Трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием

Магнитопровод трансформатора относится к стержневому типу. Первичная W₁, и вторичная W₂ обмотки разнесены по высоте магнитопровода. При прохождении тока по обмоткам возникают магнитные потоки. Основная часть магнитных потоков, создаваемых намагничивающей силой первичной и вторичной обмоток, замыкается по стержню магнитопровода Ф_т. Другая часть магнитных потоков замыкается по воздуху, создавая потоки рассеяния Ф_р1 и Ф_р2. Потоки рассеяния наводят в трансформаторе реактивную э. д. с, которая и определяет его индуктивное сопротивление Х_т.

Рассмотрим работу трансформатора (рис. 18.6) при установившихся режимах.

Рис. 18.6. Трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием: a — функциональная схема (T — трансформатор; Д — Дуга); б — электромагнитная схема; в — распределение магнитных потоков

При холостом ходе ток во вторичной обмотке отсутствует. Магнитный поток Ф₀₁ в трансформаторе создается намагничивающей силой первичной обмотки (рис. 18.7, а). Подавляющая часть магнитного потока Ф₀₁ замыкается по магнитопроводу и взаимодействует с обмотками W₁ и W₂. Незначительная часть этого потока замыкается по воздуху, создавая поток рассеяния Ф_01р (обобщенный поток).
Магнитный поток Ф₀₁ в витках первичной обмотки наводит э. д. с. E₁ которая в основном уравновешивается приложенным напряжением U1:

E₁ = 4,44ω₁Ф₀₁ƒ·10^-8 = U₁ (18.4)

где ω₁ — число витков первичной обмотки трансформатора; ƒ — частота переменного тока.

Рис. 18.7. Распределение магнитных потоков в трансформаторе: а — при холостом ходе; б, в — при нагрузке

Магнитный поток Ф_01в в витках вторичной обмотки наводит э. д. с. Е₂, равную напряжению холостого хода:

Е₂ = 4,44ω₂Ф_01вƒ·10^-8 = U₀,

где ω₂ — число витков вторичной обмотки трансформатора.

Э. д. с. Е₂ наводится только частью потока Ф₀₁, замыкающегося через верхний стержень В магнитопровода. Эту часть потока можно выразить, введя коэффициент магнитной связи первичной обмотки со вторичной k_м1-2:

Ф_01в = Ф₀₁k_м1-2

Коэффициент магнитной связи может быть выражен отношением магнитных потоков Ф₀₁, Ф_01в и Ф_01р:

k_м1-2 = Ф_01в/(Ф_01в + Ф_01р) = Ф_01в/Ф₀₁

С учетом коэффициента магнитной связи э. д. с. вторичной обмотки

Е₂ = 4,44ω₂/Ф₀₁k_м1-2·10^-8 = U₀.

Из уравнений, выражающих значения Е₁ и Е₂, получим

U₀ = U₁ω₂k_м1-2/ω₁

В трансформаторах с увеличенным магнитным рассеянием k_м1-2 < 1 при изменении рассеяния напряжение холостого хода меняется незначительно и обычно составляет 3—5 В.

При нагрузке ток протекает по первичной и вторичной обмоткам трансформатора. Намагничивающая сила этих обмоток наводит в магнитопроводе потоки Ф₁ и Ф₂. Часть этих потоков рассеивается, образуя потоки рассеяния Ф_р1 и Ф_р2 (рис. 18.7, б).

В нижнем стержне Н магнитопровода образуется суммарный магнитный поток Ф_н:

Ф_н = Ф₁ + Ф₂          (18.5)

При неизменном первичном напряжении U₁ поток Ф_н остается практически постоянным. Любое его изменение приводит к снижению или увеличению тока в первично обмотке. Благодаря этому поток Фн восстанавливается. По свое значению поток Ф_н близок потоку Ф₀₁. Следовательно,

Ф_н ≈ Ф₀₁≈const.

Э. д. с, наводимая потоком Ф_н в первичной обмотке, определяется из уравнения (18.4).

