Конструкция трансформатора магнитопровода

Цель работы: изучение принципа действия трансформатора и особенностей конструкции магнитопровода

Порядок выполнения работы:

1.Внимательно изучить основное содержание работы.

2. Подготовить краткое описание принципа действия трансформатора и особенностей конструкцию магнитопровода.

3. Ответить на контрольные вопросы.

1.Основное содержание работы

Трансформатором называется электромагнит­ное статическое устройство, предназначенное для преобра­зования посредством электромагнитной индукции электри­ческой энергии переменного тока одного напряжения и электрическую энергию другого напряжения. Это уст­ройство чаше всего состоит из двух (а иногда и большего числа) взаимно неподвижных электрически не связанных между собой обмоток, расположенных на ферромагнит­ном магннтопроводе (рисунок 17.1). Обмотки имеют между со­

Рисунок 17.1 - Принцип устройства трансформатора

может отсутствовать. Такие трансформаторы называются воздушными. Они применяются в специальных случаях прн преобразовании переменных токов высокой частоты.

Обмотка трансформатора, потребляющая энергию из сети, называется первичной обмоткой (обмотка 1 на рисунке 1.1), а обмотка, отдающая энергию в сеть, — втор и ч ной (обмотка 2 на рисунке 17.1).

Обмотки трансформатора подключаются к сетям с раз­ными напряжениями. Обмотка, предназначенная для при­соединения 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, то трансформатор называется пони­жающим, а если больше — повышающим. В зависимости от включения тех или иных обмоток к сети каждый трансфор­матор может быть как повышающим, так и понижающим.

Трансформаторы с двумя обмотками называются двух­обмоточными. Изготовляются трансформаторы, у ко­торых имеются три или более электрически не связанных обмоток. Такие трансформаторы называются трех- илимногообмоточными. Многообмоточные трансформа­торы имеют несколько вторичных или первичных обмоток. В зависимости от числа фаз трансформаторы подразделя­ются на однофазные, трехфазные и многофаз­ные.

Трансформаторы находят самое широкое применение. Существует много разнообразных их типов, различающихся как по назначению, так и по выполнению. Здесь, в первую очередь, следует выделить группу силовых трансформато­ров, предназначенных для передачи и распределения элект­роэнергии, вырабатываемой на электростанциях.

Установленные на электрических станциях генераторы вырабатывают электрическую энергию относительно не­высокого напряжения (до 32 кВ). Для передачи ее к пот­ребителям, расположенным на расстоянии в несколько со­тен или даже тысяч километров, для уменьшения сечения проводов линии и потерь в ней целесообразно эту энергию преобразовать, уменьшив ток в линии путем соответствую­щего повышения напряжения. Напряжение в начале линии передачи принимают тем выше, чем больше длина линии и передаваемая мощность. В современных сетях энергия передается при напряжениях 500—750 кВ. Повышение на­пряжения на электростанциях осуществляется с помощью повышающих трансформаторов. В конце линии передачи устанавливаются трансформаторы, которые понижают на­пряжение, так как для распределения энергии по заводам, фабрикам, жилым домам и колхозам необходимы сравни­тельно низкие напряжения.

При передаче электрической энергии от места ее произ­водства до места потребления требуется многократная ее трансформация. Поэтому мощность всех трансформаторов, установленных в сети, в 7—8 раз и более превышает об­щую мощность генераторов. Мощность силовых трансфор­маторов колеблется от нескольких киловольт-ампер до со­тен мегавольт-ампер. В дальнейшем изложении главное внимание будет уделяться этому виду трансформаторов.

Наряду с силовыми трансформаторами широкое рас­пространение получили специальные трансформаторы (сварочные, для питания электродуговых печей, измери­тельные и др.). Трансформаторы применяются также для преобразования числа фаз и частоты.

Трансформаторы небольших мощностей находят широ­кое применение в устройствах связи, радио, телевидения, системах автоматики и др.

По способу охлаждения в зависимости от охлаждаю­щей среды трансформаторы подразделяются на сухие (с воздушным охлаждением), масляные и заполненные него­рючим жидким диэлектриком.

2. Принцип действия трансформатора

Принцип действия трансформатора основан на явлении взаимной индукции. Если одну из обмоток трансформатора подключить к источнику переменного напряжения (смотреть рисунок 17.1), то по этой обмотке потечет переменный ток, ко­торый создается в сердечнике переменный магнитный поток Ф. Этот поток сцеплен как с одной, так и с другой обмоткой и изменяясь, будет индуцировать в них ЭДС. Так как в общем случае обмотки могут иметь различное число вит­ков, то индуцируемые в них ЭДС будут отличаться по зна­чению. В той обмотке, которая имеет большее число вит­ков w, индуцируемая ЭДС будет больше, чем в обмотке, имеющей меньшее число витков.

Индуцируемая в первичной обмотке ЭДС примерно рав­на приложенному напряжению и будет почти полностью его уравновешивать. Ко вторичной обмотке подключаются различные потребители электроэнергии, которые будут являться нагрузкой для трансформатора. В этой обмотке под действием индуцированной в ней ЭДС возникнет ток , а на ее выводах установится напряжение , которые будут отличаться от тока и напряжения первичной обмотки. Следовательно, в трансформаторе происходит из­менение параметров энергии: подводимая к первичной об­мотке от сети электрическая энергия с напряжением и током посредством магнитного поля передается во вторичную обмотку с напряжением и током .

