![](/user_photo/_userpic.png)
Електричні машини_К3С2(6) / Іспит / Літ / voldek_ai_elektricheskie_mashiny / Глава 12 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНСФОРМАТОРАХ 241-262
.docxРаздел второй ТРАНСФОРМАТОРЫ
Основные сведения. Намагничивание сердечников. Схема замещения. Работа под нагрузкой. Несимметричная нагрузка. Переходные процессы. Разновидности трансформаторов.
Глава двенадцатая
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНСФОРМАТОРАХ
§ 12-1, Принцип действия и виды трансформаторов.
Принцип действия.
Трансформатор представляет собой электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.
В простейшем случае (рис. 12-1) трансформатор имеет одну первичную обмотку 1, к которой подводится электрическая энергия, и одну вторичную обмотку 2, от которой энергия отводится к потребителю {нагрузке). Передача энергии из одной обмотки в другую производится путем электромагнитной индукции.
Рис. 12- 1. Принцип устройства трансформатора
Г — генератор переменного тока, ZНГ — сопротивление нагрузки
Для усиления электромагнитной связи между обмотками последние обычно располагаются »а замкнутом ферромагнитном сердечнике 3. При Частоте f < 150 гц сердечник изготовляется из листов электротехнической стали толщиной 0,35—0,50 мм. При более высоких частотах применяется более тонкая листовая сталь. При частоте порядка 100 000 гц и выше потери на гистерезис и вихревые токи подобном сердечнике становятся чрезвычайно большими, и в этом случае применяются трансформаторы без ферромагнитного сердечника (так называемые воздушные трансформаторы). Высококачественные трансформаторы весьма малой мощности для радиотехнических, счетно-решающих и других устройств изготовляются также с сердечниками из ферритов, которые представляют собой особый вид магнитодиэлектриков с малыми магнитными потерями.
При подключении первичной обмотки трансформатора (рис. 12-1) к сети с синусоидальным напряжением U1 в обмотке возникает ток I1 который создает синусоидально изменяющийся магнитный поток Ф, замыкающийся по сердечнику. Поток Ф индуктирует э. д. с. как в первичной, так и во вторичной обмотке. При подключении к вторичной обмотке нагрузки в этой обмотке возникает вторичный ток I2 и на ее зажимах устанавливается некоторое напряжение U2. Результирующий магнитный поток сердечника Фс создается током обеих обмоток.
Электрические
соотношения в идеальном трансформаторе.
Назовем идеальным такой трансформатор,
в котором 1) отсутствуют потери энергии
(сопротивления обмоток и потери в стали
сердечника равны нулю), 2) магнитная
проницаемость стали сердечника
и
в листах стали сердечника нет разъемов
и стыков; 3) все линии магнитной индукции
проходят целиком по сердечнику и каждая
линия сцепляется со всеми витками
первичной (
)
и
вторичной (
)
обмоток. Отметим, что при соблюдении
последнего условия электромагнитная
связь между первичной и вторичной цепями
является полной и коэффициент
электромагнитной связи обмоток
трансформатора
(12-1)
равен единице. Здесь L11 и L22 — собственные индуктивности, a M — взаимная индуктивность обмоток.
Э. д с. первичной и вторичной обмоток такого трансформатора при синусоидальных переменных токах соответственно равны
(12-2)
где Фс—амплитуда магнитного потока трансформатора,
Действующие значения этих э. д. с.
(12-3)
Так как в идеальном трансформаторе падения напряжения отсутствуют, то
(12-4)
На основании выражений. (12-3) и (12-4)
(12-5)
или
(12-6)
(12-7)
называется коэффициентом трансформации трансформатора.
Поскольку в идеальном трансформаторе потери активной и реактивной энергии отсутствуют, то
откуда
(12-8)
или
(12-9)
Таким образом, в идеальном трансформаторе первичное и вторичное напряжения прямо пропорциональны, а первичный и вторичный токи обратно пропорциональны числам витков соответствующих обмоток. В реальном трансформаторе полученные соотношения несколько нарушаются, однако в трансформоторах с ферромагнитными сердечниками эти отклонения при нагрузках, близких к Номинальным, относительно малы.
Виды трансформаторов. Трансформатор с одной первичной и с одной вторичной обмоткой называется двухобмоточ-н ы м. Во многих случаях применяются трансформаторы с нескользкими первичными или вторичными обмотками. Такие трансформаторы Называются многообмоточными. Ниже в первую очередь рассматриваются двухобмоточные трансформаторы.
Чаще всего применяйся однофазные и трехфазное трансформаторы. Трансформаторы с другим числом фаз используются в специальных устройствах.
