2 семестр / МВ,МД,МО,МС.Электрические машины / Электрические машины. Вопросы к защите Пацкевич / Трансформаторы. Что влияет на потери в магнитопроводе силового трансформатора

Уменьшение потерь в силовом трансформаторе

  

  Потери в силовом трансформаторе и как их уменьшить

    Геннидий Котов                                                        В предлагаемом материале рассказывается о принципах и некоторых тонкостях процесса трансформации электроэнергии, как избежать некоторых ошибок при конструировании трансформаторов, а также о том, почему коэффициент трансформации - величина не всегда постоянная.           Трансформатор - это статический (без вращающихся частей) электромагнитный аппарат, осуществляющий преобразование электрической энергии переменного тока с одним значением напряжения (тока) в электрическую энергию с другим значением напряжения (тока) такой же частоты. Простейший трансформатор состоит из сердечника, изготовленного из электротехнической стали, и двух надетых на этот сердечник обмоток I и II (рис.1). Та из обмоток, которая, будучи присоединена к сети с известным напряжением, получает от нее переменный ток, например обмотка I называется первичной, другая обмотка, отдающая переменный ток в другую сеть или нагрузку, например, обмотка II называется вторичной.

При пропускании через первичную обмотку переменного тока определенной частоты, появляющийся в магни-топроводе магнитный поток, пересекая витки вторичной обмотки, индуктирует в ней электродвижущую силу (ЭДС), обусловливающую, в случае замыкания обмотки на какую-нибудь цепь, появление в нагрузке переменного тока такой же частоты.

Так как магнитный поток в своих изменениях пересекает одновременно и витки первичной обмотки, находящиеся уже под напряжением, в ней индуктируется электродвижущая сила, совпадающая по фазе с электродвижущей силой, индуктируемой во вторичной обмотке.   Ток «холостого хода»

Если вторичная обмотка разомкнута (вторичная сеть выключена), тогда ток в первичной обмотке протекает минимальный, и обмотка может рассматриваться как обыкновенная индукционная катушка с ферромагнитным сердечником. Электродвижущая сила, индуктируемая при этом в первичной обмотке, или так называемая первичная электродвижущая сила, составит [1]:                                                                                                                                                                                                                                                                         E1 = 4,44 * Фм * f * Z1 * 10-8     Ток, протекающий в первичной обмотке при разомкнутой вторичной цепи, весьма мал, также весьма мала производимая в этой обмотке потеря напряжения, поэтому можно считать, что первичная электродвижущая сила почти равна и противоположна приложенному к первичной обмотке напряжению V1, т.е.

                                                                                                                                          E1 = V1     и поэтому V1=4?44*Фм *f*Z1 *10-8 [2]

   Здесь сразу нужно пояснить, что ток в обмотке, подключенной к внешнему источнику переменного напряжения, при разомкнутых зажимах вторичной обмотки будет мал только в том случае, если выполняется условие:                                                                                                                                             V * Z = {A / Bm * Qc  }* V   [3]                                                                                                                                                                      

   где А - некое эмпирическое число, его значение может быть от 40 до 60 (чаще всего при расчетах используется значение 50). Это число зависит от марки трансформаторной стали (Э41-Э43 - изотропная горячекатаная, Э310-Э330 - текстурованная холоднокатаная, Э340-Э360 -текстурованная холоднокатаная с уменьшенной проницаемостью и т.д.), формы сердечника (Ш, ШЛ, П, ПЛ, Ои т.д.), технологии производства и качества сборки сердечника. Справедливость этого утверждения можно легко продемонстрировать, если разобрать сердечник, собранный, к примеру, из Ш-образных пластин, а затем при сборке некоторую часть пластин «забыть». Ток «холостого хода» такого трансформатора при неизменном напряжении, поданном на первичную обмотку, заметно увеличится.      

 Для вторичной электродвижущей силы, т.е. электродвижущей силы, возбуждаемой во вторичной обмотке, состоящей из z2витков и пересекаемой тем же магнитным потоком Фд4, можно считать:

                                                                            Е2 =4,44 * Фм * f * Z2* 10-8  [3a]

А т.к. E2=V2, и при этом формулы (1) и (За) отличаются только лишь количеством витков Z1иZ2  то принято считать, что коэффициент трансформации равен соотношению витков первичной и вторичной обмоток: U = Z1/ Z2 Величина максимального ма'нитного потока при «холостом ходе» трансформатора равна:    Фм = ( Е * 108 ) /( 4,44 * f * Z1)   [4]

  где первичная электродвижущая сила Е, как видно, почти равна напряжению у зажиме в V. Если трансформатор нагрузить, т.е. к его вторичной обмотке подключить какое-нибудь сопротивление, то сила тока в первичной обмотке увеличится, также увеличится потеря напряжения в ней, отчего при постоянстве первичною напряжения у зажимов должна уменьшиться первичная электродвижущая сила Б и, как следствие, величина магнитного потока Фм.

Так как при нагрузке трансформатора вторичный ток производит упомянутое размагничивающее действие, то можно допустить, что при подключенной нагрузке в первичную цепь поступает ток такой силы, при котором приблизительно восстанавливается магнитный поток [1 ].

Когда трансформатор работает с нагрузкой, то полная мощность, потребляемая первичной обмоткой Р1, расходуется на полезную мощность, отдаваемую во вторичную цепь Р2, и на потери в самом трансформаторе, состоящие из потерь в сердечнике (железе) магнитопровода и в меди обмоток. Отсюда КПД:  N=P2/ P1            [5]

  Выше было отмечено, что максимальный магнитный пэток, пронизывающий обмотки трансформатора, почти не изменяется при изменении нагрузки, следовательно, потери в сердечнике трансформатора можно считать постоянными и одинаковыми как для «холостого хода», так и для работы трансформатора с нагрузкой. Неизменность магнитного потока в стали сердечника Фст имеет место при постоянстве магнитодвижущей силы (МДС) Fm и напряженности магнитного поля Hст.

   Потери в меди обмоток Что касается потерь в меди обеих обмоток, то они, очевидно, находятся в сильной зависимости от нагрузки. При этом сопротивление первичной обмотки равно сумме ее активного и индуктивного сопротивлений. В соответствии со вторым законом Кирхгофа напряжение, подведенное к первичной обмотке, равно сумме падения напряжения на амивном сопротивлении обмотки и двух ЭДС, обусловленных магнитными потоками, сцепленными с первичной обмоткой. При этом имеется в виду, что один магнитный поток замотается через сердечник трансформатора, а второй - через воздух. Так как эти магнитные потоки «ведут» себя по-разному, то в законе Кирхгофа они описываются по-разному. Сопротивление вторичной обмотки также состоит из активного и индуктивного сопротивлений. Активное сопротивление играет роль только при подключенной к вторичной обмотке нагрузке, а индуктивное сопротивление                                                                                                                                            XD = w * LD              [6]    характеризуется индуктивностью рассеяния                                                                                                                                   LD = w * ФD  * I                 [7]   и, в свою очередь, обусловлено магнитным потоком ФD, замыкающимся, помимо магнитопровода, еще и по воздуху, минуя первичную обмотку [1].

    Потери в сердечнике Что касается потерь в магнитопроводе трансформатора, то на этом нужно остановиться подробно. Переменный магнитный поток в сердечнике, индуцируемый переменным напряжением в первичной обмотке, вызывает в магнитопроводе вихревые токи, зависящие от частоты, проводимости материала магнитопровода и его формы. Помимо потерь вихревые токи размагничивают магнитопровод, вытесняя магнитный поток к поверхности. Именно для снижения влияния вихревых токов (токов Фуко) магнитопровод собирают из отдельных электрически изолированных тонких пластин. При этом величина вихревых токов значительно уменьшается (до 1 % от их величины в монолитном сердечнике [1]). Удельные потери в сердечнике трансформатора имеют одну природу - нелинейность процесса намагничивания. Известно, что ферромагнитные тела состоят из областей самопроизвольного (спонтанного) намагничивания. Магнитное состояние каждой области характеризуется вектором намагниченности. Направление вектора намагниченности зависит от внутренних упругих напряжений и кристаллической структуры ферромагнитного тела.

Векторы намагниченности отдельных областей ферромагнитного тела, на которые не воздействует внешнее магнитное поле, равновероятно направлены в различные стороны. Поэтому во внешнем относительно этого тела пространстве намагниченность тела не проявляется. Если же его поместить во внешнее поле, то под его воздействием векторы намагниченности отдельных областей повернутся в соответствии с направлением поля. При этом индукция результирующего поля в теле может оказаться во много раз больше, чем магнитная индукция внешнего поля до помещения в него ферромагнитного тела [2]. При периодическом перемагничивании ферромагнетика в нем совершаются необратимые процессы, на которые расходуется энергия от намагничивающего источника. В общем случае потери в ферромагнитном сердечнике обусловлены гистерезисом, токами Фуко и магнитной вязкостью. Степень проявления различных видов потерь зависит от скорости перемагничивания ферромагнитного материала. Если сердечник из трансформаторной стали перемаг-ничивается во времени замедленно, то потери в сердечнике обусловлены практически только гистерезисом (потери от макроскопических вихревых токов и магнитной вязкости при этом стремятся к нулю).    Физически потери, обусловленные гистерезисом, вызваны инерционностью процессов роста зародышей пере-магничивания, инерционностью процессов смещения доменных границ и необратимыми процессами вращения векторов намагниченности. Удельные потери энергии от гистерезиса за 1 цикл перемагничивания равны площади петли гистерезиса. Уменьшение максимальной индукции, разумеется, уменьшает высоту петли, но даже при малых значениях индукции и при наличии подмагничивания, например, постоянным током, ширина петли частного цикла у низкосортных сталей остается значительной. Другими словами, уменьшение индукции в магнитопроводе с целью уменьшения площади петли гистерезиса имеет ограниченный смысл.                                                                                                                                 

Теперь вспомним курс физики. Вокруг проводника, по которому протекает ток, создается магнитное поле. Причем направление (вектор) магнитного поля зависит от направления тока в проводнике и постулируется правилом правой руки: «Если ладонь правой руки расположить так, чтобы в нее входили силовые линии магнитного поля, а отогнутый большой палец направить по движению проводника, то четыре вытянутых пальца укажут направление индукционного тока» (рис.2). Если пойти дальше, зная, что электрические и магнитные силы имеют общую природу (уравнение Максвелла), то можно предположить, что если по одному проводнику течет ток, при этом вокруг него наводится магнитное поле, а рядом расположен другой проводник, то магнитное поле должно наводить в другом проводнике электрический ток. (Сразу нужно оговориться, что ток и магнитное поле должны изменяться во времени и в пространстве и совсем не обязательно по закону синусоиды и даже не обязательно от положительных до отрицательных значений.) Это явление известно как электромагнитная индукция.

 С точки зрения передачи энергии вышеприведенная модель из двух проводников никуда не годится, но не стоит ее недооценивать, так как появление наводок в аудио-усилителях и радиоприемных трактах - это проявление признаков, описываемых данной моделью, и она может испортить немало нервов конструкторам-разработчикам.                                          

 Если пойти еще дальше и свить проводник в спираль, а еще лучше в многослойную спираль, то возникающие вектора магнитного поля у находящихся рядом проводников будут суммироваться. Суммарный индукционный ток будет равен произведению тока вокруг одного проводника на их количество. Здесь нужна еще одна оговорка. Все дело в том, что вышеприведенное утверждение будет справедливо лишь в том случае, если физическая форма и размеры позволяют сблизить свитые в спираль проводники на минимальное расстояние. Но по вполне понятным причинам это далеко не всегда возможно. Именно поэтому суммарный индукционный ток будет равен произведению тока вокруг одного проводника на их количество лишь приближенно, и именно поэтому провод, которым намотаны очень мощные трансформаторы, имеет чаще всего не круглое, а прямоугольное сечение. Это связано, в основном, с тем, что, как говорилось выше, силовое поле вокруг проводника (каждого отдельного витка) не в полной мере наводится в соседнем витке (сердечнике), а с некоторыми потерями, частично рассеиваясь «в воздухе» (рис.3).

