Намагничивание сердечника трансформатора кратко

Обновлено: 04.07.2024

Снятие характеристик намагничивания сердечников трансформаторов тока производится до номинального тока, если для этого не потребуется напряжения выше 220 В. При наличии у обмоток ответвлений характеристика снимается на одном из ответвлений. Характеристика не должна существенно отличаться от характеристик однотипных исправных трансформаторов. [4]

Нелинейный характер кривой намагничивания сердечника трансформатора тока определяет переменный характер его погрешностей. Легко показать зависимость погрешностей трансформатора тока от магнитной проницаемости сердечника. [5]

Существенными недостатками однополупериодных выпрямителей являются намагничивание сердечника трансформатора постоянной составляющей тока, высокое обратное напряжение на диоде и высокий уровень пульсаций выпрямленного напряжения. Однополупериодные выпрямители применяют в основном в системах электропитания электронно-лучевых трубок и для зарядки аккумуляторов. [6]

На рис. 13.2 представлены идеальная кривая / намагничивания сердечника трансформатора ( без магнитных потерь), петля гистерезиса его 2 и 3 и кривые 4 и 5 намагничивающего тока во времени. [8]

Отклонения от точной пропорциональности происходят вследствие нелинейности кривой намагничивания сердечника трансформатора . Но так как амплитуды высших гармонических намагничивающих сил значительно меньше амплитуды первой гармонической, процессы, связанные с появлением высших гармонических, протекают в пределах почти прямолинейной части кривой намагничивания. [9]

Для уменьшения нелинейных искажений, вносимых нелинейностью характеристики намагничивания сердечника трансформатора , ограничивают индукцию в сердечнике при максимальном сигнале и низшей рабочей частоте, а также увеличивают индуктивность первичной обмотки трансформатора, что уменьшает его ток намагничивания. [10]

Для уменьшения нелинейных искажений, вносимых нелинейностью характеристики намагничивания сердечника трансформатора , ограничивают индукцию в сердечнлке при максимальном сигнале и низшей рабочей частоте, а также увеличивают индуктивность первичной обмотки трансформатора, что уменьшает его ток намагничивания. [11]

Величина и форма кривой тока / определяется характеристикой намагничивания сердечника трансформатора тока и падением напряжения и на сопротивлении вторичной обмотки и сопротивлении нагрузки гн. [13]

Этот ток протекает через вторичную обмотку трансформатора, вызывая намагничивание сердечника трансформатора и увеличивая его намагничивающий ток. [14]

Реактивные потери холостого хода Л7х - х, обусловленные намагничиванием сердечника трансформатора . [15]

Вопрос-ответ

В энергосистеме при подключении силового трансформатора к напряжению, а также при восстановлении рабочих параметров цепи после отключения оборудования на режиме короткого замыкания в питающей устройство обмотке возникает резкий толчок. Это явление получило название тока намагничивания трансформатора. Он имеет затухающий характер, а его максимальная величина превышает номинальный параметр, что необходимо учитывать при проектировании схем защиты оборудования.

Понятие намагничивающего тока

Внезапное возрастание, то есть бросок тока намагничивания (БТН), объясняется насыщением сердечника магнитной индукцией. Трансформаторы динамически устойчивы к броскам благодаря изготовлению обмоток с учетом больших по кратности токов, как правило, возникающих при замыканиях накоротко. В среднем намагничивающий ток превышает номинальное значение прибора в 6-8 раз.

Рис. 1. Условия появления БТН

В режиме короткого замыкания напряжение силового агрегата характеризуется предельным понижением до нуля, а после отключения зоны повреждения устанавливается на зажимах устройства скачкообразно.

Восстановление магнитного потока происходит неравномерно и не сразу, что обуславливает возникновение переходного процесса, в течение которого образуются два потока – установившийся Ф_У и свободный Ф_СВ. Для определения общего значения используется формула:

В точке отсчета, характеризующей начальный момент времени при t = 0, Ф_ТО также приравнивается к нулю, поэтому справедливым представляется равенство Ф_СВ = – Ф_У. Знаки полярности магнитных потоков совпадают во втором полупериоде, и, соответственно, результирующая величина достигает пикового максимума (Ф_Тмакс).

