Конструкция трансформатора
Луганськ 2013
УДК 681.325.5-181.4
Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни "Електричні машини", розділ "трансформатори" (для студентів, що навчаються за напрямом "Електротехніка та електротехнології" / Укл.: Є.І. Штангєєв, В.С. Міхайличенко - Луганськ: Вид-во Східноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля, 2013. – 96 с.
Приведені інструкції для виконання лабораторних робіт, методичні вказівки з дисципліни "Мікропроцесорні пристрої", містять необхідний теоретичний матеріал, описи і схеми лабораторних установок, рекомендації щодо написання алгоритмів, програм і обробки результатів.
Це видання призначено для студентів вузів, що вивчають дисципліну "Електричні машини", розділ "трансформатори". Методичні вказівки можуть бути корисні студентам вищих і середніх спеціальних учбових закладів при вивченні пристроїв автоматики і управління електричними машинами в курсі "Електричні машини".
| Укладачі: | Є.І. Штангєєв, доц. В.С. Міхайличенко, студент гр. ЕТ-182м |
| Відп. за випуск Рецензент | О. С. Захарчук, проф. В. В. Яковенко, проф. |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА Т1
Устройство трансформаторов
Цель работы: ознакомиться с устройством и принципом действия трансформаторов.
Определение
Трансформатором называется статическое (т.е. без движущихся частей) ем действия трансформаторов электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.
Проще говоря, трансформатор – это устройство для понижения или повышения напряжения в цепи переменного тока.
Принцип действия трансформатора
Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. В простейшем случае трансформатор состоит из стального сердечника (магнитопровода) и намотаного на него двух обмоток (рис.1.1.1).
Рис.1.1.1. К пояснению принципа действия трансформатора.
Одна из обмоток соединяется с сетью переменного тока, а другая с нагрузкой. Обмотку, соединенную с сетью называют первичной, а обмотку соединенную с нагрузкой – вторичной. Ток 
, проходя по обмотке соединенной с сетью, создает в сердечнике переменный магнитный поток 
, который пронизывает одновременно две обмотки. В первичной обмотке индуктируется электродвижущая сила (ЭДС) самоиндукции 
, а во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции 
.
Величина ЭДС каждого витка, как и ЭДС всей обмотки, зависит от величины магнитного потока, пронизывающего виток, и скорости изменения этого потока. Скорость изменения магнитного потока зависит от частоты переменного тока, которая является постоянной величиной (50 Гц). Величина магнитного потока также остается постоянной, поэтому ЭДС в каждой обмотке зависит только от количества витков в ней.
Исходя из сказанного выше можно записать основное соотношения для любого двухобмоточного трансформатора:
(1.1.1)
т.е. отношение величин ЭДС обеих обмоток равно отношению чисел витков в них.
Если пренебречь величиной падения напряжения в обмотках трансформатора (падение напряжения обычно не превышает 1-1,5%), то можно записать следующее равенство:
(1.1.2.)
т.е. отношение высшего напряжения к низшему равно отношению чисел витков высшей и низшей обмоток. Это отношение принято называеть коэффициентом трансформации трансформатора 
.
Конструкция трансформатора
Основными частями конструкции трансформатора являются магнитопровод, обмотки, изоляция.
Магнитопровод. Магнитопровод служит для концентрации в нем магнитного потока трансформатора. Выше было указано, что индуктируемая в витках трансформатора ЭДС зависит от величины магнитного потока, т.е. от магнитной индукции. Магнитная индукция той или иной среды в свою очередь зависит от магнитной проницаемости, поэтому для получения значительных индуктируемых ЭДС в качестве сердечников трансформаторов применяются материалы, имеющие высокую магнитную проницаемость. Этим свойством обладает электротехническая сталь.
Электротехническая сталь – тонколистовая сталь (0,27–0,5мм), используемая при изготовлении магнитопроводов электротехнического оборудования: электромагнитов, трансформаторов, генераторов, электродвигателей, дросселей, реле, стабилизаторов и так далее. В зависимости от требуемых свойств, электротехническая сталь содержит различное количество кремния. В зависимости от технологии производства электротехнические стали разделяют на холоднокатаные (изотропные или анизотропные; количество кремния до 3,3% ) и горячекатаные (изотропные; количество кремния до 4,5% ). Нередко в качестве легирующей добавки в электротехнической стали может содержаться алюминий (до 0,5%). Иногда электротехнические стали условно разделяют на динамную (0,8–2,5% кремния) и трансформаторную (3–4,5% кремния). Динамная применяется в конструкции электрических машин, а трансформаторная – в конструкции электрических аппаратов. Дело в том, что при увеличении процентного содержания кремния ухудшаются механические свойства стали. Сталь с содержанием кремния более 4,5% не применяется из-за своей хрупкости.
