5. Магнитопроводы сварочных трансформаторов

Разновидности магнитопроводов. Магнитопроводы сварочных трансформаторов разделяются на две основные группы: магнитопроводы стержневого типа и магнитопроводы броневого типа. Так­же как и другие, эти магнитопроводы могут быть шихтован­ными или витыми, разрезными П-образными или неразрезными тороидальными. Броневой магнитопровод может быть набран из отдельных пластин соответствующих размеров или получен путем сдавливания одинаковых стержневых магнитопроводов. Разновидностью броневого магнитопровода является Т-образный магнитопровод, составленный из трех стержневых пакетов.

Основными деталями любого магнитопровода, образующего магнитную цепь трансформатора, являются пластины или ли­сты из электротехнической стали, а конструктивными—стяж­ные шпильки, обоймы, сварные или литые рамы. В магнито-проводах стержневого типа все участки магнитной цепи имеют одинаковое полное сечение. В броневых магнитопроводах пол­ное сечение имеет средний стержень, на котором размещаются обмотки. Сечения остальных участков магнитной цепи, именуе­мых ярмами, примерно вдвое меньше, так как по ним замыка­ется половинный магнитный поток. В Т-образных магнитопро­водах каждое ярмо имеет сечение в три раза меньше, чем стер­жень, и по каждому из них замыкается третья часть магнит­ного потока.

Иногда в шихтованных магнитопроводах, имеющих большое насыщение и, следовательно, большие потери, сечение ярма бе­рется несколько большим сечения стержня (в магнитопроводах броневого типа суммарное сечение двух ярм принимается не­сколько больше сечения среднего стержня). При этом тепло от нагретого стержня, где располагаются катушки, будет переда­ваться менее нагретым и лучше омываемым воздухом ярмам, в результате чего получается более интенсивное охлаждение всего трансформатора. Коэффициент усиления ярма, т. е. сни­жения индукции в зависимости от ее значения, берется равным 1,05—1,1. К витым магнитопроводам это применение не отно­сится.

Магнитопроводы шихтованные, набранные из отдельных пластин, спрессовываются сварными или литыми рамами с по­мощью изолированных шпилек и гаек, а витые

разрезные— стягиваются специальными обоймами с замками и рамами.

Электротехнические стали, используемые для маг­нитопроводов трансформаторов. В связи с прекращением про­мышленного выпуска горячекатаных сталей в настоящее время для изготовления магнитопроводов применяется только тонко-листовая холоднокатаная анизотропная электротехническая сталь марок 3411, 3412, 3413 или 3414, выпускаемая по ГОСТ 21427.1—83. По структурному состоянию и виду прокатки эта сталь относится к третьему классу (с ребровой структурой), по содержанию кремния—к четвертому классу (2,8—3,8 %), по характеру и уровню магнитных свойств — к третьей группе (удельные потери при индукции 1,5 Тл и частоте 50 Гц 1,5/50 и при индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц  1,7/50). По видам про­катки сталь подразделяется на листовую, рулонную и ленточ­ную.

Магнитные свойства сталей соответствуют данным, полу­ченным на отожженных образцах, вырезанных вдоль направ­ления прокатки. Все стали изготовляются в термически обра­ботанном состоянии. Каждая из них может быть без элек­троизоляционного покрытия (БП), с электроизоляционным термостойким покрытием (ЭТ) или с изоляционным покрытием, не ухудшающим штампуемость (М—мягкая). Электроизоляци­онное термостойкое покрытие стали (ЭТ), нейтральное к транс­форматорному маслу при 100°С и маслостойкое при 150 °С, должно иметь одностороннюю толщину не более 5 мкм. Кроме того, это покрытие должно сохранять электроизоляционные свойства после нагрева до 800 °С в течение 3 ч в нейтральной атмосфере или после выдержки при температуре (820±10)°С в течение 3 мин на воздухе и не отслаиваться при изгибе об­разцов. Коэффициент заполнения стали Кс зависит от толщины материала и от вида покрытия.

Шихтованные магнитопроводы и пластины. Самой распространенной конструкцией магнитопровода сварочных трансформаторов является броневая шихтованная из пластин, позволяющая обеспечить любое большое поперечное сечение магнитопровода.

