1.2. Устройство и конструкция трансформаторов

Обычно трансформатор состоит из сердечника (рис.1.1), набранного из отдельных пластин специальной электротехнической стали, и двух или нескольких неподвижных обмоток, не имеющих между собой электрической связи. Обмотка трансформатора, потребляющая энергию из сети, называется первичной, а обмотка, отдающая энергию в сеть, называется вторичной.

Рис. 1.1. Устройство двухобмоточного трансформатора

Обмотки трансформатора подсоединяются к сетям с разными напряжениями. Обмотка, предназначенная для подключения к сети с более высоким напряжением, называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а подсоединяемая к сети с меньшим напряжением – обмоткой низшего напряжения (НН). Если вторичное напряжение меньше первичного трансформатор называется понижающим, а если больше – повышающим. Трансформаторы могут быть двухобмоточными и многообмоточными. Многообмоточные трансформаторы могут иметь несколько первичных или несколько вторичных обмоток.

В зависимости от числа фаз трансформаторы подразделяются на однофазные, трехфазные и многофазные.

1.2.1. Устройство магнитопровода

Сердечник или магнитопровод трансформатора служит для проведения основного магнитного потока. Поскольку магнитный поток в трансформаторе переменный, то для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопровод собирается из отдельных пластин электротехнической стали толщиной 0,35-0,5 мм. Изоляция листов чаще всего осуществляется с помощью лаковой пленки, наносимой с двух сторон листа.

Магнитопровод состоит из стержней и ярма. Стержень – это та часть магнитопровода, на которой располагаются обмотки, а ярмо – часть магнитопровода, которая служит для замыкания магнитной цепи. В зависимости от того, как расположены стержни, ярмо и обмотки трансформаторы бывают стержневыми и броневыми. В стержневых трансформаторах ярма прилегают к торцевым поверхностям обмоток, не охватывая их боковых поверхностей. В броневых трансформаторах ярма охватывают не только торцевые, но и боковые стороны обмоток, как бы закрывая их «броней».

Наибольшее распространение в практике трансформаторостроения получили плоские магнитные системы стержневого типа со ступенчатой формой поперечного сечения стержня, вписанной в окружность, и с обмотками в виде круговых цилиндров.

Конструкция магнитопровода стержневого однофазного трансформатора показана на рис. 1.2. Магнитопровод имеет два стержня, на которых располагается по половине первичной обмотки 1 и вторичной обмотки 2, по торцам стержни замыкаются верхним и нижним ярмами.

Конструкция магнитопровода броневого однофазного трансформатора показана на рис. 1.3. В такой конструкции Магнитопровод имеет один стержень, на котором располагаются первичная и вторичная обмотки и два ярма, охватывающие обмотки сверху и с боков. По каждому ярму замыкается половина магнитного потока стержня, поэтому их площадь поперечного сечения берется в два раза меньше.

Рис.1.2. Конструкция стержневого однофазного трансформатора

Рис. 1.3. Конструкция броневого однофазного трансформатора.

Р ис. 1.4. Конструкция бронестержневого однофазного трансформатора.

Силовые трансформаторы броневого типа большой мощности (S100 МВА) отечественная промышленность не выпускает. При таких мощностях часто применяют бронестержневые трансформа торы. Магнитопровод таких трансформаторов (рис. 1.4) имеет два стержня 1 и два ярма 4, 5. Такая конструкция позволяет уменьшить высоту трансформатора, в результате чего упрощается их транспортировка по железным дорогам.

Для ещё более мощных трансформаторов применяют магнитопроводы трехстержневой конструкции. В этом случае мощность распределяется между большим количеством стержней, включенных для магнитного потока параллельно. Трансформаторы такой конструкции имеют меньшую высоту, чем двухстержневые, что облегчает их транспортировку к месту установки.

Трансформирование энергии трехфазного тока можно осуществлять тремя однофазными трансформаторами или специальным трехфазным трансформатором, выполненным на одном магнитопроводе. В первом случае трансформатор называется групповым.

Трехфазный трансформатор меньше по массе и габаритам группы из трех однофазных трансформаторов. Однако один однофазный трансформатор из трехфазной группы меньше по массе и габаритам и легче транспортируется, чем трехфазный трансформатор на полную мощность. Кроме, того, при группе однофазных трансформаторов в качестве резерва достаточно иметь один запасной трансформатор (1/3 общей мощности), а при одном трехфазном для резерва надо иметь другой трансформатор на полную мощность. Преимущества группы однофазных трансформаторов сказывается при больших мощностях (S>1800 кВА). Использование групповых трехфазных трансформаторов допускается с S=1800кВА, а при мощностях S60000 кВА используются только группы однофазных трансформаторов.

Трехфазные трансформаторы так же, как и однофазные могут быть стержневыми или броневыми.

Броневая конструкция общего магнитопровода трехфазного трансформатора показана на рис. 1.5. Её можно рассматривать как три однофазных броневых трансформа­тора, поставленных друг на друга.

Стержневая конструкция общего магнитопровода трехфазного трансформатора показана на рис. 1.6. Магнитопровод состоит из трех стержней, объединенных сверху и снизу ярмом.

