Kiedy w transformatorach występuje prąd udarowy magnesujący?

Warunki udaru magnetycznego występują również przy znacznie wyższej częstotliwości niż zwarcia, dlatego warto zbadać to zjawisko.

Rozważmy, co się dzieje, gdy po raz pierwszy zasilimy transformator jednofazowy. Strumień magnetyczny w rdzeniu jest równy całce napięcia wzbudzenia.

Jeśli obwód jest zamknięty, gdy napięcie przechodzi przez zero, a początkowy strumień wynosi zero, strumień sinusoidalny zostanie całkowicie przesunięty względem zera. Wartość szczytowa strumienia pełnego przesunięcia jest dwukrotnie większa od wartości szczytowej strumienia symetrycznej fali sinusoidalnej. Innymi słowy, strumień szczytowy fali pełnego przesunięcia może być prawie dwukrotnie większy od strumienia szczytowego normalnego, co zazwyczaj wystarcza do wprowadzenia rdzenia w stan nasycenia.

W tym momencie jedynym czynnikiem ograniczającym prąd magnesujący jest impedancja powietrzno-rdzeniowa uzwojenia, która jest o rzędy wielkości mniejsza od normalnej impedancji magnesującej.

Zatem w połowie cyklu nasycenia rdzenia prąd pola jest znacznie większy niż prąd pola normalnego. W drugiej połowie cyklu rdzeń nie jest już nasycony, a prąd pola jest w przybliżeniu równy prądowi pola normalnego.

Sytuacja jest jeszcze bardziej ekstremalna, gdy w rdzeniu występuje strumień resztkowy, a kierunek strumienia resztkowego jest taki sam, jak kierunek przesunięcia fali sinusoidalnej. Jak pokazano na rysunku 2 poniżej. Należy zauważyć, że rysunki 1 i 2 przedstawiają różne skale prądu, więc prąd szczytowy przedstawiony na rysunku 2 jest w rzeczywistości znacznie większy niż prąd szczytowy przedstawiony na rysunku 1.

02 Wartość szczytowa przepięcia wzbudzenia

Aby znaleźć szczytowy prąd udarowy ograniczony jedynie przez reaktancję powietrzno-rdzeniową, wygodnie jest obliczyć indukcyjność uzwojenia, używając jednostek cgs:

Tutaj:

N – liczba zwojów cewki

Amt – Powierzchnia w obrębie średniej średnicy cewki, cm2

l – długość osiowa cewki, cm

L – indukcyjność cewki, μH

Strumień wytwarzany przez cewkę φL jest równy strumieniowi resztkowemu plus dwukrotność zmiany strumienia normalnego pomniejszonemu o strumień nasycenia, ponieważ strumień nasycenia znajduje się w żelazie. φL jest jednak związany z indukcyjnością i prądem:

Dlatego szczytowy prąd udarowy wyrażony jest w układzie jednostek CGS w następujący sposób:

Tutaj:

Ipeak w amperach i

φr – strumień resztkowy

φn – normalna zmiana strumienia magnetycznego

φs – strumień nasycenia

Gdyby w obwodzie nie było rezystorów, każdy kolejny szczyt miałby tę samą wartość, a prąd udarowy trwałby w nieskończoność. Jednak w obecności rezystancji w obwodzie, spadek napięcia na rezystancji będzie duży, a wzrost strumienia nie musi być tak wysoki, jak w poprzednim cyklu.

Całka spadku napięcia reprezentuje wypadkową redukcję strumienia magnetycznego wymaganego do podtrzymania przyłożonego napięcia. Ponieważ spadek napięcia i×R ma zawsze ten sam kierunek, każdy cykl zmniejsza wymagany strumień magnetyczny. Gdy wartość szczytowa strumienia magnetycznego spadnie poniżej wartości nasycenia rdzenia, prąd rozruchowy zanika. Szybkość zaniku nie jest wykładnicza, chociaż jest podobna do wykładniczego prądu zaniku.

Ważne! W przypadku dużych transformatorów mocy, prąd rozruchowy może trwać kilka sekund, zanim w końcu zaniknie.

Reaktancja liniowa powoduje zmniejszenie szczytowego prądu rozruchowego poprzez proste dodanie indukcyjności do indukcyjności rdzenia powietrznego uzwojenia. Istnieje wyraźna zależność między prądem rozruchowym a prądem zwarcia, ponieważ oba są powiązane z indukcyjnością rdzenia powietrznego uzwojenia.

Należy pamiętać, że zwarcia powodują wypychanie strumienia poza rdzeń.

Zasada praktyczna! Generalnie przyjmuje się, że szczytowy prąd rozruchowy magnesowania wynosi nieco powyżej 90% szczytowego prądu zwarciowego. Jednak siła magnetyczna wywoływana przez prąd rozruchowy magnesowania jest zazwyczaj znacznie mniejsza niż siła zwarciowa. Ponieważ każda faza zawiera tylko jedno uzwojenie, nie występuje odpychanie magnetyczne między uzwojeniami.

Cały problem analizy prądów rozruchowych magnesujących staje się trudniejszy w przypadku transformatorów trójfazowych. Wynika to z faktu, że kąty fazowe napięć wzbudzenia są od siebie oddalone o 120°, między fazami występuje interakcja prądu i napięcia, a trzy bieguny urządzenia przełączającego nie zamykają się dokładnie w tym samym czasie.

Można jednak śmiało powiedzieć, że szczytowy prąd udarowy transformatora trójfazowego jest bliski poziomowi prądu zwarciowego.

Jedną z interesujących cech prądów rozruchowych magnesujących jest duży udział harmonicznych parzystych, ponieważ prądy te ulegają całkowitemu zniesieniu. Harmoniczne parzyste są również rzadko spotykane w obwodach mocy.

03 Przepływ empatii

Występuje również zjawisko znane jako „udar sympatyczny”, w którym uprzednio zasilany transformator wykazuje nagłą zmianę prądu po włączeniu pobliskiego transformatora. Udar sympatyczny jest spowodowany zmianą napięcia sieci wywołaną przez prąd udarowy drugiego transformatora.