5 Розрахунок магнітної системи трансформатора

1. Визначення розмірів магнітної системи

При розрахунку магнітної системи, який проводиться після завершення повного розрахунку обмоток, параметрів і струмів короткого замикання трансформатора, для плоскої шихтованої магнітної системи визначаються: число ступенів у перерізі стрижня і ярма, розміри пакетів – ширина пластин і товщина пакетів, розташування і розміри охолоджувальних каналів, повні і активні площі перерізів стрижня і ярма, висота стрижня, відстань між осями стрижнів, маса сталі стрижнів, ярем і кутів магнітної системи і повна маса магнітної системи трансформатора. Після встановлення усіх розмірів і маси сталі частин магнітної системи визначаються втрати і струм холостого ходу трансформатора.

Розкрій холоднокатаної анізотропної рулонної сталі на пластини для плоскої магнітної системи слід вести так, щоб напрям ліній магнітної індукції у стриж­нях і ярмах співпадав з напрямом прокатки сталі. Для цього довша сторона пластин повинна бути розташована вздовж полоси рулону, а їх ширина – по ширині його по­лоси. Такий розкрій сталі забезпечується на сучасному технологічному обладнанні – на лініях повздовжньої і поперечної різки сталі. У листової сталі напрям прокатки співпадає з напрямом більшої сторони листа, але застосування цієї сталі не рекомендується, оскіль­ки обмеження розміру листа по довжині не дозволяє застосовувати конструкції магнітних систем з косими стиками пластин і затяжкою стрижня бандажами із склострічки, а також використовувати для розкрою сталі сучасне обладнання, що приводить до збільшення втрат і струму холос­того ходу і суттєвому збільшенню відходів сталі.

Ширина пакетів (пластин) у стрижні і ярмі магніт­ної системи повинна вибиратися так, щоб при ширині полоси рулону 650, 750, 800, 860 або 1000 мм з урахуванням об­різки кромки з двох боків по 3 – 7 мм можна було отримати розкрій сталі з мінімальними відходами. Ширина пластин (пакетів) в сучасний час нормалізована, і пластини для силових трансформаторів повинні виготовлятися шириною від 40 до 985 мм через 5 мм. Допускається також виготовлення пластин шириною 368 мм.

Вибір числа і розмірів пакетів у перерізі стрижня пло­скої магнітної системи повинен бути зроблений так, щоб площа ступеневої фігури його поперечного перерізу, вписаного в окружність, була максимально можливою. При збільшені числа ступенів коефіцієнт заповнення пло­щі круга збільшується згідно рис. 5.1, однак при цьому збільшується число пластин різних розмірів і суттєво ускладнюється їх виготовлення, складування до збірки магнітної системи і її збірка. Як видно із рис. 5.1, збільшення числа ступенів від 15 – 16 до 25 – 30 при діаметрі стрижня до 0,750 м збільшує коефіцієнт заповнення не більш ніж на 1 % і з урахуванням ускладнення технології виготовлення і використання пластин вряд чи є доцільним.

Рисунок 5.1 – Залежність від числа ступінів n_c у перерізі стри­жня:

1 – максимальне теоретично можливе значення ; 2 – зна­чення для реальних конструк­цій без охолоджувальних каналів; 3 – те ж для конструкцій з поздовжними охолоджувальними кана­лами

n_c

Розміри пакетів стрижня, які забезпечують оптимальне заповнення площі круга, можуть бути розраховані теоретично. Так оптимальні роз­міри пакетів при числі ступенів від 1 до 6 можуть прийматись за табл. 5.1, де ширина пластин а, товщина пакетів b, висота сегмента приведені в долях діаметру стрижня d =1.

Слід мати на увазі, що ширина пластин, яка розрахована за табл. 5.1, може не співпадати з нормалізованою шириною, що приведе до необхідності підби­рати ширину пластин і товщину пакетів з відступом від оптимальних значень і приведе до деякого зменшення коефіцієнта заповнення круга.

Таблиця 5.1 – Розміри пакетів у поперечному перерізі стрижня, які забезпечують максимальне значення

Число ступенів		Розміри пакетів, м						Сегмент , м
1	0,637	0,707 0,353	-	-	-	-	-	0,146
2	0,787	0,850 0,263	0,525 0,162	-	-	-	-	0,075
3	0,851	0,905 0,212	0,707 0,141	0,424 0,099	-	-	-	0,048
4	0,886	0,935 0,178	0,8 0,122	0,6 0,1	0,375 0,068	-	-	0,032
5	0,910	0,95 0,156	0,847 0,105	0,707 0,093	0,532 0,07	0,312 0,051	-	0,025
6	0,930	0,955 0,15	0,87 0,098	0,77 0,072	0,64 0,065	0,495 0,05	0,3 0,042	0,023