В зависимости от назначения трансформаторы имеют некоторые особенности в конструкции и режимах работы.
Трансформаторы, служащие для преобразования анергии переменного тока в электрических сетах энергетических систем (пй электростанциях и йодстанциях, промышленных предприятиях* в городских сетях, в сельском хозяйстве и т. д.), называются с и л о в ы м и. Частота тока силовых трансформаторов в СССР равна 50 гц> а в США и в некоторых других странах 60 гц. Силовые трансформаторы представляют собой наиболее распространенный и наи более важный класс трансформаторов. Кроме этого, имеется целый ряд трансформаторов специального назначения: выпрямительные, сварочные, измерительное и др.
Силовые трансформаторы бывают масляные в сухие. В масляных трансформаторах сердечник с обмотками помещают в бак с трансформаторным маслом, которое выполняет одновременно роль элегической изоляции и охлаждающего агента. Однако трансформаторное масло является горючим, в связи с чем при аварии таких трансформаторов существует определенная опасность возникновения пожара. Поэтому в общественных п жилых зданиях, а также в ряде других случаев применяются сухие Трансформаторы, охлаждение которых осуществляется воздухом. В цас-портных табличках силового трансформатора указываются следующие данные: 1) номинальная полная мощность SН (ква)\ 2) номинальные линейные напряжения обмоток Uл.н(ква);3) номинальные линейные токи Iл.н(а); 4) номинальная частота f (гц); 5) число фаз т; 6) схема и группа соединения обмоток {см. § 12-4); 7) напряжение короткого замыкания ик (см. § 14-5); 8) режим работы (длительный, кратковременный); 9) способ охлаждения (см, § 12-5),
К настоящему времени построены силовые трансформаторы единичной мощностью до 1300 Мва и напряжением до 750 кв.
Основные вопросы теории являются общими для всех видов трансформаторов. Однако в последующих главах вопросы конструкции, теории и эксплуатации трансформаторов рассматриваются прежде всего применительно к силовым трансформаторам. Об особенностях других трансформаторов говорится вкратце отдельно.
§ 12-2. Магнитопроводы трансформаторов
Виды магнитопроводов.
По конструкции магнитопровода трансформаторы подразделяются на стержневые и броневые.
Магнитопровод, или сердечник, однофазного стержневого трансформатора (рис. 12-2, а) имеет два стержня С, на которых размещаются обмотки, и два ярма Я, которые служат для создания замкнутого магнитопровода. Каждая из двух обмоток (1 и 2) состоит из двух частей, расположенных на двух стержнях, причем эти части соединяются либо последовательно, либо параллельно. При таком расположении первичная и вторичная обмотки находятся близко друг от друга, что приводит к увеличению коэффициента электромагнитной связи [см. равенство (12-1)].
Рис. 12-2. Устройство однофазного стержневого
(а) и броневого (б) трансформаторов
Однофазный трансформатор броневой конструкции (рис. 12-2, б) имеет один стержень с обмотками и развитое ярмо, которое частично закрывает обмйтки подобно «броне».
Для преобразования, или трансформации, трехфазного тока можно использовать три Однофазных трансформатора (рис. 12-3), обмотки которых соединяются по схеме звезды или треугольника и присоединяются к трехфазной сети. Такое устройство называется трехфазной трансформаторной группой или групповым трансформатором. Чаще, однако, применяются трехфазные трансформаторы с общим для всех фаз сердечником, так как такие трансформаторы компактнее и дешевле.
Идея образования трехфазного трансформатора стержневого типа показана на рис. 12-4. Если для трехфазных синусоидальных токов соблюдается условие
то для синусоидальных потоков трех трансформаторов (рис. 12-4, а) также соблюдается условие
Поэтому, если объединить три стержня 1, 2 и 3 (рис. 12-4, а) в общий стержень, то поток в этом стержне будет равен нулю и этот стер-
Рис 12-3. Трехфаз- Рис. 12-4. Идея образования трех-
ный трансформатор- фазного трехстержневого трансфор-
ная группа матора
жень можно удалить. Тогда получим трехфазный трехстержневой трансформатор, показанный на рис. 12-4, б. Конструкцию этого трансформатора можно упростить, расположив все три стержня в одной плоскости (рйс. 12-4, в). &га последняя конструкция была предложена М. О. Доливо-Добровольским в 1889 г. и получила всеобщее распространение. Такой сердечник не вполне симметричен, так как длина магнитопровода для средней фазы несколько короче, чем для крайних, однако влияние этой несимметрии весьма незначительно.
