Zagryadtskiy_elektr_mashiny_1

дельных тонких листов пакетов различной ширины, рис. 2.39. Такая конструкция стержней позволяет уменьшить потери на вихревые токи в листах стали.

Отношение площади ступенчатой фигуры стержня к площади описанного вокруг него круга называется коэффициентом использования площади круга.

При больших диаметрах стержней, они разделяются поперечными и продольными каналами. Это делается с целью улучшения охлаждения магнитопровода, а, следовательно, и обмоток. Форма сечения ярма стержневого магнитопровода, как правило, повторяет форму сечения стержня. Форма и размеры поперечного сечения магнитопровода обеспечиваются за счет плотного, без зазора прилегания отдельных листов друг к другу. Это обстоятельство уменьшает амплитуду колебаний пластин стали магнитопровода при перемагничивании, благодаря чему снижается шум трансформатора при работе. Требуемая плотность стержней и ярм достигается в процессе их изготовления и сборки и сохраняется в дальнейшем за счет установки специальных фиксирующих элементов: расклинивающих стержней, планок, стягивающих шпилек, металлических и электроизоляционных бандажей, ярмовых балок и т.д. Единая конструкция, включающая магнитопровод со всеми деталями, служащими для его соединения и крепления обмоток, называется остовом.

Пространственный магнитопровод, рис. 2.40, содержит навитые из ленточной стали ярма, как правило, треугольной формы, между торцами которых равномерно по окружности устанавливаются стержни, числом, равным трем. Сечение стержней магнитопровода, набранных из листов стали, может быть самой различной формы. Подобный магнитопровод широко применяется в отечественной и зарубежной практике.

100

Соединение стержней и ярм в единый магнитопровод предусматривает их контакт, называемый стыком. Способ стыковки играет важную роль в формировании конструкции магнитопровода и является одной из важнейших характеристик

Втрансформаторостроении используются и другие типы магнитопроводов.

Впроцессе эксплуатации трансформатора под действием электрического поля в металлических частях магнитопровода наводится потенциал относительно заземленного бака. Во избежание разрядов внутри бака, магнитопровод заземляют.

101

Обмотки. Обмотки являются важнейшей частью трансформатора. Основным элементом обмотки является виток, т.е. электрический проводник, или ряд параллельно соединенных проводников. Они охватывают стержни трансформатора и в них, под действием магнитного потока стержня наводится ЭДС. Обмотка – совокупность витков, образующих электрическую цепь, где суммируются ЭДС, наведенные в витках для получения необходимого напряжения.

Обмотка трансформатора состоит из обмоточного провода и предусмотренных конструкцией изоляционных деталей, предназначенных для защиты витков обмотки от электрического пробоя, предотвращения их смещения под действием электромагнитных сил, а также создания охлаждающих каналов, необходимых для отвода теплоты от обмоток работающего трансформатора.

Втрансформаторах первичная и вторичная обмотки, с целью лучшей электромагнитной связи между ними, располагаются на каждом стержне возможно ближе друг к другу. При этом одна обмотка располагается концентрически внутри другой или в чередующемся порядке по высоте стержня. В первом случае это концентрические обмотки, во втором – чередующиеся (дисковые), рис. 2.42.

Внастоящее время в отечественных трансформаторах применяются следующие типы концентрических обмоток: цилиндрические, винтовые и непрерывные.

Цилиндрические одно- и двухслойные обмотки НН из прямоугольного провода изготовляются на токи до 800 А. Витки каждого

ных многослойных катушек, выполненных из круглого провода, и размещенных по высоте стержня.

В последнее время появились трансформаторы, у которых обмотки выполнены в виде слоевой обмотки из медной или алюминиевой фольги.

102

Винтовые одно- и многозаходные обмотки выполняют из нескольких параллельных прямоугольных проводов. Витки наматываются, как и в цилиндрической обмотке, по винтовой линии, но с некоторым шагом. В винтовых обмотках обязательно применяется транспозиция (перекрещивание) параллельных проводников витка, чем достигается выравнивание в них активных и индуктивных сопротивлений. Винтовые обмотки применяют в качестве обмоток НН при токе более 300 А.

