3 Режим короткого замыкания.

Испытательный режим короткого замыкания создается искусственно, путем подведения к первичной стороне трансформатора пониженного напряжения U_к такой величины, чтобы токи в обмотках не превышали номинальных значений, а вторичная обмотка замыкается накоротко.

Первичное напряжение короткозамкнутого трансформатора, при котором в его обмотках протекают номинальные токи, выраженное в процентах номинального напряжения, называется напряжением короткого замыкания

Оно является важным эксплуатационным показателем и обычно указывается на щитке трансформатора или в соответствующей технической документации.

На рис. 5, изображена схема замещения трансформатора в режиме короткого замыкания.

Рис. 5 Схема замещения трансформатора в режиме короткого замыкания

Поскольку схема замещения трансформатора в режиме короткого замыкания представляет собой последовательное соединение первичных и вторичных сопротивлений, то их можно объединить в виде

Тогда получим упрощенную схему замещения трансформатора при коротком замыкании (рис. 6).

При проведении опыта короткого замыкания по схеме рис. 3 рубильник P₂ замкнут, сопротивление z_н = 0. К первичной обмотке подведено пониженное напряжение. В ходе опыта замеряют первичное напряжение вольтметром V₁, первичный ток – амперметром A₁ и потребляемую мощность – ваттметром W₁. На вторичной закороченной стороне замеряют ток амперметром A₂. Подведенное напряжение повышают, пока токи не станут равны (1 ÷ 1,25)·I_ном.

По данным опыта находят полное сопротивление короткого замыкания

Активное сопротивление

индуктивное сопротивление

и коэффициент мощности

Поскольку в опыте U_к мало, то поток в магнитопроводе тоже мал и потерями в стали можно пренебречь, считая, что вся потребляемая мощность идет на покрытие потерь в обмотках (потери в меди), по которым протекают близкие к номинальным токам.

По данным опыта можно построить зависимости мощности, тока и коэффициента мощности от величины приложенного напряжения (рис. 7), которые называют характеристиками короткого замыкания трансформатора.

Рис. 7 Характеристики короткого замыкания трансформатора

4. Коэффициент полезного действия трансформатора

Коэффициент полезного действия трансформатора определяется так же, как и для других машин, т. е. представляет собой отношение полезной мощности ко всей затраченной

Так как к.п.д. силового трансформатора высок (в трансформаторах большой мощности выше 99%), то метод прямого определения к. п. д. путем непосредственного измерения мощностей P₁ и P₂ не может найти себе применения, поскольку неизбежные погрешности при измерении мощностей P₁ и P₂ могут дать грубую ошибку при определении к. п. д.

Разность между первичной P₁ и вторичной P₂ мощностью представляет собой сумму потерь в трансформаторе, т. е.

откуда

Тогда к.п.д. будет равен

5. Способы уменьшения потерь в трансформаторе

Так как сердечник постоянно намагничивается и размагничивается, и при этом вектор напряженности магнитного поля изменяет свое направление, то для изменения ориентации магнитных диполей должна постоянно затрачиваться энергия. Такие потери на гистерезис могут быть уменьшены только путем использования материала, имеющего небольшие потери, – мягкой электротехнической стали.

Магнитопровод (сердечник) низкочастотных трансформаторов изготавливается, как правило, из металла (специальных сортов электротехнической стали), поэтому он является проводником электрического тока. Наличие токопроводящего пути через сердечник способствует протеканию так называемых вихревых токов, возникающих в магнитопроводе за счет э.д.с. самоиндукции, пропорциональной скорости изменения магнитного потока. Эти вихревые токи, являясь короткозамкнутыми (или круговыми), вызывают дополнительные потери, которые с ростом частоты возрастают и становятся даже более ощутимыми, нежели потери на перемагничивание сердечника. Для снижения рассматриваемых потерь в конструкции магнитопроводов используют набор из тонких изолированных пластин (элементарное увеличение сопротивления на пути протекания вихревых токов). На эти пластины наносится диэлектрический защитный слой, который создается либо методами химической обработки, либо нанесением специальных лаков или эмалей. Наиболее рациональным решением данной проблемы является изготовление сердечника из мельчайших частичек железа с предварительно обработанной поверхностью, а затем спрессованных вместе с использованием специальных связующих веществ, либо керамики, для образования монолитного магнитопровода. Также широко применятся ферритовые магнитопроводы. Потери на перемагничивание сердечника (гистерезис) и вихревые токи достаточно часто в силовых трансформаторах объединяются под общим названием магнитных потерь и именно они чаще всего бывают причиной нагрева сердечника трансформатора даже в тех случаях, когда нагрузка к нему не подключена.

В реальных трансформаторах далеко не весь магнитный поток, образованный прохождением тока в первичной обмотке, пронизывает вторичную обмотку трансформатора и наводит в ней э.д.с. В целом, эти потери количественно характеризуются так называемой индуктивностью рассеяния.