Трехфазный
броневой трансформатор (рис. 12-5) можно
рассматривать как три однофазных
броневых трансформатора, поставленные
рядом или друг над другом. При этом
средняя фаза имеет обратное включение
относительно крайних, чтобы в
соприкасающихся частях магнитной
системы потоки фаз складывались, а не
вычитались. Так как
,
то при таком включении средней фазы
поток в соприкасающихся частях магнитной
системы уменьшается в
раза,
и во столько же раз можно уменьшить
сечение этих частей сердечника.
При этом потоки во всех частях ярма
равны половине потока стержней.
В броневых трансформаторах коэффициент электромагнитной связи между обмотками несколько больше, чем в стержневых, и поэтому броневые трансформаторы в электромагнитном отношении несколько совершеннее. Однако это преимущество не имеет большого значения броневого трансформатора сложнее по конструкции, в СССР силовых трансформаторов броневой конструкции не строят.
Рис. 12-5. Устройство трехфазного
броневого трансформатора
С увеличением мощности трансформаторов возрастают их размеры и трудности транспортировки по железным дорогам. Поэтому
Рис. 12-6. Устройство бронестержневых трансформаторов
в трансформаторах мощностью SH > 80 -100 тыс. ква на фазу и напряжением 220—500 кв применяют бронестержневую или многостержневую конструкцию. Такие конструкции получаются, если у трансформаторов вида показанных на рис. 12-2, а и 12-4, б добавить слева и справа по одному боковому ярму (рис. 12-6). При этом магнитный поток в верхнем и нижнем ярмах разветвляется и в случае, изображенном на рис. 12-6, а, уменьшается в два раза, а в случае на рис. 12-6, б —в раза по сравнению с рис. 12-2, а и 12-4, б. Во столько же раз можно уменьшить сечение этих ярем, в результате чего высота сердечников уменьшается,
Преимущественно применяются трехфазные трансформаторы с общей магнитной системой. Трехфазные группы однофазных Трансформаторов используются, во-первых, при весьма больших мощностях (Sн> 300 тыс. ква), когда транспорт трехфазного трансформатора становится весьма затруднительным или невозможным, и, во-вторых, иногда при Sн > 30 тыс. ква, когда применение однофазных трансформаторов позволяет уменьшить резервную мощность на случай аварии и ремонта.
Конструкция сердечников. По способу сочленения стержней с ярмами различаются трансформаторы со стыковыми (рис. 42-7, а, б) и шихтованными (рис. 12-8) сердечниками. В пер-ром случае стержни и ярма собирается отдедьно и крепятся друг с другом С помощью стяжных шпилек, а в места стуков во избежание замыкания Листов и возникновения значительных вихревых токов ставится изоляционные прокладки. Во втором случае стержци и ярма собираются вместе ъщ цельная конструкция, причем Листы стержней и ярем отдельных слоев собираются в переплет. При стыковой конструкции наличие немагнитных зазоров в местах стыков вызывает заметное увеличение магнитного сопротивления сердечник! и вследствие этот увеличение намагничивающего тока. Кроме того, наличие изоляционных прокладок не дает полной гарантии от возможности замыкания листов стали. Поэтому стыковые сердечники применяются редко.
Рис. 12-8. Укладка листов стали в
слоях шихтованных сердечников
У броневых сердечников сечения стержней прямоугольные, а стержневые и бронестержневые сердечники имеют в сечении вид многоугольника, вписанного в окружность (12-9, а, б). В последнем случае обмотки имеют вид круговых цилиндров и вследствие ступенчатого сечения сердечника коэффициент заполнения сталью полости обмотки получается ^дЛьшим. Такая конструкции с точки зрения расхода материалов, уменьшения габаритов и стоимости изготовления трансформатора, а также механической прочности обмоток является наиболее рациональной. Число ступеней сердечника увеличивается с увеличением мощности. В мовдвдх трансформаторах в сечении сердечника предусматриваются каналы для его охлаждение циркулирующим трансформаторным маслом (рис. 12-9, б).
