4. Магнитные аппараты
Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный дляпреобразования одной - первичной системы переменного тока в другую - вторичную, имеющую в общем случае другие характеристики, в частности, другое напряжение и другой ток.
Как правило, трансформатор состоит из: сердечника, набранного из листовой трансформаторной стали, и двух или в общем случае нескольких обмоток, связанных между собою посредством электромагнитного поля.
Трансформатор, имеющий две обмотки, называетсядвухобмоточным; трансформатор с тремя или несколькими обмотками трехобмоточным илимногообмоточным. Соответственно роду тока различают трансформаторы однофазные, трехфазные имногофазные (рис.4.2).
Рис.4.2. Устройство трехфазного трансформатира
Под обмоткой многофазного трансформатора понимают совокупность всех фазных обмотокодинакового напряжения, определенным образом соединенных между собою. Та из обмоток трансформатора, к которой подводится энергия переменного тока, называется первичной обмоткой, другая, с которойэнергия отводится, называется вторичной обмоткой. В соответствии с названиями обмоток все величины, относящиеся к первичной обмотке, как, например, мощность, ток, сопротивление и т. д., тоже называются первичными, а относящиеся ко вторичной обмотке - вторичными.
Обмотка, присоединенная к сети с более высоким напряжением, называется обмоткой высшего напряжения; обмотка, присоединенная к сети меньшего напряжения, называется обмоткой низшего напряжения. Если вторичное напряжение меньше первичного, то трансформатор называется понижающим, а если больше -повышающим.
Трансформатором с ответвлениями называется трансформатор, обмотки которого имеют специальныеответвления для изменения коэффициента трансформации (рис.4.3).
Рис.4.3. Устройство трансформатора с ответвлениями
Чтобы предотвратить вредное влияние воздуха на изоляцию обмоток и улучшить условия охлаждениятрансформатора, его сердечник с находящимися на нем обмотками помещают в бак, заполненный трансформаторным маслом. Такие трансформаторы называются масляными. Трансформаторы, не погружаемые в масло, называются сухими
Главные типы трансформаторов
Наибольшее значение имеют следующие типы трансформаторов:
а) силовые - для передачи и распределения электроэнергии (тяговых подстанций);
б) силовые специального назначения, как то: тяговые печные, для выпрямительных установок, сварочные и т. д.;
в) индукционные регуляторы для регулирования напряжения в распределительных сетях;
г) автотрансформаторы - для преобразования напряжения в небольших пределах, для пуска в ход двигателей переменного тока ;
д) измерительные - для включения в схемы измерительных приборов;
е) испытательные - для производства испытаний под высоким напряжением (испытательные станции).
ж) устройства специального назначения, использующие принцип работы трансформатора.
Во всех случаях основные процессы, определяющие работу трансформатора, а равно приемы изучения происходящих в трансформаторе явлений по существу одни и те же. Поэтому, говоря о трансформаторе, мы будем в дальнейшем иметь в виду его основной тип, а именно, одно - и трехфазный двухобмоточный силовой трансформатор.
Номинальные величины трансформатора - мощность, напряжение, ток, частота и т. д. указываются на заводском щитке, который должен быть помещен так, чтобы к нему был обеспечен свободный доступ. Однако термин„номинальный" может применяться и к величинам, не указанным на щитке, но относящимся к но-минальному режиму, как-то: номинальный к. п.д., номинальные температурные условия охлаждающей среды и т. д.
Номинальным режимом работы трансформатора называется режим, указанный на заводском щитке трансформатора при котором трансформатор можетработать бесконечно длительный период времени без нарушения показателей надежности и отклонения заявленных параметров.
Номинальным вторичным напряжением называется напряжение на зажимах вторичной обмотки при холостом ходе трансформатора и при номинальном напряжениина зажимах первичной обмотки; если вторичная обмотка имеет ответв-ления, то ее номинальное напряжение отмечается особо.
Номинальными токами трансформатора - первичным и вторичным - называются токи, вычисленные по соответствующим значениям номинальной мощности и номинальных напряжений. При этом, имея в виду, что к. п.д. трансформатора весьма велик, принимают, что номинальные мощности обеих обмоток равны.
Основные конструктивные элементытрансформатора - магнитная система, обмотки, система изоляции, вводы.