Трансформатор нельзя включать в сеть постоянного тока. В этом случае магнитный поток в нем будет неизмен­ным во времени и, следовательно, не будет индуцировать ЭДС в обмотках. Вследствие этого в первичной обмотке будет протекать большой ток, так как при отсутствии ЭДС он будет ограничиваться только относительно не­большим активным сопротивлением обмотки. Во избежа­ние перегорания обмотки протекание такого тока допус­кать нельзя.

3. Конструкция трансформатора

Магнитопровод является конструктив­ной основой трансформатора. Он служит для проведения основного магнитного потока. Для уменьшения магнитно­го сопротивления по пути потока, а следовательно, и умень­шения МДС и тока, необходимых для создания потока, магнитопровод выполняется из специальной электротехни­ческой стали. Так как магнитный поток в трансформаторе изменяется во времени, то для уменьшения потерь от вих­ревых токов в магнитопроводе он собирается из отдельных электрически изолированных друг от друга листов. Тол­щина листов выбирается тем меньше, чем выше частота питающего напряжения. При частоте 50 Гц толщина лис­тов стали принимается равной 0,35—0,5 мм. Изоляция лис­тов осуществляется чаще всего с помощью лаковой пленки, которая наносится с двух сторон листа..

В магнитопроводе различают стержни и ярма. Стер­жень— это та часть магнитопровода, на которой распола­гаются обмотки, а ярмо — часть, не несущая обмоток и служащая для замыкания магнитной цепи (смотреть рисунок 17.1).

В зависимости от взаимного расположения стержней, ярм и обмоток магнитопроводы разделяются на стерж­невые и броневые. В стержневых магнитопроводах ярма прилегают к торцевым поверхностям обмоток, не охватывая их боковых поверхностей. В броневых магнитопроводах ярма охватывают не только торцевые, но и бо­ковые поверхности обмоток, как бы закрывая их «броней».

Магнитопроводы однофазных трансформаторов пока­заны на рисунке 1.2, 1.3. В броневые магнитопроводе (рисунок 1.2).

Рисунок 17.2 - Броневой однофазный трансформатор

Рисунок 17.3 - Стержневой однофазный трансформатор

имеется один стержень и два ярма, охватывающих обмот­ки. По каждому ярму замыкается половина магнитного потока стержня, поэтому площадь поперечного сечения каждого ярма будет в 2 раза меньше площади стержня. Магнитопровод стержневого трансформатора (рисунок 17.3) имеет два стержня, на каждом из которых располагаются по половине обмоток 1 и 2. Половины каждой из обмоток соединяются между собой последовательно или парал­лельно. При таком расположении обмоток уменьшаются потоки рассеяния и улучшаются характеристи­ки трансформатора. В трехфазных цепях могут приме­няться три однофазных трансформатора, обмотки которых соединяются по трехфазной схеме (рисунок 17.4). Такой трансформатор называется

Рисунок 17.4 - Трехфазная группа однофазных трансформаторов

групповым. Однако чаще приме­няют трехфазные трансформаторы с общей магнитной си­стемой для всех фаз. Броневая конструкция магнитопровода трехфазного трансформатора показана на рисунке 17.5. Его можно рассматривать как три

Рисунок 17.5 - Броневой трехфазный трансформатор

однофазных броневых транс­форматора (А, В, С), поставленных друг на друга.

На рисунке 17.6 показан стержневой магнитопровод трех­фазного

Рисунок 17.6 - Стержневой трехфазный трансформатор

трансформатора. Возможность применения маг­нитопровода с тремя стержнями и двумя ярмами для транс­формации в трехфазных цепях показана на рисунке 17.7. Если взаимно расположить три

а)

б)

в)

Рисунок 17.7 - Пояснение возможности образования магнитопровода с тремя стержнями

однофазных трансформатора, как показано на рисунке 17.7, а, то три стержня 1—3 можно конструктивно объединить в один. Но так как в трехфаз­ной системе геометрическая сумма потоков трех фаз , то этот стержень можно удалить и получить конструктивную схему, представленную на рисунке 17.7,б. Ес­ли уменьшим длину ярм сердечника фазы b, то получим магнитопровод со стержнями, расположенными в одной плоскости (рисунок 17.7,в). По сравнению со схемой рисунок 17.7,б магнитопровод, показанный на рисунке 17.6 и 17.7, в, будет иметь некоторую магнитную несимметрию. Магнитная цепь магнитопровода в этом случае имеет два узла и три ветви, из которых средняя короче крайних. Как показывает практи­ка, существенного значения такая несимметрия не имеет.

На каждом стержне трехфазного стержневого магнито­провода располагаются обе обмотки одной фазы. В стерж­невых магнитопроводах магнитный поток ярма всегда равен потоку стержня и поперечное сечение стали в ярме долж­но быть равно или несколько больше (для уменьшения магнитных потерь) сечения стали в стержне. Наибольшее распространение в практике трансформаторостроення по­лучили магнитопроводы стержневого типа (смотреть рисунок 17.6).

Иногда в трансформаторах большой мощности для уменьшения габаритов по высоте до размеров, при кото­рых возможна перевозка их в собранном виде по желез­ной дороге, применяют бронестержневые магнитопроводы (рисунок 17.8, 17.9). Снижение

Рисунок 17.8 - Однофазный трансформатор с бронестержневым магнитопроводом

Рисунок 17.9 - Трехфазный трансформатор с бронестержневым магнитопроводом

высоты у этих трансформаторов происходит за счет ярм, которые по сравнению с ярмами стержневых магнитопроводов будут иметь высоту, в 2 ра­за меньшую для однофазных трансформаторов и в раза для трехфазных. На рисунке 17.8, 17.9 для сопоставления показаны общие высоты стержневого и бронестержне­вого магнитопроводов.