Для упрощения технологии изготовления ярем их сечение берется прямоугольным или с небольшим числом ступеней
Рис. 12-9. Формы сечения стержней трансформаторов
Рис, 12-10. Формы сечения ярем трансформаторов
(рис. 12-10). Форма сечения ярма и его сочленение со стержнем выбираются с учетом обеспечения равномерного распределения магнитного потока в сечении сердечника. Площади сечения ярем
Рис. 12-11. Стяжка стержней трансформаторов средней мощности
1 — деревянная планка, 2 — изоляционный цилиндр,
3 — деревянный стержень
Рис 12-12. Стяжка стержней трансформаторов большой мощности
1 — стальная шпилька; 2 — трубка из баке-
лизированной бумаги, 3 и 5 — шайбы из
электротехнического картона, 4 — стальная
шайба
выбираются так, чтобы индукция в них была на 10—15% меньше, чем в стержнях. Стяжка стержней трансформаторов средней (до 800—1000 ква) и большой мощности показана на рис. 12-11 и 12-12. Ярма трансформаторов стягиваются с помощью деревянных или стальных балок. Для весьма мощных трансформаторов применяются и более сложные конструкции сердечников.
В однофазных трансформаторах весьма малой мощности (до 150—200 ва) применяется броневая конструкция сердечников. При этом стремятся к наибольшему упрощению их изготовления и сборки, а также к уменьшению отходов листовой стали. Обычно штамповка листов сердечника производится по одному из вариантов, изображенных на рис. 12-13 и 12-14. В первом случае лист вырубается одним ударом штампа и имеет прорезь п при сборке средний лепесток временно отгибается и вводится внутрь катушки обмотки, лепесток последующего листа вводится внутрь катушки с противоположного, торцового, ее конца и т. д. Во втором случае одновременно вырубаются Ш-образные листы Ш1 и Ш2 и ярмовые листы Я1 и Я2 (рис. 12-14, а), из которых составляются два слоя листов сердечника (рис. 12-14, б). При этом листы вводятся внутрь катушки также поочередно с одного и второго ее конца.
Рис. 12-13. Сердечник трансформатора небольшой мощности
Сердечники силовых трансформаторов собираются из листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм марок Э41, Э42, Э43 или Э310, Э320, ЭЗЗО. Применение холоднокатаной стали в последние годы все больше расширяется. Межлистовая изоляция осуществляется путем односторонней оклейки листов стали изоляционной бумагой толщиной 0,03 мм или двустороннего покрытия изоляционным масляным лаком.
Индукции в стержнях трансформаторов мощностью 5 квm и выше находятся в пределах 1,2— 1,45 тл для горячекатаных сталей и 1,5—1,7 тл для холоднокатаных сталей у масляных трансформаторов и соответственно 1,0—1,2тл и 1,1—1,5тл у сухих трансформаторов.
Рис. 12-14. Раскрой листов (а) и укладка сердечника
(б) трансформатора небольшой мощности
§ 12-3. Обмотки трансформаторов
Конструкция обмоток трансформаторов должна удовлетворять условиям высокой электрической и механической прочности, а также нагревостойкости. Кроме того, технология изготовления обмоток должна быть по возможности простой и недорогой, а электрические потери в обмотках должны находиться в установленных пределах. Конструкции обмоток в зависимости от номинального тока и номинального напряжения обмотки весьма разнообразны.
Обмотки изготовляются из медного, а в последнее время часто также из алюминиевого провода. Плотность тока в медных обмотках масляных трансформаторов находится в пределах 2—4,5 а/мм2, а в сухих трансформаторах 1,2—3,0 а/мм2. Верхние пределы относятся к более мощным трднсфюрматорам. В алюминиевых обмотках плотность тока на 40—45% меньше. Для изготовления обмоток применяются круглые провода сечением 0,02—10 мм2 и прямоугольные сечением 6—60 мм2. Во многих случаях витки и катушки обмоток наматываются из определенного количества параллельных проводников.
Обмотки масляных трансформаторов изготовляются из проводов с эмалевой и хлопчатобумажной изоляцией (круглые сечения) и из проводов, изолированных двумя слоями кабельной бумаги и хлопчатобумажной пряжей (прямоугольные сечения). В сухих силовых трансформаторах применяются провода с нагревостойкой изоляцией из стекловолокна.
По способу расположения на стержнях и по взаимному расположению обмоток высшего напряжения ВН и низшего напряжения НН обмотки разделяются на концентрические (рис. 12-15, а) и чередующиеся (рис. 12-15, б).
Рис. 12-15. Концентрические (а) и чередующиеся (б) обмотки
расположены относительно друг друга и вокруг стержня концентрически, причем ближе к стержню обычно находится обмотка НН, так как изоляция обмотки от стержня при этом облегчается. В чередующихся обмотках катушки ВН и НН чередуются вдоль стержня по высоте. Чередующиеся обмотки имеют более полную электромагнитную связь, однако они сложнее в изготовлении и в случае высоких напряжений изоляция обмоток друг от друг усложняется. Поэтому в силовых трансформаторах обычно применяются концентрические обмотки, разновидности которых кратко рассматриваются ниже.
