Основные принципиальные и конструктивные типы выполнения трансформаторов
Наибольшее значение имеют следующие типы трансформаторов:
- силовые — для передачи и распределения электроэнергии;
- автотрансформаторы — для преобразования напряжений в относительно ограниченных пределах, для связи энергосистем различных напряжений, для пуска в ход двигателей переменного тока и т. д.;
- для питания установок со статическими преобразователями (ртутными выпрямителями, игнитронами, полупроводниковыми вентилями и т. п.) при преобразовании переменного тока в постоянный (выпрямлении) и обратном преобразовании постоянного тока в переменный (инвертировании);
- испытательные — для производства испытаний под высоким и сверхвысоким напряжением;
- силовые специального назначения: печные, сварочные и т. д.;
- Измерительные — для измерения тока и напряжения при включении в схемы измерительных приборов;
- радиотрансформаторы, применяемые в радиотехнике, и т. д.
Таким образом, область применения трансформаторов чрезвычайно широка. Но во всех случаях основные процессы, определяющие работу трансформатора, а равно приемы изучения происходящих в трансформаторе явлений по существу одни и те же. Поэтому, говоря о трансформаторе, мы будем в дальнейшем иметь в виду его основной тип, а именно одно- и трехфазный двухобмоточный силовой трансформатор. Описание трехобмоточных трансформаторов и других типов трансформаторов специального назначения см. в гл. 23.
Применяемые на практике устройства и конструктивные выполнения различных типов трансформаторов достаточно разнообразны в зависимости от их основных параметров и назначения. Мощности трансформаторов в настоящее время колеблется от нескольких вольт-ампер до 600 Мв-а в одной единице и выше, напряжения — от долей вольта до 1 Мв и выше в одной единице (для высоковольтных испытательных трансформаторов).
Хотя трансформаторы в зависимости от назначения весьма сильно различаются по своей конструкции (например, обычные силовые трансформаторы н измерительные трансформаторы тока и напряжения, высоковольтные испытательные и печные трансформаторы на большие токи и т. д.), однако все типы и конструкции трансформаторов можно представить в виде некоторой разновидности одного исходного типа, получающейся путем изменения формы и взаимного расположения основных элементов трансформатора — его обмоток и сердечника из листовой стали.
Однофазные трансформаторы.
Из рассмотрения принципа действия трансформатора нетрудно усмотреть, что сочетание первичной и вторичной обмоток 1 и 2 и сердечника 3 трансформатора, являющихся его активной частью, образует как бы два сцепленных звена некоторой электромагнитной системы, где тело обмоток 1 и 2 составляет одно звено, а тело сердечника 3 — другое.
Условия работы трансформатора принципиально не изменятся, если, например, разделить плоскостью А—А (рис. 12-2, а) тело обмоток 1 и 2 на две равные части и, оставляя их по-прежнему в сцеплении с сердечником 3, передвинуть одну из частей по кольцу сердечника в положение, показанное на рис. 12-2, б; в результате получается симметричная трехзвенная цепь с одним магнитным звеном и двумя электрическими. Подобным же образом, если тело сердечника 3 разделить плоскостью В—В на две равные части (рис. 12-2, а) и, оставляя их в сцеплении с обмотками, передвинуть одну из частей по обмотке в положение, представленное на рис. 12-2, в. то получится также трехзвенная цепь, но теперь с одним электрическим звеном и двумя магнитными. Путем дальнейшего разделения каждого получившегося магнитного сердечника (рис. 12-2, а) еще на две части можно превратить этот тип в пятизвенный, представленный на рис. 12-2, г, с более равномерно распределенными четырьмя магнитными звеньями вокруг одного центрального электрического звена. С другой стороны, можно, оставив расположение двух звеньев обмоток, как на рис. 12-2, б, разделить тело магнитного сердечника на три части, собрав трансформатор в пятизвенную цепь с двумя электрическими звеньями и тремя магнитными, по рис. 12-2, д. Возможны также и другие формы выполнения однофазных трансформаторов, с иным взаимным расположением звеньев обмоток и магнитных сердечников.
