Скин-эффект
поверхностный эффект, затухание электромагнитных волн по мере их проникновения в глубь проводящей среды, в результате которого, например, переменный ток по сечению проводника или переменный магнитный поток по сечению магнитопровода распределяются не равномерно, а преимущественно в поверхностном слое. С.-э. обусловлен тем, что при распространении электромагнитной волны в проводящей среде возникают вихревые токи, в результате чего часть электромагнитной энергии преобразуется в теплоту. Это и приводит к уменьшению напряжённостей электрического и магнитного полей и плотности тока, т. е. к затуханию волны. Чем выше частота электромагнитного поля и больше магнитная проницаемость проводника, тем сильнее (в соответствии с уравнениями Максвелла) вихревое электрическое поле, создаваемое переменным магнитным полем, а чем больше проводимость проводника, тем больше плотность тока и рассеиваемая в единице объёма мощность (в соответствии с законами Ома и Джоуля — Ленца). Т. о., чем больше , и , тем сильнее затухание, т. е. резче проявляется Скин-эффект.
К чему приводит это явление?
На рисунке показана эффективность использования площади сечения цилиндрического проводника. Здесь X0 и есть глубина проникновения ЭМ поля. В результате при прохождении постоянного тока работает все сечение проводника, а при прохождении по нему переменного тока только внешняя область (трубка). С ростом частоты X0 уменьшается. Уменьшается и площадь проводника, по которой течет ток.
В этом случае рабочая площадь определяется как:
S=SD-Sd=(Пи) (D2-d2)/4
Ниже Вы видите график зависимости X0 от частоты f.
В ряде случаев при ограниченных возможностях охлаждения важно знать, как изменится режим холостого хода при изменении первичного напряжения. Поэтому выявляют зависимости
P1x=f(U1x) и I1x=f(U1x)- характеристики холостого хода.
Обычно допустимым считается повышение U1x=1.2 U1nom.
Режим короткого замыкания.
Различают режим КЗ при эксплуатации и при опыте короткого замыкания определениях характеристик. При эксплуатации это опасный режим вследствие перегрева трансформатора и возможного его разрушения.
Опыт КЗ -это заводское испытание трансформатора при КЗ вторичной катушки и номинальном токе I1кз=I1 nom (U2=0). ЭДС Е2кз, индуцируемая на вторичной обмотке, равна сумме напряжений на активном сопротивлении вторичной обмотки и индуцированного сопротивления рассеяния вторичной обмотки:
В то время как в рабочем режиме
Напряжение первичной обмотки в опыте КЗ U1кз=(0.05-0.1) U1nom.
Поэтому ЭДС Е2кз=(0.02 -0.05)Е2раб. Пропорционально уменьшению ЭДС уменьшается и магнитный поток Ф в магнитопроводе и мощность потерь, пропорциональная Ф2. Следовательно, мощность потерь трансформатора близка к мощности потерь на сопротивлениях первичной и вторичной обмоток.
Р1кз=Rb1 I21кз+Rb2 I2 2кз.≈Rкз I2 1кз. (Rk3=Rb1+Rb2)
По мощности потерь в трансформаторе определяется активное сопротивление короткого замыкания трансформатора Rкз=Р1кз/I21кз.
Внешние характеристики трансформатора.
Процентное изменение напряжения трансформатора:
Δ
JX2
Внешняя характеристика трансформатора - зависимость вторичного напряжения от тока нагрузки.
Коэффициент загрузки трансформатора
К3=I2/I2 nom при I1=I1 nom.
Мощность потерь трансформатора.
Энергетическая диаграмма.
Р1-мощность первичной обмотки,
Рпр 1-мощность потерь на нагрев первичной обмотки,
Рс- мощность потерь в магнитопроводе (на гистерезис и вихревые токи),
Р12=Р1-Рпр 1-Рс-мощность вторичной обмотки,
Рпр 2-., мощность потерь на нагрев вторичной обмотки,
Р2-мощность цепи нагрузки трансформатора.
η=Р2/P1 -КПД трансформатора
При Кз=√Рс/Pk3 nom=0.5—0.7 КПД достигает максимума.
Особенности трехфазных трансформаторов
Можно три однофазных трансформатора объединить в трёхфазный аппарат, но возникает проблема симметричности нагрузок на фазах.
Можно объединить их на общем симметричном магнитопроводе (б), допустимо навить провода на несимметричный магнитопровод (г). Несимметрия магнитопровода приводит к несимметрии магнитных сопротивлений и намагничивающих токов. Но практически это не играет существенной роли. Такой трансформатор получается меньше по габаритам трёх однофазных, экономится материал магнитопровода.
Выводы обмоток на стороне высокого напряжения обозначают А,Б,С. их другие концы X,Y,Z. Соответственно на обмотке низкого напряжения а,б,с,
х
,у,z.
Обмотки трёхфазного трансформатора
соединяют звездой или треугольником
(У,Δ).
Соединение звездой проще и дешевле, но его используют только для трансформаторов небольшой и средней мощности (до 1800 кВ А) и высоких напряжениях.
Группы соединения обмоток трансформаторов.
При рабочем режиме фазы первичных и вторичных напряжений U1, U2 и токов I1, I2 выбраны и практически совпадают. Для приемника направления тока In и напряжения Un зависят от положения переключателя ПК (1 или 2). В положении 2ПК In=-I2, Un=-U2 фазы противоположны. Состояние фаз важно при параллельном соединении трансформаторов. Для условного обозначения сдвига фаз вторичного напряжения по отношению к первичному принято деление трансформаторов по группам соединений. При этом первичным напряжением считается его высшее напряжение, вторичным - низшее.
Основанием для деления на группы является сдвиг фаз между высшим и низшим напряжением. У двух трансформаторов с одинаковой группой соединений этот сдвиг фаз должен быть одинаков. При сдвиге фаз однофазного трансформатора на угол 0 такое соединение называют 0. При обратном положении (когда часовая и минутная стрелки часов сдвинуты на 180о и составляют 6 часов) считают группой 6
У трёхфазных трансформаторов возможно 12 групп, но желательно иметь минимум и приняты только две группы 11 и 0.
Группа 11-звезда/треугольник (У/Δ-11) и звезда с выведенной нейтральной точкой (Ун /Δ). Группе 0 соответствует один способ соединения звезда/ звезда с выведенной нейтральной точкой (У/Ун-0).
Эта группа применяется для трансформаторов с высшим напряжением до U1=35 кВ и низшим напряжением 230 В и мощности до 500 кВ А или при U1=35 kB и U2=400 B и мощности до 1800 кВ А.
Группу 11 применяют для более мощных трансформаторов и более высоких напряжений.