По способу сочленения стержней с ярмами различают трансформаторы со стыковыми (рисунок 17.10) и шихтован­ными

а)

б)

Рисунок 17. 10 - Принцип стыковой конструкции магнитопровода однофазного (а) и трехфазного (б) трансформатора

впереплет (рисунок 17.11) магнитопроводами. В первом

мерное повышение температуры стали, устанавливаются изоляционные прокладки (рисунок 17.12).

Рис. 17. 12 - Размещение изоляционной прокладки в месте стыка стержня с ярмом

Сборка магнитопропода ипереплет ведется путем чере­дования слоя листов, разложенных но положению I (смотреть рисунок 17.11), со слоем листов, разложенных по положению 2. результате такой сборки после стяжки ярм прессующи­ми балками и стержней бандажами из стеклоленты полу­чается остов трансформатора, не требующий каких-либо добавочных креплений (рисунок 17.13).

Рис. 17. 13 - Остов трансформатора

Остовом трансформатора называется магнитопровод имеете со всеми конструкциями и деталями, служащими для скрепления его отдельных частей.

Листы, из которых собирается шихтованный магнито­провод, имеют прямоугольную форму (смотреть рисунок 17.11), если они штампуются из горячекатаной электротехнической стали.

В настоящее время магнитопроводы трансформаторов изготовляются из холоднокатаной электротехнической стали, обладающей низкими удельными потерями и повы­шенной магнитной проницаемостью. При применении этой стали оказалось возможным повысить индукцию в стержне масляного трансформатора до 1,7 Тл (вместо 1,5 Тл у горячекатаной), что дало уменьшение его поперечного сечения, а следовательно, со­кращение массы ме­талла стали и обмо­ток трансформатора.Кроме того, при этом уменьшаются потери в стали и на­магничивающий ток трансформатора. Однако вследствие резко выраженной анизотропии магнитных свойств холод­нокатаной стали улучшение ее характеристик наблюдается только при совпадении линий индукции с направлением проката. При их несовпадении происходит резкое ухудше­ние характеристик. Поэтому при сборке магнитопровода из этой стали листы штампуются и укладываются так, что­бы поток проходил в них по направлению проката. Если взять листы прямоугольной формы (как на рисунке 17.11), то в местах, где линии магнитного поля поворачиваются на 90° (заштрихованный участок на рисунке 17.14),

Рисунок 17. 14 - Участок магнитопровода с ухудшенными магнитными характеристиками (заштрихован)

будет наблюдаться увеличение потерь и падения магнитного напряжения, что приведет к ухудшению характеристик трансформатора. Во избежание этого при сборке магнитопровода из холодно­катаной стали применяют косые стыки (рисунок 17.15). На рисунке 17.15 показаны возможные формы пластин, из которых собираются такие магнитопроводы. Применяются также и другие их формы.

а- первый слой; б- второй слой; в- взаимное расположение слоев при укладки.

Рисунок 17.15 - Форма пластин и порядок шихтовки магнитопровода из холоднокатаной стали

После сборки шихтованного переплет магннтоиропода листы верхнего ярма вынимаются (расшихтовываются), на стержнях размещаются обмотки, после чего ярмо снова зашихтовывается.

Наиболее широкое распространение в трансформаторостроении получили шихтованные в переплет магнитопрово­ды. Стыковая конструкция применяется значительно реже, так как наличие немагнитных зазоров в местах стыков увеличивает магнитное сопротивление на пути потока, что приводит к возрастанию намагничивающего тока транс­форматора.

Стержни магнитопровода трансформаторов в попереч­ном сечении имеют форму ступенчатой фигуры или прямо­угольника. Стержневые и бронестержневые трансформато­ры имеют стержни в форме ступенчатой фигуры, вписан­ной в окружность с диаметром Do (рисунок 1.16). Число

Рисунок 17. 16 - Поперечные сечения стержней трансформаторов

ступеней фигуры увеличивается с возрастанием мощности трансформатора. Увеличение числа ступеней увеличивает заполнение площади круга площадью ступенчатой фигуры, но одновременно увеличивает число типов пластин, необ­ходимых для сборки стержня. В мощных трансформато­рах в сечении магнитопровода предусматриваются кана­лы для его охлаждения.

При стержнях, имеющих поперечное сечение, прибли­жающееся к кругу, обмотки будут иметь вид полых ци­линдров. При такой конструктивной форме обмотки (по сравнению с прямоугольной) сокращается расход матери­алов на ее изготовление и увеличивается ступеней фигуры увеличивается с возрастанием мощности трансформатора. Увеличение числа ступеней увеличивает заполнение площади круга площадью ступенчатой фигуры, но одновременно увеличивает число типов пластин, необ­ходимых для сборки стержня. В мощных трансформато­рах в сечении магнитопровода предусматриваются кана­лы для его охлаждения.

При стержнях, имеющих поперечное сечение, прибли­жающееся к кругу, обмотки будут иметь вид полых ци­линдров. При такой конструктивной форме обмотки (по сравнению с прямоугольной) сокращается расход

матери­алов на ее изготовление и увеличивается электрическая и механическая прочность.

Прямоугольное сечение стержней применяется иногда в трансформаторах

броневого типа и трансформаторах не­большой мощности.

