Однофазные трансформаторы

Магнитопроводы однофазных трансформаторов

Для изготовления магнитопроводов трансформаторов используют высоколегированные горячекатаные стали Э-41, Э-42 и Э-43 и повышенно пролегированные холоднокатаные стали Э-310, Э-320, Э-330 и др. Магнитопроводы собирают из отдельных пластин, изолированных друг от друга для уменьшения потерь на вихревые токи лаком, окалиной или химическим способом. Иногда магнитопроводы малых трансформаторов наматывают из стальной ленты на специальных приспособлениях в виде плоских спиралей.

При частоте тока сети 50 гц для сердечников используют стали марок Э-42, Э-43, Э-43 А, Э-330, Э-ЗЗОА с толщиной листов или ленты 0,5 и 0,35 мм. При повышенных частотах используют стали марок Э-44, Э-45, Э-46, Э-47, Э-48, Э--340 и Э-370 с толщиной пла­стин или ленты 0,2; 0,15; 0,1 и 0,08 мм.

В обозначении марок электротехнических сталей (ГОСТ 802—58) буквы и цифры означают следующее: буква Э указывает на то, что сталь электротехническая. Первые цифры после буквы (1, 2, 3 и 4) обозначают степень легированности стали (1 — слаболегированная, 2 — среднелегированная, 3 — повышеннолегированная, 4 — высоколегированная). Вторые цифры указывают гарантированные электромагнитные свойства стали — цифры 1, 2, 3 по­казывают нормальные (1), пониженные (2) и низкие (3) удельные потери в стали при частоте 50 гц; цифра 4 — нормальные удельные потери при частоте 400 гц; цифры 5 и 6 — нормальную (5) и повышенную (6) магнитную проницаемость в полях менее 0,01 а/см, цифры 7 и 8 — нормальную (7) и повышенную (8) магнитную проницаемость в полях от 0,1 до 1 а/см. Цифра 0 — указывает на то, что сталь холоднокатаная. Буква А после цифры обозначает особенно низкие удельные потери.

Потери в стали магнитопровода складываются из потерь на гистерезис (перемагничивание стали) и потерь на вихревые токи. В ферромагнитных материалах, из которых выполняют магнитопроводы трансформаторов и других электрических аппаратов и машин, магнитная индукция отстает (запаздывает) в своих изменениях от напряженности поля. Перемагничивание магнитного материала связано с затратой энергии, которая проявляется в нагревании перемагничиваемого материала. Чем труднее намагнитить материал, тем обычно труднее его размагнитить и, следовательно, тем большую работу необходимо затратить на перемагничивание.

Таким образом, потери на гистерезис зависят от свойств перемагничиваемого материала магнитопровода. Кроме того, потери на гистерезис зависят от частоты перемагничивания и величины наибольшей магнитной индукции, причем они пропорциональны частоте в первой степени и магнитной индукции примерно во второй степени.

В массе магнитопровода, пронизываемой переменным магнитным полем, возникают вихревые токи. Эти токи, подобные токам от э. д. с. индукции в проводниках, поглощают электрическую энергию, превращая ее в тепло и нагревая массы металла, в котором они возникают.

Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы трансформаторов и других электромагнитных устройств изготавливают не из сплошных масс, а из отдельных пластин, изолированных друг от друга. Изоляционные прослойки, оказывая вихревым токам чрезвычайно большое сопротивление, ограничивают сферу их действия небольшими участками и тем самым значительно уменьшают потери электрической энергии. Кроме того, для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы составляют из листов высоколегированной стали, удельное электрическое сопротивление которой значительно больше, чем обычной стали. Таким образом, потери на вихревые токи зависят от материала магнитопровода, толщины стальных пластин и изоляции между ними. Кроме того, потери на вихревые токи пропорциональны квадратам частоты и магнитной индукции.

Обычно потери на гистерезис и вихревые токи оценивают совместно, называют потерями в стали и обозначают Рст. Они определяются выражением:

Рст=PGст

где р - коэффициент удельных потерь, зависящий от марки стали, толщины стальных листов, частоты и максимальной магнит­ной индукции, вт/кг; Gст - масса магнитопровода, кг.

Холоднокатаная сталь отличается от горячекатаной не только меньшими потерями, но и более высокой магнитной проницаемостью. При этом величина магнитной проницаемости зависит от направления магнитных линий. Вдоль направления проката магнитная проницаемость холоднокатаной стали значительно больше магнитной проницаемости горячекатаной стали.

Поперек направления проката магнитная проницаемость холоднокатаной стали низкая. Поэтому магнитопроводы трансформаторов стремятся выполнять так, чтобы магнитный поток замыкался вдоль проката стальных листов или ленты, т. е. магнитные линии замыкались всегда по направлению, совпадающему с направлением проката. Наиболее целесообразно магнитопроводы трансформаторов из холоднокатаной стали изготовлять из ленты, наматываемой на соответствующем шаблоне.

