Расчет и конструирование трансформаторов (стр. 29 )

Для однофазных трансформаторов малых мощностей преимуществом пользуются броневые магнитопроводы. Для силовых трансформаторов, где требуется иметь большую поверхность охлаждения обмоток

Рис. 11.4. Образование трехфазного магнитопровода путем совмещения трех однофазных стержневых магнитопроводов

и уменьшить (примерно вдвое) рассеяние, предпочтение отдается стержневым магнитопроводам.

Устройство трехфазного магнитопровода требует предварительного

принципиального обоснования.

Электрическая энергия в промышленных целях получается и используется в виде главным образом трехфазной системы переменного тока. Трехфазная система представляет собой систему трех однофазных переменных э. д. с, имеющих одинаковую частоту и сдвинутых по фазе относительно друг друга на угол 120°, т. е. на V8 периода.

Очевидно, что трансформация трехфазного тока возможна тремя отдельными однофазными трансформаторами, каждая из обмоток которых соединена в одну из трехфазных схем (в звезду или в треугольник).

Но, как это показал в 1891 г. русский электротехник -Добровольский, трансформация при трехфазной системе возможна также одним трехфазным трансформатором, имеющим общую магнитную цепь для трех фаз.

Трехфазный магнитопровод может быть получен путем совмещения трех однофазных стержневых магнитопроводов в один общий магнитопровод с некоторым дальнейшим преобразованием его формы. Для этого нужно взять три однофазных стержневых магнитопровода с одним стержнем, несущим обмотки, и сложить их вместе необмотанными (свободными) стержнями (рис. 11.4, а). Для простоты рисунка каждый магнитопровод показан одной жирной линией. Так как магнитные потоки во всех магнитопроводах синусоидальны по форме, равны между собой и сдвинуты на 120°, то на основании формулы суммы синусов

sin a + sin (а + 120°) + sin (а + 240°) = 0

сумма потоков в примыкающих друг к другу стержнях равна нулю и поэтому эти стержни можно отнять за ненадобностью. Превратив далее полученную пространственную симметричную форму магнитопровода (рис. 11.4, б, в) в плоскую, получим ныне применяемую форму трехфазного стержневого магнитопровода (рис. 11.4, г).

Трехфазный стержневой магнитопровод является несимметричным в отношении магнитных сопротивлений для потоков средней и крайних фаз. Это может быть пояснено на рис. 11.5.

Рис. 11.5. Потоки разных фаз в трехфазном несимметричном магнитопроводе:

а — поток фазы Л; б — поток фазы В

Поток фазы В проходит по более короткому пути, чем потоки фаз А и С. В связи с этим магнитное сопротивление для потока средней фазы В примерно в 2 — 2,5 раза меньше, чем для крайних фаз А и С, поэтому ток холостого хода у фазы В тоже меньше, чем у остальных фаз.

Так как фазные токи холостого хода у трехфазного трансформатора не равны между собой, то при проведении опыта холостого хода за величину тока холостого хода условно принимают его среднее значение по трем фазам

I0= (I1 +I2 +I3)/3.

При расчете тока холостого хода трехфазного трансформатора также определяется его среднее значение, так как берется общий вес стали магнитопровода и общее число стыков пластин.

§ 11.3. СТЫКОВЫЕ И ШИХТОВАННЫЕ МАГНИТОПРОВОДЫ

Магнитопроводы силовых трансформаторов собираются из отдельных пластин. Наиболее простым конструктивным решением для магнитопровода и последующей первой сборки трансформатора, т. е. насадки обмоток на стержни, были бы отдельная сборка стержней и ярм, из которых составляется магнитопровод. Схема устройства стыкового магнитопровода показана на рис. 11.6, а.

Однако стыковая конструкция страдает рядом серьезных недостатков. Во избежание замыкания пластин стержня и ярма в месте стыка (рис. 11.7, а) необходимо закладывать прокладку из изолирующего ма

териала (рис. 11.7, б). Но эта прокладка увеличивает магнитное сопротивление магнитопровода, что ведет к увеличению намагничивающего тока. В случае повреждения изоляционной прокладки замыкание пластин стержня и ярма может привести к так называемому пожару в стали, т. е. к аварии трансформатора.

Рис. 11.6. Конструкция магнитопроводов:

а — стыковая; б — шихтованная

Рис. 11.7. Стыковое соединение ярма и стержня:

я — без изолирующей прокладки; б — с изолирующей прокладкой: 1 — пластина ярма; 2—изоляция пластин; 3—изолирующая прокладка в стыке между ярмом и стержнем; 4 — путь замыкания вихревых токов; 5— пластины стержня

Из-за указанных недостатков стыковая конструкция не нашла широкого применения. В отечественном трансформаторостроении принята шихтованная конструкция магнитопроводов для силовых трансформаторов всех мощностей. Она обеспечивает большую жесткость магнитопровода, требует меньшего количества крепежных деталей и более надежна в эксплуатации.

Все четные слои имеют положение пластин, а все — обратное (зеркальное) расчетом, чтобы пластины одного слоя перекрывали стыки в соседних слоях.

Таким образом, пластины соседних слоев как бы переплетены друг с другом (рис. 11.6, б).

