Трансформатори є особливим класом компонентів силової електроніки Конструкція і характеристики безлічі систем критично залежать від конструкції і характеристик використовуваних в них трансформаторів, і часто на частку трансформаторів припадає велика частина ціни системи При хорошому знанні трансформаторів і у співпраці з їх виробниками розробник силових електронних пристроїв часто здатний істотно поліпшити робочі характеристики і надійність своїх систем при зниженні витрат на їх створення А ще корисно користуватися серією стандартів на трансформатори IEEE C57, яку можна купити в вигляді однотомного видання в департаменті публікацій IEEE

Автору одного разу довелося виступати експертом на судовому процесі, де виробники електродвигунів предявили позов до продавців трансформаторів, які відмовили на одному із закордонних підприємств Проблема була викликана радіальним магнітним полем, яке наводило вихрові струми в електростатичних екранах У цих трансформаторах була на всю довжину сердечника намотана первинна обмотка, а поверх неї – дві вторинні обмотки, розташовані встик один до одного При цьому працювали вторинні обмотки поперемінно Електростатичний екран перегрівався, через що руйнувалася ізоляція, і продавець був визнаний відповідальним за поставку дефектної продукції Якби покупець пояснив продавцеві особливості експлуатації цих трансформаторів, а не покладався на стандартну специфікацію, проблем швидше за все вдалося б уникнути

Основи трансформаторів

Доброю початковою точкою для обговорення трансформаторів є огляд рівнянь для повязаних кіл, тим більше що їх доведеться згадувати при вивченні характеристик трансформаторів Для початку розглянемо просту пару повязаних котушок На Рис 71 показані дві котушки, що знаходяться поблизу один від одного, і вказані миттєві значення напруг і струмів в них

Рис 71 Повязані котушки

Для замкнутої ланцюга котушки 2:

Магнітні поля цих котушок частково проникають один в одного, і з цієї причини ці котушки називають повязаними, причому ступінь цього звязку визначається коефіцієнтом звязку k Якщо індуктивності котушок L1 і L2, то їх взаємна індуктивність буде M = k (LxL-i)xri Тепер можна написати рівняння для напруг і струмів При порушенні котушки 1, для розімкнутої ланцюга котушки 2:

Крім того, 0 = L ^ di ^ / dt M-di ^ / dt

Ці рівняння можуть бути вирішені при введенні понять индуктивностей розімкнутої (Loc) і замкнутої (Lsc) Ланцюга При цьому Zoc= L{, А L= L\ M2/L2 Тоді

На Рис 72 показана еквівалентна схема ідеального трансформатора (без втрат) А і В тут індуктівностьрассеянгш первинної та вторинної обмоток, причому А = Ll M, В = L2 M, де M – індуктивність намагнічування Зазвичай індуктивності замінюються їх реактивними опорами на робочій частоті Якщо відношення витків первинної обмотки до числа витків вторинної n: 1, то напруги і струми цих обмоток звязані співвідношеннями Es = ЕР/ П та /5 = Ip-rt

Рис 72 Еквівалентна схема трансформатора без втрат

Ці параметри часто виражають у відсотках або в частках одиниці, що зручно для порівняння різних трансформаторів по їх напруженням, струмів, конструкціям і втрат Так, індуктивність розсіювання у відсотках дорівнює падіння напруги при повному навантаженні по відношенню до номінальної напруги цієї обмотки Відзначимо, що ця напруга є вектором, і його вплив на вихідну напругу обмотки залежить від фазового кута зрушення струму Струм збудження може бути виражений як частка або відсоток від номінального струму навантаження, який в свою чергу визначається як номінальна напруга, поділене на індуктивність намагнічування

Стосовно до типового трансформатору із загальним реактивним опором розсіювання 6% і струмом порушення 5% реактивний опір індуктивності намагнічування виявиться рівним 100/005, або 2000%, ak = [1 (6/2000)]1/2 = 09985

Таким чином, типові трансформатори з залізним сердечником мають дуже високий коефіцієнт звязку Котушки без сердечника, навпаки, зазвичай мають низький коефіцієнт звязку, і для його збільшення доводиться первинну і вторинну обмотки мотати бифилярно або коаксиально У деяких конструкціях трансформаторів для забезпечення сталості вихідного струму в осерді роблять повітряний зазор, що забезпечує середнє значення коефіцієнта звязку