Рис. 1.5. Броневая конструкции магнитопровода трехфазных трансформатора

На каждом стержне помещены обмотки высшего и низшего напряжений, составляющих фазу трансформатора. Магнитные потоки трех фаз Ф₁, Ф₂, Ф₃ сдвинуты относительно друг друга во времени по фазе на 120⁰ и мгновенное значение их суммы равно нулю. Поэтому поток в любом из стержней в каждый момент времени равен алгебраической сумме потоков в двух других

Рис. 1.6. Стержневая конструкция магнитопровода трехфазного трансформатора

стержнях. Выводы обмоток высшего напряжения обозначаются большими буквами: А, В, С – начала обмоток; Х, Y, Z – концы обмоток. Выводы обмоток низшего напряжения обозначаются малыми буквами: x, y, z – концы обмоток; a, b, c – начала обмоток.

В стержневых трехфазных магнитопроводах магнитный поток ярма равен магнитному потоку стержня, поэтому сечение ярма должно быть равно или даже превышать поперечное сечение стали в стержне.

По способу сборки стержней с ярмами различают стыковые и шихтованные магнитопроводы. В стыковых магнитопроводах стержни и ярма собирают и скрепляют раздельно. При сборке магнитопровода стержни с размещенными на них обмотками устанавливаются в стык с ярмами и соединяются между собой крепежными деталями. В месте стыка устанавливаются изоляционные прокладки, чтобы исключить замыкание листов магнитопровода. В шихтованных магнитопроводах ярма и стержни собирают как цельную конструкцию с взаим­ным перекрытием слоев в месте стыка «впереплет», т. е. листы каждого последующего слоя перекрывают стык в листах предыдущего слоя (рис. 1.7). В результате такой сборки существенно уменьшается магнитное сопротивление в местах сочленения. После сборки впере­плет магнитопровода листы верхнего ярма вынимаются, на сте­ржнях размещаются обмотки, после чего ярмо снова устанавливается на место.

а б

Рис. 1.7. Укладка пластин в слоях шихтованных сердечников: а – четные слои, б – нечетные слои

Наибольшее распространение получила шихтованная впереплет конструкция. Стыковая конструкция используется значительно реже, т. к. наличие зазоров в местах стыков увеличивает магнитное сопротивление, поэтому для проведения потока требуется большая магнитодвижущая сила, а, следовательно, и больший ток.

В настоящее время магнитопроводы трансформаторов изготавливаются из холоднокатаной электротехнической стали, обладающей низкими удельными потерями, повышен­ной магнитной проницаемостью и индукцией насыщения 1,7 Тл (вместо 1,5 Тл у горячекатаной). Трансформаторы, изготовленные из такой стали, имеют меньшее поперечное сече­ние сердечников, следовательно, сокращение массы металла стали и обмоток. Однако холоднокатаная сталь обладает резко выраженной анизотропией и обладает лучшими характеристиками, когда направление линий индукции совпадает с направлением проката. Поэтому при изготовлении магнитопровода из этой стали листы штампуются и укладываются так, чтобы поток в них проходил по направлению проката. Если использовать листы прямоугольной формы (как на рис. 1.8), то в местах, где линии магнитного потока поворачиваются на 90⁰ будет происходить увеличение магнитного напряжения, что приводит к ухудшению характеристик трансформатора.

Что бы устранить этот недостаток листы трансформатора изготавливают с косыми торцами, а не прямоугольными. Следовательно по форме стыка шихтованные магнитопроводы могут выполняться с прямым и косым стыком. Уменьшение магнитного сопротивления в углах магнитопровода с косым стыком позволяет снизить ток холостого хода и, следовательно, потери.

Рис. 1.8. Участок магнитопровода с ухудшенными магнитными характеристиками (заштрихован)

Форма поперечного сечения стержня определяется формой обмотки. Обмотки силовых трансформаторов имеют цилиндрическую форму, поэтому поперечное сечение стержня стремятся приблизить к кругу. Из-за сложности набора круглого сечения стержни выполняют прямоугольной или ступенчатой формы. Стержневые трансформаторы малой мощности в поперечном сечении имеют стержни в форме прямоугольника, вписанного в окружность с диаметром D₀ (рис. 1.9а). В трансформаторах средней мощности

а б в

Рис. 1.9. Формы поперечных сечений стержней трансформатора

(до 800-1000 кВА) сердечник собирается из листов электротехнической стали определенной ширины, объединенных в пакеты, которые называют ступенями (рис. 1.9б). Мощные трансформаторы (S1000 кВА)имеют большой диаметр стержней, поэтому количество ступеней увеличивают чтобы добиться как можно большего заполнения площади круга сталью (рис. 1.9в),но это требует большего количества типоразмеров пластин для изготовления пакетов. В мощных трансформаторах в сечении магнитопровода предусматриваются каналы для его охлаждения.

Использование сечения характеризуется коэффициентом использования

(1.1)

где S_ст – сечение стали стержня; D₀ – диаметр наиболее близкой к стержню обмотки.

Коэффициент использования зависит от числа каналов, ступеней и коэффициента заполнения пакетов сталью. Его значение может находиться в пределах k_и = 0,65-0,96.