Магнитная система.
В зависимости от конфигурации магнитной системы трансформаторы подразделяют на стержневые, броневые и тороидальные (рис.4.5.). Стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки. Ярмомназывают часть магнитопровода, на которой обмотки отсутствуют. Трансформаторы большой и средней мощности обычно выполняют стержневыми. Они имеют лучшие условия охлаждения и меньшую массу, чем броневые.
Стержневой | Броневой | Тороидальный |
|
|
|
Рис.4.5. Типы сердечников трансформаторов
Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопроводы трансформаторов собирают изизолированных листов электротехнической сталитолщиной 0,28 ... 0,5 мм при частоте 50 Гц. Обычно применяют анизотропную холоднокатаную сталь с ребровой структурой (марки 3и содержанием кремния 2,8 ... 3,8 %. Магнитные свойства этой стали резко улучшаются при совпадении направлений магнитного потока и прокатки: потери в стали на перемагничивание уменьшаются в 2 ... 3 раза, а магнитная проницаемость и индукция насыщения возрастают. Однако использование холоднокатаной стали усложняет конструкцию и технологию изготовления магнитопроводов, так как при этом требуется исключить прохождение магнитного потока поперек направления прокатки или по крайней мере уменьшить длину участков, на которых это явление возникает.
По способу сборки различают стыковые ишихтованные магнитопроводы (рис.4.6). В стыковых магнитопроводах стержни и ярма собирают и скрепляют раздельно, затем устанавливают встык и соединяют между собой. В месте стыка во избежание замыкания листов устанавливают изоляционные прокладки.
Стыковой | Шихтованный |
|
|
Рис.4.6. Сборка сердачников трансформаторов
В шихтованных магнитопроводах ярма и стержни собирают как цельную конструкцию с взаимным перекрытием отдельных слоев в месте стыка («впереплет»). Каждый слой состоит из двух-трех листов. При сборке магнитопровода листы в двух смежных слоях располагают так, что листы каждого последующего слоя перекрывают стык в листах предыдущего слоя, существенно уменьшая магнитное сопротивление в месте сочленения. После сборки магнитопровода листы верхнего ярма вынимают, на стержни устанавливают катушки и ярмо снова ставят на место шихтованные магнитопроводы имеют значительно меньшее магнитное сопротивление, чем стыковые; поэтому последние применяют сейчас только в микротрансформаторах.
Стяжку листов стержней (опрессовку стержней) в силовых трансформаторах сравнительно небольшой мощности осуществляют с помощью деревянных или пластмассовых планок и стержней, устанавливаемых между стальным стержнем и жестким изоляционным цилиндром, на котором намотана обмотка.
В более мощных трансформаторах с магнитопроводами из холоднокатаной анизотропной стали стержни стягивают бандажами из стеклоленты или стальной ленты, либо магнитными или немагнитными шпильками..
Обмотка.
В трансформаторах первичную и вторичную обмотки стремятся расположить для лучшей магнитной связи как можно ближе друг к другу. При этом на каждом стержне магнитопровода размещают обе обмотки либоконцентрически — одну поверх другой, либо в виде нескольких дисковых катушек, либо чередующихся по высоте. В первом случае обмотки называютконцентрическими, во втором - чередующимися. В силовых трансформаторах обычно применяют концентрические обмотки, причем ближе к стержням располагают обмотку низкого напряжения, требующую меньшей изоляции относительно остова трансформатора, а снаружи - обмотку высокого напряжения.
Обмотки трансформаторов изготовляют из медныхили алюминиевых проводов. При использовании алюминия поперечное сечение провода берется примерно на 70 % больше, чем при использовании меди из-за большего удельного электрического сопротивления алюминия. В связи с этим габариты и масса транс-форматоров с алюминиевыми обмотками больше, чем у трансформаторов с медными обмотками. При сравнительно небольших мощностях и токах обмотки выполняют из изолированного провода круглого сечения, при больших мощностях и токах применяют провода прямоугольного сечения. В ряде случаев обмотки наматывают из нескольких параллельных проводов.
Изоляция силовых трансформаторов.