Рис. 2. Магнитные потоки в сердечнике под нагрузкой

Схематически наблюдается отставание Ф_У от U_Т на 90 градусов, что говорит о зависимости Ф_СВ и Ф_Тмакс от фазы напряжения. Данные величины достигают наибольших значений при включении – в момент прохождения U_Т через ноль. Если не брать во внимание постепенное затухание, Ф_Тмакс ≈ 2Ф_У. Но пиковая величина потока может быть и выше, когда в толще сердечника присутствует остаточное намагничивание Ф_ост, по знаку совпадающее с Ф_СВ.

Сердечник насыщается при значениях потоков, приближенных к 2Ф_У, вызывая резкий бросок I_нам. Ток намагничивания образуется только в той обмотке цепи, на которую подается напряжение при включении. Он преобразуется через защитное устройство и поступает на реле, заставляя его срабатывать при соблюдении неравенства I_нам > I_с.з..

Почему происходит бросок при включении

Кратковременный скачок характеризуется броском намагничивающего тока трансформатора (БТН). Его значения на одном и том же приборе могут отличаться по величине при разных включениях. Причиной образования БТН в силовых устройствах является внезапное изменение уровня напряжения намагничивания. Помимо нагрузки, передаваемой на обмотку, скачок может быть вызван и другими причинами:

внешнее короткое замыкание (КЗ);
восстановление напряжения в контуре;
преобразование КЗ;
несинхронное подключение генератора.

Ток намагничивания вносит дисбаланс на выводах трансформатора. Защита прибора воспринимает БТН как дифференциальный ток. Но чтобы она корректно выполняла свое назначение, система должна эффективно функционировать и отстраиваться с учетом БТН путем включения в цепь таких вспомогательных устройств, как промежуточные трансформаторы.

Чтобы скачки не повлияли на эксплуатационный ресурс службы агрегата, нежелательно допускать отключение трансформатора в результате бросков.

При включении обмотки на полную нагрузку вследствие асинхронного распределения мощности и переходных волновых процессов возникает высокое перенапряжение, способное вызвать внутреннее короткое замыкание.

Важно! Перенапряжения по причине БТН являются безопасными только при правильной организации дифференциальной защиты системы.

Как происходит процесс

При подаче нагрузки намагничивание прибора из-за включения рассматривается как негативное явление, способное спровоцировать БТН максимальной амплитуды. При отключении ток намагничивания сокращается до нулевой отметки, а магнитная индукция корректируется в зависимости от степени намагничивания стального сердечника, в результате чего в магнитопроводе сохраняется остаточная индукция.

Если через время повторить включение токопреобразующего устройства под напряжение, подчиненное синусоидальному закону изменения, магнитная индукция меняется со смещением остаточной величины до 90% от номинального значения. В результате возникает высокая амплитуда намагничивания и изменение формы кривой.

Рис. 3. Кривая БНТ классического типа

Пик тока может быть выше номинального значения для высокомощных агрегатов в 10-15 раз, а для приборов мощностью (

Бросок тока намагничивания трансформатора — это кратковременный ток намагничивания трансформатора, превышающий номинальный ток нагрузки, возникающий при включении трансформатора (автотрансформатора) под напряжение или при его восстановлении. При этом, бросок тока намагничивания раз от раза может отличаться на одном и том же трансформаторе, так как имеет значение вектор и величина напряжения, подаваемая на обмотку трансформатора при включении коммутационного аппарата.

Понятие намагничивающего тока

Рис. 1. Условия появления БТН

Восстановление магнитного потока происходит неравномерно и не сразу, что обуславливает возникновение переходного процесса, в течение которого образуются два потока – установившийся ФУ и свободный ФСВ. Для определения общего значения используется формула:

В точке отсчета, характеризующей начальный момент времени при t = 0, ФТО также приравнивается к нулю, поэтому справедливым представляется равенство ФСВ = – ФУ. Знаки полярности магнитных потоков совпадают во втором полупериоде, и, соответственно, результирующая величина достигает пикового максимума (ФТмакс).

