кз

ОПЫТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА 

Следует различать короткое замыкание в эксплуатационных условиях и опыт короткого замыкания.

Коротким замыканием трансформатора называется его режим, когда вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко. В эксплуатационных условиях короткое замыкание является аварийным режимом, при котором внутри трансформатора выделяется большое количество теплоты, способное его разрушить.

Опыт короткого замыкания выполняется при сильно пониженном до небольшого значения первичном напряжении (примерно 5—10% номинального первичного напряжения). Его значение выбирают так, чтобы ток I₁ в первичной обмотке был равен номинальному значению, несмотря на короткое замыкание вторичной обмотки. При помощи комплекта измерительных приборов (рис. 103) посредством опыта определяются напряжение U_1к, ток I_1k и мощность P_1k.

Ток I₂ при номинальном значении I₁ также будет иметь номинальное значение. Эдс Е₂ при этом опыте будет лишь покрывать внутреннее падение напряжения, т. е. E_2K = I₂z₂, а при номинальной нагрузке

₂ = ₂  + ₂

поэтому Е_2k составляет лишь несколько процентов от Е₂. Малой эдс Е₂ соответствует малый основной магнитный поток. Потери энергии в магнитопроводе пропорциональны квадрату магнитного потока, поэтому при опыте короткого замыкания они незначительны. Но в обеих обмотках при этом опыте токи имеют номинальные значения, поэтому потери энергии в обмотках такие же, как и при номинальной нагрузке. Следовательно, мощность Р_1к, получаемая трансформатором из сети при опыте короткого замыкания, затрачивается на потери энергии в проводах обмоток:

P_1K=I²₁r₁+I²₂r₂.                 

Схема включения приборов при опыте короткого замыкания

 Вместе с тем на основании напряжения короткого замыкания определяется (в % к первичному напряжению) падение напряжения в трансформаторе при номинальной нагрузке. По этим соображениям напряжение короткого замыкания (при короткозамкнутой обмотке низшего напряжения) всегда указывается на щитке трансформатора.