Повышение магнитной проницаемости дает возможность использовать большие значения магнитной индукции. Это приводит к уменьшению поперечного сечения магнитопровода трансформатора и числа витков его обмоток, т. е. уменьшает расход стали и меди. В современных трансформаторах для изготовления магнитопроводов применяют холоднокатаную электротехническую рулонную сталь марок Э-330 и Э-330А толщиной 0,35 мм с жаростойким изоляционным покрытием.

В зависимости от формы магнитопровода и расположения обмоток на нем однофазные трансформаторы подразделяют на стержневые и броневые.

Стержневой магиитопровод имеет два стержня, охватываемых обмотками. На каждом стержне магнитопровода помещена катушка, состоящая из половин первичной и вторичной обмоток. Такое расположение обмоток на магнитопроводе обеспечивает лучшую магнитную связь между ними, чем при размещении первичной и вторичной обмоток на различных стержнях, как это условно изображается на схемах. Более хорошая магнитная связь уменьшает изменения вторичного напряжения трансформатора, которые возникают при изменениях его нагрузки.Половины каждой обмотки, помещенные на правом и левом стержнях магнитопровода, соединяют между собой последовательно, чтобы их намагничивающие силы совпадали по направлению

В трансформаторе броневого тина первичная и вторичная обмотки помещены на среднем стержне магнитопровода. Таким образом, в этом трансформаторе обмотки частично охватываются (бронируются) ярмом. Магнитный поток, пронизывающий стержень магнитопровода, разветвляется на две части. Поэтому сечение ярма вдвое меньше сечения стержня.

Ленточные сердечники из холоднокатаной стали могут быть также стержневыми и броневыми При сборке трансформатора с ленточным сердечником магиитопровод разрезают, чтобы поместить обмотки на сердечнике; затем верхнюю и нижнюю половины магнитопровода соединяют вместе.

Трансформаторы больших и средних мощностей выполняют стержневыми, так как в броневых трансформаторах обмотки ВН сложно изолировать от магнитопровода. Трансформаторы малой мощности часто выполняют броневыми.

Броневой магиитопровод обладает рядом конструктивных достоинств — один комплект обмоток вместо двух при стержневом магнитопроводе, более высокий коэффициент заполнения окна магнитопровода обмоточным проводом, частичная защита обмотки ярмом от механических повреждений.

Стержневой трансформатор имеет следующие основные достоинства: большая поверхность охлаждения обмотки; малая индуктивность рассеяния вследствие половинного числа витков на каждом стержне и меньшей толщины намотки; меньший расход обмоточного провода, чем у броневого трансформатора, так как уменьшение толщины намотки вызывает уменьшение средней длины витка обмотки; значительно меньшая, чем в броневом трансформаторе, чувствительность к внешним магнитным полям, так как э. д. с. помех, наводимых в обеих катушках трансформатора, имеют противоположные знаки и взаимно уничтожаются.

Для уменьшения намагничивающего тока магнитопроводы трансформаторов в некоторых случаях делают с расширенным ярмом. В этом случае сечение ярма стержневого трансформатора делают больше сечения стержня, а броневого — больше половины сечения стержня.

Магнитопроводы трансформаторов выполняют стыковыми и шихтованными

При сборке встык сердечник состоит из двух частей, собранных из стальных пластин; после размещения обмоток на магнитопроводе обе части его скрепляют. При шихтовке пластины чередуют так, чтобы у лежащих друг на друге пластин разрезы были с разных сторон сердечника. При этом один слой стальных пластин (например, нечетный) укладывают, как показано сплошной линией, а другой слой (четный) как показано прерывистой линией.

При стыковых магнитопроводах размещать обмотки на магнитопроводе проще, чем при шихтованных, так как нет необходимости в расшихтовке верхнего ярма и последующей его повторной шихтовке при сборке трансформатора на заводе, а также при демонтаже его в процессе ремонта.

Однако при установке ярма встык со стержнями практически невозможно осуществить совпадение пластин стержня и ярма. Вследствие этого пластины стержня и ярма окажутся замкнутыми резко увеличатся вихревые токи, в результате чего значительно увеличатся потери в стали магнитопровода. Это может вызвать недопустимый нагрев стали в местах стыков, при котором пластины в месте замыкания сплавятся в сплошную массу («пожар» в стали) и трансформатор выйдет из строя. Поэтому при сборке стыкового магнитопровода между ярмом и стержнем устанавливают прокладку из изоляционного материала. Но установка изоляционных прокладок в местах стыков увеличивает магнитное сопротивление магнитопровода и, следовательно, увеличивает реактивный намагничивающий ток, потребляемый трансформатором из сети.

При тщательной сборке шихтованного магнитопровода зазоры между пластинами стержня и ярма можно сделать очень малыми, так что магнитное сопротивление магнитопровода будет относительно небольшим.

После сборки магиитопровод стягивают болтами, шпильками или ленточными бандажами. Стяжные планки, болты и т. д. изолируют от тела магнитопровода электрокартоном или бумагой, чтобы предотвратить возможность образования короткозамкнутых витков вокруг магнитопровода или его части. Образование короткозамкнутых витков приводит к аварии.

НОВОСТИ КОМПАНИИ