1.10. Явления, возникающие при намагничивании магнитопровода трансформатора
Зависимость между потоком Ф и намагничивающей составляющей тока холостого хода I0p в трансформаторе имеет нелинейный характер из-за насыщения магнитопровода. Поэтому пропорциональность между магнитным потоком и током нарушается, вследствие чего при синусоидальном изменении одной величины другая изменяется несинусоидально. Рассмотрим это явление в однофазных и трехфазных трансформаторах.
1.10.1. Однофазный трансформатор
Предположим, что трансформатор работает в режиме холостого хода и к его первичной обмотке подключено синусоидальное напряжение. Поток, который пропорционален напряжению то же будет изменяться по синусоидальному закону. Для нахождения кривой тока I0p воспользуемся графическим построением (рис.1.35). В первом квадранте изображена зависимость между мгновенными значениями магнитного потока и намагничивающей составляющей тока холостого хода Ф=f(I0p), которая носит название магнитной характеристики. Магнитная характеристика является основной характеристикой стали. Она снимается на постоянном токе поэтому потери в стали отсутствуют. При использовании данной характеристики на переменном токе потерями в стали пренебрегают и считают, что перемагничивание материала происходит по магнитной характеристике, а не по петле гистерезиса и, что потребляемый из сети ток является чисто реактивным. Во втором квадранте изображена синусоидальная кривая изменения магнитного потока за пол периода Ф=f(t). В четвертом квадранте построен график изменения тока во времени I0р=f(t). Последовательность построения показана стрелками. Полученная кривая I0р=f(t) несинусоидальная, она имеет заостренный характер. Аналогичный вид будет иметь кривая и для второй половины периода намагничивающего тока, т. е. зависимость I0р=f(t) симметричная относительно оси t. Поэтому, если кривую I0р=f(t) разложить на гармоники (рис. 1.36), то он будет содержать только четные гармоники (1,3,5 и т. д.). Высшие гармоники имеют частоту в раз большую, чем первая (основная) гармоника.
Рис. 1.35. Построение Формы кривой тока при синусоидальном магнитном потоке
Наиболее сильно выражена третья гармоника, амплитуда которой в трансформаторах составляет до 50% от амплитуды первой гармоники. Амплитуда гармоник зависит от насыщения сердечника: чем сильнее насыщение, тем большую амплитуду имеют высшие гармоники. При проектировании трансформаторов и электрических машин расчетную индукцию выбирают на колене характеристики намагничивания. Это обеспечивает снижение массы и стоимости трансформаторов.
Так как реактивная составляющая тока холостого хода несинусоидальная, то на векторной диаграмме откладывают эквивалентный синусоидальный ток, имеющий действующее значение
. (1.83)
Рис. 1.36. Гармоники намагничивающего тока и магнитного потока однофазного трансформатора
В реальном трансформаторе присутствует активная составляющая тока холостого хода I0а, которая имеет синусоидальную форму. При сложении мгновенных значений активного и реактивного токов результирующий ток холостого хода I0 будет иметь некоторую несимметрию относительно вертикальной оси.
В заключение следует отметить, что изменение формы тока не вызывает негативных явлений при эксплуатации трансформаторов, поскольку магнитный поток и ЭДС не искажаются и имеют синусоидальную форму.