Наиболее экономичная форма поперечного сечения магнито­провода — ступенчатая, вписанная в окружность диаметром d. Однако при такой форме поперечного сечения требуется большое число пластин различных типов, имеющих разную ширину, что усложняет заготовку и процесс сборки магнитопровода.

Простейшей формой поперечного сечения магнитопровода является прямоугольная, при которой требуется минимальное разнообразие пластин, и такие магнитопроводы наиболее удо­бны и технологичны как в производстве, так и в ремонте. В связи с этим в настоящее время при изготовлении сварочных трансформаторов применяются в основном магнитопроводы только с этой формой поперечного сечения. Наиболее экономич­ной формой сечения стержня, охватываемого обмотками, явля­ется квадратная, так как при ней получается минимальный пе­риметр и, следовательно, минимальная средняя длина витка катушек. Но практически такое соотношение сторон магнито­провода получить трудно, и наиболее целесообразные отноше­ния толщины пакета h к ширине стержня be следу­ющие: для стержневых магнитопроводов h/bc=1..2 и для броневых h/bc = 1…2,5.

Поскольку включение первичной обмотки трансформатора в сеть производится одновременно с включением нагрузки, то трансформатор на холостом ходу не работает. Поэтому при выборе материала для магнитопровода важным фактором яв­ляются не потери холостого хода в пакете магнитопровода, а ток холостого хода, значение которого не должно сильно влиять на первичный ток при нагрузке и, следовательно, на размеры провода первичной обмотки трансформатора и на его коэффициент мощности. До недавнего времени основным ма­териалом для магнитопровода служила листовая электротех­ническая высоколегированная сталь горячей прокатки толщи­ной 0,5 мм. Для трансформаторов, работающих с ПВ до 20 %, применялась сталь марок 1211 (Э11) и 1212 (Э12), для транс­форматоров, работающих с ПВ до 50%,—стали 1511 (Э41) и 1512 (Э42). В настоящее время для шихтованных магнитопро­водов используется только холоднокатаная сталь листовая или рулонная марок 3411, 3412, 3413, 3414 с покрытием или без по­крытия.

При изготовлении пластин из этих текстурованных сталей необходимо соблюдать условие, чтобы их резка или штамповка производились только вдоль проката. Это условие может быть выполнено при изготовлении магнитопроводов из отдельных пластин. Но когда пластины имеют П-образную или Ш-образную форму, то это условие выполнить невозможно. Так, если, например, направление прокатки совместить с направлением стержней, то магнитный поток в ярмах окажется направленным поперек проката. Хотя в целом для трансформатора проигрыш от этого на первый взгляд не так велик, однако опыт показы­вает, что потери мощности в собранном магнитопроводе пре­вышают потери материала на 30 и даже на 50 %. По причине того, что пластины изготовляются на том же оборудовании и при той же технологии, как и из горячекатаных сталей, и гото­вый магнитопровод не подвергается дополнительному отжигу по специальной технологии, современные магнитопроводы стали значительно дороже без преимущества по массе и качеству. Это особенно усугубляется, когда по каким-либо причинам пла­стины изготовляются из ленточной стали с покрытием ЭТ.

Как правило, для изготовления пластин применяются ли­стовые или рулонные электротехнические стали БП толщиной 0,5 мм или с покрытием М. Размеры и форма пластин выбира­ются с учетом наивыгоднейшего раскроя стандартных листов стали с учетом тех­нологичности изготовления самих пластин и сборки трансфор­матора.

Для единичных или специальных трансформаторов их магнитопроводы могут быть набраны впереплет из отдельных пластин прямоугольной формы.

Для изделий массового производства магнитопроводы уни­фицированы, что позволяет применять прогрессивные методы их изготовления.

В отношении экономичности раскроя, простоты штампа и технологичности сборки трансформаторов наилучшими фор­мами пластин являются П-образные и Ш-образные с ярмом прямоугольной формы. Используя эти пластины раз­ных размеров и варьируя толщину пакета железа, можно получить трансформаторы разных мощностей. Из П-образных пластин можно изготовить магнитопроводы стержневого или броневого типа, а из Ш-образных—только броневого типа.

