Конструирование трансформаторов
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА. УВЯЗКА КОНСТРУКТИВНОЙ РАЗРАБОТКИ С РАСЧЕТОМ И ТЕХНОЛОГИЕЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
Проектирование силовых трансформаторов включает в себя широкий круг технических вопросов. Разработка конструкции трансформатора должна производиться на основе выполненного его электромагнитного, теплового и механического расчетов, обеспечивающих заданные основные электрические и эксплуатационные' параметры. При конструировании должна быть обеспечена необходимая электрическая прочность изоляции, механическая прочность узлов, динамическая и тепловая стойкость обмоток при коротком замыкании. Конструкция трансформатора в целом должна обеспечивать его эксплуатационную надежность. При разработке конструкции частей и узлов трансформаторов следует стремиться к возможно меньшему расходу материалов и меньшей трудоемкости их изготовления, с тем чтобы снизить стоимость трансформатора до минимума.
Для этого конструктор должен быть хорошо осведомлен о данных трудоемкости изготовления деталей и узлов, с ценами на основные, применяемые в трансформаторах, материалы.
Конструкция трансформатора тесно связана с технологическим процессом производства трансформаторов. При создании новых конструкций необходимо тщательно прорабатывать вопрос о необходимом технологическом оснащении, при этом часто требуется совместная работа конструкторов и технологов. Приемлемость тех или иных конструктивных и технологических решений в отдельных случаях приходится проверять на опытных образцах.
Во многих случаях для наиболее правильного в технологическом отношении решения задачи конструктору необходимо изучать опыт передовиков производства, советоваться с цеховыми рационализаторами.
Совершенствование существующих и создание новых конструкций тесно связано с вопросами теории расчета трансформаторов, техникой высоких напряжений, электроматериаловедением, с изучением и внедрением в конструкции результатов выполненных научно-исследовательских работ и с выяснением новых тем теоретических и экспериментальных разработок, необходимых для дальнейшего развития конструкций. Особо должно быть обращено внимание на знакомство и повседневное изучение зарубежной техники — проспектов, патентов и т. п., чтобы использовать все лучшее, что имеется в этой области, и не изобретать уже изобретенное.
Немаловажную роль для создания совершенной конструкции играет изучение опыта эксплуатации трансформатора, тщательное рассмотрение поступающих на завод актов и рекламаций. Наилучшее заключение о пригодности какого-либо узла или конструкции в целом — производственная проверка и отзыв от эксплуатирующих организаций.
Все указанное ранее относится главным образом к заводскому проектированию, при котором разрабатывается как отдельный тип трансформатора, так и серия трансформаторов, включающая в себя ряд типов разной номинальной мощности. Рассмотрение всех этих вопросов не входит в задачу данной книги.
Учебное проектирование трансформатора преследует более узкую цель. Оно включает конструктивную разработку наиболее важных его частей, определенных объемом курсового проекта, согласно учебной программе. Объем курсового проекта уточняется ведущим преподавателем, который руководит проектом и определяет последовательность работы.
При дипломном проектировании содержание конструктивной разработки зависит от темы проекта. Порядок работы, объем и последовательность конструирования устанавливает консультант-руководитель дипломанта.
КОНСТРУКЦИЯ МАГНИТОПРОВОДА. РАЗРАБОТКА ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ СТЕРЖНЕЙ И ЯРМ. РАСКРОЙ СТАЛИ. СТЯЖКА ПЛАСТИН МАГНИТОПРОВОДА. МАГНИТОПРОВОДЫ ИЗ ХОЛОДНОКАТАНОЙ СТАЛИ. БЕСШПИЛЕЧНАЯ ПРЕССОВКА.
Основные сведения о типах и принципиальном устройстве магнитопроводов изложены в гл. XI.
В конструктивном отношении под магнитопроводом правильнее подразумевать остов трансформатора, представляющий собой собственно магнитопровод с прессущими балками и прочими деталями крепления. Остов трансформатора должен обладать механической прочностью и устойчивостью. Эти свойства важны потому, что остов трансформатора, кроме своего основного назначения — служить магнитной цепью для прохождения главного магнитного потока, одновременно является механической основой трансформатора. На остове укрепляются обмотки, отводы, а также (у большинства конструкций трансформаторов габаритов I, II, III) крышка бака с вводами, переключателями и прочей арматурой.