Форма сечения ярма и его сочленение со стержнем вы­бираются с учетом обеспечения равномерного распределе­ния магнитного потока в сечении сердечника. Неравномер­ность распределения потока между отдельными пакетами магнитопровода приводит к увеличению потерь в стали и сердечника. Неравномер­ность распределения потока между отдельными пакетами магнитопровода приводит к увеличению потерь в стали и возрастанию намагничивающего тока.

Равномерное распределение магнитного потока между пакетами можно получить, если ярмо будет иметь число ступеней, равное числу ступеней стержня. Для упрощения технологии изготовления ярм иногда число ступеней у них берут меньше, чем у стержней.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назначением принцип действия трансформатора.

2. Основные части трансформатора.

3. Конструкции магнитопроводов трансформатора.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №18

ТРАНСФОРМАТОРЫ. ТИПЫ ОБМОТОК

Цель работы: изучение основных типов и конструкций обмоток трансформаторов

Порядок выполнения работы:

1. Внимательно изучить основное содержание работы.

2. Подготовить краткое описание назнжения, го негру кто вных особенностей обмоток трансформаторов.

3. Ответить на контрольные вопросы.

Основное содержание работы

Обмотки. По способу расположения на стержне обмот­ки трансформатора подразделяются на концентриче­ские (рисунок 18.1) и

Рисунок 18.2 - Стержень трансформатора с концентрическими обмотками

чередующиеся (рисунок 18.3). Кон­центрические обмотки выполняются каждая в виде цилиндра и располагаются на стержне концентрически относительно друг друга. Высота обеих обмоток как правило,

Рисунок. 18.3 - Стержень трансформатора с дисковыми чередующимися обмотками

равной. В высоковольтных трансформаторах бли­же к стержню располагается обмотка НН, так как при этом уменьшается изоляционное расстояние между стерж­нем и этой обмоткой. В череду(ощихся обмотках катушки ВН и НН чередуются вдоль стержня по высоте. Эти обмот­ки имеют меньшее магнитное рассеяние. Однако при вы­соких напряжениях изоляция таких обмоток сложнее из-за большого количества промежутков между катушками ВН и НН.

В силовых трансформаторах нашли применение глав­ным образом концентрические обмотки, которые по харак­теру намотки можно подразделить: на цилиндриче­ские, винтовые, спиральные..

Цилиндрической обмоткой называется обмотка, витки которой наматываются вдоль стержня впритык друг к дру­гу (рисунок 18.4).

а)

б)

Рисунок 18.4 - Цилиндрическая обмотка простая (а) и двухслойная (б)

большом числе витков обмотка подраз­деляется на две концентрические катушки, между которы­ми оставляется канал для охлаждения. Общин вид двухслойной цилиндричесчой обмотки, каждый виток которой состоит из двух параллельно соединенных проводников, показан на рисунке 18.5 Однослойные

Рисунок 18.5 - Общий вид двухслойной цилиндрической обмотки из прямоугольного провода

и двухслойные цилинд­рические обмотки применяются главным образом в качест­ве обмоток НН при номинальных токах до 800 А.

Наряду с этими обмотками находят применение много­слойные цилиндрические обмотки, у которых число слоев п радиальном направлении более двух. Многослойная обмотка выполняется чаще всего из проводников круглого сечения (рисунок 18.6) и используется главным образом для обмоток

Рисунок 18.6 - Общий вид многослойной цилиндрической обмотки из круглого провода

ВН при .

Винтовая обмотка состоит из витков, которые состав­лены из нескольких (от 4 до 20) параллельных проводни­ков прямоугольного сечения, расположенных в радиаль­ном направлении один относительно другого. Намотка витков этой обмотки выполняется, как и у цилиндрической обмотки, по винтовой линии, имеющей один или несколь­ко ходов, но при этом между соседними по высоте витками оставляют канал для охлаждения (рисунок 18.7).

Рисунок 18.7 - Витковая параллельная обмотка из шести витков

В отдель­ных случаях для экономии места по высоте радиальные ох­лаждающие каналы могут быть сделаны через один ви­ток. Общий вид этой обмотки показан на рисунке 18.8.

Рисунок 18.8 - Общий вид одноходовой винтовой обмотки

Так как проводники, образующие виток, располагают­ся концентрически, то их длина, а следовательно, и актив­ное сопротивление будут различными. Кроме того, они бу­дут находиться не в одинаковых условиях по отношению к потоку рассеяния, замыкающемуся в пространстве, зани­маемом обмотками, вследствие чего в них будут наводить­ся разные ЭДС. По этим причинам ток по параллельным проводникам, образующим виток, будет распределяться неравномерно, что вызовет увеличение потерь. Во избе­жание этого в винтовых об­мотках требуется переклад­ка (транспозиция) провод­ников витка. При перекладке стремятся, чтобы каждый проводник попеременно занимал все положения, возмож­ные в пределах одного витка. Часто производится только частичная перекладка проводников (рисунок 18.9).

Рисунок 18.9 - Принципиальная схема транспозиции в витковой обмотке из шести параллельных проводов в витке

Перекладка осуществляется в нескольких местах по высоте стержня.

Винтовые обмотки имеют большую механическую проч­ность, чем цилиндрические, и применяются для обмоток НН в мощных трансформаторах (при токах более 300 А).