     Потери в катушке Вернемся к нашей модели проводника свитого в многослойную спираль. Подобная конструкция называется катушкой. Она обладает значительной индуктивностью, которая зависит от протекающего в проводнике тока, диаметра и удельной проводимости проводника, количества витков и т.д. Конечно, обычный проводник, по которому протекает электрический ток, также обладает собственной индуктивностью, но при незначительной длине проводника ее величина настолько мала, что ею, как правило, пренебрегают.                                                                                                                             Совсем другое дело, если длина проводников сотни и даже тысячи метров, и по ним протекают значительные токи и напряжения, как, например, в высоковольтных ЛЭП. Такие системы обладают значительными индуктивными и емкостными сопротивлениями, и при инженерных расчетах это обязательно учитывается. Раз уж речь зашла о ЛЭП и трансформации, то необходимо напомнить о требовании ПТЭ, что при работах на высоковольтных ЛЭП нужно отключать напряжение помимо основной еще и на параллельно идущей линии ЛЭП. Игнорирование данного требования ПТЭ стоило здоровья, а иногда и жизни не одному электрику.   Если вспомнить, что катушка — это проводник длиной в десятки или сотни, а иногда даже тысячи метров, свитый в многослойную спираль, то индуктивность, «растянутая» по всей его длине, концентрируется в физических размерах данной катушки. Если рядом (а лучше внутри или поверх) с вышеупомянутой катушкой расположить еще одну, то магнитные силовые линии, образованные за счет индуктивности, при подключении напряжения к первой будут наводить напряжение во второй. Конечно же, большая их часть будет рассеиваться в окружающем пространстве и теряться безвозвратно, так как окружающее пространство (воздух) обладает некоторым сопротивлением для магнитного поля, и данная модель, являясь, по сути, трансформатором, для передачи электрической энергии также не годится. Если катушки разместить на сердечнике (рис.1) из материала со значительной магнитной проницаемостью (ферромагнетиком), то такая модель уже будет полноценным трансформатором и вполне подойдет для передачи электрической энергии. Если обратиться к рис.1, то можно увидеть, что магнитные силовые линии в подобном трансформаторе замыкаются не только через магнитопровод, но и «по воздуху». Так и есть на самом деле.

В некоторых публикациях иногда можно встретить утверждение, что сердечник способен «притягивать», даже «концентрировать в себе» эти самые линии. С этим никак нельзя согласиться, так как в подобном случае достаточно было бы просто надеть катушки на замкнутый магнитопровод произвольной формы и сечения и не следовало изобретать броневых сердечников, сердечников марки УШ, О и т.д. Еще раз повторюсь, что векторы намагниченности отдельных областей ферромагнитного тела, на которые не воздействует внешнее магнитное поле, направлены в разные стороны. Поэтому во внешнем относительно этого тела пространстве намагниченность тела не проявляется, но если ферромагнетик поместить во внешнее поле (например, подключив первичную обмотку к сети 220 В / 50 Гц), то под его воздействием векторы намагниченности отдельных областей повернутся в соответствии с направлением поля. При этом индукция результирующего поля в теле станогится во много paj больше, чем магнитная индукция внешнего поля.                                                                                                                                    Магнитные силовые линии, наведенные вокруг катушки, по которой протекает ток, распределяются вокруг нее равномерно (рис.4). При увеличении тока в первичной обмотке напряженность магнитных силовых линий будет увеличиваться для всех одинаково: и для тех, которые замыкаются через магнитопровод, и для тех, которые замыкаются через воздух. Просто нужно помнить, что те линии, которые «идут по воздуху», из-за сопротивления окружающей среды затухают в ней, а те, чей путь пролегает по сердечнику, из-за его физико-механических свойств оказывать минимальное сопротивление магнитному полю способны из-за минимального затухания донести свою энергию до второй катушки. Однако уменьшение индукции в сердечнике все равно имеет место. И зависит оно не только от свойств материала, но и от наличия магнитного зазора, отверстий в сердечнике, качества сборки сердечника и т.д. (рис.1). Магнитный поток Ф через некоторую поверхность S - это поток вектора магнитной индукции через эту поверхность                                                                                                                                                Сечение магнитопровода Площадь сечения S магнитопровода трансформатора зависит от многих факторов, в частности от технологических отверстий. Сначала остановимся на отверстиях. Увеличение сопротивления в магнитопроводе связано напрямую с таким эмпирическим понятием, как «домены». Выше уже упоминалось про области спонтанного намагничивания. Другими словами, эти области и есть «домены», как иногда пишут в литературе, «...области в ферромагнитном материале, в которых осуществляется упорядоченное перемагничивание материала под действием изменяющегося магнитного поля». Количество их велико, но не бесконечно и напрямую зависит от физико-механических свойств материала. Если вспомнить постоянный магнит, то его свойство «притягивать железо» напрямую зависит от этих самых «доменов», их стабильности и полярной ориентации в материале.

В ферромагнетике «домены» расположены хаотично и лишь под действием магнитного поля способны менять полярную направленность и ориентироваться вдоль магнитных силовых линий. Кстати, размеры, количество и скорость изменения ориентации «доменов» способны объяснить, почему одни материалы (например, ВЧ ферриты) хорошо работают в качестве магнитопроводов на высоких частотах и напрочь отказываются работать на низких, а другие (например, электротехническая сталь) наоборот. Количество «доменов» объясняет также и величину максимальной индукции и индукцию насыщения. Поэтому для получения хороших энергетических характеристик трансформатора следует избегать применения сердечников с отверстиями в магнитопроводе.

                                                                                                                          Теперь сделаем еще одно небольшое отступление. Раз уж речь зашла о понятии «насыщение магнитопровода», то для лучшего понимания термина образно продемонстрируем его на простом примере. Для этого вспомним классический пример из курса физики. Возьмем подковообразный магнит, лист бумаги и железные опилкк На стол кладут магнит, сверху на него - лист бумаги и на бумагу насыпают небольшую горсть опилок. При этом железные опилки выстраиваются в характерный узор, демонстрируя направление магнитных силовых линий (на рис.5 узор изображен для стержневого магнита). А теперь мысленно представим, что напряженность магнитного поля, создаваемого магнитом, не постоянна, а медленно увеличивается от нуля до максимума. При этом железные опилки, лежащие сначала хаотично, будут понемногу, вслед за увеличением поля, выстраиваться по линиям от полюса N к полюсу S. Сначала те, которые ближе к полюсам, затем те, которые дальше, и наконец наступит момент, когда все опилки выстроятся вдоль магнитных силовых линий, и дальнейшее увеличение напряженности магнитного поля ничего не изменит, ведь количество частичек железа (опилок-«доменов») хоть и велико, но не бесконечно. В этом случае можно будет говорить о насыщении применительно к магнитопроводу. А теперь идем дальше. Сопротивление магнитного зазора объясняется все тем же затуханием магнитного поля в воздухе и зависит напрямую от физических размеров этого зазора. В [1] магнитный поток в сердечнике сравнивается с электрическим током в проводнике, следовательно, магнитный зазор можно сравнить с нелинейным сопротивлением, а значит, зазор - это плохо? Все зависит от конкретных требований, предъявляемых к трансформатору. Если он будет применяться в качестве источника питания, например, УМЗЧ или в трансформаторной подстанции, то да.

                                                                                                                           С другой стороны, например, сварочные агрегаты изготавливались в виде трансформаторов с регулируемым магнитным зазором в сердечнике (рис.6). Здесь сварочный агрегат показан довольно условно. Первичная и вторичная обмотки разделены на равные части и размещены на левой и правой части магнитопровода. Таким способом решались сразу две проблемы. Изменяя величину магнитного зазора в сердечнике, регулировалась величина затухания магнитного потока, а следовательно, и напряжения во вторичной обмотке, а также величина тока в сварочной дуге. Помимо этого достигалась падающая нагрузочная характеристика сварочного агрегата, что благоприятно сказывается на его работе. Для источника питания, к примеру, УМЗЧ падающая нагрузочная характеристика крайне нежелательна, так как просадки напряжения питающего УМЗЧ при максимумах музыкального пик-фактора должны быть минимальны для более верного этого самого пик-фактора воспроизведения.

Если речь зашла о сварочных агрегатах, то нужно еще добавить некоторые моменты. Напряжение вторичной обмотки сварочного трансформатора на «холостом ходу» примерно 70...80 В, а при зажигании дуги - должно снижаться до 20...25 В. Этим достигается наиболее благоприятный режим для сварки. Одним из способов достижения указанного режима работы является получение падающей нагрузочной характеристики. Методов достижения подобного эффекта несколько. Самыми распространенными являются методы: создание магнитного зазора в маг-нитопроводе и разнесении в пространстве первичной и вторичной обмоток.                                                                                                                                          Метод разнесения в пространстве обмоток - это ухудшение потокосцепления между первичной и вторичной обмотками, а значит, уменьшение напряжения во вторичной обмотке под нагрузкой.

Таким образом, для максимального улучшения нагрузочных свойств трансформатора и обеспечение постоянного коэффициента трансформации необходимо, применительно к обмоткам, добиться максимального потокосцепления между ними. Сделать это можно, например, чередуя поочередно в рядах обмотки витки первичной и вторичной обмоток (рис.7). Однако, при кажущейся простоте, сделать это крайне затруднительно.

Во-первых, количество витков в первичной и вторичной обмотках очень сильно разнятся.

Во-вторых, нередко вторичных обмоток несколько.

В-третьих, разнятся диаметры проводов первичной и вторичной обмоток.                                                               

  Но самая весомая причина - свойства изоляционного покрытия проводников должны быть крайне высоки, ведь при пробое изоляции находящихся впритык витков первичной и вторичной обмоток последствия будут печальные.                                                                                                                                                        Поэтому существуют несколько иные методы получения максимального потокосцепления. Один из методов давно и с успехом применяется при намотке выходных и межкаскадных трансформаторов ламповых УМЗЧ. Заключается он в укладке обмоток чередующимися слоями с обязательной межслоевой изоляцией. Следующий способ заключается в том, что каркас обмотки делят на несколько секций щечками и каждую секцию заполняют витками первичной и вторичной обмотки, также чередуя их (рис.8). Еще один способ таков: разделительный трансформатор УМЗЧ мотают жгутом проводов, в который входят проводники, относящиеся к разным обмоткам. После окончания намотки проводники, каждый для своей обмотки, «вызванивают» и соединяют последовательно. Нужно учесть, что напряжение питания подобных УМЗЧ всего лишь ±15 В. Для обмоток же, которые в процессе эксплуатации будут находиться под высоким напряжением 1 ООО В и более, или даже просто подключаться к сети 220 В, такой способ намотки крайне нежелателен, а в некоторых случаях опасен. Подведем итоги:

1. Потери в магнитопроводе трансформатора характеризуются гистерезисом, токами Фуко и магнитной вязкостью. Для уменьшения токов Фуко сердечник трансформатора собирают из тонких пластин. Избежать потерь на пере-магничивание вряд ли удастся, но кое-что сделать можно. Чтобы не «нарваться» используя в своей разработке магнитопровод от сгоревшего трансформатора, нужно применять не расчетный, а оценочный метод по определению количества витков на вольт, неоднократно описанный в литературе.

