Эффект пускового тока
Когда трансформатор первоначально подключен к источнику переменного напряжения, может произойти существенный скачок тока через первичную обмотку, называемую пусковым током. Это аналогично пусковому току, проявляемому электродвигателем, который запускается при внезапном подключении к источнику питания, хотя переключение трансформатора вызвано другим явлением.
Практические соображения о пусковом токе трансформатора (фото: winderpower.co.uk)
Мы знаем, что скорость изменения мгновенного потока в сердечнике трансформатора пропорциональна мгновенному падению напряжения на первичной обмотке. Или форма волны напряжения является производной формы волны потока, а форма волны потока является интегралом формы сигнала напряжения.
В постоянно действующем трансформаторе эти две формы колебаний сдвинуты по фазе на 90º (см. Рисунок 1 ниже).
Поскольку поток (Φ) пропорционален магнитодвижущей силе (mmf) в сердечнике, а mmf пропорционален току обмотки, форма волны тока будет синфазной с формой волны потока, и оба будут отставать от формы сигнала напряжения на 90º:
Рисунок 1 - Непрерывное установившееся состояние: Магнитный поток, как и ток, прикладывает напряжение на 90 °
Предположим, что первичная обмотка трансформатора внезапно подключается к источнику переменного напряжения в точный момент времени, когда мгновенное напряжение находится на его положительном пиковом значении. Для того чтобы трансформатор мог создать противоположное падение напряжения, чтобы сбалансировать это напряжение источника питания, должен генерироваться магнитный поток быстро возрастающего значения.
В результате ток обмотки быстро растет, но фактически не быстрее, чем при нормальных условиях (см. Рис. 2). Как ток сердечника, так и ток катушки начинаются с нуля и накапливаются до тех же пиковых значений, которые наблюдались при непрерывной работе. Таким образом, в этом сценарии нет «всплесков» или «бросков» или текущих. (см. рисунок 2)
Рисунок 2 - Подключение трансформатора к линии при пике напряжения переменного тока -Flux быстро увеличивается с нуля, так же, как при установившемся режиме
В качестве альтернативы рассмотрим, что произойдет, если подключение трансформатора к источнику переменного напряжения происходит в точный момент времени, когда мгновенное напряжение находится на нуле. Во время непрерывной работы (когда трансформатор был включен в течение некоторого времени), это момент времени, когда ток потока и обмотки находится на отрицательных пиках, испытывая нулевую скорость изменения (dΦ / dt = 0 и di / dt = 0).
Когда напряжение нарастает до своего положительного пика, волны потока и тока формируют свои максимальные положительные скорости изменения и вверх к их положительным пикам по мере того, как напряжение опускается до уровня нуля:
Однако существует существенное различие между режимом непрерывного режима и условиями внезапного запуска, принятыми в этом сценарии: во время непрерывной работы уровни потока и тока были на отрицательных пиках, когда напряжение находилось в нулевой точке; Однако в трансформаторе, который сидел без дела, ток как магнитного потока, так и обмотки должен начинаться с нуля.
Когда магнитный поток увеличивается в ответ на повышающееся напряжение, он будет увеличиваться с нуля вверх, а не от ранее отрицательного (намагниченного) состояния, так как мы обычно находимся в трансформаторе, который питается некоторое время.
Таким образом, в трансформаторе, который только «начинает», поток достигнет примерно в два раза своей нормальной пиковой величины, поскольку он «интегрирует» область под первым полупериодом волны волны напряжения: (рис. 4)
Рисунок 3 - Начиная с e = 0 V - это не то же самое, что работает непрерывно на рисунке 1. Эти ожидаемые формы сигналов неверны - Φ и i должны начинаться с нуля
Рисунок 4 - Начиная с e = 0 V, Φ начинается при начальном условии Φ = 0, увеличиваясь в два раза до нормального значения, предполагая, что он не насыщает ядро
В идеальном трансформаторе ток намагничивания повысился бы примерно в два раза до его нормального пикового значения, создав необходимый mmf для создания этого потока более высокого, чем нормального.
Однако большинство трансформаторов не разработаны с достаточным запасом между нормальными пиками потока и пределами насыщения, чтобы избежать насыщения в таком состоянии, и поэтому ядро почти наверняка насытится в течение этого первого полупериода напряжения.
Во время насыщения для создания магнитного потока необходимы несоразмерные количества мм. Это означает, что ток обмотки, который создает mmf для возникновения потока в сердечнике, будет непропорционально повышаться до значения, которое может быть в два раза выше его обычного пика (рис. 5).
Рисунок 5 - Начиная с e = 0 В, ток также увеличивается в два раза до нормального значения для ненасыщенного ядра или значительно выше в (насыщенном) случае насыщения
Это механизм, вызывающий пусковой ток в первичной обмотке трансформатора при подключении к источнику переменного напряжения. Как вы можете видеть, величина пускового тока сильно зависит от точного времени, когда производится электрическое подключение к источнику.
Если в момент подключения к источнику трансформатор имеет некоторый остаточный магнетизм, то бросок может быть еще более суровым. Из-за этого устройства защиты от перегрузки по току трансформатора обычно имеют многообразие «медленного действия», чтобы выдерживать скачки тока, такие как это, не открывая цепь.
Ссылка // Уроки в электрических цепях переменного тока - Тони Р. Купхалдт