Катушечной обмоткой называется обмотка, составлен­ная из ряда расположенных по высоте стержня и соединен­ных последовательно катушек, намотанных по плоской спирали, с радиальными охлаждающими каналами между всеми или частью катушек (рисунок 18.10). Если виток состоит из одного

Рисунок 18.10 - Непрерывная спиральная катушечная обмотка

проводника, то обмотка называется простой, а если он составлен из ряда параллельных проводников — параллельной. В параллельны. Спиральных обмотках не­обходимо применять транспозицию проводов.

Катушки спиральных обмоток наматываются из прямо­угольного провода и могут иметь целое и дробное число витков. Характерной особенностью спиральных обмоток является то, что се катушки наматываются без разрыва провода, что достигается особым способом перекладки од­ной из катушек в каждой паре их. По этой причине они иногда называются непрерывными. Общин вид спираль­ной обмотки показан на рисунке 18.10. Этот тип обмоток

Рисунок 18.10 - Общий вид непрерывной спиральной катушечной обмотки

нахо­дит применение для обмоток ВН и НН в широком диапа­зоне напряжений (до 220 кВ и выше).

Важным элементом конструкции обмоток является их изоляция. Различают главную и продольную изо­ляцию.

Главной изоляцией называется изоляция данной об­мотки от остова, бака и соседних обмоток. Осуществляет­ся она посредством комбинации изоляционных промежут­ков и барьеров в виде электроизоляционных цилиндров и шайб. При небольших мощностях и низких напряжениях обмотки, намотанные на каркас, надеваются непосредст­венно на стержень сердечника.

Продольная изоляция является изоляцией между раз­личными точками данной обмотки, т.е. между витками, слоями и катушками. Изоляция между витками обеспечи­вается собственной изоляцией обмоточного провода. Для междуслойной изоляции применяется кабельная бумага, укладываемая в несколько слоев. Междукатушечная изо­ляция обычно осуществляется радиальными каналами.

Конструкция изоляции трансформатора усложняется с ростом напряжения обмотки ВН и существенно влияет на его стоимость. Для трансформаторов класса напряжения 220—500 кВ стоимость изоляции достигает 25 % стоимос­ти всего трансформатора.

Для выполнения обмоток трансформатора наряду с медными находят широкое применение алюминиевые провода.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назначение обмоток трансформатора.

2. Основные виды обмоток трансформатора.

3. Назовите основные типы изоляции обмоток трансформаторов.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №. 19

КОНСТРУКТИВНЫЕ ЧАСТИ ТРАНСФОРМАТОРА

Цель работы: изучение конструкции трансформаторов

Порядок выполнении работы:

1. Внимательно изучить основное содержание работы.

2.Подготовить краткое описание назначения основных частей и конструктивных особенностей трансформаторов.

3. Ответить на контрольные вопросы.

1.Основное содержание работы

Конструктивные части трансформатора. Основным ти­пом силового трансформатора является масляный трансформатор. Сухие трансформаторы применяются в установ­ках производственных помещений, жилых и служебных зданий, т..е. там, где применение масляных трансформато­ров вследствие их взрыво- и пожароопасности недопустнмо. В сухих трансформаторах охлаждающей средой слу­жит приникающий к обмоткам и магнитопроводу атмос­ферный воздух.

У масляного трансформатора выемная его часть, явля­ющаяся по существу собственно трансформатором, погру­жается в бак с маслом (рисунок 1.27). К

выемной части отно­сится остов с обмотками и отводами, а в некоторых конст­рукциях также и крышка бака. Масло, заполняющее бак, имеет двойное назначение. Оно имеет более высокую ди­электрическую прочность, чем воздух.

1 - шихтолинный магнитопровод; 2- обмотка НН; 3- обмотка ВН; 4- трубчатый бак; 5- термометр; 6- переключатель регулировки отводов обмотки ВН; 7- ввод обмотки НН; 8- ввод обмотки ВН; 9- расширитель

Рисунок 19.1 - Масляный трансформатор

Поэтому в трансформато­ре, заполненном маслом, можно увеличить электрические и магнитные нагрузки. Все это приводит к уменьшению расхода обмоточных проводов и электротехнической стали на изготовление трансформатора и уменьшению его габа­ритов.

Бак трансформатора обычно имеет овальную форму и для удобства транспортировки располагается на тележ­ке с катками. С ростом мощности трансформатора конст­рукция бака видоизменяется. С возрастанием мощности потери, которые вызывают нагрев частей трансформатора, растут быстрее, чем растет поверхность охлаждения. По­этому с увеличением мощности трансформатора приходит­ся искусственно увеличивать поверхность охлаждения.

У трансформаторов мощностью до 40 кВА применя­ются баки с гладкими стенками. Внутри бака возникает естественная конвекция масла: нагреваясь от обмоток и сердечника, оно поднимается вверх, а у стенок бака ох­лаждается и опускается вниз. От стенок бака тепло рас­сеивается в окружающее пространство путем излучения и конвекции. При мощностях от 40 до 1600 кВА для уве­личения поверхности охлаждения в стенки бака вварива­ют трубы диаметром 30—60 мм, располагаемые в один — три ряда. Процесс охлаждения трансформатора протекает так же, как и в предыдущем случае.

В трансформаторах мощностью свыше 1000 кВА ис­пользуются гладкие баки с подвешенными к ним трубча­тыми охладителями (рисунок 19.2),

Рисунок 19.2 - Трубчатый охладитель с вентиляторами для его обдува

которые присоединяются к верхней и нижней частям бака с помощью фланцев. От­носительно стенок бака охладители располагаются ради­ально. Циркуляция масла в охладителе совершается есте­ственной конвекцией. В последнее время трубчатые охла­дители стали применять и в трансформаторах меньшей мощности.