2. В ответственных конструкциях, например в УМЗЧ, лучше избегать применения магнитопроводов с технологическими отверстиями. Сердечники с технологическим зазором типа П, ПЛ стараться брать «родные», а не какие попало, зазор перед сборкой очищать мелким наждаком и при склейке в клей добавлят! ферритовый порошок.

3. Что касается намотки, то правилами ее выполнения также пренебрегать не стоит. На тех же самых сердечниках типа П, ПЛ первичную обмотку следует располагать, разделив поровну на правой и левой части. Также желательно поступать и с вторичной обмоткой. На сердечниках типа О (тороидальном) все обмотки следует, если нет специальных указаний в описании конструкции, укладывать равномерно по всему диаметру. Этим удастся несколько уменьшить поле рассеяния.                                                                                                                                                 4. При использовании в своих конструкциях в источниках питания работающих от сети 220 В/50 Гц трансформаторов от старых ламповых телевизоров типа ТВЗ, ТВК нужно помнить, что они изготавливались с магнитным зазором в сердечнике, поэтому его необходимо ликвидировать, а если магнитопровод Ш-образный, то его нужно разобрать и собрать заново вперекрышку.

журнал  "Электрик"  

www.tor-trans.com.ua

§ 1.9. Явления при намагничивании магнитопроводов трансформаторов

Допустим, что к первичной обмотке трансформатора подведено синусоидальное напряжение. При этом поток в магнитопроводе также будет синусоидальным: Ф = Фmах sinωt. Однако вследствие насыщения магнитный поток трансформатора не пропорционален намагничивающему току. Поэтому при синусоидальном потоке Ф намагничивающий ток ; является несинусоидальным. Для определения формы кривой этого тока iОр = f(t) воспользуемся кривой намагничивания магнитопровода Ф = f(iОр) и графиком изменения потока Ф =f(t).

Рис. 1.23. Построение графика намагничивающего тока (а) и разложение его на составляющие (б)

На рис. 1.23, а дано построение графика намагничивающего тока i0р=f(t). Здесь в левом верхнем квадранте показана синусоидальная кривая Ф =f(t), а в верхнем правом квадранте — кривая намагничивания Ф = f(i0р) материала магнитопровода. Для получения графика намагничивающего тока i0р = f(t), расположенного в правом нижнем квадранте, поступают следующим образом. На графике Ф = f(t) выбирают ряд точек 7, 2, 3, проецируют их на кривую намагничивания и определяют значения намагничивающего тока, соответствующие выбранным значениям магнитного потока. Затем проводят вертикальные линии через точки 1, 2, 3 на оси i0р в правый нижний квадрант до пересечения с горизонтальными линиями, проведенными из точек 1, 2, 3 на оси времени этого квадранта, и получают геометрическое место точек кривой намагничивающего тока i0р = f(t). Из сделанных построений видно, что при синусоидальной форме кривой Ф =f(t) намагничивающий ток имеет пикообразную форму. В целях упрощения построений в этом случае воспользовались кривой намагничивания Ф = f(i0р), построенной без учета гистерезиса.

После разложения несинусоидальной кривой тока i0р на синусоидальные составляющие (рис. 1.23, б) видно, что в этом токе кроме основной (первой) гармоники i0р1 ярко выражена третья гармоника i0р3.

Так, в трансформаторе с магнитопроводом из высоколегированной стали при индукции В = 1,4 Тл амплитуда третьей гармоники составляет примерно 30% амплитуды основной гармоники намагничивающего тока. Сказанное относится лишь к реактивной составляющей тока х.х., так как активная составляющая i0a является синусоидальной. Обычно i0a не превышает 10% от I0, поэтому с некоторым приближением можно принять, что кривая тока х.х. i0=f(t) не отличается от кривой i0р = f(t).

§ 1.10. Влияние схемы соединения обмоток на работу трехфазных трансформаторов в режиме холостого хода

Из уравнений токов третьей гармоники в трехфазной системе

(1.37)

видно, что эти токи в любой момент времени совпадают по фазе, т. е. имеют одинаковое направление. Этот же вывод распространяется на все высшие гармоники тока, кратные трем, — 3, 9, 15 и т. д. Это обстоятельство оказывает существенное влияние на процессы, сопровождающие намагничивание сердечников при трансформировании трехфазного тока.

Рассмотрим особенности режима холостого хода трехфазных трансформаторов для некоторых схем соединения обмоток.

Рис. 1 .24. Направление токов третьей гармоники для различных схем соединения обмоток

Соединение Y/Y0. Если напряжение подводится со стороны обмоток, соединенных звездой без нулевого вывода (рис. 1.24, а), то токи третьей гармоники (и кратные трем — 9, 15 и т. д.), совпадая по фазе во всех трех фазах, будут равны нулю. Объясняется это отсутствием нулевого провода, а следовательно, отсутствием выхода из нулевой точки. В итоге токи третьей и кратные трем гармоники будут взаимно компенсироваться и намагничивающий ток трансформатора окажется синусоидальным, но магнитный поток в магнитопроводе окажется несинусоидальным (уплощенным) с явно выраженным потоком третьей гармоники Фз (рис. 1.25).

Рис. 1.25. Построение графика магнитного потока при синусоидальной форме намагничивающего тока

Потоки третьей гармоники не могут замкнуться в трехстержневом магнитопроводе, так как они совпадают по фазе, т.е. направлены встречно. Эти потоки замыкаются через воздух (масло) и металлические стенки бака (рис. 1.26). Большое магнитное сопротивление потоку Ф3 ослабляет его величину, поэтому наводимые потоками Ф3 в фазных обмотках ЭДС третьей гармоники невелики и обычно их амплитуда не превышает 5 — 7% от амплитуды основной гармоники. На практике поток Фз учитывают лишь с точки зрения потерь от вихревых токов, индуцируемых этим потоком в стенках бака. Например, при индукции в стержне магнитопровода порядка 1,4 Тл потери от вихревых токов в баке составляют около 10% от потерь в магнитопроводе, а при индукции 1,6 Тл эти потери возрастают до 50 — 65%.

Рис. 1.26. Пути замыкания магнитных потоков третьей гармоники в трехстержневом магнитопроводе

В случае трансформаторной группы, состоящей из трех однофазных трансформаторов (см. рис. 1.20, а), магнитопроводы отдельных фаз магнитно не связаны, поэтому магнитные потоки третьей гармоники всех трех фаз беспрепятственно замыкаются (поток каждой фазы замыкается в своем магнитопроводе). При этом значение потока Фз может достигать 15 — 20% от Ф1 Несинусоидальный магнитный поток Ф, содержащий кроме основной гармоники Ф1 еще и третью Ф3,

(1.38)

наводит в фазных обмотках несинусоидальную ЭДС

(1.39)

Рис. 1.27. Форма графика фазной ЭДС трансформаторной группы при соединении обмоток Y/Y

Повышенная частота Зω магнитного потока Ф3 приводит к появлению значительной ЭДС е3, резко увеличивающей амплитудное значение фазной ЭДС обмотки при том же ее действующем значении (рис.1.27), что создает неблагоприятные условия для электрической изоляции обмоток.

Рис. 1.28. Векторные диаграммы ЭДС основной (а) и третьей (б) гармоник трехфазного трансформатора

Амплитуда ЭДС третьей гармоники в трансформаторной группе может достигать 45—65% от амплитуды основной гармоники. Однако следует отметить, что линейные ЭДС (напряжения) остаются синусоидальными и не содержат третьей гармоники, так как при соединении обмоток звездой фазные ЭДС е3A, е3B и езс, совпадая по фазе, не создают линейной ЭДС. Объясняется это тем, что линейная ЭДС при соединении обмоток звездой определяется разностью фазных ЭДС. Так, для основной гармоники (рис. 1.28, а) линейная ЭДС

Что же касается линейной ЭДС третьей и кратных трем гармоник, то ввиду совпадения по фазе фазных ЭДС этих гармоник (рис. 1.28, б) получим

Если первичная обмотка трансформатора является обмоткой НН и ее нулевой вывод присоединен к нулевому выводу генератора (см. рис. 1.24, б), то намагничивающие токи фаз содержат третьи гармоники. Эти токи совпадают по фазе [см.(1.37)], а поэтому все они направлены либо от трансформатора к генератору, либо наоборот. В нулевом проводе будет протекать ток, равный 3iз. при этом магнитный поток трансформатора, а следовательно, и ЭДС в фазах будут синусоидальны.

Соединения, при которых обмотки какой-либо стороны трансформатора (НН или ВН) соединены в треугольник. Эти схемы соединения наиболее желательны, так как они лишены недостатков рассмотренных ранее схем.

Допустим, что в треугольник соединены первичные обмотки трансформатора. Тогда ток третьей гармоники беспрепятственно замыкается в замкнутом контуре фазных обмоток, соединенных в треугольник (см. рис. 1.24, в). Но если намагничивающий ток содержит третью гармонику, то магнитные потоки в стержнях, а следовательно, и ЭДС в фазах практически синусоидальны.

Если же вторичные обмотки трансформатора соединены в треугольник, а первичные — в звезду, то ЭДС третьей гармоники, наведенные во вторичных обмотках, создают в замкнутом контуре треугольника ток третьей гармоники. Этот ток создает в магнитопроводе магнитные потоки третьей гармоники Ф23, направленные встречно потокам третьей гармоники от намагничивающего тока Ф13 (по правилу Ленца). В итоге результирующий поток третьей гармоники значительно ослабляется и практически не влияет на свойства трансформаторов.

studfiles.net

Явления, возникающие при намагничивании магнитопроводов трансформаторов

При намагничивании магнитопроводов трансформаторов вследствие насыщения магнитной цепи возникают явления, требующие отдельного изучения. Для этого рассмотрим режим холостого хода трансформатора, когда первичная обмотка подключается на синусоидальное напряжение, а вторичная обмотка разомкнута.

Однофазный трансформатор

При холостом ходе трансформатора для первичного напряжения действительно уравнение

то есть напряжение u расходуется на падение напряжения r × i и уравновешивание электродвижущей силы (э. д. с.)

Если пренебречь незначительным падением напряжения r × i, то

Поэтому, если напряжение синусоидально:

u = Um × sin ωt ,

то поток Ф также должен изменяться по синусоидальному закону:

Ф = Фm × sin (ωt – π/2) .

Пренебрежем сначала также потерями в стали. Тогда потребляемый из сети ток холостого хода i = i0 является чисто реактивным намагничивающим током (i = i0r).

Поток Ф создается током i0r. Так как при наличии насыщения пропорциональность между Ф и i0r нарушается, то при синусоидальном потоке Ф ток i0r уже не будет синусоидальным.

На рисунке 1 в правом квадранте представлена кривая Ф = f(i0r) при наличии насыщения, а в левом квадранте – синусоидальная кривая Ф = f(t), где t – время. В нижнем квадранте этого рисунка изображена кривая i0r = f(t), которую можно получить, как показано на рисунке, если значения Ф по кривой Ф = f(t) для отдельных моментов времени 1, 2, 3 и так далее снести на кривую Ф = f(i0r) и получаемые при этом значения i0r снести вниз и отложить для этих же моментов времени. Отрицательная полуволна кривой i0r = f(t) будет иметь такую же форму, как и положительная. Такая несинусоидальная кривая i0r = f(t) (рисунок 2) содержит все нечетные гармоники (v = 1, 3, 5…), из которых наряду с первой, или основной (v = 1), наиболее сильной будет третья гармоника. Для стали марки 15… и максимальной индукции 1,4 Т третья гармоника составляет около 30%, а пятая – около 15% от основной.

