Технические характеристики, типы и формулы для броневого трансформатора

Конструкция и особенности

Основное конструктивное отличие броневого трансформатора (БТ) от остальных однофазных легко проследить по рисунку 1, б.

Рис. 1 – Схемы однофазных трансформаторов

На рисунках 1а и 1в изображены стержневой (СТ) и тороидальный (ТТ) соответственно. Схема конструкции СТ противоположна схеме БТ в плане расположения главных элементов друг относительно друга, и в первом наоборот – сердечник охвачен обмотками. У БТ в сравнении с СТ выходит меньше выводов на аналогичное число обмоток, так как первичную обмотку СТ нужно распределить двумя равными частями между магнитопроводными стержнями.

В связи с этим в определенных случаях с СТ возникают трудности при размещении выводов, однако, если сердечник разъемный ленточный, тогда СТ даже будет обладать преимуществом, проявляющимся в возможности обеспечения малого зазора в сердечнике и стягивания двух его половинок.

Характеристика

Само по себе присутствие таких деталей ведет к увеличению веса и объема. Броневая конструкция в некоторой степени уменьшает габариты БТ, при этом боковые ярма выполняют функцию защиты от механического воздействия для обмоток. Это крайне важно, при малых габаритах, отсутствии кожуха и расположении вместе с другим оборудованием на схеме, а не отдельно. В ТТ наименьшее количество элементов, значит его габариты меньше всего подвержены разрастанию, но при этом он является и конструктивно наименее технологичным.

Технологические недостатки выражены, во-первых, в необходимости последовательного выполнения сердечника и катушек (удлинение цикла производства), во-вторых, в низкой производительности во время наматывания последних.

В дополнение к этому, станок тороидальной намотки существенно более сложен и дорогостоящий, по сравнению с обычными станками рядовой намотки, и не может быть использован в целях наматывания провода, диаметр которого превышает 2 мм. Это сужает область применения ТТ на высоких мощностях, в то же время на очень малых окна сердечника может не хватать для прохождения челнока. Особенно затруднительно наматывание ТТ при заданной частоте 50 Гц, когда витков нужно очень много.

На фоне вышеописанного проявляется еще один значительный плюс БТ – он выступает наиболее технологичным решением в условиях малой мощности, со штампованными сердечниками. При чем его перевес в отношении СТ тоже весом – требуется только одна катушка, а не две. Вообще, разница между двумя катушками и одной всегда выходит на первые роли, когда требуются трансформаторы небольших размеров.

Виды магнитопроводов

По конструкции магнитопровода трансформаторы подразделяются на стержневые и броневые.

Магнитопровод однофазного стержневого трансформатора (рисунок 1, а) имеет два стержня С, на которых размещаются обмотки, и два ярма Я, которые служат для создания замкнутого магнитопровода. Каждая из двух обмоток (1 и 2) состоит из двух частей, расположенных на двух стержнях, причем эти части соединяются либо последовательно, либо параллельно. При таком расположении первичная и вторичная обмотки находятся близко друг от друга, что приводит к увеличению коэффициента электромагнитной связи [смотрите равенство (1) в статье «Принцип действия и виды трансформаторов»].

Однофазный трансформатор броневой конструкции (рисунок 1, б) имеет один стержень с обмотками и развитое ярмо, которое частично закрывает обмотки подобно «броне».

Для преобразования, или трансформации, трехфазного тока можно использовать три однофазных трансформатора (рисунок 2), обмотки которых соединяются по схеме звезды или треугольника и присоединяются к трехфазной сети. Такое устройство называется трехфазной трансформаторной группой или групповым трансформатором. Чаще, однако, применяются трехфазные трансформаторы с общим для всех фаз магнитопроводом, так как такие трансформаторы компактнее и дешевле.

Идея образования трехфазного трансформатора стержневого типа показана на рисунке 3. Если для трехфазных синусоидальных токов соблюдается условие

ia + ib + ic = 0 ,

то для синусоидальных потоков трех трансформаторов (рисунок 3, а) также соблюдается условие

Фa + Фb + Фc = 0

Поэтому, если объединить три стержня 1, 2 и 3 (рисунок 3, а) в общий стержень, то поток в этом стержне будет равен нулю и этот стержень можно удалить. Тогда получим трехфазный трехстержневой трансформатор, показанный на рисунке 3, б. Конструкцию этого трансформатора можно упростить, расположив все три стержня в одной плоскости (рисунок 3, в). Эта последняя конструкция была предложена М. О. Доливо-Добровольским в 1889 году и получила всеобщее распространение. Такой магнитопровод не вполне симметричен, так как длина магнитных линий средней фазы несколько короче, чем для крайних, однако влияние этой несимметрии весьма незначительно.