Расширитель представляет собой цилиндрический резервуар, располагаемый выше крышки бака масляного трансформатора и соединяемый с баком трубкой и патруб­ком на крышке (рисунок 19.3). Внутренний объем

1- указатель уровня масла; 2- трубка для свободного обмена воздухом; 3- пробка для заливки масла; 4- грязеотстойник; 5- выхлопная труба; 6- бак трансформатора; 7- газовое реле; 8- кран для отсоединения расширителя

Рисунок 19.3 - Расширитель и выхлопная труба

расширите­ля составляет примерно 10 % объема бака трансформато­ра, так что при всех возможных колебаниях температуры масло полностью заполняет бак. Кроме того, при наличии расширителя открытая поверхность масла, соприкасаю­щаяся с воздухом, уменьшается, что уменьшает его окис­ление и увлажнение. Этим достигается защита масла и изоляции трансформатора. Между расширителем и баком трансформатора мощностью более 1000 кВА устанавли­вается газовое реле, которое сигнализирует о повреждени­ях, приводящих к местному нагреву отдельных частей. В результате нагрева происходит разложение масла и изо­ляции, сопровождаемое выделением газов. Газы, поднима­ясь в верхнюю часть бака по пути в расширитель, проходят через газовое реле, вытесняют из него масло и заставляют его сработать.

По заказу потребителя газовое реле может устанавливаться также у трансформаторов мощностью 400 и 630 кВА. Расширители устанавливаются во всех трансформаторах, начиная с мощности 25 кВА при на­пряжении от 6,3 кВ и выше. Для трансформаторов мень­шей мощности допускается колебание уровня масла внут­ри бака.

Выхлопная труба представляет собой стальной, обычно наклонный полый цилиндр диаметром 150 мм и более. Внизу она прикрепляется к крышке и имеет сообщение с баком. Сверху труба закрывается стеклянной мембраной. Выхлопная труба 5 (рисунок 19.3) устанавливается на всех трансформаторах

мощностью 1000 кВА и выше и предназ­начается для предохранения бака трансформатора от де­формации вследствие резкого повышения давления из-за интенсивного образования газов (например, при коротком замыкании). При резком повышении давления мембрана выдавливается раньше, чем произойдет поврежде­ние бака.

Вводы представляют собой изоляторы, внутри которых располагаются токоведущие медные стержни. Внутри бака к стержню подсоединяются концы обмотки трансформа­тора, а вне бака — токоведущие части сети. С увеличени­ем напряжения трансформатора размеры вводов увеличи­ваются, а их конструкция усложняется (рисунок 19.4). Вводы для трансформаторов, устанавливаемых

а - для внутренней установки; б- для наружной установки; в- маслонаполненный для напряжения 110 кВ; г- при больших токах

Рисунок 19.4- Вводы трансформаторов

внутри помеще­ния, обычно имеют гладкую внешнюю поверхность, а для устанавливаемых на открытом воздухе, снабжаются реб­рами.

Контроль температуры масла в верхней части бака про­изводится различного типа термометрами. В трансформа­торах до 1000 кВА используются стеклянные ртутные термометры, устанавливаемые на крышке бака в специ­альной металлической оправе. На крышках трансформато­ров мощностью 1000—5600 кВА вместо стеклянного устанавливается дистанционный манометрический термометр, а при больших мощностях — термоэлектрический преоб­разователь. Наибольшая температура масла — в верхних слоях (допускается равной 95 °С).

Для изменения числа витков обмотки ВН в целях регу­лирования напряжения предусматривается переключатель, размещенный внутри бака. Рукоятка этого переключателя выводится на крышку или стенку бака трансформатора.

На крышке и стенках бака устанавливаются различ­ные пробки и краны, предназначенные для заливки, спус­ка и отбора пробы масла.

2. Схемы соединения обмоток трансформатора

Выводы начала обмоток однофазных трансформаторов согласно ГОСТ обозначают буквами, , , а концы —, , . Большие буквы относятся к обмоткам ВН, а малые — к обмоткам НН.

Начала и концы обмоток трехфазных трансформаторов соответственно обозначают для обмоток ВН и для обмоток НН. При наличии третьей обмотоки среднего напряжения (СН) применяют обозна­чения , для однофазных трансформаторов и — для трехфазных. Выводы нулевой точки обозначают , и .

Обмотки трехфазных трансформаторов в большинстве случаен соединяются по схеме «звезда» (рисунок 19.5, услов­ное обозначение в чертежах , в

Рисунок 19.5 - Схема соединения обмотки в звезду (а) и в звезду с выведенной нулевой точкой (б).

тексте ) либо по схеме «треугольник» (рисунок 19.6, условное обозначение в черте­жах , в тексте ). При соединении обмоток в звезду ли­нейное

Рисунок 19.6 - Схема соединения обмотки в треугольник

напряжение в раз больше фазного; , и линейный ток равен фазному . При соединении и треугольник и . Эти соотношения справедливы при симметричном режиме.