Разработка конструкции магнитопровода обычно начинается с разработки сечения стержня по заданному его диаметру.
В заводской практике значения диаметров нормализованы и могут быть выбраны по шкале, приведенной в табл. 14.1. Для учебных расчетов, разумеется, могут быть выбраны любые промежуточные значения диаметров (кратные 5).
Ступенчатая, близкая к круглой, форма сечения стержня вызвана круглой цилиндрической формой обмоток, насаживаемых на стержень. При круглой форме обмоток получается наименьшая средняя длина витка (на 12% короче, чем при квадратной), что дает минимальный расход обмоточного провода. Кроме того, круглые катушки более прочны механически и менее трудоемки в изготовлении.
Для наибольшего заполнения сталью площади круга число ступеней желательно брать возможно большим. Однако увеличение числа ступеней усложняет конструкцию и изготовление магнитопровода, так как увеличивается количество позиций пластин. Поэтому на практике число ступеней ограничивается некоторой оптимальной величиной в зависимости от значения диаметра согласно табл. 14.1.
Таблица 14.1
| Диаметр стержня D, мм | Число ступеней | Число каналов | Диаметр стержня D, мм | Число ступеней | Число каналов |
| — | _ | ||||
| — | |||||
| — | |||||
| ПО | — | ||||
| — | |||||
| — | |||||
| — | |||||
| — | |||||
| — | |||||
| — | |||||
| — | |||||
| — | |||||
| — | |||||
| — | |||||
| — |
Но при одном и том же числе ступеней наибольшая теоретическая площадь сечения ступенчатой фигуры получается лишь при определенных соотношениях между шириной пластин (пакетов) и диаметром. Эти соотношения для числа ступеней от 1 до 6 приведены на рис. 14.1.
Однако практически приходится отступать от найденных теоретических значений размеров пластин по следующим причинам:
1. Во избежание чрезмерно большого ассортимента размеров пластин по их ширине в производстве и с целью иметь наименьшие отходы электротехнической стали при ее раскрое из стандартных листов или полос размеры пластин по их ширине нормализованы, и сечение стержня может быть составлено только из пластин нормализованной ширины.
При раскрое пластин из листа шириной 750 мм ширина пластин может быть взята по следующей шкале: 43, 48, 52, 56, 61, 66, 73, 81, 91, 105, 114, 122, 135, 147, 164, 175, 184, 195, 205, 215,235,245,260, 280, 295, 310, 340, 350, 368, 420 мм.
При раскрое пластин из рулонной стали шкала для выбора ширин пластин имеет следующие размеры: 40, 55, 65, 75, 85, 95, 105, 120, 135, 155, 175, 195, 215, 230, 250, 270, 295, 310, 325, 350, 368, 385, 410, 425, 440, 465, 485, 520, 540, 580, 600, 615, 630, 650, 670, 695, 715, 735 мм.
2. Для диаметров свыше 250 мм должна осуществляться прессовка стержней. В тех случаях, когда прессовка осуществляется шпильками
Рис. 14.1. Сечения стержней многоступенчатой формы. Размеры ступеней стержня для получения максимального заполнения площади круга D =1,0
(см. далее), пропущенными через отверстия, проштампованные в пластинах, для размещения в пределах описанной окружности прессующих гаек и шайб, необходимо иметь место, определяемое высотой е сегмента (рис. 14.2). Минимальная высота сегмента выбирается в зависимости от диаметра стержня:
| Диаметр стержня D, мм | 250—350 | 350—450 | 450—500 | 500—550 | 550—650 | 650—750 |
| Высота сегмента е, мм |
3. Для диаметров свыше 400 мм необходимо учитывать волнистость и коробоватость пластин. Для этого несколько уменьшают толщину средних пакетов, чтобы их углы немного не доходили до окружности. Сечение стержня вписывают в окружность большего радиуса с соответствующим смещением ее центра.