При великому числі ступенів у перерізі стрижня задача вибору числа ступенів і оптимальних розмірів пакетів суттєво ускладнюється. Досвід проектування магнітних систем для ряду серій силових трансформаторів у широ­кому діапазоні потужностей і класів напруг, накопичений вітчизняними заводами і покладений в основу рекомендацій табл. 5.2 – 5.5, дозволяє вибирати раціо­нальні значення числа ступенів і розмірів пакетів для діаметрів стрижня, які входять до нормалізованого ряду до 0,750 м. При цьому ураховується оптимальне заповнення площі круга у поперечному перерізі стрижня магнітної системи, використовування нормалізованого ряду ширини пластин і прийнятна технологія їх виготовлення. В цих таблицях для сучасного нормалізованого ряду діа­метрів стрижня від 0,080 до 0,750 м приведені: число ступенів у перерізі стрижня і ярма, коефіцієнти заповнення круга і розміри всіх пакетів – ширина пластин і тов­щина пакетів.

У табл. 5.3 – 5.5 передбачені два варіанта механічного з’єднання пресувальних балок верхнього і нижнього ярма – зовнішніми по відношенню до обмоток вертикальними шпильками, без пресувальної пластини і стальними пластинами, укладеними на менший по ширині пакет стрижня всередині обмотки, з пресувальною пластиною. У другому варіанті пресувальна пластина займає місце найбільш вузького пакета стрижня. Число пакетів зменшується на одиницю, повний переріз стрижня – площа ступеневої фігури і коефіцієнт заповнення круга – зменшуються у зрівнянні з першим варіантом. При наявності пресувальної пластини на стрижні для осьового пресування обмоток слід встановлювати пресувальні кільця. При діаметрах стрижня менш 0,190 м пресувальні пластини на стрижень звичайно не ставляться.

Форма поперечного перерізу ярма у середній своїй частині по розмірам пакетів повторює переріз стрижня. Крайні пакети в цілях поліпшення пресування ярма ярмовими бал­ками, більш рівномірного розподілу тиску по ши­рині пакетів і зменшення віяла пластин на кутах паке­тів виготовляються більш широкими об’єднанням двох-трьох па­кетів в один. Так для відображених на рис. 5.2 двох варіантів перерізу стрижня діаметром 0,240 м крайній па­кет ярма в першому варіанті має розміри , а у другому варіанті мм. Площа сту­пеневої фігури поперечного перерізу стрижня, м²,

(5.1)

Активний переріз стрижня:

. (5.2)

Аналогічно для ярма:

(5.1а)

. (5.2 6)

Для стрижня і ярма з поздовжніми по відношенню до пластин охолоджувальними каналами із розмірів пакетів b виключаються відповідні розміри цих каналів.

Розраховані за (5.1) і 5.1а) повні площі ступеневої фігури поперечного перерізу стрижня і ярма для плоских шихтованих магнітних систем при діамет­рах стрижня від 0,008 до 0,750 м при відсутності і наявності пресувальної пластини з розмірами за табл. 5.2 – 5.5 з урахуванням розмірів охолоджувальних каналів приведені в табл. 5.6 і 5.7, де приведені також об’єми одного кута магнітної систе­ми

Прямокутна форма перерізу ярма не рекомендується для плоских магнітних систем, які збирають із пластин хо­лоднокатаної анізотропної сталі, тому що приводить до збільшення витрат сталі і зростанню додаткових втрат в магнітній системі. При використанні цієї форми ярма в цілях спрощення технології виготовлення пластин ярма площа поперечного перерізу ярма повинна бути збільшена по відношенню до площі поперечного перерізу стрижня в k_я раз при k_я = 1,15 – 1,05 для трансформаторів потужністю 25 – 6300 .

Ярмо

Ярмо

Пластина

Рисунок 5.2 – Перерізи стрижня і ярма за табл. 5.3 для стрижня діаметром 0,24 м: а – стрижень без пресувальної пластини; б – стрижень з пресувальною пластиною

Таблиця 5.2 – Розміри пакетів – ширина пластин а і товщина пакетів b, мм, для магнітних систем без пресувальної пластини з пресуванням стрижня обмоткою без бандажів (п_c і п_я – число ступенів у перерізі стрижня і ярма; а_я – ширина крайнього зовнішнього пакету ярма; k_кр - коефіцієнт заповнення круга для стрижня)

Діаметр стрижня d. м				, мм	Розміри пакетів а b, мм, у стрижні
0,080	4	0,863	3	55	75 14	65 9	55 6	40 5	-	-
0,085	5	0,895	4	50	80 14	70 10	60 6	50 4	40 4	-
0,090	5	0,891	4	55	85 15	75 10	65 6	55 4	40 5	-
0,095	5	0,887	4	50	90 15	80 10	65 9	50 5	40 4	-
0,100	6	0,917	5	55	95 16	85 10	75 7	65 5	55 4	40 4
0,105	6	0,912	5	50	100 16	90 11	80 7	65 7	50 4	40 4
0,110	6	0,905	5	65	105 16	95 11	85 7	75 6	65 4	40 7
0,115	5	0,903	4	65	105 25	95 9	85 6	65 9	40 3	-
0,120	6	0,928	5	60	115 18	105 11	90 10	75 8	60 6	40 4
0,125	6	0,915	5	65	120 18	105 16	95 6	85 6	65 7	40 6
0,130	6	0,918	5	65	125 18	110 16	100 8	80 9	65 5	40 6
0,140	6	0,919	5	65	135 19	120 17	105 10	85 9	65 7	40 5
0,150	6	0,915	5	85	145 19	135 13	120 13	105 9	85 8	55 7
0,160	6	0,913	5	85	155 20	135 23	120 10	105 7	85 7	55 7
0,170	6	0;927	5	85	160 28	145 17	130 10	110 10	85 8	50 8
0,180	6	0,915	5	95	175 21	155 25	135 13	120 8	95 9	65 8

