Результирующее магнитное поле, действующее в нагруженном трансформаторе, состоит (условно) из двух частей — основного поля и поля рассеяния. Такое выделение составляющих из единого магнитного поля очень удобно для изучения процессов, происходящих в трансформаторе. Например, следует отдельно рассматривать поле рассеяния, которое определяет особенности трансформатора и оказывает заметное воздействие на его работу.
Падение напряжения.
В режиме холостого хода напряжение на вводах вторичной обмотки создается основным магнитным полем и зависит только от числа витков обмотки. В режиме нагрузки напряжение на вводах, т. е. напряжение питания потребителей, зависит также от поля рассеяния. Действительно, поле рассеяния индуктирует во вторичной (как и в первичной) обмотке определенное напряжение, называемое напряжением рассеяния. В результате этого напряжение на вводах вторичной обмотки оказывается равным напряжению при холостом ходе за вычетом напряжения рассеяния и падения напряжения в электрическом сопротивлении г2 обмотки (с учетом их направления и знака). Следовательно, чем больше поток рассеяния, тем больше напряжение рассеяния и тем ниже вторичное напряжение на вводах трансформатора.
По аналогии с падением напряжения в электрическом сопротивлении напряжение рассеяния иногда называют индуктивным падением напряжения 12х2 (х2 — реактивное сопротивление вторичной обмотки). Опыт показывает, что реактивное сопротивление обмотки во много раз превышает активное и играет основную роль в уменьшении вторичного напряжения при нагрузке.
Таким образом, поле рассеяния уменьшает напряжение питания потребителя, т. е. отрицательно влияет на один из важнейших выходных параметров трансформатора.
Добавочные потери.
Контуры, по которым замыкаются поли рассеяния при равномерном распределении мдс по высоте обмоток трансформатора, показаны на рис. 2. Поток рассеяния проходит вдоль и между обмоток, достигает прессующего кольца и нижней ярмовой балки, а затем замыкается через магнитопровод и стенку бака.
Для удобства изучения поле рассеяния также условно можно разделить на две составляющие: осевое поле (направленное вдоль оси обмоток) и радиальное поле (направленное по радиусу поперек оси обмоток). Диаграммы радиальной и осевой составляющих поля рассеяния и мдс обмоток двухобмоточного трансформатора показаны на рис. 3, а. Как видно из рисунка, при равномерном распределении мдс радиальное поле имеет наибольшее значение на торцах обмоток, осевое — в средней части обмоток.
Рис. 3. Диаграммы распределения осевой и радиальной составляющих поля рассеяния (а, в — при равномерном и неравномерном распределении мдс) и катушка обмотки под воздействием осевой и радиальной составляющих поле рассеяния (б)
Поле рассеяния индуктирует в каждом проводе обмоток в плоскости, перпендикулярной направлению потока рассеяния, напряжения, под действием которых возникают вихревые токи. Эти токи замыкаются внутри отдельных проводов и в отличие от токов нагрузки не выходят за пределы обмоток, причем осевое поле наводит токи в узкой стороне (толщине) прямоугольного провода, радиальное — в широкой стороне (высоте) провода (рис. 3, б).
Вихревые токи вызывают в проводах обмотки потери, пропорциональные квадратам индукции поля рассеяния и размера провода в направлении, перпендикулярном потоку рассеяния:
где Вос.мах и Вр.ср — максимальная и средняя индукции соответственно осевой и радиальной составляющих поля; а и в — высота и толщина провода; рвх.ос и рВх.Р — потери от вихревых токов, наведенных осевой и радиальной составляющими поля.
Потери от вихревых токов, наведенных в обмотках и других токоведущих частях трансформатора, называют добавочными потерями в токоведущих частях. Как видно из рис. 3, в, наибольшие добавочные потери возникают в торцовых частях обмоток в зоне, прилегающей к каналу между обмотками.
Рис. 4. Схема распределения циркулирующих токов в катушках обмотки: Фос, Фр, Фрас — магнитные потоки (основной, радиальный и рассеяния)
В мощных трансформаторах нитки обмоток выполняют из нескольких параллельных проводов.