Непрерывные катушечные обмотки состоят из ряда последовательно соединенных дисковых катушек, намотанных прямоугольным проводом и выполненных по спирали так, что между катушками нет разрыва. Между катушками устраиваются каналы для охлаждения обмотки. Непрерывные катушечные обмотки используются в качестве обмоток ВН и НН ввиду их большой механической прочности.

Изоляция. При выполнении обмоток используется разнообразная изоляция. Она служит для защиты токоведущих частей между собой

иот заземленных деталей конструкции. В зависимости от нагревостойкости, электроизоляционные материалы подразделяются на семь классов, для которых установлена максимально допустимая темпера-

тура: Y – 80 ºС, А – 105 ºС, Е – 120 ºС, В – 130 ºС, F – 155 ºС,

Н – 180 ºС, С – свыше 180 ºС.

Класс Y включает волокнистые материалы из целлюлозы, хлопка

инатурального шелка, не пропитанные и не погруженные в жидкий электроизоляционный материал.

Класс А – волокнистые материалы из целлюлозы, хлопка, или натурального, искусственного и синтетического шелка, в рабочем состоянии пропитанные или погруженные в жидкий электроизоляционный материал.

Класс Е – синтетические органические материалы (пленки, волокна, смолы, компаунды и др. ).

Класс В – материалы на основе слюды (в том числе на органических подложках), асбеста и стекловолокна, применяемые с органическими связующими и пропитывающими составами, пластмасса с неорганическими наполнителями, слоистые пластики на основе стекловолокна и асбестовых материалов.

Класс F – материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с синтетическими связующими и пропитывающими составами.

103

Класс Н – материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с кремнийорганическими связующими и пропитывающими составами, кремнийорганические эластомеры.

Класс С – слюда, керамические материалы, стекло, кварц или их комбинации, применяемые без связующих или с неорганическими, или элементоорганическими связующими составами. Температура применения этих материалов определяется их физическими, химическими и электрическими свойствами.

Изоляция масляных трансформаторов может быть подразделена на внешнюю и внутреннюю. К внешней изоляции относится изоляция вводов, к внутренней – изоляция узлов трансформатора внутри бака: обмоток, отводов, переключателей и др. Внутренняя изоляция в свою очередь делится на главную и продольную.

Главная изоляция включает в себя изоляцию рассматриваемой обмотки от заземленных частей магнитопровода и от других обмоток.

Продольная изоляция – изоляция между различными точками данной обмотки: витками, слоями, катушками обмотки, а также между обмоткой и элементами ее емкостной защиты (экрана).

Строение изоляции обмоток определяется не только уровнями их испытательных и импульсных напряжений, но и конструктивными особенностями обмоток, условиями их охлаждения, схемой соединения, схемой и конструкцией устройства для регулирования напряжения.

Вкачестве электроизоляционных материалов в цилиндрических обмотках между слоями применяется трансформаторная бумага. Многослойные обмотки обычно наматываются на бумажнобакелитовые цилиндры, между слоями прокладывают изоляцию из трансформаторной или телефонной бумаги; обмотки на 110 кВ наматывают на жесткие цилиндры из электрокартона или другого изоляционного материала. В настоящее время из всех известных синтетических материалов, используемых в качестве изоляции, можно выделить изоляцию «номекс». Она обладает длительной стабильностью при температурах выше 220 ºС, малой усадкой в процессе сушки, хорошими изоляционными свойствами и т.д.

Втрансформаторах часто используются лакоткани, стеклолакоткани, изоляционные ленты; гетинакс, стеклотекстолит. Также применяют бук в качестве прокладок между слоями; разнообразные шайбы, прокладки, кольца, трубки, цилиндры; электроизоляционные смолы и лаки, а также различные отвердители.

104

Проводниковые и конструктивные материалы. В качестве про-

водниковых материалов в трансформаторах применяют изолированные медные и алюминиевые провода круглого и прямоугольного сечения, алюминиевую или медную фольгу, медные шины, прутки, транспонированные и гибкие провода. Для изготовления различных токопроводящих деталей применяется латунный прокат.

При изготовлении трансформаторов широко используются конструктивные материалы: угловая сталь, швеллеры, листовая сталь, пруток, разнообразный крепеж.

Бак масляного трансформатора. В трансформаторах с масляным охлаждением магнитопровод с обмотками – остов – целиком погружают в бак, наполненный трансформаторным маслом либо другим диэлектриком: кремнийорганической жидкостью, сложным эфиром и т.д. При этом улучшаются условия отвода тепла от обмоток и магнитопровода трансформатора, а также повышается электрическая прочность обмоток. В трансформаторах небольшой мощности баки изготовляются с гладкими стенками. В более мощных устройствах поверхность охлаждения увеличивают: выполняют баки ребристыми; снабжают их сетью труб, или радиаторами-теплообменниками. В крупных трансформаторах для усиления охлаждения ставятся наружные вентиляторы.

Для очистки масла в крупных трансформаторах в баках устанавливаются термосифонные фильтры. Термосифонный фильтр представляет собой сосуд, сообщающийся одним патрубком с верхним объемом масла, а другим – с нижним объемом, заполненный веществом, служащим для очистки масла.

Крышка трансформатора. Крышка трансформатора несет на себе следующие устройства: вводы, переключатель, бак-расширитель, выхлопную трубу.

Вводы с выводными изоляторами предназначены для вывода наружу концов обмоток ВН и НН трансформатора.

Переключатель служит для переключения ответвлений обмотки с целью регулирования напряжения.

Расширитель представляет собой горизонтально расположенный бак небольшого объема, соединенный с основным баком трубопроводом. Он служит для компенсации объема масла при нагревании трансформатора. Расширитель снабжен маслоуказателем. В крупных трансформаторах применяют воздухоосушитель. Он, с одной сторо-

105

ны, сообщается с внутренним объемом воздуха в расширителе, а с другой стороны – с атмосферным воздухом и служит для отделения влаги из воздуха.

Для защиты от возможных аварий внутри бака трансформаторы мощностью свыше 1000 кВА снабжаются газовыми реле. Реле устанавливается в трубопроводе между крышкой бака и расширителем. При значительном выделении газа (при аварии), реле автоматически выключает трансформатор.

В трансформаторах также устанавливается выхлопная труба, закрытая стеклянной мембраной. При внезапном повышении внутреннего давления за счет образовавшихся газов, стеклянная мембрана выдавливается, газы выходят наружу и тем самым предотвращается деформация бака.

Вопросы для самоконтроля

1.Каково назначение магнитопровода трансформатора? Какие материалы в настоящее время используются для его изготовления?

2.Для чего сечению стержня магнитопровода придается ступенчатая форма?

3.Что называют ярмами и стержнями? В чем состоит их отличие?

4.Для чего применяются косые стыки в магнитопроводе трансформатора?

5.Что такое коэффициент заполнения сталью?

6.Что такое коэффициент использования площади круга?

7.Какие конструкции магнитопроводов Вы знаете?

8.Для чего применяется шихтовка трансформаторов?

9.Из чего состоят обмотки? Какие виды обмоток имеют место в трансформаторах?

10.Что представляют собой главная и продольная изоляции трансформатора?

11.Какие виды изоляции Вы знаете?

12.Каким образом электроизоляционные материалы распределяются по нагревостойкости?

106

3.РАЗНОВИДНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРОВ

ИИХ ПРИМЕНЕНИЕ

3.1. Электропечные трансформаторы

Электропечные трансформаторы предназначены для питания нагревательных элементов электротермических установок: дуговых сталеплавильных и руднотермических электропечей, электропечей электрошлакового переплава и т.д.

При прохождении тока через нагревательные элементы или при образовании электрической дуги в рабочем пространстве печи происходит выделение тепловой энергии, которая используется для нагревания или плавления металла и других материалов.

Электропечные трансформаторы являются понижающими трансформаторами. От обычных силовых трансформаторов они отличаются следующими основными особенностями:

1.Трансформаторы выполняются на низкие вторичные напряжения (несколько сот вольт) и большие вторичные токи (до 100000 А и более).

2.Они часто работают в условиях резко меняющейся нагрузки. При этом работа трансформатора в процессе нагрева материала сопровождается частыми короткими замыканиями. Это приводит к возникновению весьма больших электромагнитных сил, которые могут деформировать обмотки и другие части устройства. Отсюда возникает необходимость принятия мер к механической прочности трансформатора, особенно обмоток и отводов. Броски тока при возникновении прерывистой электрической дуги в печи вызывают также повышенный шум.

