Електричні машини_К3С2(6) / Іспит / Літ / voldek_ai_elektricheskie_mashiny / Глава 12 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНСФОРМАТОРАХ 241-262

Раздел 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, Z_НГ — 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 Ф_с 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 Ф_с—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 S_Н (ква)\ 2) но­минальные линейные напряжения обмоток U_л.н(ква);3) номиналь­ные линейные токи I_л.н(а); 4) номинальная частота f (гц); 5) число фаз т; 6) схема и группа соединения обмоток {см. § 12-4); 7) напряжение короткого замыкания и_к (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 S_H > 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 (S_н> 300 тыс. ква), когда транспорт трехфазного трансформатора становится весьма затруднительным или невоз­можным, и, во-вторых, иногда при S_н > 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 S_CT <200 кв «а, при токе на обмотку стержня I_ст <135 а и напряжения U_л._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 S_СТ <335 ква, I_ст <45 а и U_л.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 S_CT<200 квa ,I_ст < 800 а и U_л.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 S_CT >60 ква, I_ст > 20 а, U_л. _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.