформаторов американского стиля в данном случае даст лучшие результаты.

3.Если трансформаторы для питания трубок, заполненных чистым неоном, обязательно должны находиться в защитных коробках с недостаточной вентиляцией. В этом случае желательно максимально понизить теплоотдачу. Для этого нужно поддерживать ток вторичной цепи на уровне ниже номинального, чтобы уменьшить теплообразование в ядре трансформатора. Чтобы этого добиться, нужно увеличить метраж нагрузки. Понижение силы тока вторичной цепи, в свою очередь, приведет к увеличению напряжения, что уменьшает риск мерцания или угасания трубок с чистым неоном.

Во всех остальных случаях использование трансформаторов европейского образца представляется наиболее целесообразным и выгодным как с технической, так и с экономической точки зрения.

При правильном расчете и последующем контроле правильности согласования нагрузки, трансформаторы европейского стиля (с коэффициентом 1,3) ни коим образом не уступают в надежности трансформаторам американского стиля (с коэффициентом 1,2).

Для написания данной статьи автором были использованы материалы, любезно предоставленные президентом компании Tecnolux Italia, господином Бруно Таккони.

А также:

Лит.: Фугенфиров М И., Что нужно знать о газоразрядных лампах, М., 1968; Грановский В. Л., Электрический ток в газе. Установившийся ток, М., 1971; Физика и техника низкотемпературной плазмы, под ред. С. В. Дресвина, М., 1972; Рохлин Г. Н., Газоразрядные источники света, М. Энергоатомиздат, 1991; В.А.Лисовский, С.Д. Якович, Модифицированный закон Пашена для зажигания тлеющего разряда в инертных газах, Харьков, 1999.