Раскрой листов на отдельные мерные заготовки произво­дится на гильотинных или роликовых ножницах. Вырубка и пробивка деталей из заготовок выполняются на совмещенном штампе за один удар. Изготовление деталей из листов с изоля­ционным покрытием производится на штампах с хорошо зато­ченными ножами с тем, чтобы размер заусенцев был не более 0,02—0,03 мм. При использовании стали БП пластины с пред­варительно снятыми заусенцами с двух сторон покрываются изоляционным масляным лаком № 302 с последующей сушкой для получения полимеризованного слоя высокой прочности и теплостойкости (до 130 °С). Толщина пленки составляет 0,01 мм. Для лакировки листов используются специальные лакировальные машины с электрическим или газовым обогревом. Качество лакировки считается хорошим, если электрическое сопротивление пакета, набранного из 20 пластин, при давлении на электроды 0,6 МПа будет не менее 5 Ом, что практически обеспечивается пленкой 0,01 мм.

Как правило, сборка магнитопровода из пластин произво­дится впереплет через 2—3 пластины. При таком наборе места стыков двух или трех следующих слоев перекры­ваются сплошными пластинами следующих слоев. Для пла­стин, изготовленных штампом, эквивалентный зазор в стыках принимается равным 0,05 мм. Сборка пакетов впритык в на­стоящее время практически не применяется.

Магнитопроводы трансформаторов броневого типа из П-об­разных пластин изготовляются следующим образом: два пред­варительно собранных, но незашихтованных магнитопровода стержневого типа устанавливаются рядом, как показано в табл. 2.5, и на сдвоенный средний стержень надеваются ка­тушки первичной обмотки и диски вторичного витка.

Витые магнитопроводы. Положительные качества электротехнических холоднокатаных текстурованных сталей наилучшим образом реализуются в витых магнитопроводах, обеспечивающих малое магнитное сопротивление потоку, про­ходящему вдоль проката стали по всем частям магнитопровода. Благодаря этим преимуществам в настоящее время витые маг­нитопроводы получили широкое применение.

Для изготовления магнитопроводов применяются рулонные или ленточные стали марок 3411, 3412, 3413 и 3414 толщиной 0,35 мм с термостойким изоляционным покрытием ЭТ. Существуют две разновидности конструкций таких магнитопроводов: витая раз­резная и витая неразрезная, ввитая непосред­ственно в блок обмотки. В настоящее время обе эти конструкции широко используются не только в зару­бежных трансформаторах, но и в отечественных. Так, с витыми разрезными магнитопроводами броневого типа изготовляются серийные сварочные трансформаторы ТК-301, ТК-302, ТК-401 и ТК-501, с неразрезными витыми магнитопроводами—свароч­ные трансформаторы ТВК-75. Магнитопроводы большого сече­ния броневого или стержневого типа набираются из отдельных пакетов.

Примерная последовательность технологических операций при изготовлении витых разрезных магнитопроводов следую­щая. Рулонная или ленточная сталь с покрытием ЭТ на роли­ковых ножницах с острыми ножами разрезается на полосы тре­буемой ширины и затем наматывается на прямоугольную сталь­ную жаропрочную оправку с закругленными углами, размеры и форма которой полностью соответствуют окну магнитопровода. Последний слой ленты приваривается в нескольких ме­стах точечной сваркой. Вместе с оправкой магнитопровод по­ступает в вакуумную печь, где подвергается отжигу при темпе­ратуре 790—800 °С по специальному режиму. Этот отжиг не приводит к изменению изоляционного слоя, но снимает меха­нические напряжения и восстанавливает магнитные свойства холоднокатаной стали, утраченные в результате деформации, возникающей при навивке. После этого пакет пропитывается или клеем БФ-4 или лаком 1154, запекается и разрезается кар­борундовой фрезой на две симметричные половины. На торцы каждой половины наносится влагостойкое противокоррозийное покрытие. Готовые половины магнитопроводов комплектуются попарно.

Теоретически витые неразрезные магнитопроводы пред­ставляют собой образцы магнитопроводов самого высокого ка­чества. Но на самом деле это не так. Во-первых, процесс cвивания ленточной стали в готовый моноблок обмоток является чрезвычайно трудоемким, малопроизводительным, требующим специального сложного технологического оборудования и высо­кой культуры производства. Во-вторых, витые магнитопроводы уже не могут быть подвергнуты отжигу и, следовательно, утра­ченные магнитные свойства исходного материала в этих магнитопроводах не восстанавливаются. Это обстоятельство отри­цательно сказывается на массе, габаритных и в некоторой сте­пени энергетических показателях трансформаторов.