Индуктивность рассеяния зависит от размеров трансформатора, квадрата отношения количества витков в обмотках, геометрического параметра k трансформатора, но совершенно не зависит от магнитной проницаемости сердечника.

Геометрический параметр k зависит от двух основных определяющих: типа и конструкции сердечника и его характеристик, а также конструкции и технологии изготовления обмоток трансформатора.

Для стандартных силовых трансформаторов используется, как правило, сердечники с Ш-образной формой пластин, когда каждый слой образуется Ш-образной пластиной и простой замыкающей торцевой пластиной. При укладке слоев пространственная ориентация пластин часто чередуется, чтобы уменьшить воздушный зазор в месте стыка пластин. Обмотки трансформатора конструктивно представляют собой катушку, одеваемую на среднюю ось буквы «Ш» сердечника. Такая конструкция трансформатора часто называется броневой.

Традиционно очень высокими характеристиками обладают трансформаторы, имеющие С-образные сердечники. Такие трансформаторы изготавливаются намоткой длинной ленты в виде толстостенного, несколько приплюснутого с боков цилиндра, который затем разрезается по образующей на две части. Плоскости разреза сердечника тщательно шлифуются. Затем наматываются обмотки трансформатора (конструктивно в виде двух катушек, обычно содержащих части витков первичной и вторичных обмоток каждая), после чего в обмотки вставляются половинки сердечника таким образом, чтобы шлифованные поверхности точно прилегали друг к другу, образуя минимальный зазор. Для надежного скрепления всей конструкции в единое целое используется стальная лента. Эту конструкцию трансформатора часто называют стержневой.

Сердечник с С-образной формой достаточно дорог из-за сложного технологического процесса, неточная сборка сердечника может привести к образованию воздушного зазора, что приведет к возникновению именно тех недостатков, от которых должна была бы избавить эта конструкция. Более современная конструкция представляет сердечник, намотанный в виде тороида (тора), но при этом он не разрезается, а используется специальный намоточный станок, позволяющий производить изготовление обмоток прямо на сердечнике. Такие трансформаторы характеризуются очень низкими значениями индуктивности рассеяния.

Как тороидальный, так и С-образный сердечники имеют дополнительное преимущество, заключающееся в том, что магнитный поток всегда протекает в одном и том же направлении относительно направления, характеризующего ориентацию зерен кристаллической структуры материала сердечника, тогда как в Ш-образных сердечниках он вынужден проходить поперек плоскости ориентации зерна в некоторых частях магнитопровода. Этот фактор приобретает достаточно серьезное значение, так как кремнистая электротехническая сталь с ориентированными зернами (GOSS) может пропускать потоки большей плотности до наступления насыщения в направлении, параллельном расположению плоскости зерен (направлению легкого намагничивания), по сравнению с направлением, перпендикулярным плоскости ориентации зерна. В силу этого Ш-образные сердечники могут работать при плотностях магнитного потока, которые ниже значения насыщения для направления, перпендикулярного зернам, тогда как С-образные и торроидальные сердечники могут работать при более высоких значениях плотности потока, что позволяет уменьшить размеры самого магнитопровода.

Геометрия катушек трансформатора может быть улучшена путем чередования слоев намотки первичной и вторичной обмоток или путем их секционирования, что позволяет получить гораздо лучшие результаты по сравнению со схемой, когда сначала на каркас полностью наматывается первичная, а затем вторичная обмотки.

Увеличение количества секций улучшает взаимодействие между первичной и вторичной обмотками, что значительно снижает индуктивность рассеяния, но при этом увеличивается паразитная емкость.

Силовые трансформаторы на тороидальных сердечниках считаются не самым лучшим решением именно из-за существенных потерь магнитного потока в точках, где осуществляются выводы от обмоток трансформатора.

Одним из приемов, позволяющих улучшить геометрический фактор, связанный с технологией намотки обмоток, является использование бифилярной намотки, то есть приема, когда два различных провода наматываются рядом друг с другом. Если одни из проводов относится к первичной обмотке, а второй провод – ко вторичной, то таким образом осуществляется превосходное магнитное взаимодействие двух обмоток и значительное снижение индуктивности рассеяния.

Существует ограничение для широкого применения многопроводной (многофилярной) схемы намотки. Очень тонкая полиуретановая изоляция медного провода очень легко повреждается во время процесса намотки и может быть легко пробита, если напряжение между обмотками превысит 100 В, что осложняет изготовление трансформатора, способного изолировать высоковольтный источник питания. Как правило, диаметры провода первичной и вторичной обмоток существенно различаются, поэтому при намотке возникают неплотности, значительно снижающие коэффициент геометрии трансформатора. Кроме того, число витков первичной и вторичной обмоток, как правило, сильно отличаются.

Многопроводная намотка используется, в основном, при изготовлении небольших трансформаторов в цепях прохождения сигнала с очень низким отношением числа витков в обмотках (в идеале это отношение должно быть 1:1).