Рис. 2. Магнитные потоки в сердечнике под нагрузкой

Схематически наблюдается отставание ФУ от UТ на 90 градусов, что говорит о зависимости ФСВ и ФТмакс от фазы напряжения. Данные величины достигают наибольших значений при включении – в момент прохождения UТ через ноль. Если не брать во внимание постепенное затухание, ФТмакс ≈ 2ФУ. Но пиковая величина потока может быть и выше, когда в толще сердечника присутствует остаточное намагничивание Фост, по знаку совпадающее с ФСВ.

ФТмакс = (2ФУ + Фост)> 2ФУ

Сердечник насыщается при значениях потоков, приближенных к 2ФУ, вызывая резкий бросок Iнам. Ток намагничивания образуется только в той обмотке цепи, на которую подается напряжение при включении. Он преобразуется через защитное устройство и поступает на реле, заставляя его срабатывать при соблюдении неравенства Iнам > Iс.з..

Влияние гармоник и бросков тока намагничивания на ДЗТ трансформаторов

Отстройка дифференциальной защиты силового трансформатора от бросков тока намагничивания (БТН) — это одна из сложнейших проблем при разработке алгоритма ее функционирования. Эта проблема заключается в том, что ток намагничивания потребляется внутри зоны защиты, вследствие чего режим БТН имеет много общего с режимом внутреннего короткого замыкания (КЗ). Искажения вторичных токов вследствие насыщения трансформаторов тока (ТТ) во время переходных процессов существенно усугубляют проблему. Поэтому алгоритмы функционирования дифзащит трансформаторов должны предусматривать специальные средства, выявляющие в дифференциальном токе отличительные признаки качественного характера. Считается, что в дифференциальном токе в режиме БТН высшие гармонические составляющие содержатся в большей степени, чем при внутренних КЗ.

Поэтому нашло широкое распространение торможение гармоническими составляющими дифференциального тока (преимущественно второй гармоникой) в качестве средства отстройки дифзащит трансформаторов от БТН.

Пригодность такого средства отстройки обосновывается результатами гармонического анализа дифференциального тока в режиме БТН с учетом искажений, о которых имеются публикации.

Однако публикации о гармоническом анализе дифференциальных токов при внутренних КЗ, причем именно искаженных токов вследствие насыщения ТТ, практически отсутствуют. Поэтому целью настоящей работы является исследование гармонических слагающих дифференциального тока и, как следствие, оценка эффективности самых распространенных способов отстройки от БТН.

Принципы торможения высшими гармониками можно разделить на две группы: торможение величиной (амплитудой) высшей гармонической составляющей и торможение коэффициентом гармоники (относительной гармоникой). Под коэффициентом гармоники понимается отношение амплитуды высшей гармоники к амплитуде первой гармоники; это отношение обычно выражается в процентах. Основным недостатком торможения величинами высших гармоник является то, что при изменении величины токового сигнала при одном и том же режиме изменяются и величины гармонических слагающих. При искажении дифференциального тока вследствие насыщения ТТ резко изменяется его форма, а значит, и его спектр. В этом отношении коэффициент гармоник имеет преимущество перед их амплитудами, заключающееся в следующем. С изменением токового сигнала по величине, а может даже и по форме, в каком-либо одном режиме величины гармонических слагающих изменяются в какой-то мере пропорционально друг другу. Значит, коэффициенты гармоник в этом режиме претерпят значительно меньшие изменения, чем просто величины гармонических слагающих.

Во многих современных цифровых защитах силовых трансформаторов отстройка от БТН основывается именно на использовании коэффициентов гармоник, а не просто их величин. В литературе и технических описаниях дифференциальных защит трансформаторов, как правило, не приводится точного описания способов отстройки реле от БТН с помощью торможения высшими гармониками. Максимум, что в редких случаях указывается, это величины коэффициентов гармоник, по которым следует отличать внутреннее от БТН. Например, в защите, описанной в, в качестве такой уставки принято значение коэффициента второй гармоники 17,7 %, в защитах RET316 и RET521 — 12 %, в цифровой защите ШЭ1111 фирмы ЭКРА — 10 %. Но кроме самих коэффициентов гармоник очень важным фактором в эффективности отстройки дифзащиты оказывается способ выделения гармонических слагающих.