Многослойные цилиндрические обмотки (рис. 12-16) изготовляются из круглых или прямоугольных проводников, которые размещаются вдоль стержня в несколько слоев, причем между слоями прокладывается изоляция из кабельной бумаги. При большом количестве слоев обмотка подразделяется на две концентрические катушки, между которыми оставляется канал для охлаждения. Эти обмотки применяются при мощностям на стержень SCT <200 кв «а, при токе на обмотку стержня Iст <135 а и напряжения Uл.н <35 кв,
Многослойные цилиндрические катушечные обмотки (рис. 12-17) наматываются из круглого провода и состоят из многослойных дисковых катушек, расположенных вдоль стержня, Между катушками (через каждую катушку или через две-три катушки) могут быть оставлены радиальные каналы для охлаждения. Такие обмотки применяются на стороне высшего напряжения при SСТ <335 ква, Iст <45 а и Uл.н<35 кв.
Однослойные и двухслойные цилиндрические обмотки (рис. 12-13) наматываются из одного или нескольких (до четырех) параллельных
Рис 12-16. Многослойная цилиндрическая обмотка
Рис. 12-17. Многослойная цилиндрическая катушечная обмотка
прямоугольных проводников и применяются при SCT<200 квa ,Iст < 800 а и Uл.н < 6 кв.
Винтовые обмотки (рис, 12-19) наматываются из ряда параллельных прямоугольных проводников (от 4 до 20), прилегающих друг к другу в радиальном направлении. При большом количестве параллельные проводники могут располагаться также в каждом витке в несколько слоев в аксиальном направлении или же обмотка выполняется многоходовой, т. е. параллельные проводники разбиваются на 2—4 группы и каждая группа образует самостоятельный винтовой ход обмотки.
Когда в радиальном направлении рядом располагается несколько параллельных проводников, то ток распределяется между рими Неравномерно, что вызывает увеличение потерь. Причиной неравномерного распределения тока является то, что такие элементарные витки, состоящие из одного параллельного проводника, сцепляются с разными по величине магнитными потоками и в них индуктируются разные э, д. с. Такая разница в потокосцеплениях обусловлена магнитными потоками рассеяния (см. § 14-1 и 14-4), которые проходят в пространстве, занимаемом обмотками. Иными словами, можно сказать, что причиной увеличения потерь являются вихревые токи, индуктируемые магнитным полем в про-
Рис 12-18 Друхслойная цилиндрическая обмотка
Рис 12-19 Винтовая обмотка
водниках обмотки и вызывающие явление поверхностного эффекта. Вследствие этого активное сопротивление обмотки увеличивается.
Для обеспечения достаточно равномерного распределения тока между проводниками необходимо произрести транспозицию (перекладку) параллельных проводников, образующих виток (рис. 12-20). При полной транспозиции каждый проводник занимает в радиальном направлении поочередно все положения, возможные в пределах одного витка. Часто производится только частичная транс- позиция проводников. Транспозиция осуществляется в нескольких местах по высоте стержня.
Рис. 12-20. Схемы частичной транспозиции
параллельных проводников
Винтовыми выполняются обмотки низшего напряжения при
и
Непрерывная спиральная катушечная обмотка (рис. 12-21) выполняется из прямоугольного провода и состоит из нескольких десятков дискообразных катушек, причем катушки наматываются по спирали и соединяются друг с другом без пайки. Если виток состоит из нескольких параллельных проводников, то производится их транспозиция. Такие обмотки применяются при SCT >60 ква, Iст > 20 а, Uл. н > 2 кв.
Последние два типа обмоток являются в механическом отношении наиболее устойчивыми и способны выдерживать значительные осевые усилия, так как состоят из дискообразных элементов, имеющих в радиальном направлении достаточные размеры.
Радиальные и аксиальные каналы между катушками и слоями обмотки образовываются путем установки прокладок и реек, склеенных и спрессованных из электротехнического картона. При небольших мощностях и невысоких напряжениях цилиндрические обмотки надеваются на стержень сердечника и крепятся относительно его деревянными клиньями и планками, которые играют также роль изоляции. В остальных случаях применяются мягкие изоляционные цилиндры из листов электротехнического картона или жесткие цилиндры из рулонного электротехнического картона на бакелитовом лаке. Наружная и внутренняя обмотки также крепятся относительно друг друга с помощью реек. Изоляция между обмоткой и ярмом выполняется из колец, шайб и прокладок, изготовляемых из электротехнического картона. При высоких напряжениях в случае надобности между обмотками и баком трансформатора ставятся изоляционные барьеры из электротехнического картона.