Форма сечения ярма теоретически должна соответствовать форме сечения стержня. Но этого придерживаются только для магнитопроводов трансформаторов больших мощностей, где правильное (вдоль пластин стержней и ярм) направление главного магнитного потока имеет большое значение. Несоблюдение этого условия вызовет увеличение потерь и намагничивающей мощности в углах магнитопровода.
Рис. 4.2. Определение минимальной высоты е сегмента при прессовке стержня стяжными шпильками:
1 — трубка бумажно-бакелитовая; 2 — шайба стальная; 3 — шайба изоляционная
Для трансформаторов малой и средней мощности с целью упрощения конструкции ярма (поскольку его вписывать в окружность не требуется) сечения ярм делают либо прямоугольными, либо двухступенчатыми (Г-образными). При этом в углах магнитопровода происходит перераспределение магнитных потоков по пакетам, так как нарушается соотношение сечений соответствующих пакетов стержня и ярма и повышается индукция в среднем (большом) пакете ярма. В углах магнитный поток частично проходит поперек пластин, вызывая дополнительные потери от вихревых токов.
Во избежание увеличения потерь холостого хода по этой причине активное сечение ярма берут на 5—10% больше активного сечения стержня, т. е. делают так называемое усиление ярма. При этом индукция в среднем пакете ярма не превышает индукцию в стержне.
Применение Т-образного сечения ярма бывает также необходимо по конструктивным соображениям для облегчения вывода концов внутренней обмотки, особенно при их больших сечениях.
Как было сказано ранее, пластины магнитопровода должны быть плотно сжаты (стянуты) между собой. Стяжка магнитопровода должна обеспечить:
а)необходимую механическую прочность остова для придания общей жесткости конструкции всего трансформатора в целом;
б)уплотнение и выравнивание волнистости и коробоватости пластин и пакетов;
в.) соблюдение размеров пакетов стержня и ярма по чертежу;
г) устранение (или максимальное уменьшение) вибрации и гудения магнитопровода при работе трансформатора.
В разработанных до настоящего времени конструкциях силовых трансформаторов стяжка магнитопроводов осуществляется при помощи шпилек, пропущенных через отверстия, проштампованные в пластинах. Эти шпильки во избежание замыкания ими пластин должны быть надлежащим образом изолированы. Изоляция шпилек осуществляется при помощи бакелитовых трубок, а по концам шпилек — одетыми на них изоляционными шайбами. Сверху последних одеваются
Рис.14.3. Трехфазный магнитопровод со стержнями, стянутыми стальными бандажами
стальные шайбы или накладки, прижимаемые гайками. Изоляция шпилек магнитопровода проверяется приложенным напряжением 1000-2000 в.
Рис. 14.4. Различные способы прессовки ярма ярмовыми балками: а— внешними балками; б—стальными полубандажами; в—сквозными шпильками
Стяжка стержней диаметром до 250 мм производится деревянными клиньями (горбылями), забиваемыми между обмоткой и стержнем.
Для стержней большего диаметра и для прессовки ярм применяются шпильки. Сечение шпилек рассчитывается таким образом, чтобы при нормальной затяжке гаек было обеспечено давление 3—4 кГ/см2 на площадь наиболее широкой пластины. Прессующие гайки и шайбы, надеваемые на шпильки, стягивающие стержень, не должны выступать за окружность, описанную вокруг сечения стержня (см. пояснение к рис. 14.2).
Стяжка магнитопроводов шпильками имеет существенные недостатки, заключающиеся в том, что, во-первых, отверстия в пластинах уменьшают активное сечение стержня и ярма, из-за чего происходит местное увеличение индукции, что в свою очередь увеличивает потери и ток холостого хода, и, во-вторых, операции по штамповке отверстий увеличивают трудоемкость изготовления пластин.
В связи с этим зарубежные фирмы и отечественные заводы переходят на так называемую бесшпилечную прессовку. Стержни магнито-провода стягиваются металлическими бандажами или бандажами из стекловолокна или стеклоленты, а ярма — стальными хомутами. На рис. 14.3 показан магнитопровод, стянутый стальными бандажами, а на рис. 14.4 — различные способы прессовки ярма.