Трехфазный броневой трансформатор (рисунок 4) можно рассматривать как три однофазных броневых трансформатора, поставленные рядом или друг над другом. При этом средняя фаза имеет обратное включение относительно крайних, чтобы в соприкасающихся частях магнитной системы потоки фаз складывались, а не вычитались. Так как

, то при таком включении средней фазы поток в соприкасающихся частях магнитной системы уменьшается в √3 раза, и во столько же раз можно уменьшить сечение этих частей магнитопровода. При этом потоки во всех частях ярма равны половине потока стержней.

В броневых трансформаторах коэффициент электромагнитной связи между обмотками несколько больше, чем в стержневых, и поэтому броневые трансформаторы в электромагнитном отношении несколько совершеннее. Однако это преимущество не имеет большого значения. Поскольку броневые трансформаторы сложнее по конструкции, в России силовых трансформаторов броневой конструкции не строят.

С увеличением мощности трансформаторов возрастают их размеры и трудности транспортировки по железным дорогам. Поэтому в трансформаторах мощностью Sн > 80 – 100 МВ×А на фазу и напряжением 220 – 500 кВ применяют бронестержневую или многостержневую конструкцию. Такие конструкции получаются, если у трансформаторов вида показанных на рисунках 1, а и 3, в добавить слева и справа по одному боковому ярму (рисунок 5). При этом магнитный поток в верхнем и нижнем ярмах разветвляется и в случае, изображенном на рисунке 5, а, уменьшается в два раза, а в случае на рисунке 5, б – в раза по сравнению с рисунками 1, а и 3, в. Во столько же раз можно уменьшить сечение ярем, в результате чего высота магнитопроводов уменьшается.

Рисунок 5. Устройство бронестержневых трансформаторов

Преимущественно применяются трехфазные трансформаторы с общей магнитной системой. Трехфазные группы однофазных трансформаторов используются, во-первых, при весьма больших мощностях (Sн > 300 МВ×А), когда транспорт трехфазного трансформатора становится весьма затруднительным или невозможным, и, во-вторых, иногда при Sн > 30 МВ×А, когда применение однофазных трансформаторов позволяет уменьшить резервную мощность на случай аварии или ремонта.

Принцип работы

Любой однофазный трансформатор функционирует по принципу передачи со входа (первичной обмотки) на выход (выходные контакты вторичной обмотки) полного повторения входного напряжения в пересчете на соотношение витков во вторичной и в первичной обмотках. Подавая на первичную напряжение U1 и соединив вторичную с нагрузкой, получаем соответственно токи I1 и I2 в каждой. Эти токи сгенерируют магнитные потоки Ф1 и Ф2, направленные друг на друга. Общий магнитный поток в магнитопроводе снизится, вследствие чего индуктированные им ЭДС E1 и E2 уменьшатся.

Показатель U1 останется прежним, и понижение E1 вызовет повышение I1. С увеличением I1 будет происходить увеличение Ф1 до тех пор, пока не скомпенсируется размагничивающее действие Ф2. Равновесие восстанавливается при достижении прежнего значения общего потока.

РЕМОНТ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ И ТРАНСФОРМАТОРОВ

Магнитопроводы однофазных трансформаторов показаны на рис. 14.2 и 14.3. В броневом магнитопроводе (рис. 14.2) имеются один стержень и два ярма, охватывающие обмотки. По каждому ярму замыкается половина магнитного потока стержня, поэтому площадь поперечного сечения каждого ярма в 2 раза меньше площади сечения стержня.

В стержневом магнитопроводе (рис. 14.3) имеются два стержня, на каждом из которых располагается по половине обмоток 1 и 2. Половины каждой из обмоток соединяются между собой последовательно пли параллельно. При таком расположении обмоток уменьшаются магнитные потоки рассеяния и улучшаются характеристики трансформатора. В трехфазных цепях могут применяться три однофазных трансформатора, обмотки которых соединяются по трехфазной схеме. (рис. 14.4). Такой трансформатор называется трехфазной группой однофазных трансформаторов. Однако чаше применяются трехфазные трансформаторы с общей магнитной системой для всех фаз.

