При обсуждении основных принципов работы двухобмоточных трансформаторов предполагается, что обмотка трансформатора состоит из первичной и вторичной обмоток, отделенных друг от друга. Каждая обмотка трансформатора имеет цилиндрическую форму и концентрична столбцу с железным сердечником комплектной обмотки, что обеспечивает магнитопровод с меньшим значением магнитного сопротивления основного магнитного потока. Независимо от того, является ли это однофазным или трехфазным трансформатором, магнитная цепь со стальным сердечником должна быть замкнута и окружать обмотку. Помимо определения общего размера трансформатора, размер двух концентрических обмоток также определяет размер окна железного сердечника, тем самым определяя размер железного сердечника. Размер железного сердечника определяет величину потерь в железном сердечнике для данной полосы электротехнической стали и плотности магнитного потока. Конструкторы должны сделать компоновку обмотки максимально компактной, причем факторами, препятствующими компактности конструкции обмотки, являются необходимые каналы для охлаждающего масла и изоляционное пространство, а также использование проводов максимально возможного сечения сечения- для уменьшения потерь на нагрузке.
Потери нагрузки трансформатора — это потери, вызванные током нагрузки, которые зависят от второй степени тока нагрузки. Потери нагрузки, возникающие в трансформаторах, можно разделить на три части: потери на сопротивление; Потери на вихревые токи, возникающие в обмотке при прохождении переменного магнитного потока рассеяния через обмоточный провод; Так-так называемые паразитные потери, вызванные паразитным переменным магнитным потоком, связанным с нагрузкой внутри компонентов, таких как провода, зажимы и топливные баки.
В сложившейся ситуации наибольшее влияние на общие потери нагрузки по-прежнему оказывают частичные потери в обмотке. Как следует из названия, возникновение потерь сопротивления основано на том, что в обмотке должно быть сопротивление, поэтому эту часть потерь невозможно полностью устранить. Однако разработчики трансформаторов могут найти способы уменьшить потери на сопротивление. В этих методах используется как можно меньше витков обмотки; Увеличьте площадь поперечного-сечения каждого витка провода; Используйте материалы с более низким удельным электрическим сопротивлением, обычно это относится к меди с более высокой проводимостью.
Использование минимального количества витков обмотки означает, что необходимо использовать железный сердечник, который может генерировать максимально возможный общий магнитный поток, что включает в себя два аспекта: выбор максимально возможного сечения -железного сердечника и выбор максимально возможного значения плотности магнитного потока железного сердечника. Следствием этого неизбежно является увеличение размера железного сердечника (включая зажимы), тем самым увеличивая вес и потери железного сердечника. Уменьшение потерь нагрузки приводит к увеличению потерь в железном сердечнике, и наоборот. Конечно, увеличение размера железного сердечника также увеличивает знаменатель в процентном выражении реактивного сопротивления. Чтобы компенсировать это и сохранить величину сопротивления неизменной, необходимо уменьшить осевую высоту обмотки и одновременно уменьшить количество витков обмотки (что позволяет уменьшить потери на нагрузке). Уменьшение осевой высоты обмотки означает уменьшение высоты столба железного сердечника, что в некоторой степени компенсирует увеличение массы железного сердечника, вызванное увеличением размеров железного сердечника. Таким образом, за счет взаимной компенсации одного или двух изменений конструктивных размеров изменение потерь трансформатора не будет слишком значительным. Таким образом, оптимальный размер конструкции может быть выбран на основе других факторов, таких как соотношение потерь нагрузки к нулевым потерям нагрузки или ограничение высоты транспортировки (которые тесно связаны с размером высоты железного сердечника).
Следствием увеличения площади сечения-обмоточного провода является увеличение потерь на вихревые токи в обмотке (кроме того, это также может вызвать увеличение размеров окна железного сердечника, что приводит к общему увеличению размеров железного сердечника). Причиной потерь на вихревые токи является поток рассеяния, проходящий через провода обмотки. Поток рассеяния, проходящий через обмоточный провод, генерирует индуцированное напряжение, а результирующий ток ортогонален току нагрузки и потоку утечки. Чем больше площадь поперечного сечения-обмоточного провода, тем ниже его сопротивление вихревым токам, что приводит к увеличению вихревых токов. Единственный способ увеличить сопротивление вихревым токам без уменьшения площади поперечного сечения каждого витка обмотки — разделить каждый виток провода на более мелкие жилы и изолировать их друг от друга, одновременно перемещая их по высоте обмотки. Вопрос перестановки обмоточных проводов будет рассмотрен ниже в разделе, посвященном конструкции намотки. Хотя работники намотки предпочитают использовать для намотки обмоток провода меньшего-поперечного сечения (поскольку провода небольшого-сечения легко наматывать на проволочные формы), как правило, чем больше параллельных намоточных проводов, тем выше себестоимость производства. Поэтому производители трансформаторов обычно надеются ограничить количество проводов параллельной обмотки приемлемым уровнем потерь на вихревые токи. Кроме того, увеличение количества проводов параллельной обмотки, сопровождающееся межжильной изоляцией, приведет к уменьшению рабочего цикла обмотки, что является еще одним фактором, требующим уменьшения количества проводов параллельной обмотки.
Как упоминалось выше, вихревые токи в обмоточных проводах возникают из-за потока рассеяния, поэтому уменьшение потока рассеяния может снизить величину вихревых токов. Очевидно, что потери на вихревые токи в обмотках трансформаторов с меньшим сопротивлением меньше, чем в обмотках трансформаторов с более высоким сопротивлением. Низкое значение магнитного импеданса рассеяния соответствует осевой высоте большей обмотки. Другими словами, тонкие и высокие обмотки имеют меньший поток рассеяния, чем короткие и толстые обмотки, поэтому в первых обмотках обычно возникают меньшие вихревые токи. Другая очевидная проблема заключается в том, что большая часть потока рассеяния в тонкой обмотке высокой мощности представляет собой осевой поток рассеяния. Также можно доказать, что в случае, когда большая часть потока рассеяния представляет собой осевой поток, уменьшение размера обмоточного провода в радиальном направлении, перпендикулярном магнитному полю рассеяния, может достичь цели уменьшения вихревых токов. Для коротких и толстых намоточных конструкций поток рассеяния будет иметь значительную радиальную составляющую, особенно в области вблизи конца обмотки. Значит обмоточный провод тоже надо разделить на более и более мелкие жилы в осевом направлении (теоретически это необходимо только в конце намотки, но в целом изменить количество проводов в середине обмотки непросто). Другой метод контроля вихревых токов в обмотках заключается в использовании магнитного экранирования для корректировки направления потоков утечки, обеспечивающего их непрохождение через дисковый узел; Даже там, где поток рассеяния проходит через обмотку, поток рассеяния должен состоять в основном из осевых составляющих. Эти меры экономичны только для использования на трансформаторах с высоким импедансом и большей мощностью.
В этом случае особенно важным вопросом является намотка вихревых токов. Производители трансформаторов на практике обнаружили, что ограничение потерь на вихревые токи примерно до 25% потерь на сопротивление является наиболее экономичным подходом. Однако необходимый уровень структурной сложности для достижения вышеуказанных целей варьируется в зависимости от ситуации. Для трансформаторов с более низким импедансом потери на вихревые токи можно значительно снизить до менее 25% потерь на сопротивление без необходимости принятия других специальных мер.