Магнитопроводы витые неразрезные тороидальные до сих пор широкого внедрения не получили.

Конструктивные элементы магнитопровода. Пакеты магнитопроводов прессуются рамами и стягиваются шпильками и гайками. Шпильки могут быть размещены внутри пакета и вне пакета, у его боковых поверхностей. Для шихтованных магнитопроводов наиболее рас­пространен первый вариант, который имеет следующие преиму­щества: пакет стягивается плотно и надежно, во время работы трансформатора вибрации отдельных пластин отсутствуют; сборка и разборка всей активной части трансформатора при изготовлении и при ремонте просты.

В магнитопроводах стержневого типа число шпилек равно четырем и шпильки располагаются в углах. Шпильки ставятся на пути главного маг­нитного потока только тогда, когда пластины очень высокие и пакеты толстые. Часть каждой стяжной шпильки, находящейся внутри пакета, надежно изолирована от пластин и от прессу­ющих рам. Размер изолированной части шпильки должен быть таким, чтобы она доходила до электроизоляционной шайбы, лежащей на полке стягивающей рамы. В качестве изоляцион­ного материала для шпилек применяется бакелизированная бу­мага толщиной 0,1 мм, которая наматывается в несколько слоев на горячую шпильку, спрессовывается и склеивается. Толщина изоляции равна 1 мм. Электрическая прочность изоляции шпильки испытывается напряжением 1500 В при частоте 50 Гц. Более надежная изоляция шпилек получается путем напыления пластмассовыми порошками.

Диаметр отверстия (в пластинах) выбирается с запасом, чтобы изолированная шпилька могла свободно войти, не повре­див изоляции.

Необходимо иметь в виду, что в магнитопроводах со шпиль­ками, проходящими внутри пакета, несколько ослабляется ак­тивное сечение магнитопровода в местах прохода шпилек. Кроме того, плохо снятые заусенцы отверстий могут проколоть изоляцию шпильки, в результате чего образуется замкнутый электрический контур на пути потока трансформатора, при­водящий иногда к чрезмерному нагреву магнитопровода, шпи­лек и рам.

Шпильки размещаются вне пакета только в тех случаях, когда пластины заготовляются не штампом или имеют очень малую ширину, и для стяжки витых магнитопроводов. Досто­инством этих магнитопроводов является относительная про­стота изготовления пластин, а недостатками — большая трудо­емкость сборки трансформатора и необходимость полной раз­борки его даже в случае небольшого ремонта (например, при замене катушки).

Надлежащая механическая прочность и жесткость всей кон­струкции трансформатора обеспечиваются двумя сварными или литыми рамами. С помощью рам достигается сжа­тие пакета магнитопровода, фиксируются его размеры и кре­пится трансформатор в машине. Кроме того, рамы восприни­мают электродинамические усилия, возникающие при работе трансформатора под нагрузкой и действующие на обмотки вдоль оси стержня. В связи с этим в трансформато­рах с дисковыми обмотками лобовые части катушек первичной обмотки и дисков вторичной обмотки должны быть крепко стя­нуты с помощью болтов, ввинчиваемых в полки рам и упирающихся через изоляционные планки в поверхности крайних катушек. Это крепление обеспечивает сохранность изоляции от механических износов и надлежащий тепловой контакт между первичной и вторичной обмотками.

В зависимости от высоты окна и габаритов катушек стяж­ные болты ввинчиваются в полки обеих рам или с одной сто­роны, или с двух сторон. Конструктивное исполнение рам мо­жет быть самым разнообразным. Наиболее распространены неразъемные рамы, сваренные из углового железа или литые силуминовые.

Во избежание короткозамкнутых контуров, образуемых кон­структивными элементами и сцепленных с магнитными пото­ками трансформатора, а также для уменьшения добавочных потерь в обмотках каждая рама изолируется от магнитопровода прокладкой из пропитанного электрокартона толщиной 1—1,5 мм. Размеры прокладок выбираются такими, чтобы они перекрывали ширину и длину уголков рамы в случае, когда размеры уголков меньше соответствующих размеров магнитопровода, или перекрывали ширину и длину пластин магнитопровода, если размеры пластин меньше соответствующих раз­меров уголков рамы.