Броневая конструкция магнитопровода трехфазного трансформатора показана на рис. 14.5. Ее можно рассматривать как три броневых магнитопровода для однофазных трансформаторов, поставленных друг на друга.

Рис. 14.2. Однофазный трансформатор с броневым магнитопроводом

Рис. 14.3. Однофазный трансформатор со стержневым магнитопроводом

Рис. 14.4. Трехфазная группа однофазных трансформаторов

Рис. 14.5. Броневой трехфазный трансформатор

Трехфазные трансформаторы часто имеют три стержня и два ярма (рис. 14.6). Возможность применения такого магнитопровода для трансформации в трехфазных цепях видна из рис. 14.7. Если расположить три однофазных трансформатора, как показано на рис. 14.7, а, то три стержня 1—3 можно конструктивно объединить в один. Но так как в симметричной трехфазной системе геометрическая сумма магнитных потоков трех фаз равна нулю, т. е. ФА+ФВ+ФС=0, то этот стержень можно удалить и получить конструктивную схему 14.7, б. Если уменьшить длину ярм магнитопровода фазы В, то получим магнитопровод со стержнями, расположенными в одной плоскости (рис. 14.7, в). По сравнению со схемой на рис. 14.7,б магнитопровод, показанный па рис. 14.7, в, имеет некоторую магнитную несимметрию, так как магнитопровод в этом случае представляет собой магнитную цепь, имеющую два узла и три ветви, из которых средняя короче крайних. Как показывает практика, существенного значения такая несимметрия не имеет.

Рис. 14.6. Стержневой трехфазный трансформатор

Рис. 14.7. Замена трех однофазных трансформаторов одним трехфазным с тремя стержнями и двумя ярмами

На каждом стержне трехфазного стержневого магните провода располагаются обе обмотки одной фазы. В стержневых магнитопровода магнитный поток ярма всегда равен магнитному потоку стержня и площадь поперечного сечения стали в ярме должна быть равна или несколько больше (для уменьшения магнитных потерь) площади сечения стали в стержне. Наибольшее распространение получили магнитопроводы стержневого типа (рис. 14.6).

Типы

В рабочем состоянии сердечник трансформатора постоянно испытывает воздействие переменного магнитного поля, которое вызывает образование вихревых токов вокруг него. Это приводит к нагреванию магнитопровода, а, значит, затрачивается полезная энергия. Процент потерь зависит от:

• материала сердечника;
• частотной характеристики перемагничивания;
• максимального показателя магнитной индукции.

Чем легче намагнитить металл, тем он проще перемагничивается со взаимным уменьшением потерь. Поэтому сердечники производят из стали с выраженными магнитными свойствами. Явление вихревых токов в монолитных проводниках набирает максимальные обороты, так как материал наделен небольшим сопротивлением. Для уменьшения потерь, связанных этим, данное сопротивление увеличивают путем сборки магнитопровода из стальных листов, не превышающих по толщине 0,5 мм, с изоляцией в виде лака и окалины. Изоляционная прослойка не позволяет вихревым токам оказывать влияние на магнитный поток в сердечнике, что положительно сказывается на потерях. Сборку осуществляют по одной из двух технологий:

• встык – собирают собственно сердечник, затем на него насаживают обмотки, на завершающем этапе все скрепляют ярмом воедино (более простой способ, но потери выше);
• впереплет (шихтование) – пластины каждого следующего ряда перекрывают стыки предыдущего (больший спрос в связи с меньшими потерями).

Геометрия и тип магнитопровода определяют типовые различия трансформаторов. По типу магнитопровод может быть ленточным или пластинчатым. В свою очередь, его форма дает наименование и обозначение: броневые магнитопроводы выполняют Ш-образными и обозначают буквой Ш, стержневые – П-образными и П, кольцевые – О-образными и О, трехфазные магнитопроводы создают Е-образной формы, а ортогональные обозначают тремя буквами ОПЛ. К ленточным магнитопроводам в обозначение добавляется буква Л, к примеру, ШЛ, ПЛ, ОЛ, ЕЛ.

Таким образом броневой трансформатор может быть типа Ш или ШЛ.

Ш

Самый распространенный тип БТ. Средний стержень с проходящим по нему общим потоком замыкается двумя крайними стержнями. Сечение крайних стержней равно половине сечения среднего.