Рисунок 2. Гармоники намагничивающего тока однофазного трансформатора

Кроме реактивной составляющей i0r, ток холостого хода i0 содержит также относительно малую активную составляющую i0a, которая синусоидальна и вызвана магнитными потерями в магнитопроводе (рисунок 2). Полный намагничивающий ток i0 = i0a + i0r имеет несимметричную форму.

Трехфазный трансформатор с соединением Y/Δ

Пусть на холостом ходу к сети с синусоидальным напряжением включена обмотка, соединенная треугольником (рисунок 3, а). При этом каждая фаза этой обмотки будет подключена к синусоидальному напряжению сети. Следовательно, потоки каждой фазы также будут синусоидальными, а намагничивающие токи фаз i0ra, i0rb, i0rc, как и у однофазного трансформатора, будут содержать нечетные высшие гармоники. В каждой фазе высшие гармоники тока будут располагаться относительно основной гармоники тока идентичным образом (рисунок 4).

Рисунок 3. Питание трансформатора с соединением обмоток Y/Δ на холостом ходу: а – со стороны обмотки, соединенной в треугольник; б – со стороны обмотки соединенной в звезду	Рисунок 4. Реактивные составляющие намагничивающего тока и его гармоник в отдельных фазах обмотки трансформатора, соединенной треугольником

Однако, в то время как основные гармоники отдельных фаз будут сдвинуты относительно друг друга на 120°, третьи гармоники будут сдвинуты на 3 × 120° = 360° или 0°, пятые – на 5 × 120° = 600° или 240°, седьмые – на 7 × 120° = 840° или 120°, девятые – на 9 × 120° = 3 × 360° или 0° и так далее.

Таким образом, гармоники, кратные трем (v = 3, 9, 15…), в отдельных фазах обмотки будут совпадать по фазе. По этой причине в линейных токах, которые представляют собой разность токов соответствующих фаз, гармоники кратные трем будут отсутствовать. Поэтому токи этих гармоник будут циркулировать внутри замкнутого треугольника (рисунок 3, а), причем, будучи равными по значению и совпадая по фазе, они образуют общий замкнутый циркуляционный ток.

Если трансформатор с соединением обмоток Y/Δ питать на холостом ходу со стороны обмотки, соединенной в звезду (рисунок 3, б), то гармоники, кратные трем, в фазных токах существовать не могут, поскольку они должны совпадать по фазе и в то же время их сумма должна равняться нулю, так как из нулевой точки выхода тока нет. Однако, как было выяснено выше в связи с рассмотрением процесса намагничивания магнитопровода однофазного трансформатора, при наличии насыщения для получения синусоидально изменяющегося магнитного потока намагничивающий ток должен содержать гармоники, кратные трем. Поскольку в рассматриваемом случае наличие таких гармоник тока невозможно, то поток будет несинусоидальным.

Рисунок 5. Форма кривой потока при синусоидальном намагничивающем токе (а) и векторная диаграмма потоков и токов третьей гармоники (б)

При отсутствии гармоник, кратных трем, ток i0r будет близок к синусоидальному (рисунок 5), так как гармоники v = 5, 7… относительно малы. При такой форме тока i0r кривая потока ФY, создаваемого обмоткой, соединенной в звезду, вследствие насыщения будет иметь уплощенную или затупленную сверху форму (рисунок 5, а). Такая кривая потока наряду с основной гармоникой Ф1Y будет содержать также относительно сильную третью гармонику Ф3Y. Третьи гармоники потока Ф3Y всех трех фаз совпадают по фазе и будут индуктировать во вторичной обмотке, соединенной треугольником, три равные по значению и совпадающие по фазе э. д. с. E3Δ (рисунок 5, б). Складываясь в контуре треугольника, эти э. д. с. создают в этом контуре ток I3Δ, который вследствие преобладания индуктивного сопротивления будет почти чисто индуктивным. Создаваемые этим током потоки Ф3Δ будут почти полностью компенсировать потоки Ф3Y. Поэтому результирующие потоки фаз будут практически синусоидальными. Таким образом, по сравнению с питанием со стороны обмотки, соединенной треугольником, разница заключается практически только в том, что третья и кратные ей гармоники намагничивающего тока возникают на вторичной стороне (рисунок 3, б).

Из изложенного следует, что в случае соединенной одной из обмоток трансформатора в треугольник магнитные потоки, э. д. с. и напряжения фаз остаются синусоидальными. Это обстоятельство составляет существенное преимущество трехфазных трансформаторов, у которых одна из обмоток соединена в треугольник.

Сказанное в равной степени относится как к групповым трехфазным трансформаторам, так и к трехфазным трансформаторам с общим магнитопроводом.

Трехфазный трансформатор с соединением обмоток Y/Y

В трансформаторе с таким соединением обмоток кратные трем гармоники (v = 3, 9, 15…) в намагничивающих токах первичной и вторичной обмоток, как было выяснено выше, существовать не могут. Однако при этом, как также было показано выше, магнитные потоки фаз наряду, с основной гармоникой Ф1 содержат еще и третьи гармоники потока Ф3.

Следовательно, характерной особенностью соединения Y/Y является наличие третьих гармоник потока Ф3, которые во всех трех фазах магнитопровода совпадают по фазе. В результате этого фазные э. д. с. и напряжения несинусоидальны и содержат третьи гармоники э. д. с. E3.

Величина этих гармоник может быть значительной. Так, например, если Ф3 составляет 10% от Ф1, то э. д. с. E3 составляет уже 30% от E1, так как поток Ф3 изменяется с трехкратной частотой. Однако линейные э. д. с. и напряжения синусоидальны, так как в разности э. д. с. двух фаз э. д. с. E3 исчезают.

В трехфазной группе однофазных трансформаторов (рисунок 6, а) и в бронестержневых трансформаторах (рисунок 6, б) потоки Ф3 в каждой фазе замыкаются по замкнутому магнитопроводу, как и поток Ф1. Однако в трехстержневом трансформаторе потоки Ф3 по замкнутому пути в магнитопроводе замыкаться не могут, так как в каждый момент времени они имеют во всех стержнях одинаковое направление (рисунок 6, в). Поэтому потоки Ф3 замыкаются от одного ярма к другому через трансформаторное масло или воздух, а также через крепежные детали и стенки бака трансформатора, что приводит к уменьшению потоков Ф3 по сравнению с этими потоками в трансформаторах других типов. Замыкание потока через крепежные детали и стенки бака трехстержневого трансформатора вызывает потери на вихревые токи.

Рисунок 6. Третьи гармоники потока в трехфазных трансформаторах

Таким образом, в трехфазных трансформаторах с соединением Y/Y возникают неблагоприятные явления: искажения кривых фазных напряжений, а в трехстержневых трансформаторах также добавочные потери от вихревых токов.

Наличие нулевого провода в принципе могло бы улучшить положение, так как при этом образуется замкнутый контур для третьих гармоник тока I3, причем в нулевом проводе возникает ток 3 × I3. Однако если этот контур создается через сопротивление нагрузки или другие сопротивления, то токи I3 и их влияние будут малы.

Ввиду изложенного мощных высоковольтных трансформаторов с соединением по схеме Y/Y, как правило, не строят. Если же в отдельных случаях возникает потребность в таких трансформаторах (например, при необходимости заземления нулевых точек с обеих сторон), то в трансформаторе можно намотать дополнительную, третичную обмотку с соединением в треугольник, сечение которой рассчитано только на токи I3.

Источник: Вольдек А. И., "Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений" – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.

www.electromechanics.ru

Снижение потерь в трансформаторах

      2. Снижение потерь      2.1. Потери в трансформаторах  При работе трансформатора имеют место потери, которые состоят из поiерь холостого хода, возникающих вследствие пере-магничивания акшвной стали сердечника, и нагрузочных потерь1, представляющих собой сумму потерь в меди обмоток и дополнительных потерь в стенках бака и других металлических частях, вызываемых потоком рассеяния.

 Повышение стоимости энергии стимулировало снижение как потерь холостого хода, так и нагрузочных потерь, последних особенно в генераторных и других трансформаторах, имеющих высокий коэффициент нагрузки. За последние 30 лет потери в трансформаторах снижены в среднем на 50%.          2.2. Потери холостого хода  В 50-х годах применявшаяся ранее горячекатаная сталь была заменена холоднокатаной сталью, имеющей ориентированную структуру зерен (доменов). Холоднокатаная сталь имеет высокую магнитную проницаемость и низкие потери при магнитном потоке в продольном направлении, т. е. в направлении проката. В течение последних 30 лет произошло значительное улучшение xapaктеристик и  холоднокатаной стали, которое было cтимулировано ростом капитализированной стоимости потерь.

 При возрастании капитализированной стоимости нагрузочных потерь целесообразно повышать индукцию, чтобы уменьшить число витков обмотки и тем самым нагрузочные потери. Поэтому потребовалось создание стали, способной работать в трансформаторах при относительно высоких значениях индукции при низких удельных потерях.

Снижение потерь холостого хода произошло благодаря трем факторам:

— применению улучшенных марок стали;

— усовершенствованию технологии изготовления магнитной системы и, особенно, раскроя стали;

— усовершенствованию конструкции сердечника, и, прежде всего, стыков листов спит.

 С момента появления на рынке трансформаторной стали с ориентированной структурой зерен ее качество постоянно улучшается и достигло впечатляющих результатов.

Улучшение характеристик стали происходило за счет:

— улучшения ориентации доменов;

— уменьшения толщины листов;

— очищения доменов с помощью обработки лазером поверхности листов.                                                                                                                                                         В настоящее время имеется сталь толщиной 0,27 и 0,23 мм для промышленною применения. Небольшое количество стали толщиной 0,18 и 0,15 мм было изготовлено для опытного применения. Улучшение ориентации и очищение доменов не влияют на технологию изготовления трансформаторов, тогда как уменьшение толщины листов стали приводит к увеличению количества листов магнитопровода и к повышению механической чувствительности материала. Очевидно, что уменьшение потерь в стали связано с увеличением трудоемкости сборки и повышению стоимости материала. Что касается уровня шума, то её уменьшение, вызванное применением улучшенных материалов, незначительно по сравнению с уменьшением потерь. Применение марки Hi-B с толщиной листа 0,27 мм, обработанной лазером, уменьшило потери по некоторым данным на 30%, тогда как результаты измерения уровня шума менялись от уменьшения на ЗдБ до увеличения на 5дБ. Сегодня на рынке имеется сталь с удельными потерями 1,05 Вт/кг при толщине 0,3 мм, 1,00 Вт/кг при толщине 0,27 мм и индукции 1,7 Тл. Около 50% потерь в стали составляют потери на вихревые токи, и 50% — на гистерезис. Поэтому изготовители стали стремятся уменьшить толщину листов. Можно ожидать, что сталь с толщиной 0,15 мм может иметь удельные потери порядка 0,7 Вт/кг при той же индукции. Изготовители стали предлагают широкий выбор стали с различными характеристиками, и изготовитель трансформаторов может выбрать сталь в зависимости от конструкции трансформатора и требуемых его характеристик.

На рис. 4.1 приведены сравнительные характеристики некоторых марок стали.

      2.3. Аморфная сталь Имеется определенное соперничество между двумя путями развития:

 а)Применение обычной углеродистой стали с улучшенной ориентацией и контролируемым размером зерен и с уменьшенной толщиной листов;

 б) Использованием ленты из аморфной стали.

