вход Вход Регистрация



При изменении частоты рабочие режимы трансформаторов зависят от ряда противоречивых факторов. С одной стороны, как известно габаритная мощность трансформатора с ростом частоты растёт, поскольку эдс самоиндукции пропорциональна частоте [13] и, в частности, напряжение первичной обмотки трансформатора при синусоидальной форме кривой определяется соотношением:

 

, (1.27)

 

где: - действующее значение напряжения первичной обмотки, В;

- частота напряжения питающей сети, Гц;

- число витков первичной обмотки;

- сечение стержня магнитопровода, м2;

- максимальная индукция в сердечнике, Тл.

С другой стороны, с ростом частоты увеличиваются потери, как в магнитопроводе, так и в меди обмоток трансформатора. Увеличение удельных потерь в электротехнической стали можно приблизительно оценить по следующей формуле [14]:

, (1.28)

где: - удельные потери в стали в рабочем режиме, Вт/кГ;

- удельные потери в стали при Тл и Гц.

Допустимый уровень потерь в сердечнике определяется конструкцией трансформатора и условиями охлаждения. При прочих равных условиях, с увеличением частоты удельные потери в стали растут, и этот рост приходится компенсировать соответствующим снижением индукции. Используя (1.28) для нормального режима и для режима работы при повышенной частоте, приравняв удельные потери в этих двух режимах, будем иметь:

. (1.29)

Решив, (1.29) относительно индукции в рабочем режиме, получим:

. (1.30)

Таким образом, с ростом частоты индукция в сердечнике трансформатора должна быть уменьшена в соответствии с (1.30). Когда величина рабочей индукции падает до уровня 0,3 – 0,4 Тл, целесообразно отказаться от применения электротехнической стали и использовать сердечники на ферритах. Ферритовые сердечники способны работать на частотах до сотен кГц при существенно меньших, чем в стальных сердечниках, удельных потерях. Следует обратить внимание, что применение ферритовых сердечников на низких частотах нецелесообразно потому, что допустимые индукции в ферритах существенно меньше, чем в электротехнических сталях (в ферритах 0,35 – 0,4 Тл, а в сталях 1,5 – 1,8 Тл), что, естественно, сказывается на размерах сердечника трансформатора.

В схемах автономных преобразователей довольно часто трансформаторы работают при несинусоидальных напряжениях на обмотках. В частности, выходное напряжение АИН может иметь прямоугольную форму или состоять из пачек прямоугольных импульсов, длительность которых может меняться по какому-нибудь закону. Расчёт потерь в сердечнике в этом случае должен выполняться с учётом влияния высших гармоник, присутствующих в напряжении на обмотках трансформатора. Подобные режимы рассмотрены в [5,15].

Рост потерь в меди при повышении частоты объясняется проявлением эффекта вытеснения тока на поверхность проводника, что приводит к росту плотности тока в поверхностном слое меди и недоиспользованию сечения проводника в глубинных слоях. Всё это, в конечном итоге вызывает увеличение активного сопротивления обмотки и приводит к росту потерь. Следует различать активное сопротивление обмотки, которое должно измеряться на рабочей частоте трансформатора, и омическое сопротивление, которое измеряется на постоянном токе [3]. Степень проявления эффекта вытеснения удобно оценивать с помощью глубины проникновения тока. Глубиной проникновения тока называется расстояние в радиальном направлении проводника, на котором плотность тока уменьшается в раз, т.е. в 2,71 раза. Можно показать, что в слое проводника с толщиной, равной глубине проникновения тока, выделяется приблизительно 90 % всех потерь, выделяющихся в проводнике на этой частоте. Глубина проникновения зависит от частоты и параметров материала проводника, и рассчитывается по следующей формуле [3]:

м, (1.31)

где: - глубина проникновения тока, м;

- удельное сопротивление проводника, Ом*м;

- относительная магнитная проницаемость;

- частота тока в проводнике, Гц.

Для меди при температуре 75 0С формулу (1.31) можно переписать в более простом виде [3]:

мм. (1.32)

Таким образом, даже на промышленной частоте глубина проникновения тока в проводниках электрических машин не превышает 10 мм. С ростом частоты эта величина быстро падает: например, глубина проникновения тока в проводнике индуктора закалочной установки, работающей на частоте 2000 Гц, составляет лишь 1,5 мм.

Эффективным средством, позволяющим добиться хорошего использования поперечного сечения проводника, является транспозиция [3,12]. Транспозиция заключается в том, что проводник разбивается на несколько, изолированных друг от друга, элементарных проводников, с размерами, не превышающими глубину проникновения тока. При выполнении обмотки, элементарные проводники периодически меняются местами таким образом, чтобы обеспечить их симметричное расположение в магнитном поле около сердечника. На рис. 1.10 (а) показано размещение проводников в обмотке, выполненной из четырех, изолированных друг от друга ветвей. Каждому элементарному проводнику для наглядности присвоен номер. На каждом витке обмотки размещение проводника, по отношению к поверхности магнитопровода, возможно в одной из четырех позиций. Из-за влияния эффекта вытеснения напряженность поля в разных позициях разная, соответственно, реактивные сопротивления проводников, размещенных в разных позициях тоже

 



 

Рис. 1.10 – Позиции проводников и эквивалентная схема обмотки

 

разные. При выполнении обмотки на каждом следующем витке обеспечивается перемещение проводника в следующую позицию. Следовательно, за четыре витка проводник побывает во всех четырех возможных позициях. Схема, представленная на рис. 2.1 (б), показывает, что в этом случае все четыре ветви имеют одинаковые реактивные сопротивления и, следовательно, при их параллельном включении токи между ними будут распределяться поровну. При этом важно, чтобы вся обмотка состояла из целого числа периодов транспозиции – в данном примере, число витков обмотки должно быть кратно четырем. Кроме того, проводники обмотки должны быть изолированы друг от друга.

Поскольку эффект вытеснения проявляется и в ошиновке преобразователя, то в мощных установках для уменьшения потерь при конструировании электрических соединений между элементами схемы, приходится принимать специальные меры для уменьшения или компенсации эффекта вытеснения. В частности, соединительные кабели выполняются скрученными из отдельных, изолированных друг от друга, проводников, диаметр которых не должен превышать глубину проникновения тока на рабочей частоте.

Всё сказанное справедливо и для реакторов, работающих с высокочастотными составляющими в токе обмотки и в потоке сердечника.

 

© 2018
  • Сайт "Литературка"
  • мы собираем различную техническую, образовательную, научную литратуру