В магнитопроводе различают стержни и ярма (рис.2). Стержень – это та часть магнитопровода, на которой расположена обмотка, а ярмо – часть, служащая для замыкания магнитной цепи.
Магнитопровод трансформатора шихтуется (собирается) из листов электротехнической стали, что позволяет снизить вихревые токи в нем.
В зависимости от взаимного расположения стержней, ярм и обмоток магнитопроводы разделяются на стержневые и броневые (рис.3). В стержневых магнитопроводах ярма прилегают к торцевым поверхностям обмоток, не охватывая их боковых поверхностей. Трансформаторы большой мощности, которые используются в электроэнергетике и называются силовыми, изготавливают со стержневыми и плоскими магнитопроводами. Их особенность – расположение осей стержней в одной плоскости. В броневых магнитопроводах ярма охватывают не только торцевые, но и боковые поверхности обмоток, как бы закрывая их «броней». Такие магнитопроводы применяются для измерительных и радиотехнических трансформаторов.
Рис.1.1.2. Магнитопровод однофазного трансформатора с обмотками:
Я – ярмо; С – стержень; Ф – магнитный поток; 1,2 – обмотки.
Рис.1.1.3. Стержневой однофазный трансформатор (справа) и броневой однофазный трансформаторы (слева). 1,2 – обмотки.
Обмотки.В трансформаторе обмотка с высшим напряжением называется обмоткой высшего напряжения (ВН), с низшим – обмоткой низшего напряжения (НН). Также бывает обмотка среднего напряжения (СН).
Основным элементом всех обмоток трансформаторов является виток. В зависимости от тока нагрузки виток может быть выполнен одним проводом круглого или прямоугольного сечения, или, при достаточно больших токах, группой параллельных проводов круглого или, чаще, прямоугольного сечения. На рис.4.а-д. представлены различные варианты поперечных сечений одного витка обмотки при различных токах нагрузки. Эти варианты не являются исчерпывающими.
Рис.1.1.4. Формы сечения витка обмотки при различном числе
Параллельных проводов.
Ряд витков, намотанных на цилиндрической поверхности, называется слоем. В некоторых типах обмоток слой может состоять из нескольких десятков или сотен витков, в других – из нескольких витков или даже из одного витка.
Отдельные витки обмотки группируются в катушки. Катушкой называется группа последовательно соединенных витков обмотки, конструктивно объединенная и отделенная от других таких же групп или от других обмоток трансформатора. Обмотка стержня может состоять из одной, двух или многих катушек. Катушка может состоять из ряда слоев или только из одного слоя витков. Число витков в катушке может быть различным – как целым, так и дробным, однако должно быть больше единицы. На рис.1.1.5. представлены поперечные сечения нескольких различных типов катушек.
Рис.1.1.5. Различные типы катушек: а – катушка из шестнадцати витков;
б – катушка из шести витков; в – катушка из семи витков;
г – катушка из шести витков (четыре параллельных провода).
Во всех типах обмоток принято различать осевое и радиальное направления. Осевым считается направление, параллельное оси стержня трансформатора, на котором устанавливается данная обмотка. Радиальным считается направление любого радиуса окружности обмотки.
По направлению намотки подобно резьбе винта различают обмотки правые и левые (рис.1.1.6). Однослойные обмотки, имеющие в одном слое более одного витка (рис.1.1.6.а), остаются левыми или правыми в зависимости от того, как они намотаны, но независимо от того, какой конец – верхний или нижний – считается входным. В обмотках, состоящих из нескольких таких слоев, с переходами из слоя в слой (рис.1.1.6.б) направление намотки слоев будет чередоваться. Если первый (внутренний) слой левый, то все другие нечетные слои также будут левыми, а все четные – правыми. Для таких обмоток за начало при определении направления намотки обычно принимается начало первого (внутреннего) слоя и направление намотки всей обмотки считается по направлению намотки этого слоя.
Рис.1.1.6. Обмотки левой и правой намоток: а – цилиндрическая однослойная;
б – цилиндрическая многослойная; в – одинарные катушки катушечной обмотки;
г – двойные катушки катушечной обмотки.
Отдельные катушки, имеющие форму плоской спирали, будут условно считаться правыми или левыми в зависимости от того, какой конец – внутренний или наружный – считать входным, а также от того, с какой стороны на них смотреть. Нетрудно убедиться, что такая катушка «левой» намотки, изображенная на рис.6.в, станет «правой», если ее повернуть к наблюдателю другой стороной. Если по технологическим соображениям обмотка составляется из таких отдельно наматываемых одинаковых катушек, то одного указания «правая» или «левая» обмотка недостаточно. В этом случае во избежание ошибок указания по направлению обмотки лучше всего давать в виде эскиза. Обычно такие катушки применяются парами (двойная катушка). При этом входными и выходными являются наружные концы, а переход из катушки в катушку производится внутри катушек (рис.1.1.6.г) и направление намотки является определенным и независимым от точки наблюдения. Обмотка, составленная из любого числа последовательно соединенных двойных катушек одинаковой намотки, будет иметь то же направление намотки, что и отдельные двойные катушки. Это положение остается справедливым для непрерывных катушечных обмоток, где каждые две соседние катушки могут рассматриваться как одна двойная катушка, а также для многослойных цилиндрических катушечных обмоток, где входным обычно считают наружный слой катушки.