 Применение аморфной стали требует новых идей при проектировании и в технологии, чтобы полностью использовать ее преимущества. Аморфный материал получают методом быстрою охлаждения в форме очень тонкой ленты толщиной не более 0,02—0,03 мм. Несмотря на значительно сниженные потери, непохоже, что аморфная сталь заменит повсеместно обычную углеродистую сталь в трансформаторах. Главными недостатками аморфной стали является низкое значение насыщающей индукции, малое значение коэффициента использования и сравнительно большая магнитострикция. Кроме того хрупкость, необходимость отжига в магнитном поле, механическая чувствительность и высокая стоимость также будут препятствовать ее широкому применению, по крайней мере в шихтованных магнитопроводах. Тем не менее, существует возможность применения аморфной стали и в однофазных распределительных трансформаторах с намотанными магнитопроводами. Это может оказаться целесообразным при больших значениях капитализации потерь.

Успешные работы по склеиванию компаундом нескольких слоев стальной ленты до толщины 0,15 мм могут открыть возможность для использования аморфной стали и в шихтованных магнитоироводах. Поскольку потери в этой стали почти не зависят от направления намагничивания, соединения (стыки) можно выполнять очень простыми без увеличения потерь. По общему мнению, в ближайшем будущем применение аморфной стали будет ограничено распределительными трансформаторами при условии, что ее цена будет ниже 2,5 долларов за кг, а стоимость потерь выше 2,5 тыс. долларов за кВт.

       2.4. Нагрузочные потери В отличие от потерь холостого хода, снижение нагрузочных потерь не сопровождалось существенным улучшением материалов. Нагрузочные потери состоят из основных потерь PR в проводе обмотки, добавочных потерь в проводе из-за вихревых токов и поверхностного эффекта и добавочных потерь в стенках бака и металлических частях конструкции.

     2.4.1. Снижение потерь в проводе

 Главным методом снижения нагрузочных потерь было уменьшение плотности тока в проводе путем увеличения его сечения. Однако это имело два отрицательных следствия. Первое — увеличение пространства, занимаемого обмотками, что увеличивало размеры сердечника, а, следовательно его массу и потери холостого хода. Во-вторых, увеличение сечения провода приводило к увеличению добавочных потерь в проводе, т. е. потерь, вызванных вихревыми токами и поверхностным эффектом. Применение компактного провода, состоящего из большого количества изолированных и транспонированных проводников с общей изоляцией, частично сняло первый недостаток и в большой степени второй. В настоящее время в больших трансформаторах применяется транспонированный провод, в котором число элементарных проводников может достигать 80. Провод может иметь изоляцию с эпоксидной смолой, которая после полимеризации в процессе сушки придает большую жесткость проводу, что повышает прочность обмоток при воздействии токов короткого замыкания.

   2.4.2. Снижение добавочных потерь

 Добавочные потери во внешних по отношению к обмоткам металлических частях вызваны потоком рассеяния, создаваемым обмотками, который зависит от ампер-витков и конфигурации обмоток и не зависит от  плотности тока. По мере снижения потерь в обмотках, в нагрузочных потерях возрастает доля добавочных потерь вне обмоток, особенно в трансформаторах с большим значением сопротивления короткого замыкания. Ранее контроль поля рассеяния осуществлялся прежде всего для того, чтобы избежать недопустимого нагрева в отдельных точках стенок бака и других металлических частях, особенно в трансформаторах большой мощности или имеющих большое значение сопротивления короткого замыкания. Сегодня такой контроль поля рассеяния проводится также для снижения добавочных потерь. Меры для снижения добавочных потерь заключаются в применении проводящих экранов для отклонения магнитного потока от защищаемой поверхности, или электромагнитных шунтов, собирающих и направляющих часть магнитного потока в желаемом направлении. Немагнитные электрически проводящие экраны препятствуют проникновению потока рассеяния в магнитный материал, в котором могут индуцироваться высокие потери. Преимуществом таких экранов является их простота и возможность придания им необходимой формы для защиты поверхностей сложной конфигурации. Их недостаток заключается в том, что в самом экране возникают потери, которые должны быть оценены, а сами экраны должны иметь охлаждение. При этом должен быть контроль отклоненного экраном потока рассеяния, который может индуцировать потери в других деталях, изготовленных из магнитного материала. Электромагнитные шунты направляют поток по путям, где могут быть только небольшие потери, желательно по путям вне стенок бака и других металлических частей. Преимуществом магнитных шунтов, набираемых из электротехнической стали, является лучший контроль потока рассеяния и потерь, создаваемых этим потоком. Недостатком является трудность придания шунтам необходимой формы для защиты деталей сложной конфигурации. Кроме электромагнитных экранов с высокой электрической проводимостью и электромагнитных шунтов иногда практикуют замену отдельных металлических частей конструкции деталями, изготовленными из изоляционных материалов, обладающих высокой механической прочностью. Кроме того, некоторые детали конструкции, расположенные в области сильного поля, например, адаптеры вводов, могут изготавливаться из немагнитных материалов, имеющих значение относительной магнитной проницаемости ð от 1,1 до 1,8 и высокую проводимость порядка 0,8—1,0 Ом • мм2/м. Экранирование может несколько изменить значение сопротивления короткого замыкания (на десятые доли процента). В трехстержневых трансформаторах, не имеющих обмоток, соединенных в треугольник, сопротивление нулевой последовательности в результате экранирования стенок бака может измениться почти вдвое. Опытные данные подтверждают эффективность применения экранов и шунтов для снижения добавочных потерь и температуры местных нагревов металлических частей. По некоторым данным, лучший результат дает экранирование стенок бака электромагнитными шунтами, а металлических частей вблизи отводов больших токов — электромагнитными проводящими экранами. Для защиты ярмовых балок иногда применяются электромагнитные шунты. Такое экранирование может снизить добавочные потери в защищаемых металлических частях более чем на 50%. Однако всякое экранирование должно сопровождаться контролем ноля рассеяния, т.к. при неправильной установке экранов добавочные потери могут не только не уменьшится, но и возрасти. В настоящее время добавочные потери могут составлять от 10 до 40% нагрузочных. Можно полагать, что достигнутое в течение последних десятилетий снижение нагрузочных потерь, как и потерь холостого хода, было в большой степени стимулировано высокой удельной капитализированной стоимостью потерь.

     2.4.3. Расчетное определение потока рассеяния

 В настоящее время применяются сложные расчетные методы для определения магнитного потока рассеяния. Такие расчеты, например, с помощью метода конечных элементов, могут выполняться для двухмерного ноля, а в более сложных случаях — для трехмерного ноля. Основанные на этих методах компьютерные программы позволяют определить наиболее выгодное положение защитных устройств (экранов или шунтов), значение потерь, создаваемых потоком рассеяния и температуру в месте наибольших потерь. На рис. 4.2. приведено распределение потерь в стенке бака, вызванных полем рассеяния в случае отсутствия и наличия защитных элементов. Кривые получены расчетом на компьютере с помощью метода конечных элементов.                                        2.5. Измерение потерь Измерению потерь должно уделяться большое внимание. Точность измерения потерь важна для изготовителя трансформаторов, т. к. позволяет правильно оценить изменения, вносимые материалами и конструкцией. Для потребителя точность измерений важна для правильной оценки полной капитализированной стоимости и сопоставления потерь.

 2.5.1. Измерение потерь холостого хода Потери холостого хода зависят от значения напряжения, его частоты и формы. Потери холостого хода имеют две составляющих — потери на гистерезис и потери, создаваемые вихревыми токами. Потери на гистерезис являются функцией максимального значения индукции и зависят от среднего значения приложенного напряжения. Потери ог вихревых токов являются функцией частоты и поэтому чувствительны к гармоническому составу напряжения.      Более высокое значение коэффициента мощности при измерении потерь холостого хода позволяет получить более высокую точность, чем при измерении нагрузочных потерь.  Однако имеются другие проблемы, которые необходимо учитывать: — Измерительные трансформаторы и ваттметры должны иметь соответствующие частотные характеристики; — Сопротивление источника испытательного напряжения должно быть достаточно мало для всех гармоник, чтобы иметь минимальные искажения формы напряжения, вызываемые несинусоидальным током возбуждения трансформатора; — Формула для приведения измеренных потерь к синусоидальной форме предполагает 50% потерь на гистерезис и 50% потерь на вихревые токи. Это допущение не является достаточно верным для всех современных марок стали; — Температура сердечника влияет на значение потерь холостого хода, вызванных вихревыми токами. Отклонения потерь холостого хода вследствие изменения температуры могут быть значительными. Так, при измерении потерь при 21 °С и при 50°С на трансформаторе 50 MB • А, 110/10,5 кВ было отмечено снижение потерь с ростом температуры. При номинальной индукции 1,77 Тл снижение составило 1,2%, а при индукции 1,6 Тл - 3,3% . Не было отмечено какого-либо заметного изменения потерь холостою хода в течение эксплуатации.  Следует также иметь в виду, что потери холостого хода могут возрасти после импульсных испытаний. Разница может составлять в среднем менее 4%. Причиной этого могут быть пробои изоляции на торцах листов вследствие наличия заусенцев. Известны случаи, когда проконтролированное отсутствие заусенцев позволило избежать увеличения потерь после импульсных испытаний.                                                                                                   2.5.2. Измерение нагрузочных потерь

 При низком значении коэффициента мощности погрешности измерительной схемы, особенно измерительных трансформаторов и ваттметров, приводят к значительной ошибке измеренных потерь. Чем меньше коэффициент мощности, тем больше может быть и ошибка. Если при измерении потерь коэффициент мощности составляет 0,01, ошибка в фазовом угле в одну минуту (290 микрорадиан) вызывает ошибку в измеряемой мощности 2,9%. Точность измерения нагрузочных потерь при коэффициенте мощности не менее 0,01, равная 3 % считается приемлемой. Дальнейшее повышение точности требует очень больших вложений средств. Тем не менее, некоторые фирмы сообщают о точности 1 % при коэффициенте мощности 0,01 и точности 0,5% при измерении потерь холостого хода на трансформаторах мощностью до 300 MB-А.

     3. Капитализация потерь 3.1. Полная стоимость трансформатора и его оптимизация Стоимость трансформатора с учетом стоимости эксплуатации за весь срок службы состоит из следующих составляющих:

— цена трансформатора; — стоимость монтажа на месте эксплуатации; — стоимость профилактических работ и обслуживания; — стоимость потерь.

Снижение цены трансформатора может быть достигнуто уменьшением вложения активных материалов (электротехнической стали и меди). Но при этом возрастут потери. Наоборот, для снижения потерь требуется дополнительное вложение активных материалов, применение более дорогих материалов, например, стали, имеющей сниженные удельные потери. Покупатель трансформатора совместно с изготовителем могут выбрать оптимальный вариант технических и экономических характеристик трансформатора в пределах показателей, регламентируемых стандартами,таких как предельные температуры нагрева и пр. Обычно при сравнении вариантов одного и того же трансформаюра основным показателем являются потери. Хотя коэффициент полезного действия современных трансформаторов превышает 99 процентов, стоимость потерь за весь срок эксплуатации приведенная к моменту установки трансформатора может превысить его цену. Исходя из графика нагрузки трансформатора и стоимости электрической энергии, можно определить годовую стоимость потерь холостого хода и нагрузочных потерь. Стоимость потерь в каждом году всего срока службы трансформатора может быть покрыта годовым доходом, полученным от суммы в банке, положенной под сложный процент при установке трансформатора. Эта сумма, достаточная для оплаты стоимости потерь в каждом году срока службы трансформатора и является капитализированной стоимостью потерь.

Полная капитализированная стоимость — это сумма стоимости установки трансформатора (включая его цену) и капитализированной стоимости потерь. Существует обратная зависимость этих величин. Поэтому существует оптимум полной стоимости при изменении технических и экономических характеристик трансформатора. Возможно выполнить расчеты для каждого года, учитывая изменения различных параметров со временем: стоимости энергии, потерь и размера банковского процента. Трудно предсказать изменения этих параметров за весь 25-летний срок службы. Поэтому принимаются постоянные значения параметров и расчеты сводятся к определению двух составляющих: потерь холостого хода и нагрузочных потерь. Но  это тема другой статьи.