Режим короткого замыкания

Как известно, в режиме нагрузки вторичная обмотка трансформатора включается на сопротивление приемников. Во вторичной цепи устанавливается ток, пропорциональный нагрузке трансформатора. При питании большого числа приемников нередки случаи, когда нарушается изоляция соединительных проводов. Если в местах повреждения изоляции произойдет соприкосновение проводов, питающих приемники, то возникнет режим, называемый коротким замыканием (к. з.) участка цепи. Если соединительные провода, идущие от обмотки, замкнутся где-то в точках а и б, расположенных до приемника энергии (рисунок 1), то возникнет короткое замыкание вторичной обмотки трансформатора. В этом режиме вторичная обмотка окажется замкнутой накоротко. При этом она будет продолжать получать энергию из первичной обмотки и отдавать ее во вторичную цепь, которая состоит теперь только из обмотки и части соединительных проводов. 1 — первичная обмотка; 2 — вторичная обмотка; 3 — магнитопровод Рисунок 1 - Короткое замыкание на выводах вторичной обмотки трансформатора На первый взгляд кажется, что при коротком замыкании трансформатор должен неизбежно разрушиться, так как сопротивление r₂ обмотки и соединительных проводов в десятки раз меньше сопротивления r приемника. Если допустить, что сопротивление r нагрузки хотя бы в 100 раз больше r₂, то и ток короткого замыкания I_2кдолжен быть в 100 раз больше тока I₂ при нормальной работе трансформатора. Так как первичный ток также возрастает в 100 раз (I₁ω₁ = I₂ω₂), потери в обмотках трансформатора резко увеличатся, а именно в 100² раз (I²r), т. е. в 10000 раз. При этих условиях температура обмоток за 1—2 с достигнет 500—600° С и они быстро сгорят. Кроме того, при работе трансформатора между обмотками всегда существуют механические усилия, стремящиеся раздвинуть обмотку в радиальном и осевом направлениях. Эти усилия пропорциональны произведению токов I₁ I₂ в обмотках, и если при коротком замыкании каждый из токов I₁ и I₂увеличится, например, в 100 раз, то и усилия увеличатся в 10000 раз. Их величина при этом достигнет сотен тонн и обмотки трансформатора должны были бы мгновенно разрушиться. Однако на практике этого не происходит. Трансформаторы выдерживают, как правило, короткие замыкания в те весьма малые промежутки времени, пока защита не отключит их от сети. При коротком замыкании резко проявляется действие какого-то дополнительного сопротивления, ограничивающего ток короткого замыкания в обмотках. Это сопротивление связано с магнитными потоками рассеяния Ф_Р1 и Ф_Р2, которые ответвляются от основного потока Ф₀ и замыкаются каждый вокруг части витков «своей» обмотки 1 или 2 (рисунок 2). 1 — первичная обмотка; 2 — вторичная обмотка; 3 — общая ось обмоток и стержня трансформатора; 4 — магнитопровод; 5 — главный канал рассеяния Рисунок 2 - Потоки рассеяния и концентрическое расположение обмоток трансформатора Непосредственно измерять величину рассеяния очень трудно: слишком разнообразны пути, по которым могут замыкаться эти потоки. Поэтому на практике рассеяние оценивают по влиянию, которое оно оказывает на напряжение и токи в обмотках. Очевидно, что потоки рассеяния возрастают с увеличением тока, протекающего в обмотках. Очевидно также, что при нормальной работе трансформатора поток рассеяния составляет сравнительно небольшую долю основного потока Ф₀. Действительно, поток рассеяния сцеплен только с частью витков, основной поток — со всеми витками. Кроме того, поток рассеяния большую часть пути вынужден проходить по воздуху, магнитная проницаемость которого принята за единицу, т. е. она в сотни раз меньше магнитной проницаемости стали, по которой замыкается поток Ф₀. Все это справедливо как для нормальной работы, так и для режима короткого замыкания трансформатора. Однако поскольку потоки рассеяния определяются токами в обмотках, а в режиме короткого замыкания токи увеличиваются в сотни раз, то во столько же увеличиваются и потоки Ф_р; при этом они значительно превосходят поток Ф₀. Потоки рассеяния индуктируют в обмотках эдс самоиндукции Е_p1 и Е_р2, направленные против тока. Противодействие, например, эдс Е_р2 можно считать некоторым дополнительным сопротивлением в цепи вторичной обмотки при ее коротком замыкании. Это сопротивление называют реактивным. Для вторичной обмотки справедливо уравнение Е₂ = U₂ + I₂r₂ + (-E_p2). В режиме короткого замыкания U₂=0 и уравнение преобразуется следующим образом: E₂ = I_2Kr_2K + (-E_p2K), или E₂ = I_2Kr_2K + I_2Kх_2K, где индекс «к» относится к сопротивлениям и токам в режиме короткого замыкания; I_2Kх_2K — индуктивное падение напряжения в режиме короткого замыкания, равное но величине E_p2K; х_2K — реактивное сопротивление вторичной обмотки. Опыт показывает, что в зависимости от мощности трансформатора сопротивление х₂ в 5—10 раз больше r₂. Поэтому в действительности ток I_2K не в 100, а лишь в 10—20 раз будет больше тока I₂ при нормальной работе трансформатора (активным сопротивлением из-за его малой величины пренебрегаем). Следовательно, в действительности потери в обмотках увеличатся не в 10000, а только в 100—400 раз; температура обмоток за время короткого замыкания (несколько секунд) едва достигнет 150—200° С и в трансформаторе за это малое время не возникнет никаких серьезных повреждений. Итак, благодаря рассеянию трансформатор способен сам защищаться от токов короткого замыкания. Все рассмотренные явления происходят при коротком замыкании на зажимах (вводах) вторичной обмотки (см. точки а и б на рисунке 1). Это — аварийный режим работы для большинства силовых трансформаторов и возникает он, конечно, не каждый день или даже не каждый год. За время работы (15—20 лет) трансформатор может иметь всего несколько столь тяжелых коротких замыканий. Тем не менее, он должен быть так спроектирован и изготовлен, чтобы они не разрушили его и не привели к аварии. Надо четко представлять себе явления, происходящие в трансформаторе при коротком замыкании, сознательно собирать наиболее ответственные узлы его конструкции. В этом отношении весьма существенную роль играет одна из важнейших характеристик трансформатора — напряжение короткого замыкания.

