Электрические параметры трансформаторов

3.3. Защита трансформаторов  от внешних воздействий 

  При решении вопросов, относящихся к  конструкции, необходимо учитывать  внешние воздействия, в условиях которых должен работать трансформатор, и требования к его надежности. Для защиты трансформаторов от механических и других воздействий внешней среды служит наружная изоляция. В зависимости от способа защиты трансформаторы классифицируют на /8/:

• герметизированные;
• капсулированные;
• открытые.

  Герметизированная конструкция обеспечивает наилучшую влагозащиту и долговечность изоляции. В герметизированных трансформаторах катушку и магнитопровод заключают в механический кожух и заливают компаундом. Выводы проводят через металлостеклянные и металлокерамические спаи в виде глазков, впаянных в металлическую обойму. Металлокерамические спаи дешевле, технологичнее и надежнее металлостеклянных, обладают высокой механической и термической прочностью.

  Капсулированные трансформаторы используют для уменьшения массы и габаритов. Капсулирование производят, заливая трансформатор в разъемной форме или обволакивая его тонким слоем термореактивного компаунда методом напыления или закрывая в пластмассовую коробку.

  Все трансформаторы подвергают пропитке битумным или водоэмульсионным лаками с целью  заполнить все поры, вытеснить из катушек воздух и тем самым повысить влагостойкость, а также теплопроводность катушек. Пропиточные материалы должны обладать электрической и механической прочностью, иметь малую вязкость и хорошую адгезию к обмоточным проводам и материалам, используемым в качестве изоляции, и не являться растворителями для них.

  В открытых трансформаторах, работающих в комнатных условиях, ограничиваются только пропиткой.

  При разработке высоковольтных трансформаторов  напряжение на витке вторичной обмотки может быть больше пробивного напряжения изоляции используемого обмоточного провода. В тех случаях, когда нет возможности использовать провод с более электрически прочной изоляцией, для устранения пробоя необходима межвитковая изоляция.

  В трансформаторах, содержащих многовитковые обмотки с относительно высоким рабочим напряжением для предотвращения западания витков верхних слоев в нижние, что приводит к уменьшению пробивного напряжения обмотки, между слоями прокладывают межслоевую изоляцию /9/. Межслоевая изоляция необходима и в том случае, когда напряжение между начальным витком одного слоя обмотки и конечным витком другого слоя обмотки больше напряжения изоляции используемого обмоточного провода и нет возможности взять провод с более электрически прочной изоляцией. Межслоевую изоляцию прокладывают при намотке либо через каждый слой, либо через несколько слоев.

  Кроме того, обмотки должны быть тщательно  изолированы друг от друга. Поэтому  между первичной и вторичной  обмотками прокладывается слой межобмоточной изоляции (электрокартон, лакоткань и т.д.). Межобмоточная изоляция выполняется также, как и межслоевая, но укладывается обычно в несколько слоев, число которых зависит от испытательного напряжения между обмотками.

  К материалам, используемым в качестве межвитковой, межслоевой и межобмоточной изоляции, предъявляются следующие требования /8/:

• электрическая и механическая прочность;
• пластичность;
• малая толщина;
• хорошая впитывающая способность по отношению к пропитывающему материалу;
• высокое сопротивление изоляции.

  В соответствии с ГОСТ 8865-70 электроизоляционные  материалы для трансформаторов  по нагревостойкости подразделяются на семь классов, обозначаемых латинскими буквами:

  Y - до 90  C (363 К) - волокнистые материалы из целлюлозы, хлопка и натурального шелка, не пропитанные специальными электроизоляционными веществами;

  А - до 105  C (378 К) - те же материалы, пропитанные специальными электроизоляционными веществами;

  Е - до 120  C (393 К) - синтетические материалы, пленки, волокна;

  В - до 130  C (403 К) - материалы на основе слюды, асбеста, стекловолокна с органическими связующими и пропитывающими составами;

  F - до 155  C (428 К) - те же материалы с синтетическими связующими и пропитывающими составами;

  Н - до 180  C (453 К) - те же материалы с кремнийорганическими связующими и пропитывающими составами;

  С - свыше 180  C (453 К) - слюда, керамические материалы, фарфор, стекло, кварц, применяемые без связующих составов или с неорганическими и элементоорганическими составами. 