В трансформаторах изоляцию обмоток подразделяют на главную - изоляцию их от магнитопровода и между собой (обмоток низкого напряжения от высокого напряжения) и продольную - изоляцию между витками,слоями и катушками каждой обмотки. Имеется такжеизоляция отводов от обмоток, переключателей ивыводов. Изоляция обмоток трансформатора от заземленных частей и друг от друга определяется в основном электрической прочностью при частоте 50 Гц. Она обеспечивается соответствующим выбором величины изоляционных промежутков, которые в масляных трансформаторах одновременно выполняют роль охлаждающих каналов.
Чтобы предотвратить пробой изоляции при воздействии на обмотку импульсных перенапряжений в высоковольтных трансформаторах, между обмотками дополнительно ставят жесткие бумажно-бакелитовые цилиндры или мягкие цилиндры из электроизоляционного картона. При этом (во избежание электрического разряда по поверхности изоляционных цилиндров) они должны иметь по высоте большие размеры, чем обмотки, Между обмотками высшего напряжения различных фаз устанавливают межфазную изоляционную перегородку. Изоляционное расстояние обмоток от ярма обеспечивают шайбами и прокладками из электроизоляционного картона. Между концевой изоляцией обмотки и ярмовыми балками магнитопровода в некоторых трансформаторах устанавливают металлические разрезные или неметаллические прессующие кольца.
В трансформаторах с воздушным охлаждением изоляцию выполняют, как и во вращающихся электрических машинах, посредством изоляционных пленок и пропиточных лаков. Высокая стоимость изоляционных материалов и трудоемкость выполнения изоляции повышают общую стоимость трансформаторов по сравнению с масляными.
Вводы трансформатора.
Для вывода наружу концов от обмоток в трансформаторах, охлаждаемых маслом или негорючим жидким диэлектриком, используют проходныефарфоровые изоляторы, размещаемые на крышке или на стенке бака. Проходной изолятор вместе с токоведущим стержнем и крепежными деталями называют вводом.
Конструктивное выполнение трансформатора определяется в значительной мере способом его охлаждения, который зависит от номинальной мощности. При увеличении мощности трансформатора необходимо увеличивать и интенсивность его охлаждения. В силовых трансформаторах для отвода теплоты от обмоток и магнитопровода применяют следующие способы охлаждения: воздушное, масляное и посредством негорючего жидкого диэлектрика. Каждый вид охлаждения имеет соответствующее условное обозначение.
Сухие трансформаторы с естественным воздушным охлаждением могут иметь открытое (С), защищенное (СЗ) или герметизированное (СГ) исполнение. Трансформаторы типа СЗ закрывают защитным кожухом с отверстиями, а типа СГ - герметическим кожухом. Для повышения интенсивности охлаждения применяют обдув обмоток и магнитопровода потоком воздуха от вентилятора. Сухие трансформаторы с воздушным дутьем условно обозначаютСД.
Трансформаторы малой мощности выполняют, как правило, с охлаждением типа С. В некоторых случаях их помещают в корпус, залитый термореактивными компаундами на основе эпоксидных смол или других подобных материалов. Такие компаунды обладают высокими электроизоляционными и влагозащитными свойствами. После затвердевания они не расплавляются при повышенных температурах и обеспечивают надежную защиту трансформатора от механических и атмосферных воздействий.
Назначение трансформаторов.
В схемах тепловозов питание цепей рабочих обмоток магнитных усилителей и других потребителей переменного напряжения осуществляется от вторичных обмоток специальных многообмоточных распределительных трансформаторов. Распределительные трансформаторы преобразуют высокое (100 ... 270 В) переменное напряжение подвозбудителя (тепловозы серии 2М62 и ТЭ10 всех модификаций) или возбудителя (тепловозы ТЭП70, ТЭМ7, 2ТЭ116), прикладываемое к первичной обмотке, в пониженное напряжение различных уровней на выводах вторичных обмоток. Кроме этой, в достаточной степени традиционной для трансформаторов функции, в электрической схеме тепловозов они выполняют еще ряд специальных функций. Питание стабилизирующей обмотки амплистата возбуждения (тепловозы серии 2М62 и ТЭ10 всех модификаций) осуществляется от вторичной обмоткистабилизирующего трансформатора(ТС), первичная обмотка которого включена на напряжение возбудителя. Коррекция выходного напряжения синхронного возбудителя (тепловозы ТЭП70, ТЭМ7, 2ТЭ116) с целью компенсации реакции его ротора осуществляется с помощью трансформатора коррекции (ТК), в качестве которого используются так называемый трансформатор тока.