В верхнем стержне В магнитопровода образуется симмарный магнитный поток Ф_в:

Ф_в = Ф₂ + Ф_1В = Ф₂ + Ф₁k_м1-2 (18-6)

Выразим Ф₁ из уравнения (18.5):

Ф₁ = Ф_н — Ф_2н = Ф_н — Ф₂k_м1-2,

где k_м2-1 — коэффициент магнитной связи вторичной обмотки с первичной.

Подставив значение Ф₁ в уравнение (18.6), получим

Ф_в = Ф₂ + (Ф_н - Ф₂k_м2-1)k_м1-2

Примем k_m1-2 ≈k_м2-1 = k_м; тогда

Ф_в = Ф₂+Ф_нk_м - Ф₂k²_м

или

Ф_в=Ф_01в + Ф₂(1-k²_м) (18.7)

Обозначим 1 — k²_м = σ (σ — коэффициент рассеяния). Подставив значение ст в уравнение (18.7), получим

Ф_в = Ф_01В + Ф₂σ

Обозначим Ф₂σ = Ф_р  (Ф_р — суммарный поток  рассеяния в трансформаторе); тогда Ф_в = Ф_01В + Ф_р (рис. 18.7, в). Поток Ф_01в наводит во вторичной обмотке трансформатора основную э.д.с.

Е₂₀ = 4,44ω₂ƒФ_01в·10^-8.

Поток Ф_р наводит во вторичной обмотке реактивную э. д. с.

Е_2р = 4,44ω₂ƒФ_р·10^-8.

Суммарная э. д. с. трансформатора

Е₂ = Е₂₀ +Е_2р

При рабочей нагрузке э. д. с. трансформатора уравновешивается падением напряжения дуги и реактивной э. д. с.

E₂ = U_д + T_2p 

Обозначив Е_2р = I_дХ_т, получим

Е₂ = U_д + I_дХ_т.

При коротком замыкании э. д. с. трансформатора уравновешивается реактивной э. д. С,

Е₂ = Е_2р = I_кХ_т

Пользуясь векторной диаграммой (см. рис. 18.5) и уравнениями (18.1—18.3), выразим значения тока и напряжения дуги в аналитической форме:

U_д = √U²₀ — I²_дХ²_т; I_д = √U²₀ - U²_д/Х_т

Ток короткого замыкания (при U_д = 0)

I _{к. з} = U₀/Х_т.

Следовательно, трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием имеют падающую внешнюю вольт-амперную характеристику. Крутизна падения определяется индуктивным сопротивлением трансформатора Х_т (см. рис. 18.9, а).
Индуктивное сопротивление трансформатора определяется выражением

Х_т = ωw²₂/R_м,

где R_м — сопротивление цепи на пути потоков рассеяния; ω — угловая частота переменного тока.

В промышленных трансформаторах для дуговой сварки Х_т регулируют в основном изменением сопротивления на пути потоков рассеяния. Это достигается следующими способами: раздвижением катушек по высоте магнитопровода; введением в окно магнитопровода подвижных шунтов; размещением в окне магнитопровода управляемых магнитных шунтов и др.
Широкое распространение для дуговой сварки получили трансформаторы с увеличенной и регулируемой индуктивностью (рис. 18.8). При работе трансформаторов с увеличенным магнитным рассеянием на первичную и вторичную катушку действуют знакопеременные электродинамические силы.

Рис. 18.8. Электромагнитные схемы трансформаторов с увеличенным магнитным рассеянием:
а — с раздвижными катушками типа ТД; б — с подвижными шунтами типа СТШ; в - с управляемыми шунтами типа ТДФ

Эти силы, приводящие к значительной вибрации элементов, пропорциональны квадрату силы тока. Трансформаторы с подвижными катушками и подвижными шунтами уступают в надежности трансформаторам с неподвижными катушками и неподвижным этого, трансформаторы с на небольшие   силы  тока управляемым шунтом. Исходя из подвижными элементами выпускают обычно до 500 А. Более мощные трансформаторы выпускают с магнитными управляемыми шунтами. Настройка трансформатора на заданный режим работы производится раздвижением катушек, изменением положения шунта в окне магнитопровода или его подмагничиванием (рис. 18.9, б).

Рис 18.9. Трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием: а -  внешние вольт-амперные характеристики; б -регулировочные зависимости