4. Принцип работы  трансформатора 

  Функционирование  трансформатора основано на связи цепей  через магнитный поток. Схема  трансформатора приведена на рис. 5 приложения. Обмотка, принимающая энергию  от источника е1, называется первичной. Эта обмотка связывается общим  магнитным потоком Ф с одной или несколькими обмотками, которые отдают энергию нагрузке и называются вторичными. R - сопротивление нагрузки /8/.

  

  Рис.5. Схема функционирования. 

  Подводимое  от генератора переменное напряжение создает переменный ток i1 в первичной  обмотке. Первичный ток i1 создает в магнитопроводе переменный магнитный поток, изменяющийся по величине и направлению в соответствии с изменением первичного тока. Магнитный поток пронизывает одновременно витки первичной и вторичной обмоток. В результате чего, как в первичной, так и во вторичной обмотках индуктируются электродвижущие силы (эдс) е1, е2. В первичной обмотке эдс е1 направлена противофазно напряжению источника энергии, а под действием эдс, индуктированной во вторичной обмотке, в цепи потребителя образуется вторичный ток i2. Следовательно, электрическая энергия передается от первичной обмотки во вторичную, несмотря на то, что обе обмотки изолированы, то есть энергия передается электромагнитным путем. 
 
 
 

5. Потери в трансформаторах 

  Потери  энергии в трансформаторе подразделяются на потери в магнитопроводе (потери в стали, магнитные потери) и потери в обмотках (потери в меди, электрические потери) /6/.

  Потери  в магнитопроводе складываются из потерь на вихревые токи, возникающие в  толще материала сердечника, потерь на магнитное сопротивление, потерь на гистерезис при циклическом перемагничивании стали, потерь на магнитный скин-эффект, потерь на магнитострикцию и потерь на магнитное поле рассеяния.

  Потери  на вихревые токи возрастают пропорционально  массе магнитопровода, квадрату частоты сети и толщине пластины (ленты) и уменьшаются с увеличением удельного электрического сопротивления материала магнитопровода. Для уменьшения потерь магнитопроводы выполняют наборными из тонких пластин или лент с электроизоляционным покрытием, а также прессованными из порошкообразных ферромагнитных материалов. Чем меньше толщина пластин (лент), тем меньше потери на вихревые токи.

  Магнитопроводы  трансформатора обладают определенным магнитным сопротивлением, поэтому  при переменном магнитном потоке возникают потери. Магнитное сопротивление растет с увеличением частоты сети и массы магнитопровода. Потери на магнитное сопротивление тем меньше, чем выше качество материала магнитопровода.

  Все магнитные материалы делятся  на магнитомягкие и магнитожесткие. Магнитомягкие материалы имеют узкую петлю гистерезиса, магнитожесткие - широкую, то есть гистерезис зависит от свойств материала. Потери на гистерезис тем меньше, чем выше магнитные свойства материала магнитопровода.

  При действии переменного магнитного поля в материале сердечника наблюдается магнитный скин-эффект, который приводит к потерям из-за уменьшения эффективной магнитной проницаемости и существенно зависит от частоты. Чем меньше частота, при которой работает трансформатор, тем меньше магнитный скин-эффект.

  Магнитострикция - это изменение геометрических размеров магнитопровода в магнитном поле. Потери на магнитострикцию можно  уменьшить выбором соответствующего материала магнитопровода.

  Магнитный поток должен замыкаться внутри магнитопровода, не рассеиваясь в окружающее пространство, которое представляет большое магнитное сопротивление. Однако в реальных трансформаторах не весь магнитный поток, возбуждаемый первичной обмоткой, пронизывает витки вторичной обмотки, что приводит к потерям и уменьшению выходного напряжения.

  Потери  энергии в магнитопроводе приводят к увеличению тока, протекающего по первичной обмотке, на значение, необходимое  для компенсации потерь.