    К списку статей

www.tor-trans.com.ua

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ НА ПОТЕРИ В МАГНИТОПРОВОДЕ ТРАНСФОРМАТОРА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМАХ ШИХТОВКИ МАГНИТОПРОВОДА

Транскрипт

1 УДК ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ НА ПОТЕРИ В МАГНИТОПРОВОДЕ ТРАНСФОРМАТОРА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМАХ ШИХТОВКИ МАГНИТОПРОВОДА К. И. Багаев В статье представлены основные способы производства магнитопроводов трансформаторов. Для двух основных систем проведены исследования влияния магнитной индукции на удельные потери в магнитопроводе. Проведён анализ полученных данных. Ключевые слова: магнитопровод, система шихтовки, потери, трансформатор Распределительные трансформаторы мощностью ква напряжением 6-10 кв наиболее массовая серия производимых и эксплуатируемых трансформаторов в нашей стране и за рубежом. Общее количество распределительных трансформаторов в России составляет более чем 3 млн. шт. с установленной мощностью более 350 млн ква. Ежегодное потребление электроэнергии в России находится на уровне 1 трлн. квт ч, при этом общие потери электроэнергии в распределительных трансформаторах оцениваются в 75 млрд. квт ч. В целом от потерь в магнитопроводах теряется 4 % производимой в стране электроэнергии, причем значительная часть потерь приходится на распределительные трансформаторы. Потери в магнитопроводе распределительного трансформатора можно снизить двумя путями: улучшением качества материала, изменением конструкции. В большинстве современных распределительных трансформаторов магнитопровод выполнен из холоднокатаной анизотропной электротехнической стали. Есть современные разработки с использованием аморфной стали, но изза высокой стоимости её экономическая эффективность не доказана. С конструкцией магнитопровода не всё так просто. По способу соединения стержней с ярмами магнитопроводы подразделяют на стыковые, шихтованные, навитые. В стыковых магнитопроводах стержни и ярма собирают из пластин электротехнической стали, а затем соединяют по плоскости разъема после насадки обмотки на стержень. Данная конструкция не используется из-за того, что в месте стыка возникают большие потери [1]. В шихтованных магнитопроводах пластины стержней и ярм собирают в переплёт шихтуют, благодаря чему они не имеют сплошного стыка в плоскости поперечного сечения, что приводит к существенному уменьшению немагнитных зазоров и тока холостого хода по сравнению со стыковыми магнитопроводами. По форме стыка пластин стержней и ярм шихтованные магнитопроводы выполняются с прямыми, косыми стыками и по схеме STEP-LAP [2]. Схема с прямым стыком имеет зону, в которой направление проката стали и магнитного потока не совпадают. При использовании анизотропной холоднокатаной стали несовпадение направлений прокатки и магнитного потока, как показано на рисунке 1, приведёт к существенному увеличению потерь и тока холостого хода. Рисунок 1 Направление магнитного потока в стыке: а прямой стык; б косой стык Схема с косыми стыками частично решает данную проблему; при косом стыке направление магнитного потока в местах его поворота в большей степени совпадает с направлением проката стали, что позволяет снизить намагничивающую мощность и потери магнитопровода. ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК

2 ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ НА ПОТЕРИ В МАГНИТОПРОВОДЕ ТРАНСФОРМАТОРА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМАХ ШИХТОВКИ МАГНИТОПРОВОДА Система с прямым и косым стыком применяется и в современных трансформаторах, но эти системы постепенно вытесняются более технологичными [4]. Наиболее совершенной из плоских шихтованных магнитопроводов является схема шихтовки «Step-lap», представленная на рисунке 2 [2]. Рисунок 2 Магнитопровод со схемой шихтовки Step-lap Рисунок 3- Схема шихтовки «Step-lap При схеме шихтовки «Step-lap» сборка пакетов осуществляется в пять положений со сдвигом относительно друг друга на 15 мм, как показано на рисунке 3. Сдвиг пакетов от- ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК

3 носительно друг друга позволяет перекрывать косые стыки и минимизировать зону, в которой направление магнитного потока не совпадает с направлением проката стали, и уменьшить влияние воздушных зазоров. В настоящее время большинство трансформаторов от распределительных до мощных выполнены по данной схеме шихтовки. Магнитопроводы, отдельные части которых изготавливают путём навивки из полос электротехнической стали, а затем скрепляют в единую систему, называют навитыми. Навитой магнитопровод, представленный на рисунке 4, обладает низким током холостого хода, который обусловлен только потерями в электротехнической стали, поскольку отсутствуют воздушные зазоры и зоны, в которых направление магнитного потока не совпадает с направлением проката стали. Но поскольку его невозможно разъединить, надевание обмоток невозможно. Приходится наматывать обмотки непосредственно на магнитопровод это не технологично и дорого. Рисунок 4 Навитой магнитопровод Для решения этой проблемы разработан разрезной навитой магнитопровод, приведённый на рисунке 5, у которого ярма с половиной стержня разъединены друг от друга. Это позволяет упростить сборку магнитопровода с обмотками [3]. Разрезной навитой магнитопровод при соединении имеет воздушный промежуток, находящийся в одной плоскости. Это приводит к резкому увеличению потерь, разрезной навитой магнитопровод не находит широкого применения в трансформаторостроении. БАГАЕВ К. И. В недавнее время был разработан навитой магнитопровод типа «Unicore», изображённый на рисунке 6. Рисунок 5 Разрезной навитой магнитопровод Суть технологии в том, что стыковка половин магнитопровода при сборке производится не в одной плоскости, как в разрезной технологии, а по "косой", т. е. стык между левой и правой "половинками" является не прямым, а равномерно распределенным по стержням магнитопровода, набранным из элементов различной длины. Идея сводится к тому, что стыковочный зазор по стержням магнитопровода является распределенным, как показано на рисунке 7. В результате стало возможным получение ряда преимуществ в изготовлении и эксплуатации магитопроводов. Магнитный поток не преодолевает препятствие в виде воздушного зазора, а минует его, используя соседние несущие ленты, которые, в свою очередь, таких препятствий в этом месте не имеют. Такой тип конструкции магнитопровода, где толщина зазора равна толщине ленты, имеет минимальные потери и наилучшие характеристики по прочим физическим, метрологическим показателям [5]. Протекание магнитного потока при различных схемах происходит по-разному. Для шихтованной системы магнитный поток фазы «А» (Ф А ) замыкается через фазу «В». Магнитный поток фазы «В» (Ф В ) замыкается как через фазу «А», так и через фазу «С». Магнитный поток фазы «С» (Ф с ) замыкается через фазу «В». Отсюда следует, что через фазу «В» замыкаются все три магнитных потока, в то время как через фазы «А» и «В» потоки только двух фаз. Эта несимметрия ведёт к увеличению потерь в фазе «В». 6 ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК

4 ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ НА ПОТЕРИ В МАГНИТОПРОВОДЕ ТРАНСФОРМАТОРА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМАХ ШИХТОВКИ МАГНИТОПРОВОДА Рисунок 6 Магнитопровод типа «Unicore» Рисунок 7 Распределение стыкового зазора В навитом магнитопроводе мы видим совсем другую картину. Магнитный поток фазы «А» замыкается через фазы «В» и «С». Магнитный поток фазы В замыкается через фазы «А» и «С». Магнитный поток фазы «С» замыкается через фазу «А» и «В». Через каждый стержень замыкается магнитный поток трёх фаз. Это даёт равномерное распределение плотности магнитного потока. Распре- деление магнитного потока хорошо видно из рисунка 8. В зависимости от магнитной индукции в магнитопроводе потери холостого хода могут резко изменяться. Основная рабочая индукция трансформаторов 1,7 Тл; с данной индукцией работает большинство общепромышленных распределительных трансформаторов. Для энергосберегающих трансформаторов рабочая индукция составляет 1,5 Тл. Данная индукция выбрана из-за того, что эти точки являются критическими для холоднокатаной анизотропной электротехнической стали, после них происходит резкое увеличение удельных потерь в стали. Это всё характерно для шихтованных магнитопроводов. Для навитых магнитопроводов картина не ясна, так как не произведено исследований в данной области. Большинство производителей навитых магнитопроводов используют индукцию, характерную для шихтованных магнитопроводов. Рисунок 8 Протекание магнитного потока: а по шихтованной системе; б по навитой системе ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК

5 БАГАЕВ К. И. Для исследования влияния магнитной индукции на удельные потери в стали магнитопровода были произведены замеры на трансформаторах с системой шихтовки «Step-lap» и «Unicore». Испытания трансформатора проводились с использованием счётчика электрической энергии многофункционального СЭТ-4ТМ. Изменение потребления активной электроэнергии трансформатором фиксировалось при подаче напряжения, начиная с 300 В с шагом 10 В до достижения значения тока 10 А или напряжения 500 В. Схема подключения счётчика к трансформатору показана на рисунке 9. Для расчёта удельных потерь в трансформаторе требуется рассчитать магнитную индукцию в магнитопроводе трансформатора. Индукция рассчитана по формуле:, Рисунок 9 Схема проведения испытаний 160 ква с системой шихтовки «Unicore», трансформатор мощностью 160 ква с системой шихтовки «Step-lap», трансформатор мощностью 250 ква с системой шихтовки «Step-lap». Данные измерений и расчётов для трансформатора мощностью 100 ква с системой шихтовки «Unicore» представлены в таблице 1. Данные измерений и расчётов для трансформатора мощностью 160 ква с системой шихтовки «Unicore» представлены в таблице 2. Данные измерений и расчётов для трансформатора мощностью 160 ква с системой шихтовки «Step-lap» представлены в таблице 3. Данные измерений и расчётов для трансформатора мощностью 250 ква с системой шихтовки «Step-lap» представлены в таблице 4. Для оценки результатов измерений построены графики зависимости удельных потерь от индукции. На графике, представленном на рисунке 10, сравниваются трансформаторы мощностью 160 ква с системой шихтовки «Unicore» и «Step-lap». Третьей кривой графика является изменение удельных потерь по каталогу. На графике хорошо видно, что при индукции ниже 1,7 Тл трансформатор с системой шихтовки «Step-lap» обладает меньшими удельными потерями. При дальнейшем увеличении индукции ситуация меняется: преимущество появляется у системы где В индукция в стержне; U Напряжение; ω количество витков; S площадь сечения магнитопровода. Для расчёта удельных потерь измеренные потери соотносятся к массе магнитопровода [1]. Для исследования были использованы четыре трансформатора: трансформатор мощностью 100 ква с системой шихтовки «Unicore», трансформатор мощностью 8 ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК

6 ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ НА ПОТЕРИ В МАГНИТОПРОВОДЕ ТРАНСФОРМАТОРА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМАХ ШИХТОВКИ МАГНИТОПРОВОДА шихтовки «Unicore». Так при индукции 1,5 Тл удельные потери «Step-lap» ниже «Unicore» около 0,1 Вт/кг, а при индукции 1,7 Тл удельные потери «Unicore» ниже «Step-lap». При массе магнитопровода 400 кг изменение удельных потерь в 0,1 Вт/кг изменит потери на 40 Вт. Таблица 1 Трансформатор мощностью 100 ква «Unicore» 1 Напряжение, В 330,6 340,5 348,1 359,9 367,7 381,8 2 Индукция, Тл 1,39 1,43 1,46 1,51 1,55 1,60 3 Потери ХХ, Вт 145,6 155,0 163,0 175,6 185,3 203,4 4 Удельные потери, Вт/кг 0,92 0,98 1,03 1,11 1,17 1,29 1 Напряжение, В 387,6 401,3 409,6 419,7 431,1 442,6 2 Индукция, Тл 1,63 1,69 1,72 1,76 1,81 1,86 3 Потери ХХ, Вт 212,5 234,6 251,5 276,2 310,4 354,3 4 Удельные потери, Вт/кг 1,35 1,49 1,59 1,75 1,97 2,24 Таблица 2 Трансформатор мощностью 160 ква «Unicore» 1 Напряжение, В 386,2 397,8 406,6 416,5 429,8 435,4 2 Индукция, Тл 1,40 1,44 1,47 1,51 1,56 1,58 3 Потери ХХ, Вт 321,2 344,4 363,6 383,5 419,6 434,5 4 Удельные потери, Вт/кг 0,99 1,06 1,12 1,18 1,29 1,33 1 Напряжение, В 446,6 456,6 465,0 475,9 486,4 497,2 2 Индукция, Тл 1,62 1,66 1,69 1,72 1,76 1,80 3 Потери ХХ, Вт 469,5 506,4 542,3 595,8 657,6 733,8 4 Удельные потери, Вт/кг 1,44 1,55 1,66 1,83 2,02 2,25 Таблица 3 Трансформатор мощностью 160 ква «Step-lap» 1 Напряжение, В 317,7 330,1 336,9 345,6 359,3 368,8 2 Индукция, Тл 1,35 1,40 1,43 1,47 1,52 1,56 3 Потери ХХ, Вт 194,3 213,3 222,0 240,8 270,9 291,8 4 Удельные потери, Вт/кг 0,83 0,91 0,94 1,02 1,15 1,24 1 Напряжение, В 376,5 385,6 400,6 411,0 415,7 425,1 2 Индукция, Тл 1,60 1,64 1,70 1,74 1,76 1,80 3 Потери ХХ, Вт 313,2 340,8 400,2 464,7 494,0 547,3 4 Удельные потери, Вт/кг 1,33 1,45 1,70 1,98 2,10 2,33 Таблица 4 Трансформатор мощностью 250 ква «Step-lap» 1 Напряжение, В 317,7 330,1 336,9 345,6 359,3 368,8 2 Индукция, Тл 1,35 1,40 1,43 1,47 1,52 1,56 3 Потери ХХ, Вт 194,3 213,3 222,0 240,8 270,9 291,8 4 Удельные потери, Вт/кг 0,83 0,91 0,94 1,02 1,15 1,24 1 Напряжение, В 376,5 385,6 400,6 411,0 415,7 425,1 2 Индукция, Тл 1,60 1,64 1,70 1,74 1,76 1,80 3 Потери ХХ, Вт 313,2 340,8 400,2 464,7 494,0 547,3 4 Удельные потери, Вт/кг 1,33 1,45 1,70 1,98 2,10 2,33 ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК

7 БАГАЕВ К. И. Рисунок 10 График зависимости удельных потерь от индукции Рисунок 11 График зависимости удельных потерь от индукции Из обоих графиков мы видим, что отношение удельных потерь к индукции в трансформаторе зависит не от мощности трансформатора, а от схемы шихтовки магнитопровода. График зависимости, предоставленный производителем электротехнической стали, лежит значительно ниже измеренных данных. Это обусловлено тем, что произво- 10 ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК

8 ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ НА ПОТЕРИ В МАГНИТОПРОВОДЕ ТРАНСФОРМАТОРА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМАХ ШИХТОВКИ МАГНИТОПРОВОДА дитель может оценить только потери, которые возникают в самом материале. Потери в магнитопроводе состоят не только из потерь в материале. Также большое влияние оказывают добавочные потери в магнитопроводе. Добавочные потери в шихтованных магнитопроводах состоят из потерь в воздушных промежутках и потерь, возникающих при несовпадении направления воздушного потока с направлением проката электротехнической стали. Анализируя графики потерь при схеме шихтовки «Step-lap» и «Unicore», становится ясно, что в этих магнитопроводах имеют место разные добавочные потери. Для учёта добавочных потерь при шихтовке «Step-lap» существуют руководящие документы. Для учета добавочных потерь при шихтовки «Unicore» нет достоверных теорий. Для разработки данной теории нужно провести большее количество экспериментов, необходимых для оценки потерь холостого хода в трансформаторах с системой шихтовки «Unicore». СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Тихомиров, П. М. Расчёт трансформаторов [Текст]: учеб. пособие для вузов 5-е изд., и доп. / П. М. Тихомиров. М. : Энергоатом-издат, с.: ил. 2. Лизунова, С. Д. Силовые трансформаторы [Текст]: справочная книга / С. Д. Лизунова, А. К. Лоханина. М. : Энергоиздат, с. 3. Дубатов, Б. П. Производство трансформаторов до 630 ква [Текст] / Б. П. Дубатов, С. И. Рабинович. М. : Энергия, с.: ил. 4. Сергеенков, Б. Н. Электрические машины: Трансформаторы [Текст]: учеб. пособие для электромех. спец. вузов / Б. Н. Сергеенков, В. М. Киселёв, Н. А. Акимова; под ред. И. П. Копылова. М. : Высш.шк., с.: ил. 5. Морозов, Ю. В. Новая технология Unicore для изготовления магнитопроводов / Ю. В. Морозов // Компоненты и технологии Багаев К. И., магистрант, Россия, Алтайский край, г. Барнаул, ФГУБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий». ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК

docplayer.ru

Потери мощности и кпд трансформатора

В трансформаторе теряется энергия в обмотках и в магнитопроводе. Потери мощности в обмотках равны

ΔРм = I12r1 + I22r2 = I12rк .

Потери мощности в магнитопроводе составляют

ΔРст = GBmnΔР10(	f	)1,3;
	50

(8,18)

n = 5,69lg	ΔР15	;
	ΔР10

где G— масса магнитопровода, кг; Вm — амплитуда магнитной индукции, Тл; ΔР10 — удельные потери в стали, Вт/кг, при Вm = 1 Тл и f = 50 Гц; ΔР15 — удельные потери в стали, Вт/кг, при Вm = 1,5 Тл и f = 50 Гц; f — частота тока в обмотках, Гц.

Потери в обмотках зависят от нагрузки, потери в магнитопроводе практически не зависят от нагрузки. Коэффициент полезного действия трансформатора равен

η =	P2	=	P2	.
	P1		P2 + ΔРм + ΔРст

где   Р2 — мощность,   отдаваемая   трансформатором;   P1 - потребляемая мощность.

Выразив активную мощность, отдаваемую  трансформатором, через полную мощность Р2 = S2cos φ2, получим

η =	S2 cos φ2	.
	S2 cos φ2 + I12rк + ΔРст

Рис. 8.23. Зависимость КПД трансформатора от коэффи­циента загрузки

Выразив S2 и I2 через коэффициент загрузки трансформатора β, имеем М2 = βI2ном , что соответствует S2 ≈ βSном , и так как U2≈ U2ном, получим

η =	βS2ном cos φ2	.
	βSном cos φ2 + ΔPкβ2 + ΔPст

(4.65a)

где ΔPк = ΔPном = I21номrк — потери мощности в обмотках при номинальной нагрузке; ΔPст — потери мощности в магнитопроводе при номинальном напряжении.

На рис. 8.23 изображены графики зависимости КПД от коэффициента загрузки трансформатора при различных значе­ниях cos φ2.

Трансформаторы большой мощности при номинальной нагрузке и cos φ2 = 1 обладают высоким КПД, доходящим до 0,98 — 0,99. Трансформаторы малой мощности имеют КПД примерно 0,82 — 0,9.

Конструктивное исполнение трансформаторов

Трансформаторы малой мощности до 50 — 1000 Вт применяются в радиоприемниках, телевизорах, магнитофонах, осциллографах, многих измерительных устройствах, системах регулирования и т. п. Они бывают однообмоточные, двухобмоточные и многообмоточные. На рис. 8.24 изображен трансформатор малой мощности.

Рис. 8.24. Однофазный трансформатор малой мощности:

1 — магнитопровод;  2 — каркас;  3 — первичная обмотка;  4 — изоляционная прокладка между первичной и вторичной обмотками;  5 — вторичная обмотка

Магнитопровод трансформатора может иметь Ш или П-образную форму (рис. 8.25, а, б).

Площадь сечения окна магнитопровода всегда имеет прямоугольную форму с соотношением сторон б/а = 1,5 ÷ 2,5 (см. рис. 8.24). При такой форме магнитопровод имеет наименьшую массу и, следовательно, меньше потери энергии в нем по сравнению с квадратной формой окна. Обмотка выполняется из медного провода круглого или прямоугольного сечения, чаще всего с эмалевой изоляцией. В отдельных случаях применяются и другие изоляционные материалы. Обмотка укладывается плотными рядами на заранее изготовленный каркас (рис. 8.25, в) из электрокартона, текстолита или пластмассы. Между отдельными обмотками прокладывается слой изоляции из бумаги, лакоткани или другого изоляционного материала. После изготовления обмоток производится сборка трансформатора. Если магнитопровод имеет П-образную форму (рис. 8.25, б), то часть пластины К вставляется в обмотку поочередно то сверху, то снизу, а в возникшие промежутки между ними сверху и снизу вставляются части пластины М. При такой сборке последующий слой перекрывает место стыка предыдущего слоя. Сборка магнитопровода трансформатора, имеющего Ш-образную форму магнитопровода (рис. 8.25, а), производится в том же порядке. Естественно, что в этом случае пластина К вставляется в обмотку своей средней частью.

Трансформатор с Ш-образным магнитопроводом называют бро­невым, поскольку его обмотки с двух сторон охвачены магнитопроводом. Сборка магнитопровода внахлестку — последующий слой перекрывает стыки (воздушные промежутки) предыдущего слоя — существенно уменьшает эквивалентный воздушный зазор магнитопровода, что приводит к значительному снижению тока холостого хода трансформатора.  Кроме  того,  такая  сборка   значительно повышает механическую прочность трансформатора и удобство крепления его магнитопровода.

Рис.   8 25.   Формы   магнитопроводов  трансформаторов   малой   мощности (а, б, г) и каркас катушки трансформатора (в)

Для придания магнитопроводу необходимой механической прочности и устранения «гудения» после сборки пластины магнитопровода стягиваются с помощью поперечных пластин и болтов.

Уменьшение эквивалентного воздушного зазора можно объяснить тем, что магнитный поток обходит воздушный промежуток стыка через рядом расположенные пластины, не имеющие в этом месте стыка (рис. 8.26). В последнее время стали широко применяться магнитопроводы из склеенных пластин, состоящие из двух половин (рис. 8.25, г). Поверхности соприкосновения каждой половины для уменьшения зазора шлифуются. Такие две части вставляются в обмотки и крепятся. Для уменьшения потоков рассеяния, а следовательно, индуктивных сопротивлений обмоток на каждом каркасе в случае П-образной формы (рис. 8.25, б, г) укладывается по половине витков первичной и вторичной обмоток. После сборки половины обмоток соединяются последовательно согласно. В трансформаторах с Ш-образной формой магнитопровода все обмотки находятся на одном каркасе. Трансформатор малой мощности имеет естественное воздушное охлаждение.

Для проведения всякого рода исследований иногда требуются трансформаторы малой мощности с отличными от стандартных на­пряжениями первичной и вторичной обмоток. В этом случае можно рассчитать и изготовить трансформатор своими силами. В качестве магнитопровода можно использовать магнитопровод старых не годных к употреблению трансформаторов.

Инженерам-машиностроителям едва ли придется обслуживать установки с трансформаторами средней и большой мощности. Поэтому здесь будет рассмотрено конструктивное исполнение трансформаторов средней (20 - 500 кВ•А) и большой (до 500000 - 1000000 кВ•А) мощности в самом общем виде.