Магнитопровод шихтованной конструкции собирают из отдельных слоев, каждый из которых состоит из нескольких пластин, расположенных определенным образом.

§ 11.4. СХЕМЫ ШИХТОВКИ ОДНО - И ТРЕХФАЗНЫХ МАГНИТОПРОВОДОВ

Схема шихтовки одно - и трехфазного стержневых магнитопроводов показана на рис. 11.8 и 11.9.

При шихтовке магнитопровода ярма и стержни образуют как быодно целое. Но для насадки обмоток на стержни, т. е. для операции первой сборки трансформатора, после изготовления магнитопровода необходимо расшихтовать верхнее ярмо, т. е. вынуть все листы ярма, а после насадки обмоток — вновь его зашихтовать.

Для сокращения излишних операций по двукратной шихтовке верхнего ярма для трансформаторов габарита I на некоторых заводах

Рис. 11.8. Схема шихтовки однофазного стержневого магнитопровода:

а — первое положение пластин (нечетных слоев); б — второе, обратное первому, положение пластин (четных слоев); в — перекрытие стыков

Рис. 11.9. Схема шихтовки трехфазного магнитопровода: а — первое положение пластин (нечетных слоев); б—второе, обратное первому, положение пластин (четных слоев)

стали совмещать операции по сборке шихтованного магнитопровода и первой сборке в одну операцию, при которой шихтовка магнитопровода производится непосредственно в обмотках, положенных горизонтально (рис. 11.10).

Рис. 11.10 Сборка (шихтовка) магнитопровода непосредственно в обмотках

Кроме того, на некоторых заводах шихтовку верхнего ярма в малых трансформаторах также не делают при сборке магнитопровода, а для его подъема ярмовые балки ставят на стержни ниже будущей зашихтовки.

§ 11.5. ВЛИЯНИЕ СХЕМ ШИХТОВКИ И ВЕЛИЧИНЫ ВОЗДУШНЫХ (НЕМАГНИТНЫХ) ЗАЗОРОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ХОЛОСТОГО ХОДА

Для ускорения сборки магнитопровода шихтовку часто производят слоями не в один, а в два или три (и более) изолированных листа одновременно. При этом схемы шихтовки остаются без изменения, но

Рис. 11.11. Формы немагнитных (воздушных) зазоров:а — в стыковом магнитопроводе; б — в шихтованном (одновременно в два листа) магнитопроводе. Стрелки показывают направление линий магнитной индукции

толщина каждого слоя возрастает соответственно вдвое или втрое. Однако при этом необходимо иметь в виду, что увеличение толщины слоя приводит к возрастанию потерь и тока холостого хода трансформатора, так как увеличивается магнитное сопротивление магнитным линиям, обходящим места стыков пластин. Это видно из сравнения рис. 11.11, а, б. Чем больше пластин в слое, тем большее число магнитных линий замыкается через воздушные (немагнитные) зазоры между пластинами стержня и ярма

.

Рис. 11.12. Части магнитопровода из холоднокатаной стали, в которых возникают увеличенные потери при прямых (а и б) и косых (в) стыках.

Так как магнитный поток должен преодолевать воздушные зазоры в стыках пластин (как в стыковой, гак и в шихтованной конструкциях магнитопровода), то величина этих зазоров существенно влияет на величину намагничивающего тока трансформатора.

С целью его уменьшения при сборке магнитопровода внимательно следят за тщательным выполнением шихтовки в местах стыка пластин. Зазоры между пластинами в среднем не должны превышать 1—2 мм. В противном случае производят подбивку зазоров, а иногда требуется перешихтовка магнитопровода.

Ранее было сказано, что холоднокатаная электротехническая сталь имеет наибольшую магнитную проницаемость в направлении вдоль ее проката. Поэтому если магнитопроводы шихтовать из прямоугольных пластин холоднокатаной стали, то в углах магнитопровода магнитные линии будут поворачиваться под углом к оси пластины и будет иметь место увеличение потерь и намагничивающей мощности (рис. 11.12, а, б). Если сделать стыки между пластинами косыми (рис. 11.12, в), то эффект углов может быть сведен к минимуму.

Вместе с тем косые стыки сильно усложняют конструкцию и технологию изготовления пластин и сборку всего магнитопровода, делая эти операции более трудоемкими в производстве. Поэтому в отечественном трансформаторостроении магнитопроводы с косыми стыками пока широкого распространения не получили. Некоторое упрощение может дать применение комбинированной конструкции с прямыми и косыми стыками (см. рис. 11.1, а).

Контрольные вопросы

Перечислите основные марки электротехнической стали, применяемой в трансформаторах. Изобразите стержневой и броневой однофазный магнитопроводы. Как обосновывается получение трехфазного стержневого магнитопровода? Почему он называется несимметричным? Каковы преимущества и недостатки шихтованного магнитопровода по сравнению со стыковым? Что дают косые стыки для магнитопроводов из холоднокатаной стали?

ГЛАВА XII

ТИПЫ И УСТРОЙСТВО ОБМОТОК

§ 12.1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

Обмотка трансформатора представляет собой часть электрической цепи (первичной или вторичной), в связи с чем она состоит из: