Вольдек А.И. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел второй

ТРАНСФОРМАТОРЫ

Основные сведения. Намагничи-

вание сердечников. Схема заме-

щения. Работа под нагрузкой.

Несимметричная нагрузка. Пере-

ходные процессы. Разновидности

трансформаторов.

Глава двенадцатая

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНСФОРМАТОРАХ

§ 12-1. Принцип действия и виды трансформаторов

Принцип действия.

Трансформатор представляет собой электромагнитный аппа-

рат, 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 энер-

гия, и одну вторичную обмот-

ку 2, от которой энергия от-

водится к потребителю (на-

грузке). Передача энергии из

одной обмотки в другую про-

изводится путем электромаг-

нитной индукции. Для усиле-

ния электромагнитной связи

между обмотками последние

обычно располагаются на

замкнутом ферромагнитном

сердечнике 3. При Частоте

f < 150 гц сердечник изгото-

вляется из листов электро-

технической 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 тори

в подобном сердечнике становятся чрезвычайно большими, и в этом

Рис. 12-1. Принцип устройства трансфор-

матора

Г — генератор переменного тока, Z

— со-

противление нагрузки

случае применяются трансформаторы без ферромагнитного сер-

дечника (так называемые воздушные трансформаторы). Высоко-

качественные трансформаторы весьма малой мощности для радио-

технических, счетно-решающих и других устройств изготовляются

также с сердечниками из ферритов, которые представляют собой

особый вид магннтодиэлектриков с малыми магнитными поте-

рями.

При подключении первичной обмотки трансформатора (рис. 12-1)

к сети с синусоидальным напряжением U

в обмотке возникает

ток 1

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 подклю-

чении к вторичной обмотке нагрузки в этой обмотке возникает

вторичный ток /

и на ее зажимах устанавливается некоторое

напряжение U

. Результирующий магнитный поток сердечника

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 сердеч-

ника равны нулю), 2) магнитная проницаемость стали сердечника

= оо 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 (а^) и

вторичной (i£j

) обмоток. Отметим, что при соблюдении последнего

условия электромагнитная связь между первичной и вторичной

цепями является полной и коэффициент электро-

магнитной связи обмоток трансформатора

(12-1)

равен единице. Здесь L

р L

— собственные индуктивности,

а М — взаимная индуктивность обмоток.

Э. д с. первичной и вторичной обмоток такого трансфор-

матора при синусоидальных переменных токах соответственно

равны

в!

—

— и>1

jr(Ф

sin at) = —

шШхФ,.

cos at-,

dV d * <

= - = - ffi)

^ (Ф

sin at) = — шгг)

cos at, j

где Ф^ — амплитуда магнитного потока трансформатора

Действующие значения этих э. д. с.

р ШШ'хФс

= л>

2/гг)

= 4,44/Ш]Ф

;

„ СйШ

= Я>

2/И;

= 4,44/ВИ

(12-3)

Так как в идеальном трансформаторе падения напряжения

отсутствуют, то

= Et U

= E

. (12-4)

На основании выражений. (12-3) и (12-4)

Е,

U2 "

или

где

Чх-ь и

11 —

' 2— ь

k = wjw

(12-5)

(12-6)

(12-7)

называется коэффициентом трансформации транс-

форматора.

Поскольку в идеальном трансформаторе потери активной и

реактивной энергии отсутствуют, то

UJ^Uth,

откуда

или

и,

aij

h - и*

(12-8)

г—k\ /

— kl j.

(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 полу-

ченные соотношения несколько нарушаются, однако в трансфор-

маторах 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 несколь-

кими первичными или вторичными обмотками.Такие трансформаторы

Называются многообмоточными. Ниже в первую оче-

редь рассматриваются двухобмотбчные трансформаторы.

Чаще всего применяются однофазные и трехфазные трансфор-

маторы. 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 энергии пере-

менного тока в электрических сетях энергетических систем (на

электростанциях и подстанциях, промышленных предприятиях»

в городских сетях, в сельском хозяйстве и т. д.), называются си-

ловыми» Частота тока силовых трансформаторов в СССР равна

5&гц, а в США и в некоторых других странах €0 гц. Силовые транс-

форматоры представляют собой наиболее распространенный и наи*

белее важный класс трансформаторов. Кроме этого, имеется целый

ряд трансформаторов специального назначения: выпрямительные,

сварочные, измерительные и др.

Силовые трансформаторы бывают масляные и сухие. В масля-

ных трансформаторах сердечник с обмотками помещают в бак

с трансформаторным маслом, которое выполняет одновременно

роль элек+рической изоляции и охлаждающего агента. Однако

трансформаторное масло является горючим, в связи с чем При

аварии таких трансформаторов существует определенная опас-

ность возникновения пожара. Поэтому в общественных и жилых

зданиях, а также в ряде других случаев применяются сухие Тран-

сформаторы, охлаждение которых осуществляется воздухом. В пас-

портных табличках силового трансформатора указываются сле-

дующие данные: 1) номинальная полная мощность S

(кв

«а);

2) но-

минальные линейные напряжения обмоток (/

л н

(в,кв)\ 3) номиналь-

ные линейные токи 1

„ (а); 4) номинальная частота / (гц); 5) число

фаз т; 6) схема и группа соединения обмотоК {см. § 12-4); 7) напря-.

жение короткого замыкания w

(см. § 14-5); 8) режим работы

(длительный, кратковременный); 9) способ охлаждения (см, § 12-5),

К настоящему времени построены силовые трансформаторы

единичной мощностью до 1300 Мв-а и напряжением до 750 кв.

Основные вопросы теории являются общими для всех видов

трансформаторов. Однако в последующих главах вопросы кон-

струкции, теории и эксплуатации трансформаторов рассматри-

ваются прежде всего применительно к силовым трансформаторам.

Об особенностях других трансформаторов говорится вкратце от-

дельно.

§ 12-2. Магиитопроводы трансформаторов

Виды магнитопроводов.

I По конструкции магннтопровода трансформаторы подраз-

| деляются на стержневые и броневые.

Магнитопровод, или сердечник, однофазного стержневого тран-

сформатора (рис. 12-2, а) имеет два стержня С, на которых разме-

щаются обмотки, и два ярма Я, которые служат для создания замк-

нутого магннтопровода. Каждая из двух обмоток (1 и 2) состоит

из двух частей, располо-

й)

.-*/

Рис. 12-2. Устройство однофазного стержнево-

го (а) и броневого (б) трансформаторов

женных на двух стерж-

нях, причем эти части

соединяются либо после-

довательно, либо парал-

лельно. При таком рас-

положении первичная и

вторичная обмотки нахо-

дятся близко друг от

друга, что приводит к

увеличению коэффициен-

та электромагнитной свя-

зи [см. равенство (12-1)].

Однофазный трансформатор броневой конструкции (рис. 12-2, б)

имеет один стержень с обмотками и развитое ярмо, которое частично

закрывает обмОтки подобно «броне».

Для преобразования, или трансформации, трехфазного тока

можно Использовать три йднофазных трансформатора (рис. 12-3),

обмотки которых соединяются по схеме звезды или треугольника

и присоединяются к трехфазной сети. Такое устройство назы-

вается трехфазной трансформаторной груп-

пой 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

тнпа показана на рис. 12-4. Если для трехфазных синусоидальных

токов соблюдается условие

+ ib + h = О,

то для синусоидальных потоков трех трансформаторов (рис. 12-4, а)

также соблюдается условие

Ф„ +Ф

+Ф

= 0.

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-

ная трансформатор-

ная группа

Рис. 12-4. Идея образования трех-

фазного трехстержневого трансфор-

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). Эта последняя конструкция была

предложена М. О. Доливо-Добровольским в 1889 г. и получила

всеобщее распространение. Такой сердечник не вполне симметри-

чен, 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 рас-

сматривать как три однофазных броневых трансформатора, постав-

ленные рядом или друг над другом. При этом средняя фаза имеет

обратное включение относительно крайних, чтобы в соприкасаю-

щихся частях магнитной системы потоки фаз складывались, а не

-.уз, то при

вычитались. Так как

, .. _ таком включении

+Ф

средней фазы поток в соприкасающихся частях магнитной системы

уменьшается в ]/3 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 коэф-

фициент электромагнитной связи

между обмотками несколько больше,

чем в стержневых, и поэтому бро-

невые трансформаторы в электро-

магнитном отношении несколько со-

вершеннее. Однако это преимуще-

ство не имеет большого значения.

Поскольку броневые трансформаторы

сложнее но конструкции, в СССР

силовых трансформаторов броневой конструкции не строят.

С увеличением мощности трансформаторов возрастают их раз-

меры и трудности транспортировки по железным дорогам. Поэтому

ч)

Рис. 12-5. Устройство трехфаз-

ного броневого трансформатора

Г-

Я' |

а) ГЁ

{

:(! ! :

; Н :

: ]

J :

111

li!

Рис. 12-6. Устройство -бронестержневых трансформаторов

в трансформаторах мощностью S

> 80 100 тыс. кв -а 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 разветв-

ляется и в случае, изображенном на рис. 12-6, а, уменьшается

в два раза, а в случае на рис. 12-6, б — в |/Зраза 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 (.§„> 300 тыс. кв-а), когда транспорт трехфазного

трансформатора становится весьма затруднительным или невоз-

можным, и, во-вторых, иногда при S„ > 30 тыс. кв •а, когда при-

менение однофазных трансформаторов позволяет уменьшить резерв-

ную мощность на случай аварии и

ремонта.

Конструкция сердечников. По спо-

собу сочленения стержней с ярмами

различаются трансформаторы со сты-

ковыми (рис. 12-7, а, 6} и шихтован-

ными (рис. 12-8) сердечниками. В пер-

вом случае стержни и ярма собирает-

ся отдельно и крепятся друг с другом

с помощью стяжных, шпилек, а в места

стыков во избежание замыкания Ли-

стов и возникновения значительных

вихревых токов ставятся изоляцион-

ные прокладки. Во втором случае

стержни и ярма собираются вместе

как цельная конструкция, причем

Листы стержней и ярем отдельных

слоев собираются в переплет. При

стыковой конструкции наличие не-

магнитных зазоров в местах стыков

вызывает заметное увеличение магнит-

ного сопротивления еердечникз и

вследствие этого увеличение намагни-

чивающем тока. Кроме того, нали-

чие изоляционных прокладок не дает

полной гарантии от возможности замыкания листов стали. Поэтому

стыковые сердечники применяются редко.

У броневых сердечников сечения стержней прямоугольные,

а стержневые и бронестержневые сердечники имеют в сечении

вид многоугольника, вписанного в окружность (12-9, а, б). В по-

следнем случае обмотки имеют вид круговых цилиндров и вслед-

ствие ступенчатого сечения сердечника коэффициент заполнения

сталью полости обмотки получается большим. Такая конструкция

с точки зрения расхода материалов, уменьшения габаритов и стои-

мости изготовления трансформатора, а также механической проч-

ности обмоток является наиболее рациональной. Число ступеней

сердечника увеличивается с увеличением мощности. В мощных

трансформаторах в сечении сердечника предусматриваются каналы

Рис. 12-7. Схемы стыковых

сердечников

Рис. 12-8. Удаддка лнетор ста-

ли $ слоях шихтованнщ сердеч-

ников однофазных (а) к трех-

фазных Щ трзнефориаторов

для его охлаждения 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 транс-

форматоров

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 стер-

жней трансформаторов

средней мощности

1 — деревянная планка, 2 —

изоляционный цилиндр,

3 — деревянный стержень

Рис 12-12. Стяжка стержней трансформа-

торов большой мощности

1 — стальная шпилька; 2 — трубка на ваке-

лизированиой бумаги, 3 и 5 — шайбы иэ

электротехнического картон*, 4 — стальная

шайба

выбираются так, чтобы индукция в них была на 10—15% меньше,

чем в стержнях. Стяжка етержней трансформаторов средней (до

800—1 000 кв-а) и большой мощности показана на рис. 12-11 и

12-12. Ярма трансформаторов стягиваются с Помощью деревянных

или стальных балок. Для весьма мощных трансформаторов приме-

няются и более сложные конструкции сердечников.

В однофазных трансформаторах весьма малой мощности (до

150—200 в -а) 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 произ-

водится по одному из вариантов, изображенных

на рис. 12-13 и 12-14. В первом случае лист вы-

рубается одним ударом штампа и имеет прорезь и;

при сборке средний лепесток временно отгибается

и вводится внутрь катушки обмотки, лепесток по-

следующего листа вводится внутрь катушки с про-

тивоположного, торцового, ее конца и т. д. Во вто-

ром случае одновременно вырубаются Ш-образные

листы Ш1 й Ш2 и ярмовые листы Я/ и fl2

(рис. 12-14, а), из которых составляются два слоя

листов сердечника (рис. 12-14, б). При этом листы

вводятся внутрь катушки также поочередно с одно-

го и второго ее конца.

Сердечники силовых трансформаторов соби-

раются из листов электротехнической стали тол-

щиной 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 по-

крытия изоляционным масляным лаком.

Индукции в стержнях трансформаторов мощ-

ностью 5 квт и выше находятся в пределах 1,2—

1,45 тл для горячекатаных сталей и 1,5—1,7 тл

для холоднокатаных сталей у масляных трансфор-

маторов и соответственно 1,0—1,2 тл и 1,1—1,5 тл

у сухих трансформаторов.

Рис. 12-13. Сер-

дечник транс-

форматора не-

большой мощ-

ности

— —

яг

шг

яг

Рис. 12-14. Рас-

крой листов (а) и

укладка сердеч-

ника (б) транс-

форматора не-

большой мощ-

ности

§ 12-3. Обмотки трансформаторов

Конструкция обмоток трансформаторов должна

удовлетворять условиям высокой электрической

и механической прочности, а также нагревостой-

кости. Кроме того, технология изготовления об-

моток должна быть по возможности простой и не-

дорогой, а электрические потери в обмотках должны находиться

в установленных пределах. Конструкции обмоток в зависимости

от номинального тока и номинального напряжения обмотки

весьма разнообразны.