Распределительные трансформаторы.
На тепловозах применяются распределительные трансформаторы нескольких типов. В качестве примера рассмотрим конструкцию трансформаторов типа ТР-20(Т - трансформатор, Р - распределительный, 20 - конструктивное исполнение). Они применяются для питания аппаратов системы автоматического регулирования напряжения тягового генератора тепловозов 2ТЭ116, ТЭМ7, ТЭП70. Основные характеристики трансформаторов типа ТР-20 приведены в таблице 4.1.
Таблица 4.1. Основные характеристки трансформаторов типа ТР-20 |
Трансформатор | Обмотка | Маркировка обмтоки | Номинальное гнапряжение, В | Номинальный ток, А |
ТР-21 | Первичная | 1 - 2 | 270 | 4,0 |
Вторичные | 3 - 4 | 110 | 0,5 | |
5 - 6 | 110 | 2,6 | ||
7 - 8 | 110 | 2,6 | ||
9 - 10 | 110 | 2,6 | ||
11 - 12 | 55 | 1,5 | ||
ТР-22 | Первичные | 1 - 4 | 150 | 7,3 |
2 - 3 | 15 | 1,0 | ||
3 - 4 | 94,5 | 1,5 | ||
Вторичные | 9 - 10 | 106,5 | 1,7 | |
11 - 12 | 47,3 | 2,0 | ||
ТР-23 | Первичные | 1 - 4 | 150 | 7,3 |
1 - 2 | 75 | 1,1 | ||
1 - 3 | 90 | 5,6 | ||
2 - 3 | 15 | 1,0 | ||
Вторичные | 5 - 6 | 47,3 | 2,0 | |
7 - 8 | 90 | 1,1 | ||
9 - 10 | 90 | 1,1 | ||
11 - 12 | 90 | 1,1 | ||
ТР-24 | Первичные | 1 - 3 | 370 | 3,0 |
2 - 3 | 270 | 2,6 | ||
Вторичные | 4 - 5 | 55 | 1,2 | |
5 - 6 | 55 | 1,2 | ||
7 - 8 | 55 | 1,1 | ||
9 - 10 | 20 | 1,1 | ||
11 - 12 | 55 | 1,5 | ||
ТР-25 | Первичная | 1 - 2 | 370 | 1,9 |
Вторичные | 3 - 4 | 110 | 1,5 | |
5 - 6 | 110 | 1,5 | ||
7 - 8 | 110 | 1,5 | ||
9 - 10 | 55 | 1,2 | ||
11 - 12 | 55 | 1,2 | ||
ТР-26 | Первичная | 1 - 2 | 270 | 2,5 |
Вторичные | 3 - 5 | 36 | 2,7 | |
3 - 4 | 20 | - | ||
7 - 8 | 55 | 2,7 | ||
9 - 10 | 55 | 2,7 | ||
11 - 12 | 71 | 3,3 |
Указанные в таблице 4.1 параметры соответствуют частоте напряжения 200 Гц. Допускается длительная работа трансформатора при частотах 50 ... 220 Гц, но при снижении частоты вращения пропорционально ей должна быть снижена и мощность нагрузки трансформатора.
Схемы соединений некоторых исполнений трансформаторов типа ТР представлены на рис.4.7.
Рис.4.7. Схемы распределительных трансформаторов
Внешний вид трансформатора типа ТР представлена на рис.4.8.
Рис.4.8. Внешний вид распределительного трансформатора ТР-4
Трансформаторы типа ТР-22 имеют кольцевую катушку индуктивности с сердечником из электротехнической стали (рис.4.9). Сердечник, обмотки и плата с клеммами залиты эпоксидным компаундом в едином неразборном узле. Литая оболочка трансформатора образует привалочную поверхность для крепления трансформатора на тепловозе, которое осуществляется болтом через центральное отверстие на металлической планке. В литой оболочке трансформатора снизу имеется паз, которыйфиксирует аппарат на планке.
