§ 1.9. Явища при намагнічуванні магнітопровідів трансформаторів

Припустимо, що до первинної обмотки трансформатора підведена синусоїдальна напруга. При цьому потік у магнітопровіді також буде синусоїдальним: . Однак внаслідок насичення магнітний потік трансформатора не пропорційний струму, що намагнічує. Тому при синусоїдальному потоці струм, що намагнічує, є несинусоїдальним. Для визначення форми кривій цього струму скористаємося кривою намагнічування магнітопровода й графіком зміни потоку .

Рис. 1.23. Побудова графіка струму, що намагнічує (а) і розкладання його

на складові (б)

На малий. 1.23, а дана побудова графіка струму, що намагнічує . Отут у лівому верхньому квадранті показана синусоїдальна крива , а у верхньому правому квадранті – крива намагнічування матеріалу магнітопровода. Для одержання графіка струму, що намагнічує , розташованого в правому нижньому квадранті, надходять у такий спосіб. На графіку вибирають ряд крапок 1, 2, 3, проектують їх на криву намагнічування й визначають значення струму, що намагнічує, відповідним обраним значенням магнітного потоку. Потім проводять вертикальні лінії через крапки 1, 2, 3 на осі в правий нижній квадрант до перетинання з горизонтальними лініями, проведеними із крапок 1, 2, 3 на осі годині цього квадранта, і одержують геометричне місце крапок кривій струму, що намагнічує . Зі зроблених побудов видно, що при синусоїдальній формі кривий струм, що намагнічує, має шпилясту форму. З метою спрощення побудов у цьому випадку скористалися кривою намагнічування , побудованої без обліку гістерезису.

Після розкладання несинусоїдальної кривої струму на синусоїдальні складові (малий. 1.23, б) видно, що в цьому струмі крім основної (першої) гармоніки Ц1 яскраво виражена третя гармоніка .

Так, у трансформаторі з магнітопроводом з високолегованої сталі при індукції Тл третя гармоніка становить приблизно 30 % основної гармоніки струму, що намагнічує. Сказане ставитися лише до реактивної складової струму х.х., тому що активна складова є синусоїдальною. Звичайно не перевищує 10% від , тому з деяким наближенням можна прийняти, що крива струму х.х. не відрізняється від кривої .

§ 1.10. Вплив схеми сполуки обмоток на роботові трифазних трансформаторів у режимі холостого ходу

З рівнянь струмів третьої гармоніки в трифазній системі

видно, що ці струми в будь-який момент години збігаються по фазі, тобто мають однаковий напрямок. Цей же висновок поширюється на всі вищі гармоніки струму, кратні трьом, - 3, 9, 15 і т.д. Ця обставина впливає на процеси, що супроводжують намагнічування сердечників при трансформуванні трифазного струму.

Розглянемо особливості режиму холостого ходу трифазних трансформаторів для деяких схем сполуки обмоток.

Сполука . Якщо напруга підводить із боку обмоток, з'єднаних зіркою без нульового висновку (малий. 1.24, а), те струми третьої гармоніки (і кратні трьом – 9, 15 і т.д.), збігаючись по фазі у всіх трьох фазах, будуть дорівнюють нулю. Порозумівається це відсутністю нульового проведення, а, отже, відсутністю виходу з нульової крапки. У підсумку струми третьої й кратні трьом гармоніки будуть взаємно компенсуватися й струм, що намагнічує, трансформатора виявиться синусоїдальним, але магнітний потік у магнітопровіді виявиться не синусоїдальним (сплощеним) з явно вираженим потоком третьої гармоніки (малий. 1.25).

Рис. 1.24. Напрямок струмів третьої гармоніки для різних схем сполуки обмоток

Потоки третьої гармоніки не можуть замкнути в трьох стрижневому магнітопровіді, тому що смороду збігаються по фазі, тобто спрямовані зустрічно. Ці потоки замикаються через повітря (масло) і металеві стінки бака (малий. 1.26). Великий магнітний опір потоку послабляє його величину, наводь тому потоками у фазних обмотках ЕРС третьої гармоніки невелика й звичайно їхня амплітуда не перевищує 5–7 % від амплітуди основної гармоніки. На практиці потік ураховують лише з погляду втрат від вихрових струмів, індуктуемих цим потоком у стінках бака. Наприклад, при індукції в стрижні магнітопровода порядку 1,4Тл втрати від вихрових струмів у баці становлять близько 10 % від втрат у магнітопровіді, а при індукції 1,6Тл ці втрати зростають до 50-65 %.