Определение параметров траснформатора

 Совершенно случайно читателю в руки может попасть старый выходной трансформатор, который, судя по внешнему виду, должен обладать неплохими характеристиками, однако полностью отсутствует информация, что же все-таки скрывается внутри его. К счастью, можно достаточно просто идентифицировать параметры старого выходного трансформатора, имея в распоряжении только цифровой универсальный вольтметр, так как их проектирование всегда следует строго определенным правилам.

Перед тем как приступать к проверке, необходимо зарисовать схему всех имеющихся на трансформаторе внешних соединений и перемычек, а затем удалить их. (Использование цифрового фотоаппарата для этих целей оказывается весьма плодотворным.) Несомненно, первичная обмотка должна иметь отвод от средней точки, чтобы обеспечить возможность использования трансформатора в двухтактной схеме, также на этой обмотке могут быть дополнительные отводы для обеспечения ультралинейного режима работы. Как правило, сопротивление обмотки на постоянном токе, замеряемое омметром между крайними точками обмотки, будет составлять максимальное значение сопротивления среди всех полученных значений и может колебаться от 100 до 300 Ом. Если обнаружена обмотка с подобным значением сопротивления, то, практически во всех случаях, можно считать, что идентифицированы клеммы трансформатора А₁ и А₂ соответствующие крайним точкам первичной обмотки.

У трансформаторов высокого качества первичная обмотка наматывается симметрично, то есть сопротивления между крайними выводами А₁ и А₂ и средней точкой высоковольтной обмотки всегда равны, поэтому следующим шагом является определение вывода, для которого сопротивление между ним и выводами А₁ и А₂ было бы равным половине сопротивления между крайними точками первичной обмотки. Однако более дешевые модели трансформаторов могут оказаться изготовленными не столь тщательно, поэтому сопротивления между двумя половинами обмотки могут не оказаться абсолютно равными между собой.

Так как для изготовления первичной обмотки трансформатора без всяких исключений используется провод одного сечения, то отвод, который расположен на витке, составляющем 20% от общего количества витков между центральным высоковольтным отводом и выводом А₁ либо А₂, (конфигурация для отбора полной мощности усилителя), будет иметь и сопротивление, составляющее 20% от величины сопротивления между крайним выводом А₁ или А₂ и центральным отводом первичной обмотки. Если же трансформатор был предназначен для усилителя более высокого качества, то наиболее вероятным расположением этого отвода будет виток, соответствующий 47% сопротивления между этими же точками (конфигурация усилителя мощности, обеспечивающая минимальные искажения).

Вторичная обмотка, скорее всего, также будет иметь четное число выводов, либо будет иметь один отвод. Следует помнить, что в эпоху расцвета электронных ламп сопротивления громкоговорителей составляли либо 15 Ом (громкоговорители высшего качества), либо 4 Ом, поэтому параметры выходных трансформаторов были оптимизированы для этих значений импедансов.

Наиболее распространенным вариантом является использование двух идентичных секций, в которых обмотки используются последовательно включенными для сопротивления громкоговорителей 15 Ом, либо параллельно для сопротивлений 4 Ом (в действительности, 3,75 Ом). Если после того, как определена первичная обмотка трансформатора, обнаружены две обмотки, имеющие сопротивления по постоянному току порядка 0,7 Ом каждая, то, скорее всего, имеется стандартный образец трансформатора.