3.В процессе разогрева материала возникает необходимость в широком регулировании вторичного напряжения. Переключение ступеней напряжения может осуществляться вручную, дистанционно с выключением или без выключения нагрузки. Плавное регулирование производится при помощи регулировочного автотрансформатора или другими способами. Иногда требуется в отдельных установках регулировка напряжения по фазам.

4.Трехфазные электропечные трансформаторы, как правило, работают при неравномерной нагрузке по фазам.

5.Трансформаторы должны допускать продолжительную работу при напряжении свыше номинального напряжения.

107

Установка, включающая электропечной трансформатор и другое оборудование, например, дроссели насыщения, регулируемые и нерегулируемые выпрямители, носит название трансформаторного агрегата.

Электропечные трансформаторы бывают как однофазными, так и трехфазными, по числу обмоток – двухобмоточные и трехобмоточные. Магнитопроводы трансформаторов изготовляются стержневыми и броневыми. Отечественные трансформаторы выполняются только со стержневыми магнитопроводами. В отечественных трансформаторах используются преимущественно чередующиеся обмотки. Обмотки ВН (6 кВ, 10 кВ и более) выполняются в виде нескольких двойных дисковых катушек, а обмотки НН – виде «коротких» винтовых катушек с витками из многих параллельных проводов. Часто обмотки НН выполняются из голых неизолированных проводов, а иногда – из коротких медных цилиндров. Обмотки высокого и низкого напряжения и магнитопроводы, на которых они помещены, располагаются в баке с трансформаторным маслом, служащим для охлаждения обмоток. Охлаждение создается принудительным перекачиванием масла из трансформаторного бака в бак теплообменника, в котором масло охлаждается водой.

Регулировка напряжения осуществляется, как правило, на стороне ВН. Так в электропечном трансформаторе АДЦП-2500/10 число ступеней регулирования 12. Следует отметить, что в электропечных трансформаторах, например для сталеплавильных печей, в период расплавления твердой шихты первичная обмотка вначале включается на треугольник, а затем переключается на звезду.

Наряду с трансформаторами, рассчитанными на работу от сетей 50 Гц или 60 Гц, для индукционных электротермических установок распространены однофазные понижающие трансформаторы на частоту от 500 до 10000 Гц, мощностью до 5000 кВА с водяным охлаждением. Диапазон первичного напряжения 200 – 1600 В, вторичного в режиме холостого хода 10 – 250 В. Такие трансформаторы обладают повышенными значениями тока холостого хода 12 – 15 % и напряжения короткого замыкания uk .

Так при частоте 10000 Гц uk = 30 %.

108

Вопросы для самоконтроля

1.В чем отличие электропечного трансформатора от силового трансформатора общепромышленного применения?

2.Почему при работе электропечного трансформатора часто возникают токи короткого замыкания?

3.2. Сварочные трансформаторы

Электрическая контактная сварка получила очень широкое распространение и развитие в автомобильной, авиационной, судостроительной и других отраслях промышленности. Она применяется для получения неразъемного соединения деталей из конструкционных, жаропрочных или цветных металлов. Контактная сварка подразделяется на точечную сварку, рельефную, шовную (роликовую) и стыковую.

Кроме контактной сварки, существует дуговая сварка, ручная, полуавтоматическая и автоматическая. Все способы сварки основаны на разогреве металлических деталей до пластического состояния. Для этого требуется большой ток, который достигает несколько десятков и сотен килоампер.

Во всех сварочных установках в качестве источника питания применяются сварочные трансформаторы.

Сварочный трансформатор – понижающий трансформатор. Он предназначен для согласования параметров сварочной и питающей цепей. Трансформатор имеет специальные внешние характеристики.

Сварочные трансформаторы для контактной сварки работают в режиме повторно-кратковременной нагрузки с числом включений до 120 и более в минуту при больших токах. Величина сварочного тока может регулироваться тремя способами:

-изменением коэффициента трансформации (ступенчатое регулирование);

-фазовой отсечкой сетевого напряжения, подводимого к первичной обмотке трансформатора через тиристорный регулятор (плавное регулирование);

-смешанное регулирование.

В первом способе регулирование вторичного напряжения по ступеням (до 16 ступеней) осуществляется изменением коэффициента

109