Рис. 1.25. Побудова графіка магнітного потоку при синусоїдальній формі струму, що намагнічує

У випадку трансформаторної групи, що складає із трьох однофазних трансформаторів (див. малий. 1.20, а), магнітопровіді окремих фаз магнітно не зв'язані, тому магнітні потоки третьої гармоніки всіх трьох фаз безперешкодно замикаються (потік кожної фази замикається у своєму магнітопровіді). При цьому значення потоку може досягати 15–20% від .

Несинусоїдальний магнітний потік , що містить крім основної гармоніки ще й третю ,

(1.38)

наводити у фазних обмотках несинусоїдальну ЕРС

Підвищена частота магнітного потоку приводити до появи значної ЕРС , що різко збільшує амплітудне значення фазної ЕРС обмотки при тім же її діючому значенні (малий. 1.27), що створює несприятливі умови для електричної ізоляції обмоток.

Амплітуда ЕРС третьої гармоніки в трансформаторній групі може досягати 45–65 % від амплітуди основної гармоніки. Однак слід зазначити, що лінійні ЕРС (напруги) залишаються синусоїдальними й не містять третьої гармоніки, тому що при сполуці обмоток зіркою фазні ЕРС , і , збігаючись по фазі, не створюють лінійної ЕРС. Порозумівається це тім, що лінійна ЕРС при сполуці обмоток зіркою визначається різницею фазних ЕРС. Так, для основної гармоніки (малий. 1.28, а) лінійна ЕРС

Рис. 1.26. Шляхи замикання магнітних потоків третьої гармоніки в трьох стрижневому магнітопровіді

Що ж стосується лінійної ЕРС третьої й кратних трьом гармонік, те через збіг по фазі фазних ЕРС цих гармонік (малий. 1.28,6) одержимо .

Якщо первинна обмотка трансформатора є обмоткою НН й її нульовий висновок приєднаний до нульового висновку генератора (див. малий. 1.24, б), те струми, що намагнічують, фаз містять треті гармоніки. Ці струми збігаються по фазі [дів. (1.37)], а тому всі смороду спрямовані або від трансформатора до генератора, або навпаки. У нульовому проведенні буде протікати струм, рівний . При цьому магнітний потік трансформатора, а, отже, і ЕРС у фазах будуть синусоїдальні.

Рис. 1.28. Векторні діаграми ЕРС основної (а) і третьої (б) гармонік трифазного трансформатора

Рис. 1.27. Форма графіка фазної ЕРС трансформаторної групи при сполуці обмоток В/В

Сполуки, при яких обмотки якої-небудь сторони трансформатора (НН або ВН) з'єднані в трикутник. Ці схеми сполуки найбільш бажані, тому що смороду позбавлені недоліків, розглянутих раніше схем.

Припустимо, що в трикутник з'єднані первинні обмотки трансформатора. Тоді струм третьої гармоніки безперешкодно замикається в замкнутому контурі фазних обмоток, з'єднаних у трикутник (див. малий. 1.24, в). Алі якщо струм, що намагнічує, містить третю гармоніку, ті магнітні потоки в стрижнях, а, отже, і ЕРС у фазах практично синусоїдальні.

Якщо ж вторинні обмотки трансформатора з'єднані в трикутник, а первинні – у зірку, те ЕРС третьої гармоніки, наведені у вторинних обмотках, створюють у замкнутому контурі трикутника струм третьої гармоніки. Цей струм створює в магнітопровіді магнітні потоки третьої гармоніки , спрямовані зустрічно потокам третьої гармоніки від струму, що намагнічує (за правилом Ленца). У підсумку результуючий потік третьої гармоніки значно послабляється й практично не впливає на властивості трансформаторів.