В трансформаторах высокого качества вышеизложенная идея получила свое дальнейшее развитие, когда вторичную обмотку представляют четыре идентичные секции. Включенные последовательно, они используются для согласования с нагрузкой 15 Ом, однако, будучи все включенными параллельно, они согласуют нагрузку 1 Ом. Это связано не с тем, что были доступны громкоговорители с импедансом 1 Ом (эпоха создания плохих по качеству кроссоверов пока еще не наступила), а с тем, что большая степень секционирования обмотки позволяла получить трансформатор более высокого качества. Поэтому следует искать четыре обмотки с приблизительно одинаковыми сопротивлениями по постоянному току и равными по величине примерно 0,3 Ом. Также необходимо иметь в виду, что помимо того, что контактное сопротивление зонда может составить очень значительную долю при проведении измерений очень малых сопротивлений (что вызывает настоятельную необходимость иметь не только чистый, но и надежный контакт), но также и то, что обычный 41/2 разрядный цифровой вольтметр не обеспечивает достаточной точности при измерениях таких малых значений сопротивлений, поэтому зачастую приходится строить догадки и предположения.

Если после идентификации первичной обмотки установлено, что все остающиеся обмотки оказываются соединенными вместе, то в наличии имеется вторичная обмотка с отводами, наибольшая величина сопротивления которой измеряется между выводами 0 Ом и (допустим) 16 Ом. При условии, что отсутствует отвод обмотки, согласующий сопротивление 8 Ом, то наименьшие значения сопротивления по постоянному току от любого из этих выводов будет являться отводом 4 Ом, а точка с сопротивлением 0 Ом окажется ближайшей к отводу 4 Ом (как правило, во вторичных обмотках с межвитковыми отводами стремятся использовать для отвода 4 Ом более толстый провод). Если же следует ожидать наличия отвода 8 Ом, то идентифицировать отводы следует с использованием метода измерений на переменном токе, который будет описан ниже.

Если назначение некоторых обмоток не удается определить, то, вероятнее всего, они предназначены для обратной связи, возможно действующей на катоды индивидуальных выходных ламп, либо для организации межкаскадной обратной связи.

В любом случае их более точная идентификация может быть проведена позже, так как следующим шагом будет определение коэффициента трансформации, а затем по полученным результатам определение импеданса первичной обмотки трансформатора.

Внимание. Несмотря на то, что при точном выполнении нижеприведенных измерений они не должны представлять опасности для сохранности выходного трансформатора, на выводах трансформатора могут возникнуть представляющие опасность для жизни человека напряжения. Поэтому, если возникают любого рода сомнения относительно имеющегося профессионального опыта, необходимого для выполнения описанных ниже измерений, то следует сразу отказаться от попыток их выполнения.

Выходные трансформаторы ламповых схем предназначены для снижения напряжения с нескольких сотен вольт до десятка вольт в частотном диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, поэтому приложение сетевого напряжения к выводам первичной обмотки А₁ и А₂ не представляет для трансформатора никакой угрозы. При условии, что выводы А₁ и А₂ были определены правильно, следует подать сетевое напряжение непосредственно на выводы А₁ и А₂ и измерить напряжение на вторичной обмотке, чтобы определить коэффициент трансформации (или отношение количества витков первичной и вторичной обмоток). Строго говоря, в целях безопасности рекомендуется подавать не сетевое напряжение, а пониженное напряжение от ЛАТРа.

Тестирование трансформатора следует выполнять в следующем порядке:

• установите в сетевой шнур предохранитель с наименьшим из имеющихся значением тока плавкой вставки, например, предохранитель, рассчитанный на ток 3 А, окажется достаточным, но использование предохранителя на 1 А будет предпочтительнее;

• присоедините к сетевой вилке (желательно с заземляющим контактом) три коротких гибких провода. В силу очевидных причин они получили название «провода самоубийцы» и поэтому, когда не используются, должны храниться отдельно и под замком;

• припаяйте луженый наконечник на конец провода, помеченного ярлыком «земля», и привинтите наконечник к металлическому шасси трансформатора, используя специальные зазубренные шайбы, обеспечивающие очень хороший электрический контакт;

• припаяйте фазный провод к выводу А₁, а провод нейтрали (нуля) к выводу А₂;

• убедитесь, что положение всех соединительных перемычек на вторичной об мотке зарисовано, после чего они все удалены;

• установите вид измерений цифрового вольтметра «переменное напряжение» и подключите его к выводам вторичной обмотки;