Рис. 8.26. Расположение линий магнитного потока в месте стыка пластин магнитопровода

Рис. 8.27. К пояснению зависимости длины витка обмотки трансформатора от формы площади сечения стержня магнитопровода при одном и том же значении площади.

Окружность а' соответствует прямоугольной форме сечения а; окружность б' соответствует квадратной форме сечения б; окружность в' соответствует крестообразной форме сечения в, окружность г' соответствует ступенчатой форме сечения г

Рис. 8.28. Пластины магнитопровода трехфазного трансформатора

Рассмотрим конструктивное исполнение трехфазных трансформаторов. Форма магнитопроводов всех трансформаторов одинаковая — трехстержневая (см. рис. 8.17, д). Магнитопровод имеет три стержня, на которых располагаются первичные и вторичные обмотки трех фаз и два ярмаД, Е, объединяющие стержни в единый магнитопровод. Площадь   сечения   стержней   определяется   из   уравнения    U ≈ E = 4,44fwBmSст. Форма площади сечения, как вытекает из этой формулы, казалось бы, не оказывает никакого влияния на конструкцию и параметры трансформатора. Однако форма сечения существенно влияет на затраты меди для обмоток, массу, стоимость и параметры трансформатора. Сечения проводов обмоток трансформаторов средней и большой мощности исчисляются десятками и сотнями квадратных миллиметров: это шины квадратной или прямоугольной формы. На­мотать такой провод на сердечник с прямоугольной формой сечения, так чтобы он прилегал к сторонам сердечника, невозможно. При изги­бе провода под прямым углом произошла бы недопустимая дефор­мация провода, да и намотать обмотку значительно проще на шаблон с круглым сердечником, чем с прямоугольным. По этим причинам ка­тушки трансформаторов средней и большой мощности всегда круглые. Это определяет и форму сечения стержней трансформатора. Проще и дешевле изготовить магнитопровод с прямоугольной или квадрат­ной формой площади сечения (рис. 8.27, а, б). Однако при этом, как это видно из рис. 8.27, длина витка и, следовательно, затраты обмоточного материала будут гораздо больше, чем при крестовидной (рис. 8.27, в) и тем более при ступенчатой (рис. 8.27, г) форме площади сечения. Кро­ме того, между обмоткой и стержнем будут большие пустоты, в ре­зультате чего возникнут значительные потоки рассеивания и обмотки будут иметь недопустимо большие индуктивные сопротивления.

Рис. 8.29. Силовой трехфазный трансформатор ТМ-320/10: 1 — магнитопровод,  2 — обмотка высшего напряжения;  3 — обмотка низшего напряжения;  4 — стальной бак; заполненный трансформаторным маслом,  5 — проходные   изоляторы   для   вывода   концов   обмотки   высшего   напряжения;

6 — проходные изоляторы для вывода концов обмотки низшего напряжения;  7 — переключатель для изменения коэффициента трансформации;  8 — охлаждающие трубы;  9 — расширительный бачок;  10 — измеритель масла;  11 — заливочное отверстие с пробкой

Все это привело к тому, что по экономическим и техническим соображениям трансформаторы средней мощности выполняются с крестовидной, а большой мощности — со ступенчатой формой площади сечения стержней. Ярма имеют прямоугольную форму площади сечения. Магнитопровод собирается из отдельных тонких листов (0,35 — 0,5 мм) электротехнической стали внахлестку по тем же причинам, что и в трансформаторах малой мощности. Каждый слой магнитопровода состоит из отдельных листов (рис. 8.28), при сборке отдельные части последующего слоя располагаются так, что они перекрывают стыки листов предыдущего слоя. Магнитопровод с обмотками располагается в стальном баке, наполненном трансформаторным маслом. Трансформаторное масло выполняет роль охлаждающей среды и изолятора как между витками, так и между обмоткой и магнитопроводом.

Рис. 8.30. К пояснению изменения коэффициента трансформации трехфазного трансформатора

На рис. 8.29 изображен трансформатор мощностью 320 кВ • А. Бак трансформатора герметически закрыт, а изменение объема масла, вызванное колебаниями температуры, компенсируется маслорасширительным бачком 9. В магнитопроводе и обмотках трансформаторов образуются значительные потери энергии, нагревающие трансформатор. И если поверхность бака недостаточная, трансформатор будет перегреваться. Поэтому бак трансформаторов снабжается радиаторами в виде труб 8,существенно увеличивающими поверхность охлаждения. В трансформаторах большой мощности и этого недостаточно. Действительно, допустим, мощность трансформатора 270000 кВ • А и КПД 98%, следовательно, потери мощности в нем составляют 5400 кВт. Такие трансформаторы охлаждаются с помощью водяных маслоохладителей, через которые пропускается горячее масло трансформатора. Выводы концов обмоток трансформатора осуществляются с помощью проходных фарфоровых изоляторов 5, 6(рис. 8.29).

В условиях эксплуатации иногда значение напряжения первичной обмотки оказывается ниже нормального и тогда напряжение на вторичной (напряжение приемников) будет ниже номинального. Это существенно ухудшает их работу. Для поддержания вторичного напряжения в пределах номинального трансформаторы снабжаются устройством для изменения коэффициента трансформации. Обмотка высшего напряжения каждой фазы имеет три вывода (рис. 8.30), которые подключены к переключателю 7 (рис. 8.29). Переключатель может замыкать концы Х1, Y1, Z1, или Х2, Y2, Z2, или Х3, Y3, Z3. В результате будет изменяться коэффициент трансформации и, следовательно, напряжение на вторичной обмотке при неизменном первичном. Следует заметить, что трансформаторы содержат большое количество трансформаторного масла (до нескольких десятков тонн) и представляют большую пожарную опасность. Для ограничения последствий возникшего пожара под трансформатором всегда есть бетонная маслосборная яма, накрытая сеткой, на которую насыпан гравий. В случае утечки и возгорания масла оно через гравий стекает в маслосборную яму, а пламя изза сетки и гравия в яму не проникает. Возникший пожар быстро ликвидируется.

studfiles.net

Трансформаторы - Стр 2

22. Как определяется напряжение короткого замыкания трансформатора?

Напряжение, которое надо приложить к одной из обмоток (при другой короткозамкнутой), чтобы в обмотках установились номинальные токи I1 и I2, называют напряжением короткого замыкания и обозначают UK. Напряжение короткого замыкания обычно выражают в процентах от первичного напряжения U1:

Величиной uK  оценивают потоки рассеяния, а также их влияние на работу трансформатора.

23. Почему КПД определяется расчётным путём, а не по отношению измеренных P1 и Р2?

Высокое значение КПД трансформаторов не позволяют определять его с достаточной степенью точности путем непосредственного измерения мощностей Р1 и Р2, поэтому его вычисляют косвенным методом по значению потерь мощности.

24. Какие потери называют постоянными и почему?

В процессе трансформирования электрической энергии часть энергии теряется в трансформаторе на покрытие потерь. Потери в трансформаторе разделяются на электрические и магнитные.

Магнитные потери от гистерезиса прямо пропорциональны частоте перемагничивания магнитопровода, т. е. частоте переменного тока (РГ = f), а магнитные потери от вихревых токов пропорциональны квадрату этой частоты (PВТ ≡ f2). Суммарные магнитные потери принято считать пропорциональными частоте тока степени 1,3, т. е. РМ = f1,3. Величина магнитных потерь зависит также и от магнитной индукции в стержнях и ярмах магнитопровода (Рм ≡ В2) При неизменном первичном напряжении (U1 = const) магнитные потери постоянны, т.е. не зависят от нагрузки трансформатора.

25. Какие потери называют переменными и почему?

Электрические потери называют переменными, так как их величина зависит от нагрузки трансформатора .

При проектировании трансформатора величину электрических потерь определяют по формуле, а для изготовленного трансформатора эти потери определяют опытным путем, измерив мощность к.з. при номинальных токах в обмоткахРк.ном-

Pэ=β2Pk.ном

где Р — коэффициент нагрузки 

26. Какие факторы влияют на магнитный поток в сердечнике?

В существующем трансформаторе на магнитный поток в сердечнике влияют частота и напряжение.

27. Почему трансформатор не может работать в цепях постоянного тока?

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если первичную обмотку трансформатора подключить к источнику постоянного тока, то в его магнитопроводе образуется магнитный поток, постоянный во времени по величине и направлению. Поэтому в первичной и вторичной обмотках в установившемся режиме не индуцируются ЭДС, а, следовательно, не передаётся электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Такой режим опасен для трансформатора, так как из-за отсутствия ЭДС E1 в первичной обмотке ток I1 = U1 / R1 весьма большой.

28. Что такое коэффициент трансформации?

Разделив амплитуду напряжения на вторичной об­мотке U2 на амплитуду напряжения, действующего на первичной обмотке U1 получим величину, которая ха­рактеризует степень преобразования величины напря­жения и называется коэффициентом транс­формации:

n = U2 : U1

Так как магнитный поток является общим для обоих обмоток, то отношение напряжения на вторич­ной обмотке к напряжению на первичной обмотке можно заменить отношением чисел витков этих об­моток:

n = U2 : U1 = W2 : W1

Если n> 1, то трансформатор повышающий, если n< 1, то — понижающий.

29. При какой нагрузке изменение вторичного тока не влияет на напряжение на вторичной обмотке?

Для ответа обратимся к графику внешней характеристики. U2=f (I2). Из характеристики видно, что при емкостной нагрузке вторичное напряжение увеличивается, при активной нагрузке уменьшается. Значит, что при активно-емкостной нагрузке можно найти такое соотношение Rн и Хсн при котором можно получить постоянство вторичного напряжения при росте I2.

30. Специальные трансформаторы

Автотрансформатор – это многообмоточный трансформатор, у которого две обмотки соединены электрически. В энергосистемах получили распространение трехобмоточные автотрансформаторы, трехфазные и группы из однофазных автотрансформаторов. Их применение экономически оправдано вместо обычных трансформаторов для соединения эффективно заземленных сетей с напряжением 110 кВ и выше при коэффициентах трансформации не более 3-4. Обмотки трехфазных автотрансформаторов или групп из трех однофазных автотрансформаторов соединяют в звезду с заземленной нейтралью.

Существуют разные по мощности и конструкции виды сварочных трансформаторов; они предназначены для питания электрической дуги при ручной или машинной сварке, резке или наплавке металлов однофазным переменным током промышленной частоты 50 Гц.

Сварочный трансформатор преобразует электрическую энергию напряжением 220 или 380 В в электрическую энергию напряжением холостого хода 60 В, необходимую для дуговой сварки металла.

Измери́тельный трансформа́тор — электрический трансформатор, предназначенный для измерения и контроля, например, в системах релейной защиты сетей,напряжения,токаилифазыэлектрического сигнала, обычнопеременного токапромышленной частоты (50 или 60Гц) в контролируемой цепи.

Применяется в тех случаях, когда непосредственное подключение измерительного прибора неудобно или невозможно, например, при измерении очень больших токов или напряжений. Также применяется для обеспечения гальванической изоляции первичной цепи от измерительной или контролирующей цепи.

studfiles.net

---

• 
  Проходные трансформаторы тока
• 
  Класс точности для коммерческого учета трансформаторов тока
• 
  Регулируемый трансформатор
• 
  Группы соединений обмоток трехфазных трансформаторов
• 
  Инструкция по эксплуатации трансформаторов силовых
• 
  Маслоуказатель трансформатора
• 
  Габариты трансформаторов
• 
  Трансформатор тока высоковольтный
• 
  Трансформаторы тока проходные
• 
  Трансформатор ном 10
• 
  Трансформатор регулируемый