Обмотки масляных и сухих трансформаторов изготовляются из медных и алюминиевых обмоточных проводов, а также из медной и алюминиевой ленты или фольги. Медные и алюминиевые провода могут иметь эмалевую, хлопчатобумажную или бумажную изоляцию класса нагревостойкости А, а провода, предназначенные для обмоток сухих трансформаторов, могут также иметь изоляцию более высоких классов нагревостойкости из стекловолокна, кремнийорганического лака и т. д. Собственная изоляция провода обычно обеспечивает достаточную электрическую прочность изоляции между соседними витками.
Цилиндрические обмотки
Простой цилиндрической называется обмотка, сечение витка которой состоит из сечений одного или нескольких параллельных проводов, а витки и все их параллельные провода расположены в один ряд без интервалов на цилиндрической поверхности в ее осевом направлении.
Обмотка, состоящая из двух или большего числа концентрически расположенных простых цилиндрических обмоток (слоев), называется двухслойной или многослойной цилиндрической обмоткой (рис.1.1.7).
Рис.1.1.7. Цилиндрическая обмотка: а – простая из шести витков;
б – двухслойная из двенадцати витков.
Любая цилиндрическая обмотка может быть намотана из круглого или прямоугольного провода, однако обмотки с одним – тремя слоями для силовых трансформаторов в большинстве случаев выполняются из прямоугольного провода.
Намотка провода может производиться плашмя (рис.1.1.8.а) или на ребро (рис.1.1.8.б). В первом случае больший размер провода b располагается в осевом направлении, во втором — в радиальном. Намотка на ребро несколько труднее намотки плашмя, потому что привод пружинит и стремится повернуться вокруг оси так, как это показано на рис.1.1.8.в. Кроме того, при намотке на ребро увеличиваются добавочные потери в обмотке, поэтому рекомендуется избегать намотки на ребро.
Рис.1.1.8. Способы намотки: а – намотка плашмя; б – намотка на ребро;
в – неправильная намотка на ребро
При выполнении обмотки в два слоя витки обоих слоев соединяются, как правило, последовательно. При их параллельном соединении активные и реактивные сопротивления этих слоев различаются и токи нагрузки в них не будут одинаковыми, что вызовет увеличение потерь в обмотке. Такое соединение не приведет к увеличению потерь, если выполнить транспозицию витков между солями.
Цилиндрические обмотки из прямоугольного провода находят применение в качестве обмоток ВН и НН трансформаторов мощностью 80 000 кВА классов напряжения 10 и 35 кВ. Их широкое распространение определяется возможностью обеспечить более плотное заполнение окна магнитной системы и получить более технологичную конструкцию по сравнению с обмотками других типов.
Винтовые обмотки
Одноходовой винтовой обмоткой трансформатора называется обмотка, витки которой следуют один за другим в осевом направлении по винтовой линии, а сечение каждого витка образовано сечениями нескольких параллельных
проводов прямоугольного сечения, расположенными в один ряд в радиальном направлении обмотки (рис.1.1.9.а). Обычно витки обмотки разделяются радиальными масляными или воздушными охлаждающими каналами. В некоторых обмотках эти каналы могут быть сделаны через два витка. Винтовая одноходовая обмотка может быть намотана и без радиальных каналов с плотным прилеганием витка к витку.
Рис.1.1.9. Винтовая обмотка: а – одноходовая из шести витков;
б – двухходовая из четырех витков.
Обмотка, состоящая из двух (или более) одноходовых обмоток, взаимно расположенных подобно ходам резьбы двухходового (многоходового) винта, называется двухходовой (многоходовой) винтовой обмоткой. Сечение витка при этом образуется общим поперечным сечением проводов всех ходов. Эта обмотка также может быть выполнена с радиальными каналами между всеми витками и внутри витков между образующими их ходами, или с каналами только между витками и без каналов внутри витков, или совсем без радиальных каналов с плотным прилеганием всех ходов.
Винтовая обмотка выполняется только из прямоугольного провода. При этом все параллельные провода этой обмотки обязательно должны иметь равные не только площади, но и размеры поперечного сечения. При несоблюдении этого правила становится невозможным уравнивание сопротивлений параллельных проводов путем их перекладки в процессе намотки обмотки.