• убедившись, что шкала прибора находится в пределах видимости, включите в розетку сетевую вилку. Если на приборе сразу же не появятся результаты измерений, выдернете вилку из розетки. Если прибор фиксирует наличие на-

пряжения во вторичной обмотке, величину которого можно определить, дождитесь стабилизации показаний прибора, запишите полученный результат, выключите сетевое питание и отключите вилку от сетевой розетки;

• проверьте величину сетевого напряжения, для этого подключите цифровой вольтметр к выводам А₁ и А₂ трансформатора и включите повторно сетевое напряжение. Спишите показания прибора.

После этого можно определить коэффициент трансформации «N», используя следующее простое соотношение между напряжениями:

На первый взгляд эта процедура не покажется очень значительной, но следует помнить, что импедансы пропорциональны квадрату коэффициента трансформации, N², следовательно, зная величину N можно определить импеданс первичной обмотки, так как уже известен импеданс вторичной.Из всех многочисленных проводов у трансформатора имеется пять проводов, которые оказались электрически соединенными между собой (результаты были получены, когда проводились измерения электрического сопротивления с использованием цифрового тестера). Максимальное значение сопротивления между двумя проводами составляет 236 Ом, следовательно, выводы этих проводом могут быть помечены как А₁ и А₂. После того, как одни щуп цифрового тестера оставался подключенным к выводу А₁, было обнаружен второй провод, имеющий сопротивление 110 Ом. Полученное значение достаточно близко к значению сопротивления 118 Ом, чтобы эта точка могла оказаться выводом от центральной точки первичной обмотки трансформатора. Поэтому данную обмотку можно идентифицировать, как высоковольтную обмотку трансформатора. После этого следует переместить один из щупов цифрового тестера к среднему отводу высоковольтной обмотки и измерить сопротивления относительно двух оставшихся выводов. Значение сопротивления для одного вывода составило 29 Ом, а для второго было равно 32 Ом. Учитывая, что (29 Ом : 110 Ом) = 0,26, а (32 Ом: 118 Ом) = 0,27, можно с достаточной уверенностью предположить, что эти выводы используются в качестве ультралинейных отводов для получения максимальной мощности (то есть составляют примерно 20% обмотки). Один из выводов, для которого сопротивление относительно вывода А, имеет меньшее значение, представляет отвод к сетке 2 лампы V₁, g_2(V1) а второй отвод — к сетке 2 лампыV₂, g_2(V2) (рис. 5.23).

Вторичная обмотка имеет только две секции, поэтому, скорее всего, они предназначены для подключения нагрузки 4 Ом. Это предположение затем подтверждается измерениями сопротивлений обмоток секций, для первой из них оно составило 0,6 Ом, а для второй 0,8 Ом, что совпадает с типичными значениями для обмоток, предназначенных для согласования нагрузок 4 Ом.

Рис. 5.23 Идентификация обмоток трансформатора с неизвестными параметрами

При подключении трансформатора к сети было зафиксировано сетевое переменное напряжение 252 В, а напряжение на вторичных обмотках составляло 5,60 В. Подставляя полученные значения в формулу для расчета коэффициента трансформации, получим:

Импедансы обмоток изменяются пропорционально N², поэтому отношение импедансов первичной обмотки к импедансу вторичной составляет 45² = 2025. Так как напряжение на вторичной обмотке измерялось на секции 4 Ом, импеданс первичной обмотки должен составлять (2025 х 4 Ом) = 8100 Ом. Такой результат является вполне допустимым, так как измерения с использованием сетевого напряжения 252 В и частотой 50 Гц могли сдвинуть рабочую точку ближе к области насыщения, что привело к погрешностям определения параметров, Поэтому полученное значение можно округлить до 8 кОм.

