Магнитопровод трансформатора изготовляют из специальной листовой электротехнической стали с толщиной листов 0,5 или 0,35 мм. При частотах выше 100 гц используют более тонкую сталь. Трансформаторная сталь должна иметь низкие потери, не возрастающие с течением времени (старение стали). Этим требованиям отвечает электротехническая сталь с присадкой кремния от 0,5 до 4,5% (легированная), по способу обработки —- горячекатаная. С увеличением содержания кремния возрастает хрупкость стали. Вместе с тем присадка кремния придает пластичность материалу, полностью устраняет старение стали, снижает потери на гистерезис и вихревые токи, повышает магнитную проницаемость в слабых магнитных полях. С увеличением содержания кремния удельное электрическое сопротивление листовой электротехнической стали возрастает.
Присутствие углерода в стальной полосе увеличивает потери энергии, снижает марку стали. Содержание углерода в листовой электротехнической стали должно быть порядка сотых долей процента. Для уменьшения потерь нужна изоляция между слоями листовой электротехнической стали. Изоляционный слой должен обладать необходимой механической прочностью, химическая стойкость изоляционного слоя при воздействии влаги, охлаждающей среды и нагрева должна быть достаточной. Листы электротехнической стали изолируют специальной тонкой бумагой (редко), оксидированием, специальными лаками, жидким стеклом, окисью хрома. Толщина лаковой пленки бывает от 6 до 8 мкм, изоляционной бумаги — 13—20 мкм. Толщина слоя изоляции влияет на коэффициент теплопроводности через сталь и изоляцию листовой стали, ухудшая отвод тепла.
В таблице 1 приведены значения удельных потерь р (потерь в одном килограмме металла) наиболее распространенных марок электротехнической стали (ГОСТ 802—58). В индексе буквы р числитель означает индукцию В в тесла, а знаменатель — частоту f перемагничивания в герцах, при которых даны эти потери. Буква Э означает — сталь электротехническая; первая за буквой цифра означает степень легированности стали кремнием; 1— слаболегированная, 2 — среднелегированная; 3 — повышеннолегированная, 4 — высоколегированная. Вторая цифра характеризует качество стали в отношении удельных потерь: 1 — потери нормальные, 2 — пониженные, 3 — низкие.
Потери на вихревые токи зависят от квадрата индукции, а потери на гистерезис — от индукции в степени, близкой к двум. Поэтому обобщенно потери в стали с достаточной для практических целей точностью можно считать зависящими от квадрата индукции.
В зависимости от частоты потери на вихревые токи изменяются пропорционально ее квадрату, а потери на гистерезис — пропорционально ее первой степени.
Удельные потери в электротехнической стали (сталь горячекатаная)
Марка стал в | Толщина листа, мм | Удельные потери, вт/кг | Марка | Толщина листа, мм | Удельные потери, вт/кг | ||
Р1,0/50 | Р1,5/50* | Р 1.0/50 | Р1,5/50 | ||||
Э11 | 0,50 | 3,3 | 7,7 | Э32 | 0,50 | 1,80 | 3 9 |
Э12 | 0,50 | 3,2 | 7,5 | Э41 | 0,50 | 1,55 | 3,5 |
Э13 | 0,50 | 2,8 | 6,5 | Э41 | 0,35 | 1,35 | 3,0 |
Э21 | 0,50 | 2,5 | 6,1 | Э42 | 0,50 | 1,40 | 3,1 |
Э22 | 0,50 | 2,2 | 5,3 | Э42 | 0,35 | 1,20 | 218 |
Э31 | 0,50 | 2,0 | 4,4 | Э43 | 0,50 | 1,25 | 2,9 |
Э31 | 0,35 | 1,6 | 3,6 | Э43 | 0,35 | 1,05 | 2,5 |
При частоте 50 гц и толщине листов 0,35—0,5 мм потери на гистерезис превышают потери на вихревые токи в несколько раз; вследствие этого зависимость потерь в стали от частоты ближе к первой степени. Поэтому удельные потери для значений В и f, отличных от указанных в таблице 1, можно вычислять по следующим формулам:
где значение В подставляется в теслах (тл).
Прогресс в конструировании трансформаторов связан с применением новых материалов. В этой связи большое значение имеет использование для магнитопровода холоднокатаной текстурованной стали вместо горячекатаной. Холоднокатаная сталь с 3-процентным содержанием кремния впервые получена в 1932 г. К настоящему времени удается довести число граней куба кристаллов, ориентированных вдоль прокатки, до 95%; магнитные свойства такой стали при намагничивании вдоль направления прокатки значительно выше, чем у обычной горячекатаной стали. В таблице 2 третья за буквой цифра 0 указывает на способ обработки стали — холоднокатаная текстурованная. В поперечном к прокату направлении магнитные свойства холоднокатаной стали значительно хуже, другими словами, эта сталь обладает резкой анизотропией, поэтому ее используют главным образом при изготовлении трансформаторов.
Применение в трансформаторах холоднокатаной стали направленной структуры позволяет либо уменьшить потери при сохранении прежних размеров и индукции, либо повысить индукцию и обеспечить экономию стали и меди.