  Магнитопроводы  для трансформаторов согласования и импульсных

должны  изготавливаться из материалов с высокой магнитной проницаемостью, а для питания - с высокой индукцией насыщения.

  При протекании токов по обмоткам трансформаторов  наблюдаются также потери в обмотках. Они складываются из потерь на омические  сопротивления обмоток и потерь на электрический скин-эффект.

  Потери  в магнитопроводе и обмотках в  трансформаторах приводят к выделению  больших мощностей, которые вызывают перегрев и обуславливают нестабильность параметров, надежность и срок службы трансформатора.

  Таким образом, помимо основного полезного эффекта в трансформаторе имеет место ряд дополнительных, паразитных эффектов и процессов, которые существенно сказываются на характеристиках трансформатора. 

6. Режимы работы  трансформатора 

  Трансформатор может работать в трех режимах: режиме холостого хода, под нагрузкой и режиме короткого замыкания /6/. 

6.1. Режим холостого  хода. 

  Это такой режим, при котором вторичная  обмотка отключена от нагрузки. Если первичную обмотку соединить  с источником переменного напряжения U1, то по этой обмотке будет проходить переменный ток I0, называемый током холостого хода. Этот ток создает основной магнитный поток Ф0, который, замыкаясь по магнитопроводу, пронизывает одновременно первичную и вторичную обмотки и индуктирует в них эдс (рис. 6, приложение) /6/.

  Если  пренебречь потерями энергии в первичной  обмотке и в магнитопроводе, а  также считать, что весь магнитный  поток замыкается только по магнитопроводу, то эдс Е1, индуктированная потоком  Ф0 в первичной обмотке, будет  противоположна по знаку приложенному к первичной обмотке напряжению U1.

  

  Рис.6. Режим холостого хода. 

  Однако  на практике нельзя пренебрегать магнитными потерями. В реальном трансформаторе ток холостого хода, кроме намагничивающей  составляющей, создающей в сердечнике магнитный поток Ф0, содержит также активную составляющую этого тока, обусловленную потерями энергии в сердечнике. При прохождении тока по первичной обмотке создается не только основной магнитный поток Ф0, замыкающийся по магнитопроводу, но и магнитный поток рассеяния Фр1, замыкающийся в основном по воздуху.

  Итак, в режиме холостого хода трансформатора полезная мощность, отдаваемая им, равна  нулю, поэтому потребляемая из сети активная мощность в основном обусловлена  наличием магнитных потерь. 

6.2. Режим работы под  нагрузкой 

  Если  к первичной обмотке трансформатора подвести напряжение U1, а вторичную  обмотку соединить с нагрузкой, то в первичной и вторичной  обмотках потекут токи I1 и I2, а в  магнитопроводе - магнитные потоки Ф1 и Ф2. Так как причиной появления  потока Ф2 является ток I2, то потоки Ф1 и Ф2 направлены встречно (рис. 7, приложение). При увеличении тока нагрузки I2 поток Ф2 увеличивается, а суммарный магнитный поток в магнитопроводе Ф1-Ф2 уменьшается. Вследствие этого индуктированные суммарным магнитным потоком эдс Е1 и Е2 уменьшаются. Уменьшение Е1 вызывает увеличение тока первичной обмотки I1 и потока Ф1, а также суммарного потока Ф1-Ф2. Аналогично уменьшение Е2 уменьшает величину тока I2 и потока Ф2 и поэтому приводит также к увеличению суммарного потока.

  Таким образом, уменьшение суммарного магнитного потока, вызванное увеличением тока I2 на первом этапе, взаимно компенсируются увеличением суммарного магнитного потока из-за уменьшения Е1 и Е2 на втором этапе, в результате чего суммарный поток остается практически неизменным при увеличении нагрузки /6/.

  Совершенно  очевидно, что и при постепенном  уменьшении тока до нуля суммарный  поток остается неизменным.

  Отсюда  следует, что суммарный магнитный  поток в магнитопроводе трансформатора является постоянным по величине и  равен потоку при холостом ходе трансформатора.