У реальності трансформатори мають струм холостого ходу і втрати (Мал 73)

Майже всі типи трансформаторів мають сердечник, виконаний із залізних пластин, що забезпечує максимальну звязок між обмотками Струм холостого ходу первинної обмотки складається із струму, необхідного для досягнення необхідного магнітного поля в осерді, і струму, повязаного з втратами на гістерезис і на вихрові струми в осерді Типове значення струму холостого ходу складає 3 .. 8% від номінального значення струму в первинній обмотці при номінальному навантаженні, а індуктивності розсіювання призводять до втрати 3 .. 10% напруги при повній нагруз-

Рис 73 Еквівалентна схема трансформатора з втратами

ке трансформатора Правда, ця втрата напруги є векторної і непрямо віднімається з вихідного напруги, за винятком випадків, коли коефіцієнт потужності навантаження близький до нуля Загальні втрати в трансформаторах на 1000 .. 10000кВА зазвичай знаходяться в межах 025 .. 10% Трансформатори на великі потужності зазвичай мають менші втрати (у відсотках), а маленькі трансформатори – великі

Індуктивності розсіювання первинної та вторинної обмоток можуть бути перераховані з урахуванням коефіцієнта трансформації n за формулами

, Де ХГР і XTS – Сумарна індуктивність розсіювання соответственнодля первинної та вторинної обмоток Коли імпеданс трансформатора вказаний як Z%, можна припустити, що він реактивний, і падіння напруги (у відсотках) на вторинній обмотці при номінальному струмі навантаження составіт7 / о, або ZPU від номінальної напруги При короткому замиканні вторинної обмотки струм короткого замикання буде в l / Zpu разів більше, ніж її номінальний струм Наприклад, при реактанс трансформатора 5% (005) струм короткого замикання буде в 20 разів більше номінальної При цьому передбачається, що імпеданс джерела живлення трансформатора пренебрежимо малий

Здатність навантаження трансформатора у відсотках визначається за формулоюде VNLі VFi є вихідними на

пряженого без навантаження і з повним навантаженням Векторні діаграми на Рис 74 сприяють розумінню причин зміни вихідної напруги при підключенні навантаження

Трансформатори, призначені для живлення перетворювачів, часто роблять з двома вторинними обмотками, причому одна з них включається в трикутник, а інша – в зірку При цьому зсув фаз між вихідними напруженнями становить 30 °, і стає можливим істотно зменшити гармонійні складові струму в первинній обмотці, викликані нелінійністю навантаження Схема такого трансформатора наведена на Рис 75

Рис 75 Схема трансформатора з трьома обмотками

Зазвичай реактанс обох вторинних обмоток однакові Параметри трансформатора з двома вторинними обмотками можуть бути знайдені з наступних рівнянь Якщо покласти звязок обмотки P з обмоткою Sj, рівний X, звязок обмотки P з S2 також рівний X, а звязок обмотки 5j з S2, рівний Y, то

A + B = X,A + C = X,B + C=Y

і

А = XY / 2, В = Y / 2, C = Y / 2

Якщо вторинні обмотки мають з первинної сильну звязок, то значення Yочень мало, і еквівалентний реактанс трансформатора практично повністю визначається реактанс первинної обмотки Якщо звязок поганий, то Y може виявитися таким великим, що реактанс з боку первинної обмотки А може стати негативним Якщо вторинні обмотки мають між собою часткову звязок, реактанс первинної обмотки може стати рівним нулю, а еквівалентний реактанс буде визначатися тільки вторинними обмотками Негативний реактанс первинної обмотки забезпечує малий зміна напруги на вторинних обмотках при підключенні до них навантажень З іншого боку, поганий звязок між первинною і вторинними обмотками сприяє зменшенню струму короткого замикання навантаження

Джерело: Сукер К Силова електроніка Керівництво розробника – М: Видавничий дім «Додека-ХХI, 2008 – 252 c: Ил (Серія «Силова електроніка»)