В работе проведено сопоставление многих применяемых способов, и в ней указывается, что дискретное преобразование Фурье является самым точным и самым эффективным для отстройки дифзащиты трансформатора от БТН.

Приведенные значения коэффициентов высших гармоник, выявленных методом преобразования Фурье, для различных искаженных кривых дифференциального тока в режиме БТН.

Значения коэффициентов гармоник для приведенных случаев БТН лежат в очень широких пределах: постоянная слагающая — от 4 до 73 %; вторая гармоника — от 17 до 102 %; третья гармоника — от 1 до 39 %.

Начальные условия для этого случая принимались следующими:

Величины относительных гармонических слагающих в процентах указаны в табл. 1 и 2. Здесь продемонстрированы такие случаи внутренних КЗ, при которых коэффициенты второй гармоники оказываются наибольшими, хотя не максимально возможными.

Более высокие значения относительной второй гармоники могут наблюдаться при гораздо менее вероятных искажениях вторичных токов, а приведенные примеры искаженных токов являются наиболее характерными.

Следует отметить, что в обоих приведенных случаях в фазе В ток практически не искажается, кроме того, первичный ток не содержит апериодической слагающей, поэтому коэффициенты высших гармоник в ней составляют единицы процентов и приводить их точные значения не имеет смысла.

При таких обстоятельствах в режиме БТН вторая гармоника может оказываться больше, чем при внутренних КЗ. Но из таблиц 1 и 2 видно, что при внутренних относительная вторая гармоника уже в первом периоде может существенно превышать принятые в защитах трансформаторов уставки.

В таких случаях внутренних возможны задержки в срабатывании защит, поскольку в самом начале переходного процесса возможно неверное распознавание режима работы защищаемого трансформатора. Во втором и последующих периодах насыщение ТТ усиливается, что влечет к увеличению высших гармонических слагающих, а вследствие этого задержка в срабатывании защиты будет продолжаться.

Наоборот, в случае апериодического БТН, при отсутствии искажений в дифференциальном токе во время первого и второго периодов, относительная вторая гармоника может быть на уровне 14-15% (см. табл. 3, фаза А), что может оказаться только лишь на уровне или даже ниже уставки.

Относительные значения третьей и четвертой гармоник при БТН оказываются несколько большими, чем при внутренних КЗ, но провести четкую границу по их значениям между этими двумя режимами также очень сложно. Относительные значения пятой и шестой гармоник как при внутренних КЗ, так и при БТН составляют единицы процентов, поэтому они также не представляют никакой ценности для отстройки от БТН. В заключение можно констатировать низкую эффективность любых способов отстройки от БТН, которые используют высшие гармонические слагающие.

Низкая эффективность таких способов также указывается в работе.

Если гармонические слагающие выделяются из выпрямленного дифференциального тока или из его производной по времени, то такой подход вносит дополнительные сложности и дополнительно снижает устойчивость функционирования дифференциальной защиты трансформатора.

Автор: Купарев Михаил Анатольевич, к.т.н., доцент Новосибирского государственного технического университета.

Почему происходит бросок при включении

внешнее короткое замыкание (КЗ);
восстановление напряжения в контуре;
преобразование КЗ;
несинхронное подключение генератора.

Чтобы скачки не повлияли на эксплуатационный ресурс службы агрегата, нежелательно допускать отключение трансформатора в результате бросков.

Содержание / Contents

1 Что плохого в этом подмагничивании?
2 Теперь по поводу тороидальных трансформаторов
3 Выводы:

Общение на радиолюбительских форумах показало, что все сводится (я немного упрощаю) к двум позициям:
1. Постоянка присутствует исключительно в схеме выпрямителя со средней точкой:

Если же у трансформатора две вторички, каждая из которых имеет свой выпрямитель:

то никакого подмагничивания не случится.