В ряде случаев, когда сечение витка по расчету получается весьма значительным, могут быть приняты две группы параллельных проводов и обмотка выполнена в виде двухходовой. На рис.1.1.9.б изображена двухходовая винтовая обмотка.
Обе группы проводов у начала и конца обмотки соединяются параллельно. В большинстве случаев в двухходовых обмотках радиальные каналы выполняются как между витками, так и внутри витка между группами проводов (рис.1.1.10.б). Иногда для экономии места по высоте обмотки радиальные каналы делаются только между витками и обе группы проводов в каждом витке наматываются вплотную с прокладкой между группами толщиной 0,5 – 1 мм (рис.1.1.10.в). Прокладка обеспечивает механическую устойчивость обмотки. Двух- и четырехходовая винтовая обмотка может быть также выполнена совсем без радиальных каналов и без прокладок в витках и между витками (рис.1.1.10.г).
Рис.1.1.10. Сечение витка винтовой обмотки: а – одноходовой; б – двухходовой с каналом между двумя группами проводов; в – двухходовой без канала внутри витка; г – двухходовой без радиальных каналов.
В винтовой обмотке параллельные провода наматываются на цилиндрических поверхностях с разными диаметрами. Вследствие этого активные сопротивления параллельных проводов получаются неравными. В трансформаторах с концентрическим расположением обмоток ВН и НН поле рассеяния направлено в осевом направлении обмоток. В радиальном направлении по ширине каждой из обмоток индукция поля рассеяния возрастает по прямой линии от внешнего края обмотки к каналу между обмотками ВН и НН Различное положение проводов в поле рассеяния обмотки приводит к неравенству реактивных, а следовательно, и полных сопротивлений параллельных проводов. Для выравнивания полных сопротивлений проводов во избежание неравномерного распределения тока в винтовой обмотке обязательно должна производиться транспозиция (перекладка) проводов.
Наличие масляных каналов между соседними витками обеспечивает высокую электрическую прочность винтовой обмотки, и она находит широкое применение как обмотка НН в трансформаторах с напряжением НН от 230 В до 35 кВ включительно. На стороне ВН винтовая обмотка совершенно не нашла применения ввиду неудобства выполнения ответвлений для регулирования напряжения.
Катушечные обмотки
Обмотка, состоящая из ряда последовательно соединенных катушек, намотанных в виде плоских спиралей из одного или более проводов прямоугольного сечения и расположенных в осевом направлении обмотки, с радиальными каналами между всеми или частью катушек называется катушечной обмоткой. Если катушечная обмотка наматывается непрерывным проводом или несколькими непрерывными параллельными проводами, она называется непрерывной катушечной обмоткой (рис.1.1.11). Катушечная обмотка, собранная из отдельно намотанных катушек, называется дисковой катушечной обмоткой.
| 
|
| Рис.1.1.11. Непрерывная катушечная обмотка. | Рис.1.1.12. Переход между катушками с транспозицией трех параллельных проводов. |
Непрерывная катушечная обмотка не имеет обрывов и паек провода. Все переходы из одной катушки в другую осуществляются кратчайшим путем по направлению внутренней или внешней образующей обмотки. Такая обмотка может быть намотана также из двух, трех, а иногда и более параллельных проводов. В этом случае во избежание излишнего увеличения радиального размера обмотки в месте перехода из катушки в катушку каждый из параллельных проводов переходит самостоятельно так, как изображено на рис.1.1.12. При таком переходе провода меняются местами: наружный провод катушки переходит внутрь, внутренний наружу и т. д. При этом одновременно осуществляется и транспозиция проводов, необходимая для уравнивания полных сопротивлений параллельных проводов. Необходимость транспозиции обусловливается тем, что параллельные провода наматываются на окружностях разных диаметров и находятся в различных зонах поля рассеяния.
Намотка непрерывной катушечной обмотки из прямоугольного провода имеет свои особенности. Для того чтобы вести обмотку не прерывая провода и делать переход провода из катушки в катушку то у внутреннего, то у внешнего края катушки, витки половины катушек (обычно нечетных) после намотки катушки перекладываются так, что внутренний виток оказывается наружным, а наружный внутренним. Остальные катушки (обычно четные) наматываются без перекладки. В механическом отношении непрерывная катушечная обмотка является одной из самых прочных обмоток, применяемых в трансформаторах. С увеличением мощности трансформатора и ростом осевой составляющей механических сил при коротком замыкании растут также радиальный размер катушек обмотки и ее механическая стойкость. Таким образом, условия механической прочности не ставят практически никаких пределов применению обмотки этого типа, и она может применяться на очень большом диапазоне мощности трансформаторов от 160 до 1 000 000 кВА. Обмотка этого типа с успехом применяется также и в широком диапазоне напряжений от 2 до 500 кВ и более.
Изоляция.Важным элементом конструкции является изоляция. Различают главную и продольную изоляцию.
Главной изоляцией называется изоляция 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.