Рис. 12-2. Основные принципиальные типы выполнения трансформаторов
На рис. 12-2, а—д показаны лишь принципиально возможные формы выполнения активной части трансформатора; на практике же, например, круглые сердечники используются только у измерительных трансформаторов тока и у броневых трансформаторов с ленточными сердечниками, намотанными по типу, изображенному на рис. 12-2, в, и применяемыми для распределительных трансформаторов малой мощности по рис. 23-21. Поскольку у большинства трансформаторов для облегчения сборки сердечники выполняются из отдельных листов стали (см. ниже), то, естественно, что листы сердечников, а вместе с тем и сами трансформаторы получают не круглую, а прямоугольную форму, изображенную на рис. 12-3 и 12-4, соответственно принципиальным формам сцепленных звеньев по рис. 12-2, а и б. Трансформаторы на рис. 12-3 и 12-4, соответствующие принципиальным формам сцепления звеньев по типу рис. 12-2, а и б, именуются стержневыми или стержневого типа, причем те части сердечника, на которых размещены обмотки, называются стержнями, а те части, которые соединяют между собой стержни и служат для замыкания магнитной цепи, называются ярмами; пространства между стержнями и ярмами, через которые проходят обмотки, называются окнами сердечника.
Трансформаторы на рис. 12-5 и 12-6 именуются броневыми (или броневого типа), поскольку обмотки, как это видно на рисунках, в значительной своей части закрыты, или «забронированы», внутри стального сердечника. На рис. 12-3 — 12-6 обозначения деталей трансформатора следующие: 1 — обмотка высшего напряжения; 2 — обмотка низшего напряжения; 3 — стержень; 4 — ярмо. Обмотки высшего и низшего напряжения 1 и 2 могут быть выполнены или в виде отдельных цилиндров (рис. 12-3, а, 12-4, а, 12-5, а, 12-6), или в виде чередующихся колец обмоток высшего и низшего напряжения (рис. 12-3,б, 12-4,б и 12-5, б).
Трехфазные трансформаторы.
Конструктивное оформление трехфазных трансформаторов является аналогичным конструкции однофазных трансформаторов с тем отличием, что они должны иметь уже три отдельные фазовые обмотки высшего и низшего напряжения А, В и С (рис. 12-2, е, ж, з). Трехфазный стержневой трансформатор имеет принципиальную форму сцепления обмоточных и магнитных звеньев, показанную на рис. 12-2, е, представляющую собой дальнейшее развитие трехзвенного сцепления двух магнитных звеньев и одного обмоточного по рис. 12-2, в. В этом случае одно обмоточное звено расщепляется на три отдельных обмоточных звена для всех трех фаз, что дает пятизвенное сцепление трех звеньев обмоток и двух магнитных звеньев.
Рис. 12-3. Однофазный стержневой трансформатор с обмотками на одном стержне: а — с концентрическими обмотками; б — с чередующимися обмотками
Рис. 12-4 Однофазный стержневой трансформатор: а — с концентрическими обмотками; б — с чередующимися обмотками
Рис. 12-6. Однофазный броневой трансформатор с четырьмя симметричными ярмами и концентрическими обмотками
Рис. 12-5. Однофазный броневой трансформатор: а — с концентрическими обмотками; б — с чередующимися обмотками
Рис. 12-7. Трехфазный трехстержневой трансформатор с концентрическими обмотками
Если расщепить, далее, каждое магнитное звено на два самостоятельных по рис. 12-2, ж, то получится броневой трехфазный трансформатор, имеющий семизвенное сцепление, состоящее из трех звеньев обмоток и четырех магнитных звеньев. Подобным же образом пятизвенный однофазный трансформатор (рис. 12-2, д) при добавлении одного звена обмотки и одного магнитного звена превращается в принципиальную семизвенную систему (рис. 12-2, з), состоящую из трех звеньев обмоток и четырех магнитных звеньев. Нетрудно усмотреть, что по существу семизвенная система броневого трансформатора, (рис. 12-2, з) является с принципиальной точки зрения совершенно аналогичной семизвенной системе пятистержневого трехфазного трансформатора, изображенного на рис. 12-2, ж.
Конструктивное выполнение трехфазного трехстержневого трансформатора с цилиндрическими обмотками, представленное на рис. 12-7, соответствует принципиальному осуществлению по пятизвенной схеме рис. 12-2, е.
Конструктивное выполнение трехфазного пятистержневого трансформатора с цилиндрическими обмотками, показанное на рис. 12-8, соответствует принципиальному осуществлению по семизвенной схеме рис. 12-2, ж.
Конструктивное выполнение трехфазного броневого трансформатора с чередующимися кольцевыми обмотками дано на рис. 12-9; оно соответствует принципиальному осуществлению по девятизвенной схеме рис. 12-2, и, но так как шесть магнитных систем в этом случае могут осуществляться в виде одной общей магнитной системы, то конструктивно эта система выполняется в виде четырехзвенной системы из трех обмоточных систем и одной общей магнитной системы.