Рис.4.9. Внешний вид трансформатора ТР-22
Трансформаторы типа ТП.
Для питания отдельных потребителей напряжением низкой (до 100 Гц) частоты на тепловозах применяются трансформаторы типа ТП. Деталировка одного из них (ТП-5) представлена на рис.4.10.
Рис.4.10. Деталировка трансформатора ТП-5
Магнитный сердечник нашихтован из Ш-образных пластин, изготовленных из электротехнической стали. Катушка с двумя обмотками (первичная и вторичная) залита эпоксидным компаундом. Выводы обмоток расположены прямо на катушке. Магнитный сердечник стянут крепежными шпильками и имеет уголки для крепления. Технические характеристики трансформаторов типа ТП приведены в табл.4.2.
Таблица 4.2. Технические характеристики трансформаторов типа ТП
Трансформатор | Параметр | Значение | |
Первичной | Вторичной | ||
ТП-5 | Номинальное напряжение, В | 75 | 127 |
Номинальный ток, А | 0,8 | 0,34 | |
Номинальная мощность, ВА | 43,2 | ||
Частота, Гц | 50 - 90 | 50 - 90 | |
ТП-6 | Номинальное напряжение, В | 50 | 240 |
Номинальный ток, А | 1,1 | 0,4 | |
Номинальная мощность, ВА | 50 | ||
Частота, Гц | 50 | 50 |
Стабилизирующие трансформаторы
Конструкция стабилизирующего трансформатора типа ТС представлена на рис.4.11.
Рис.4.11. Деталировка трансформатора ТС-2
Первичная обмотка трансформатора включена на напряжение возбудителя. Частота изменения его в переходных процессах очень низка (порядка нескольких Гц), форма напряжения далека от синусоидальной, поэтому трансформатор имеет сердечник большого сечения, шихтованный из П-образных пластин, изготовленных из электротехнической стали. Конструкция трасформатора предусматривает регулировку воздушного зазора с помощью магнитных прокладок. Технические характеристики трансформаторов ТС представлены в табл.4.3.
Таблица 4.3. Технические характеристики трансформаторов типа ТС
Трансформатор | Параметр | Значение | |
Первичной | Вторичной | ||
ТС-2 | Номинальное напряжение, В | 60 | 28 |
Номинальный ток, А | 1,9 | - | |
Число витков | 1900 | 1000 | |
Сопротивление, Ом | 16 | 8,6 | |
ТС-3 | Номинальное напряжение, В | 165 | 28 |
Номинальный ток, А | 1,0 | 3,5 | |
Число витков | 2 х 890 | 2 х 5250 | |
Сопротивление, Ом | 216 | 7,52 |
Трансформаторы коррекции
В качестве трансформаторов коррекции используются трансформаторы тока. Характерно особенностью их является небольшое число витков первичной обмотки (1...5) и, соответственно, очень низкое активное сопротивление первичной обмотки (рис.4.12).
Рис.4.12. Схема обмоток трансформатора коррекции
Это исключает влияние сопротивления первичной обмотки на работу цепи, в которую она включается. Схема трансформатора коррекции представлена на, внешний вид - на рис.4.13.
Рис.4.13. Внешний вид трансформатора коррекции ТТ-30
Трансформатор броневого типа, состоит из магнитного сердечника, нашихтованного из Ш-образных листов из электротехнической стали, и катушки. Внутри катушкии размещается единственный виток (петля) первичной обмотки. выводы трансформатора вынесены на изоляционную панель, закрытую сверху защитным металлическим кожухом.
Основные технические данные трансформаторов типа ТТ представлены в табл.4.4.
Таблица 4.4. Технические характеристики трансформаторов коррекции
Трансформатор | Параметр | Значение | |
Первичной | Вторичной | ||
ТТ-30 | Номинальное напряжение, В | 165 | 127 |
Номинальный ток, А | 210 | - | |
Частота, Гц | 220 | ||
Число витков | 5 | 80 | |
Сопротивление, Ом | 0,1 | 0,1 | |
ТТ-50 | Номинальное напряжение, В | 165 | - |
Номинальный ток, А | 600 | 1,02 | |
Частота, Гц | 16 2/3 | ||
Число витков | 1 | 588 | |
Сопротивление, Ом | - | 5,13 |