Далее необходимо определить начало и конец обмоток каждой из секций вторичной обмотки трансформатора. Это выполняется подключением только одного провода между одной и второй секциями, включая, таким образом, обмотки секций последовательно. После подачи напряжения на первичную обмотку, получим удвоенное значение напряжения на вторичной обмотке, по сравнению с индивидуальным напряжением на каждой. То есть напряжения двух секций дополняют друг друга и следовательно, подключенными оказались конец обмотки первой секции к началу обмотки второй, поэтому можно обозначить вывод секции, где кончается соединительный провод, как « + », а другой конец, как «—». Однако в случае, если напряжение на вторичной обмотке будет отсутствовать, то это будет означать что обмотки в двух секциях включены встречно друг другу, поэтому оба вывода можно будет обозначить, либо как « + », либо как «—».

После того, как все идентичные по характеристикам секции были определены, и для них определены точки начала обмоток, могут измеряться напряжения на всех оставшихся обмотках, быть определены для них коэффициенты трансформации, либо относительно первичной обмотки, либо относительно вторичной, в зависимости от того, какой способ окажется удобнее. Начиная с этого момента наиболее удобным оказывается использование схемы с кратким пометками, так, например, получение двукратного увеличения напряжения вторичной обмотки является очень показательным, так как этот факт может означать либо наличие секции с отводом от средней точки, либо отводы 4 Ом и 16 Ом.

Основные причины выхода из строя трансформаторов, в тракте звуковых частот

Трансформаторы относятся к электронным компонентам с наиболее длительным сроком службы, достигающим 40 и более лет. Все же иногда они могут выходить из строя. Обмотки трансформатора выполняются из провода, который может выходить из строя при протекании через него слишком высоких токов, а изоляция провода может оказаться пробитой, если напряжения, приложенные к обмоткам, превысят допустимые значения.

Наиболее частым случаем, при котором отказывают выходные трансформаторы, является такой, когда он вынужден работать на усилитель в режиме перегрузки. Это может произойти в двухтактном усилителе, когда одна выходная лампа полностью отключена (например, вышла из строя), а вторая работает с явной перегрузкой. Индуктивность рассеяния той половины трансформатора, которая должна пропускать ток отключенной лампы, стремиться поддерживать ток этой половины обмотки неизменным, что влечет за собой появление значительных перенапряжений в первичной обмотке (прежде всего за счет ЭДС самоиндукции), приводящих к пробою межвитковой изоляции. Процесс изменения напряжения на индуктивной обмотке во времени, характеризуется следующим дифференциальным уравнением:

Так как при разрыве тока, его производная стремится к бесконечности di/dt ≈ ∞, возникающая ЭДС самоиндукции развивает напряжение на полуобмотке в цепи вышедшей из строя лампы, значительно превышающее значение высоковольтного источника питания, которое способно легко пробить межвитковую изоляцию.

Также пробой изоляции может быть вызван неправильными условиями эксплуатации аппаратуры. Так. например, если в трансформатор проникла влага, то изоляция (в качестве которой чаще всего используется специальная бумага) становится более проводящей, что значительно увеличивает вероятность ее пробоя.

Также существует опасность выхода из строя выходного трансформатора в случае работы усилителя на громкоговорители, сопротивление которых значительно ниже необходимого. В этом случае, при больших уровнях громкости, токи, текущие через обмотки трансформатора, могут оказаться существенно превышенными.

Еще одна специфическая проблема в ряде случаев возникает в не очень качественных усилителях, например таких, которые одно время широко применялись для электрогитар. В силу того, что скорость нарастания тока при перегрузке очень высока, а качество выходного трансформатора, используемого в усилителях для электрогитар, как правило, не очень хорошее, то высокие значения индуктивности рассеяния могут привести к возникновению таких высоких значений напряжений (эдс самоиндукции) на обмотках, что не исключается возникновение внешней электрической дуги. При этом сам трансформатор мог быть спроектирован таким образом, чтобы благополучно выдержать подобное случайное перенапряжение. Напряжение, необходимое для возникновения электрической дуги, в некоторой степени зависит от степени загрязнения пути, по которому она развивается, поэтому загрязнения (особенно проводящие) снижают это дуговое напряжение. Именно поэтому углеродные следы, остающиеся от прежних дуговых процессов, несомненно, приводят к снижению напряжения, необходимого для возникновения нового дугового процесса.