Обмотки трех фаз стержневого трехфазного трансформатора расположены на трех стержнях его сердечника, соединяемых ярмами и лежащих в одной плоскости (см. рис. 12-7), вследствие чего такой сердечник и такой трансформатор являются не вполне симметричными. Несимметрия заключается в том, что, например, фазы обмоток А и В расположены различно относительно третьей фазы С. Как будет видно ниже, в магнитном отношении трехфазный стержневой трансформатор типа, изображенного на рис. 12-7, уже нельзя рассматривать как комбинацию из трех однофазных трансформаторов. Напротив, трехфазные трансформаторы броневого типа (см. рис. 12-9) в действительности представляют собой сочетание трех однофазных трансформаторов, из которых каждый имеет как бы свою независимую магнитную цепь.
Рис. 12-9. Трехфазный броневой трансформатор с чередующимися обмотками
Рис. 12-8. Трехфазный пятистержневой трансформатор с концентрическими обмотками
Вышеупомянутый принцип принудительного распределения магнитного потока может быть применен и для трехфазных трансформаторов, каковыми, например, являются пятистержневые трансформаторы на рис. 12-8. В этом случае обмотки трех фаз А, В и С расположены на трех средних стержнях, и боковые стержни (деталь 5) приблизительно половинного сечения служат, собственно говоря, дополнительными ярмами. Эта конструкция применяется главным образом в особо мощных трансформаторах весьма высоких напряжений с целью снижения высоты трансформатора приблизительно на высоту одного ярма, что является особо важным для возможности вписывания трансформатора в перевозочный габарит железных дорог.
Три однофазных трехзвенных трансформатора с тремя обмотками и шестью магнитными системами составляют систему трехфазного девятизвенного броневого трансформатора, в котором, однако, шесть магнитных систем могут быть, как было сказано выше, конструктивно объединены в одну общую магнитную систему.
Три однофазных трехзвенных трансформатора с шестью обмотками и тремя магнитными системами по рис. 12-2,б составляют также девятизвенную систему стержневых трансформаторов, но они не могут быть объединены в одну общую магнитную систему.
Из рассмотренных принципиальных многозвенных систем для стержневых трансформаторов употребительными являются системы» изображенные на рис. 12-2, a, б, д и е, а для броневых трансформаторов — системы на рис. 12-2, в, г, ж и и.
Рис. 12-10. Трехфазный трансформатор фирмы «Броун—Боверн» с симметричной магнитной системой и эвольвентными стержнями: а — активная (выемная) часть; б — магнитная система; в — эвольвентный стержень; г — ярмо
Известным преимуществом броневого трансформатора является его более короткая магнитная цепь, что позволяет иметь меньший относительный ток холостого хода, и большая простота его обмоток из-за меньшего числа витков, так как сечение сердечника у броневых трансформаторов можно выбирать большим, чем у стержневых. Недостатком этого типа является меньшая доступность обмоток для охлаждения, большая трудность осмотра и ремонта, а также большая затрата изоляционных материалов при высоких напряжениях по сравнению с трансформаторами стержневого типа. Напротив, для получения больших токов низкого напряжения трансформаторы броневого типа являются более пригодными, в особенности однофазные печные трансформаторы, которые для этой цели применяются и в СССР.
Нужно отметить, что первые системы трехфазных стержневых трансформаторов, предложенные и разработанные их изобретателем М. О. Доливо-Добровольским, имели стержни, расположенные равномерно в трех плоскостях по окружности ярма. Вследствие этого такие трансформаторы были вполне симметричными в магнитном отношении. Так как конструкции и производство этих трансформаторов достаточно сложные, они были заменены несимметричными трансформаторами со стержнями, расположенными водной плоскости (см. рис. 12-7). Однако в последнее время швейцарская фирма «Броун—Бовери», применявшая для однофазных броневых трансформаторов конструкцию типа рис. 12-6, для стержневых трехфазных трансформаторов возвратилась в первоначальной конструкции с симметричной магнитной цепью по системе М. О. Доливо-Добровольского (по рис. 12-10), хотя расположение листов электротехнической стали в стержне получается в них несколько более сложным, так как требует эвольвентной формы загиба листов электротехнической стали. Сравнивая трехфазный трансформатор с группой из трех однофазных трансформаторов на то же номинальное напряжение, можно показать, что трехфазный трансформатор получается заметно выгоднее трех однофазных на ту же общую мощность как по массе (на 20—30%) и соответственно по цене, так и по величине к.п.д.
В США однофазные трансформаторы находят широкое применение как для трехфазных линий передачи, так и в распределительных сетях, причем броневой тип достаточно распространен.