Схемы соединения обмоток трансформатора обознача­ются в виде дроби , и т.д. Числитель этой дроби указывает схему соединения обмотки ВН, а знаменатель — обмотки НИ. При выборе схемы соедине­ния обмотки учитывается ряд обстоятельств. При высоких напряжениях обмотку предпочитают соединять в звезду и заземлять ее нулевую точку, при этом напряжение выво­дов и приводом линии передач относительно земли умень­шается и раз, что приводит к снижению стоимости изоляции. Обмотки НН соединяются и в звезду с выведенной нулевой точкой в том случае, если от этой обмотки пред­полагается питание осветительной или смешанной осветительно- силовой нагрузки. Тогда лампы включаются между (мшим из линейных проводов и нулевым проводом (на фаз­ное напряжение), а трехфазные двигатели — к трем фазам на линейное напряжение. Обозначение такой схемы .

При номинальном напряжении обмотки НН выше 400 В предпочитают соединять ее в треугольник, так как при этом улучшаются условия работы трансформатора при несим­метричной нагрузке и уменьшается влияние высших гар­моник.

Иногда в специальных трансформаторах применяется также соединение обмоток по схеме «зигзаг», обозначе­ние (рисунок 19.7). В этой схеме

Рисунок 19.7 - Схема соединения обмотки зигзагом

каждая фаза обмотки со­стоит из двух рамных частей, размешенных на разных стержнях и соединенных между собой последовательно и встречно. При встречном включении ЭДС фазы увеличи­вается в раза по сравнению с согласным их включе­нием и во столько же раз будет больше ЭДС каждой части (рисунок 19.8). Соотношения между линейными и фазными значениями

Рисунок 19. 8 - Векторная диаграмма для соединения зигзаг

напряжения и тока в этой схеме получаются такими же. как и при соединении звездой.

Если предположить, что при соединении в звезду об­мотка каждой фазы состоит из двух половин, но расположенных на одном стержне, то фазное напряжение в этом случае будет в 2 раза больше напряжения каждой половин­ки и, следовательно, в раза больше, чем при схеме соединения в зигзаг. Поэтому при одних и тех же значениях фазного и линейного напряжений расход обмоточного провода при соединении в зигзаг будет в раза боль­ше, чем при соединении в звезду.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Конструкция масленого трансформатора.

2. Назначение основных элементов трансформатора.

3. Назовите основные схемы обмоток трансформатора.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 20

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Цель работы: изучить конструкции обмоток трансформаторов.

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный дня преобразования одной системы переменного тока в другую - вторичную, имеющую, в общем случае, другие характеристики, в частности, другое напряжение и другой ток.

Как правило, трансформатор состоит: из стального сердечника, проводящего магнитный поток, и двух или, в общем случае, нескольких электрически не связанных между собой обмоток.

Если обмотки две, то трансформатор называют двухобмоточным и т.д. соответственно роду тока имеются трансформаторы одно, трех и многофазные.

Рисунок 20.1- Однофазный трехобмоточный трансформатор мощностью МВА, напряжением 237/63,5/11 кВ

1- магнитопровод; 2- обмотка низшего напряжения НН (двухслойная цилиндрическая); 3- обмотка высшего напряжения ВН; 4- бак для масла; 5- расширитель; 6- маслоуказатель; 7- пробка для заливки масла; 8- переключатель числа витков обмотки ВН; 9- привод переключателя; 10- ввод ВН; 11- ввод НН; 12- термометр; 13- пробка для спуска масла

Рисунок 20.2 – Однофазный масляный трансформатор мощностью 10 кВА, напряжением 6,3/0,4кВ

Под обмоткой многофазного трансформатора понимают совокупность всех фазных обмоток, определенным образом соединенных между собой.

Та из обмоток, к которой подводится энергии переменного тока, называется первичной, другая, от которой энергии отводится, называется вторичной. Соответственно, называются и величины, относящиеся к этим обмоткам.

В общем случае, вторичное напряжение не равно первичному. Та из обмоток, которая подсоединена к сети с более высоким напряжением, называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а та, которая подсоединена к сети с меньшим напряжением, называется обмоткой низшего напряжения (НИ).

Номинальным режимом работы трансформатора называется режим работы, для которого он предназначен изготовившим его заводом Номинальная мощность, выражаемая в кВA, есть мощность на зажимах вторичной обмотки.

Номишиьное первичное напряжение, есть напряжение, подводимое к зажимам первичной обмотки трансформатора и удовлетворяющее требованиям стандарта

Номинальное вторичное напряжение есть напряжение, получающееся, при соответствующем положении переключателя, на зажимах вторичной обмотки при холостом ходе трансформатора и номинальном первичном напряжении на зажимах основного ввода.

Номинальными токами называются токи, определяемые по номинальным значениям мощности и напряжения данного трансформатора.

Номинальной нагрузкой называется нагрузка номинальным током.

За номинальную частоту принимается частота, равная 50 Гц.

В общем случае, отдаваемая трансформатором мощность. отличается от номинальной на величину, соответствующую изменению вторичного напряжения, при переходе от холостого хода к полной нагрузке.

Принцип работы трансформатора. Работа основывается на принципе электромагнитного взаимодействия двух, или в общем случае, нескольких контуров, неподвижных друг относительно друга.

Если один из контуров присоединить к источнику переменного тока, то под действием связывающего контуры переменного магнитного потока, во вторичном контуре (или во вторичных контурах) появляется переменная ЭДС

и, если вторичный контур замкнут, то по нему течет переменный ток. Таким образом, энергия переменного тока первичного контура преобразуется (трансформируется) в энергию переменного тока во вторичном контуре.

Для усиления электромагнитной связи между контурами, их располагаю на общем сердечнике, собранном из листовой стали.

Конструкция силовою трансформатора. В самом общем случае, можно считать, что силовой трансформатор состоит: из сердечника: обмоток; проходных изоляторов и бака с трансформаторным маслом, если трансформатор масляный. Конструкция трехфазною масляного трансформатора показана на рисунке 20.3.