В катушечных обмотках число параллельных проводов в витке достигает 6—8, в винтовых — 20—24 и более. В начале и конце катушек провода соединяются вместе, образуя замкнутые контуры, пронизываемые полем рассеяния. В каждом контуре осевая составляющая поля индуктирует напряжения, под действием которых возникают токи, проходящие (циркулирующие) только в данном конуре и не выходящие за его пределы.
Кроме параллельных проводов в мощных трансформаторах часто встречаются параллельно соединенные катушки. Такое соединение также образует контуры для циркулирующих токов, наводимых в этом случае радиальной составляющей поля рассеяния. Две катушки, соединенные параллельно, в каждой из которых имеется по одному витку с двумя параллельными проводами, показаны на рис. 4. Осевая составляющая поля наводит токи (на рисунке показаны точками), циркулирующие только в контуре из параллельных проводов; радиальная составляющая— токи (на рисунке показаны пунктиром), циркулирующие только в контуре параллельных катушек. Наконец, в катушках проходит ток нагрузки, разделяющийся между катушками и проводами в витках пропорционально их электрическим сопротивлениям.
Циркулирующие токи, наведенные полем рассеяния и замыкающиеся в параллельно соединенных ветвях обмоток, создают потери, называемые добавочными потерями от циркулирующих токов. Как видно из рисунка, циркулирующие токи нарушают равномерное распределение тока в проводах и катушках; в проводе 2 верхней катушки, например, из тока нагрузки вычитаются (геометрически) оба циркулирующих, в проводе 1 один ток складывают с током нагрузки, другой — вычитают из пего; то же самое можно проследить и в нижней катушке. Неравномерное распределение тока нежелательно: отдельные провода (например, провод 1 в нижней катушке) оказываются нагруженными слишком большими токами, которые могут вызвать опасные нагревы, а затем тепловое разрушение изоляции.
Поля рассеяния кроме добавочных потерь в обмотках вызывают потери в стенках бака, прессующих кольцах, ярмовых балках и других элементах конструкции трансформатора. Особенно возрастают потери при нарушении равномерного распределения мдс, например при неодинаковой высоте обмоток (см. рис. 3, в). В, этом случае резко увеличивается радиальное поле и большая его часть замыкается в элементах конструкции.
Во всех массивных ферромагнитных деталях поток рассеяния создает потери от вихревых токов и гистерезиса.
Способы снижения добавочных потерь.
Добавочные потери уменьшают кпд и вызывают опасные перегревы отдельных частей трансформатора. С ростом мощности растут и поля рассеяния, а следовательно, и добавочные потери, нагрев и трудности с отводом теплоты, поэтому в трансформаторах всегда принимают специальные меры для уменьшения добавочных потерь. Наиболее эффективный способ — уменьшение полей рассеяния, однако они «защищают» трансформатор от токов короткого замыкания (к. з.), а ГОСТы определяют их значение через напряжение к.з.
При заданном поле рассеяния потери можно уменьшить тремя способами: направлением потоков рассеяния по путям с меньшими потерями; правильным выбором размеров и конфигурации отдельных элементов конструкции; применением немагнитных и непроводящих электрический ток материалов.
Добавочные потери можно уменьшить, например, используя магнитные шунты из электротехнической стали, которые укладывают на полки ярмовых балок или вдоль стенок бака так, чтобы по ним проходила большая часть потока рассеяния. Иногда вместо магнитных шунтов используют экраны из листов меди или алюминия, уложенные вдоль стенок бака. Возникающие в них вихревые токи своим магнитным действием «оттесняют» поле рассеяния, экранируя от него бак, и тем самым снижают потери.
Для значительного уменьшения добавочных потерь используют новые, не традиционные материалы для отдельных частей трансформатора, например пластмассы, стекловолокна, древеснослоистые пластики.
Поля рассеяния весьма чувствительны к магнитной симметрии обмоток. Достаточно небольшого смещения обмоток относительно друг друга, чтобы резко увеличилось поле рассеяния. Такие смещения особенно часто происходят по высоте (см. рис. 3, в): одна из обмоток может быть насажена не до конца или несколько отличаются по высоте от другой, что всегда нарушает магнитную симметрию и увеличивает рассеяние. Поэтому при насадке-обмоток сборщик должен следить за высотой, не допуская, смещения обмоток, за равномерностью каналов между ними, строго концентрическим расположением обмоток и а стержне магнитопровода.