ШЛ

Ленточные (витые) броневые магнитопроводы ШЛ имеют также следующие подтипы:

• ШЛМ – с пониженным соотношением I1/I;
• ШЛО – с расширенным окном;
• ШЛП – с повышенным соотношением B/l;

Нестандартизированные магнитопроводы

Назначение и применение

Броневые трансформаторы – не трудоемкие и дешевые в изготовлении, и для сигнальных малых/средних по мощности (до 100 Вт) трансформаторов обычно выбирают именно броневой тип. БТ, однако, и самые чувствительные к наводкам, к тому же им свойственна большая индуктивность рассеяния. Серии ШЛ и ШЛМ применяют, когда нужны наименьший вес, номинальные мощности не больше 100 Вт и частота 400 Гц (ШЛ) или 50 Гц (ШЛМ). Серию ШЛО используют в условиях низких напряжений на частотах от 1-го до 5-ти кГц и высоких – на частотах от 50-ти Гц до 5-ти кГц.

Советский ленточный малогабаритный маломощный трансформатор – ТПП – выделяется низкими напряжениями на вторичных обмотках. ТПП отлично проявляют себя в схемах бытовых приборов, в радиоэлектронных и коммуникационных приспособлениях, компьютерных системах, питающихся от промышленных и специальных сетей с переменным током под напряжениями 40, 115, 127 и 220 В и частотой 50 или 400 Гц. Им свойственен обширный спектр напряжений и токов при мощности до 500 ВА.

Как рассчитать

Практически любые расчеты нужно начинать с замеров сердечника. На рисунках 2, в и 3 показаны величины, которые нужно измерить у БТ в схематическом и визуальном отображении соответственно.

Рис. 2 – Измерение габаритов сердечника по схеме.

Рис. 3 – Измерение габаритов сердечника по внешнему виду.

Мощность вторичной обмотки

P2 = 2 * Pгаб – P1,

где Pгаб – габаритная мощность (Вт), P1 – мощность первичной обмотки (Вт).

Габаритную мощность

Pгаб = (n * Sс * Sо * 4,44 * f * B * j * Kм * Kс) / ((1 + n) * 100),

где n – табличный КПД трансформатора, Sс – площадь сечения магнитопровода (см²), Sо – площадь поперечного сечения окошка (см²), f – частота (равная 50 Гц), B – магнитная индукция (T), j – табличный показатель плотности тока в проводах катушек (A/мм2), Kм – коэффициент заполнения окна магнитопровода медью, Kс – …сталью.

Фактическое сечение стали

Sс = а * b,

где a – ширина стержня, b – толщина магнитопровода по рисунку 2 или 3.

Фактическая площадь сечения окна сердечника

Sо = h * c,

где h – высота окна, c – ширина окна по рисунку 2 или 3.

Величина номинального тока первичной обмотки

P1 = U1 * I1

где I1 – ток в первичной обмотке (А).

Номинальный показатель тока в обмотках

I = Sпр * j,

где Sпр – сечение провода (мм²).

Сечение проводов обмоток

Sпр = 3.14 * R²,

где I – ток в обмотке (A), R – радиус провода (мм).

Диаметр проводов обмоток без изоляции

d = 2 * √ (I / (3.14 * j))

Число витков каждой обмотки

W1 = U1 / u1

W2 = U2 / u2,

где W1 – число витков первичной, W2 – …вторичной, U1 – значение входного напряжения на первичной (В), U2 – выходного на вторичной (В), u1 – значение напряжения на одном витке первичной (В), u2 – …вторичной (В).

Количество витков, приходящихся на каждый вольт

w1 = W1 / U1

w2 = W2 / U2

Для одного и того же провода имеем одинаковые значения в обеих обмотках, то есть:

w1=w2

Максимальную мощность, которую способен дать магнитопровод

Pmax = Sc²

Проверка понижающего трансформатора мультиметром

Допустим, трансформатор 4-контактный – два провода с первичной обмотки и два со вторичной. Его проверка сводится к выявлению повреждений в обмотках. Чтобы установить, имеются ли таковые, для начала переведем мультиметр в режим тестирования диодов либо переставим переключатель на шкалу сопротивления. Затем проверяем одну катушку, не уделяя внимания полярности подключения щупов, так как она в данном случае абсолютно не важна. То же самое проделываем и со второй.

Низкие показания омметра укажут на исправность обмоток, отсутствие реакции тестера – на обратное.

Если принадлежность того или иного контакта к какой-либо из обмоток не известна, тогда она устанавливается в процессе проверки – сопротивление в первичной у понижающего трансформатора должно быть несколько больше.