Рисунок 20.3 - Трехфазный масляной трансформатор ТМ-320/6 мощностью 320 кВА, 6000/400 В

Сердечником называется система, образующая магнитную цепь трансформатора, со всеми деталями, относящимися к ее конструкции. Сердечник состоит из стержней и двух ярм - верхнего и нижнего.

Поперечное сечение стержня, чаще всего, имеет вид ступенчатого многоугольника, вписанного в круг, но могут иметь и прямоугольную форму.

Ярмо может выполняться как прямоугольного поперечного сечения, гак и ступенчатого. В последнем случае уступы ярма входят в стержень, что позволяет достичь более равномерного распределения магнитного потока по сечению ярма.

Сердечник набирают из листов специальной стали толщиной 0, 35 мм или 0,5 мм, которые для уменьшения потерь на вихревые токи, изолируют бумагой, но лучше слоем специального лака

Рисунок 20.4 - Магнитопровод трансформатора мощностью 320 кВА

Рисунок 20.5 - Форма сечения стержней и их стяжка

Рисунок 20.6 - Форма сечения ярма и их стяжка

Сборка может производиться в притык и внахлест:

- в первом случае собирают стержни и ярма отдельно, прессуют и прокладывают изолирующие теплостойкие прокладки;

- во втором случае сердечник собирают послойно, из отдельных пластин, укладываемых впритык, но стыки одного слоя перекрываются целыми листами в каждом последующем слое.

Сердечник может быть выполнен навивкой из стальной ленты.

По тому, как расположен сердечник относительно обмоток, различают:

- стержневые - обмотка охватывает стержни сердечника;

- броневые — обмотка частично охватывается сердечником.

Силовые трансформаторы, за редким исключением, выполняются

стержневыми.

Рисунок 20.7- Магнитопроводы трансформаторов

а) шихтованная сборка сердечника трансформатора стержневого типа.

б) ленточный магнитопровод из холоднокатаной стали.

в) шихтованная сборка сердечника трансформатора броневого типа.

Обмотки трансформатора, в зависимости от расположения, делятся на концентрические (располагают одну внутри другой) и чередующиеся (вдоль стержня).

В любом случае, обмотки НН располагаются ближе к ярму (чередующиеся) или ближе к стержню (концентрические). Между обмотками обязательно укладывается изоляция.

В трехобмоточных трансформаторах на сердечнике помещают три изолированные друг от друга обмотки. Такой трансформатор дает возможность получить два различных напряжения и снабжать электрической энергией две различные группы приемников. Помимо обмоток ВН и НН трехобмоточный трансформатор имеет обмотку среднего напряжения (СН).

Магнитные системы силовых трехфазных трансформаторов стержневые, "броневые не выпускаются. Различают трансформаторы с независимыми или почти независимыми магнитными системами и системами связанными.

Независимая (несвязанная) магнитная система у трехфазной трансформаторной группы (три отдельных однофазных трансформатора). Связанная магнитная система у трехстержневого трансформатора.

Рисунок 20.8 - Магнитная система трехстержневого трансформатора

В этом случае система несимметрична из-за различной длины магнитных цепей каждой фазы (для среднего стержня короче). Все три цепи сходятся в узлах и . а геометрическая сумма максимальных значений магнитных потоков должна быть равна нулю.

Если подводимое напряжение симметрично, то симметричны, должны быть и потоки, но пути у потоков различны и, следовательно, не равны будут МДС отдельных фаз и система токов будет несимметричной.

Тепловые процессы в трансформаторе. Трансформатор нагревается из-за того, что потери в стали и меди преобразуются в тепловую энергию и вызывают нагрев соответствующих его частей.

При повышении индукции растут потери в стали, а при повышении плотности тока - растут потери в проводах обмоток.

Самое главное - не допустить перегрева тех частей, которые расположены внутри.

В масляных трансформаторах отдача тепла может осуществляться только через стенки бака.

Масло не только отводит тепло, но и повышает электрическую прочность. Совол, который тоже используется для охлаждения и повышения электрической прочности - не горит, в отличие от трансформаторного масла.

В зависимости от способа охлаждения различают:

М - естественное масляное;

Д - масляное с дутьем (искусственное воздушное);

Ц- масляно-водяное с принудительной циркуляцией масла.

Трансформатор с трубчатым баком.

Трансформатор с радиаторным баком.

Рисунок 20.9 - Трансформаторы с естественным масляным охлаждением

Газовое реле - предназначено для определения аварийных ситуаций, когда масло нагревается до высокой температуры и сгорает с выделением газов.

Рисунок 20.10 – Конструкция газового реле

В специальной трубке устанавливается шарик, который под давлением потока газов отклоняется и замыкает специальные контакты, вначале сигнализируя о появлении продуктов сгорания, а затем и о необходимости отключения (при бурном газообразовании).

Для того чтобы в баке не изменялся уровень масла (воздуха в баке не должно быть) применяется специальный расширительный бачек.

Рисунок 20.11- Расширитель и выхлопная труба

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называют трансформатором?

2. Какой принцип работы трансформатора?

3.Что такое номинальный режим работы трансформатора?

4. Чем стержневой магнитопровод отличается от броневого?

5. Чем связанная магнитная системы отличается от независимой?

6. Как работает газовое реле?

7. Для чего необходим расширительный бачек?

8. Для чего необходима выхлопная труба?