Таблиця 5.3 – Розміри пакетів – ширина пластин и товщина , мм, для магнітних систем без пресувальної пластини з пресуванням стрижнів бандажами із склострічки ( і – число ступенів у перерізі стрижня і ярма; а_я – ширина крайнього зовнішнього пакету ярма; – коефіцієнт заповнення круга для стрижня)

Діаметр стрижня d, мм	Стрижень				Ярмо		Розміри пакетів , мм, в стрижні
	Без пресу-вальної пласти-ни		З пресу-вальною пласти-ною
							1	2	3	4	5	6	7	8
0,19	7	0,927	6	0,890	5	100	180х30	165х17	145х14	130х8	115х7	100х5	75х7	-
0,20	7	0,918	6	0,885	5	120	195х22	175х26	155х15	135х11	120х6	105х5	75х7	-
0,21	7	0,922	6	0,890	5	130	200х32	180х22	160х14	145х8	130х6	110х8	90х6	-
0,22	8	0,929	7	0,901	6	120	215х23	195х28	175х15	155х12	135х9	120х5	105х4	75х7
0,23	8	0,933	7	0,907	6	130	220х34	205х19	185х16	165х12	145х9	130х5	115х5	90х6
0,24	8	0,927	7	0,902	6	135	230х34	215х19	195х17	175х12	155х9	135х8	120х5	95х6
0,25	8	0,929	7	0,909	6	140	240х35	220х24	200х16	180х12	155х11	140х6	120х6	100х5
0,26	8	0,924	7	0,900	6	155	250х35	230х25	215х13	195х13	175х10	155х8	120х9	105х6
0,27	8	0,930	7	0,901	6	155	260х36	240х25	215х20	195х13	170х11	155х5	125х7	105х8
0,28	8	0,927	7	0,903	6	175	270х37	250х26	230х17	215х9	195х11	175х9	135х13	105х7
0,29	8	0,927	7	0,899	6	165	280х37	260х27	235х21	210х15	180х13	165х6	145х6	115х8
0,30	8	0,930	7	0,912	6	175	295х28	270х37	250х18	230х13	215х8	175х18	135х12	105х6

П р и м і т к и: 1. У магнітної системі з пресувальною пластиною виключити останній – сьомий або восьмий – пакет стрижня. .

2 . Крайній зовнішній пакет ярма має ширину а і товщину, яка дорівнює сумі товщин трьох крайніх пакетів(5 –7 або 6 – 8) при відсутності пресувальної пластини, або двох крайніх пакетів (5 –6 або 6 – 7) при її наявності.

Таблиця 5.4 – Розміри пакетів стрижня – ширина пластин а і товщина пакетів b, мм, для магнітних систем без пресувальної пластини і з пресувальною пластиною з пресуванням стрижнів бандажами із склострічки. ( і – число ступенів у перерізі стрижня і ярма; а_я – ширина крайнього зовнішнього пакету ярма; – коефіцієнт заповнення круга для стрижня)

Діаметр стрижня d, мм	Стрижень								Ярмо		Товщина пакетів стрижня b, мм, при ширині пластин а, мм
	Без пресу-вальної плас-тини				З пре-суваль-ною плас-тиною
											310	300	295	280	270	260	250	245	230	215	210	195	190	160	155	135
0,31	9		0,930		8		0,905		7	190	-	39	-	28	-	18	-	10	9	-	10	-	9	10	-	7
0,32	9		0,928		8		0,911		7	195	40	-	22	-	24	-	14	-	11	7	-	8	-	-	12	5
											При ширині пластин а, мм
											325	320	310	295	275	270	265	250	245	230	225	205	195	165	155	135
0,33		9		0,932		8		0,900	7	205	-	40	-	34	17	-	9	-	11	-	10	9	-	11	-	10
0,34		9		0,931		8		0,913	7	195	50	-	19	15	-	19	-	12	-	10	-	-	14	-	11	6
											При ширині пластин а, мм
											350	340	325	315	295	280	270	260	250	235	230	215	195	180	155	135
0,35		9		0,938		8		0,903	7	215	-	41	-	35	18	11	-	12	-	13	-	9	-	11	-	12
0,36		9		0,913		8		0,894	7	195	42(3)	-	35	-	26	-	16	-	10	-	9	-	13	-	9	7