3.1.5. Потери в обмотках

Напряжения и токи повышенной частоты, в том числе и обусловленные несинусоидальностью, вызывают дополнительные потери энергии не только в магнитопроводах, но и в обмотках трансформаторов и реакторов. Эти потери обусловлены поверхностным эффектом вытеснения тока в проводниках под воздействием электромагнитных полей. В результате этих явлений активное сопротивление проводника при переменном токе становится больше сопротивле­ния постоянному току. Увеличение сопротивления переменному току в этих слу­чаях является следствием уменьшения эффективного сечения проводника. При поверхностном эффекте происходит вытеснение тока в радиальном направлении от центра. Явление вытеснения тока также происходит при воздействии электро­магнитных полей соседних проводников. В результате такого воздействия токи перераспределяются по сечениям проводников в направлениях, зависящих от конструкции обмоток и их расположения на магнитопроводе. Добавочные потери в обмотке при переменном токе учитываются коэффициентом К_доб:

К_{доб =} R_~ / R_{0 ,}

где R_~ — сопротивление переменному току; R₀ — сопротивление постоянному току.

Значение коэффициента рассчитывают с учетом частоты воздействующего тока или напряжения на обмотку трансформатора.

При несинусоидальных формах тока или напряжения вычисляются добавочные потери от каждой гармонической составляющей, определяемой из разложения в ряд Фурье. Эти потери также могут быть приближенно определены с учетом коэф­фициента

К_доб , (3.6)

где К_{доб n} - коэффициент, учитывающий потери на частоте n-й гармоники; I, I_n - действующие значения полного тока и его гармонической составляющей.

Определение коэффициента К_{доб n} является сложной задачей, так как он зави­сит от многих факторов. Среди них наиболее значительными являются частота, площадь сечения и конфигурация проводников обмотки и расположение послед­них на магнитопроводе. При повышении рабочей частоты для увеличения номи­нального тока обмотки необходимы специальные меры, позволяющие ограничить поверхностный эффект. Для этого используют многожильные провода, называе­мые «литцендрат». Такие провода изготовляют из большого числа проводников малого диаметра, изолированных друг от друга. При этом проводники каждой пары скручивают для исключения образования магнитного потока, создаваемого токами закороченных пар проводников. Затем все пары объединяют между собой так, чтобы обмотка, изготовленная из этих проводов, имела два внешних вывода.

Другим способом снижения поверхностного эффекта в сильноточных проводах является использование тонкой медной ленты с изолированной поверхностью. Если диаметр проводника существенно меньше глубины проникновения тока в проводник, то этот эффект проявляется незначительно. Однако в трансформаторах и реакторах, работающих на повышенных частотах, возникает также эффект вза­имного влияния проводников, который приводит к изменению плотности тока в витках обмотки и, следовательно, к увеличению потерь мощности. Для снижения этих потерь в высокочастот­ных трансформаторах применяют метод секци­онирования обмоток, позволяющий умень­шить напряженность в крайних слоях обмотки [2].

При увеличении коэффициента трансформации возрастает влияние «паразитных» парамет­ров реакторно-трансформаторного оборудования - индуктивностей рассеяния, межвитковых и межобмоточных емкостей. Для уменьшения влияния этих пара­метров необходимо усложнять схемы и конструкции трансформаторов и реакторов. Для исключения этих нежелательных явлений следует уменьшать напряжен­ность электромагнитного поля вне устройства, сохраняя индуктивность реактора неизменной. Эта задача может быть решена различными способами, например использованием в качестве материала магнитопровода альсифера - материала с низкой магнитной проницаемостью. При очень низких значениях индуктивности целесообразно применять воздушные реакторы без магнитопроводов. Однако для повышения индуктивности этих реакторов следует использовать конструкции, мак­симально замыкающие магнитный поток непосредственно в реакторе. В качестве таких устройств применяются тороидальные конструкции с равномерным распреде­лением витков по всей окружности реактора.

В настоящее время для улучшения технико-экономических показателей транс­форматоров и реакторов, работающих на повышенных частотах, используются низкопрофильные (плоские) обмотки, впечатанные в магнитопровод. Планарная технология имеет много преимуществ перед традиционной, позволяя легко реализовать секционирование обмоток и уменьшить «паразитные» емкости.