ТАБЛИЦА 2
Удельные потери в холоднокатаной электротехнической стали
Основными частями магнитопровода трансформатора, называемого также сердечником, являются стержни и ярма. Стержни — это часть сердечника, на которой размещены обмотки, ярма — часть сердечника, не охваченная обмотками, но необходимая для того, чтобы на всех участках магнитопровода магнитная цепь была замкнутой (рис. 11). Форму сечения стержня определяют, исходя из следующих соображений. На стержне, как правило, размещают катушки обмоток круглой формы. Если для максимального заполнения сталью сечения внутри катушки форму сечения стержня принять также круглой, то, поскольку стержень набирают из отдельных листов, все листы должны были бы быть разных размеров, что практически неприемлемо. Поэтому принята ступенчатая форма сечения стержня — многоугольник, вписанный в окружность (рис. 13). Число ступеней растет с увеличением диаметра окружности и в мощных трансформаторах доходит до 10.
Рис. 13. Форма сечения стержней.
Рис. 14. Форма сечения ярем трансформатора.
Размеры ступени по высоте и ширине при принятом числе ступеней определяются решением геометрической задачи о максимальной площади многоугольника, вписанного в заданную окружность. Коэффициент заполнения сталью сечения внутри обмоток получается достаточно большим, составляя 0,786 при двух и 0,92 при девяти ступенях.
В трансформаторах средней и выше мощности в сечении стержня для улучшения охлаждения предусматриваются каналы, как бы разбивающие стержень на отдельные пакеты, омываемые циркулирующим маслом или воздухом.
Рис. 15. Остов трехфазного трансформатора.
Ярма трансформатора также набирают из отдельных листов. Для упрощения технологии изготовления ярма выбирают сечение в форме прямоугольника (в трансформаторах сравнительно малой мощности) или простой фигуры с небольшим числом ступеней (рис. 14). Для того чтобы в ярме распределение потока по сечению было таким же, как и в стержне, отношение площади сечения отдельной ступени ярма к площади сечения перекрываемой части стержня должно быть одинаковым для всех ступеней ярма. В противном случае поток при выходе из стержня в ярмо (или наоборот) будет соответственно перераспределяться, при этом силовые линии, вынужденные изменить свое направление, пойдут перпендикулярно плоскости пластин ярма, что приведет к возрастанию потерь от вихревых токов.
Рис. 16. Листы сердечника трехфазного трансформатора при сборке внахлестку.
При сборке стержней и ярем в единую конструкцию (сердечник) их соединяют встык или внахлестку (шихтовка).
При сборке встык стержни и ярма, собранные отдельно, соединяют при помощи крепежных частей, например накладок, стягиваемых болтами, вертикальными шпильками (рис. 15).
Рис. 18. Трансформатор с намотанным сердечником:
1 — обмотка; 2 — сердечник; 3 — изоляция между обмотками.
Рис. 17. Стяжка стальных листов стержня:
1 — изоляционный цилиндр: 2 — деревянная планка; 3 — деревянный стержень.
При сборке внахлестку стержни и ярма собирают из пластин, укладываемых в переплет (шихтовка) с чередованием двух видов слоев (рис. 16). После сборки сердечника листы верхнего ярма вынимают, на стержнях размещают обмотки и ярмо снова зашихтовывают.
Трансформаторы со стыковыми магнитопроводами гудят сильнее шихтованных из-за неравномерности зазоров между стержнями и ярма ми, и ток холостого хода в них больше (при индукциях в сердечнике порядка 1,4 тл относительная магнитная проницаемость стали — 600—800, поэтому каждый миллиметр стыкового зазора равноценен приблизительно 600—800 мм стальной части магнитной цепи сердечника).
При шихтовке любое место стыка в одном слое перекрывается с обеих сторон пластинами соседних слоев. Поэтому магнитное сопротивление в месте стыка заметно снижается. При этом способе сборки получается большая механическая прочность сердечника. Благодаря этим преимуществам, а также меньшему весу крепежных частей и отсутствию необходимости в прессовом оборудовании шихтовка стала практически единственным способом сборки сердечника силовых трансформаторов всех мощностей, несмотря на то, что это более длительный процесс сборки и при ремонте приходится расшихтовывать верхнее ярмо.
Стержни и ярма скрепляют шпильками, которые изолируют от листов трубками из бакелизированной бумаги или леатероидом (рис. 17,а).
Стянутые шпильками стержни применяют в трансформаторах мощностью от 2400 кВА (—1000 кВА на стержень). В трансформаторах малой и средней мощности стержни прессуют насадкой обмоток, применяя при этом деревянные планки, забиваемые между ступенями стержня и изоляционным цилиндром (рис. 17,6).
Применение холоднокатаной стали — одно из условий повышения технического уровня трансформаторостроения. Отечественными заводами освоено изготовление холоднокатаной электротехнической стали различных марок (Э310 и др.), и ее применение, в первую очередь для трансформаторов, все более расширяется. Из нее также выполняют однофазные трансформаторы (до 50 кВА) с магнитопроводом, намотанным из ленточной (рулонной) стали (рис. 18).