2. Применять тороидальные трансформаторы опасно, т.к. из-за отсутствия зазора в сердечнике подмагничивание сказывается на них очень сильно. Поэтому мощность трансформатора надо выбирать раза в два больше, чем нужно.

Я проанализировал работу трансформатора в таком режиме (теоретически и экспериментально), но несколько сомневался в своих результатах. Поэтому я связался по электронной почте с автором статьи Константином Никитиным, доктором технических наук, профессором, заведующим кафедрой Силовой электроники в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. Бонч-Бруевича.

1. При усилении синусоидального сигнала частотой 25 Гц возникает подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током, вызывающим насыщение сердечника. Физическая причина подмагничивания при работе выпрямительно-трансформаторной схемы на усилитель проста: усилитель потребляет не постоянный ток, а сигнал с частотой, равной удвоенной частоте усиления. Следовательно, вполне возможны ситуации, когда условия работы трансформатора от периода к периоду сетевой частоты будут существенно разниться. Так как в штатной ситуации трансформатор подводится к насыщению исключительно током холостого хода (рабочие токи обмоток создают равные и противоположные потоки), то достаточно минимального, соизмеримого с током холостого хода (в пересчете на первичную обмотку), тока подмагничивания – и авария обеспечена.

2. Такое подмагничивание характерно для усилителей, выходной каскад которых работает в классе В или АВ и отсутствует у усилителей, выходной каскад которых работает в классе А.

3. На практике частота сигнала не обязательно должна быть именно 25 Гц – трансформатору для насыщения хватает и не нулевой (но достаточно малой) частоты подмагничивания.

4. Подмагничивание происходит как в схеме выпрямителя со средней точкой и одним общим диодным мостом, так и в схеме с отдельными обмотками трансформатора и отдельными мостами в каждом плече. С точки зрения подмагничивания схемы не эквивалентны, но оно есть везде.

Как происходит процесс

Рис. 3. Кривая БНТ классического типа

Содержание / Contents

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации

🌼 Полезные и проверенные железяки, можно брать

Опробовано в лаборатории редакции или читателями.

Общение на радиолюбительских форумах показало, что все сводится (я немного упрощаю) к двум позициям:

1. Постоянка присутствует исключительно в схеме выпрямителя со средней точкой:

то никакого подмагничивания не случится.

↑ Что плохого в этом подмагничивании?

Плохо то, что трансформатор работает на переменном токе и не работает на постоянном. Поэтому, если на переменном токе ток вторичной обмотки компенсируется током первичной, то на постоянном такой компенсации не происходит. И постоянный ток дополнительно намагничивает сердечник трансформатора, который и без того уже намагничен под завязку. Ток первичной обмотки при этом сильно повышается, обмотка сильно нагревается. Хорошо, если сгорит предохранитель в первичной обмотке, а не сама обмотка.

↑ Теперь по поводу тороидальных трансформаторов

Мощность трансформатора никак не связана с сопротивляемостью подмагничиванию, поэтому увеличение мощности практически ничего не даст. Как и величина сопротивления обмоток. Отсутствие зазора в сердечнике ситуацию ухудшает, но не так сильно, как обычно считают – в броневых и стержневых трансформаторах зазор достаточно мал, и в реальности разница между таким маленьким зазором и его полным отсутствием малозаметна.
Гораздо лучшие результаты дает снижение рабочей индукции трансформатора, правда это тоже не выход.

Но на самом деле со всем этим можно не заморачиваться – на реальном сигнале если подмагничивание и произойдет, то несильно и кратковременно, так что ничего плохого не случится.
Так же, как и кратковременное наличие частоты 25 Гц при тестировании колонок свип-синусом.

↑ Выводы:

Для меня здесь важны только 2 вещи:
1. Подмагничивание постоянным током реально существует
2. В реальной работе по воспроизведению звукового сигнала об этом подмагничивании можно не беспокоиться.

Читайте также: