Предварительное определение конструктивных и энергетических показателей трансформаторов

Для возможности определения расчетных конструктивных показателей трансформаторов необходимо на основе анализа задания на проектирование прежде всего конкретизировать технические решения по конструкции основных сборочных узлов трансформатора – магнитной системы и обмоток, т.е. определить или выбрать конструктивное исполнение трансформатора.

В современном трансформаторостроении применяются различные виды конструктивных исполнений магнитных систем и обмоток [2, 7].

Современные распределительные трансформаторы выпускаются в основном в трехфазном исполнении. Магнитные системы (МС) таких трансформаторов могут быть выполнены либо планарными (когда все стержни располагаются вдоль одной плоскости) либо пространственными (стержни располагаются в разных плоскостях, обычно углах равностороннего треугольника). На рис.2.1 и 2.2 показаны основные виды планарных и пространственных МС распределительных трансформаторов. И планарная и пространственные МС могут иметь различные формы поперечного сечения стержней и ярм (круглую, ступенчатую, овальную, прямоугольную и т.д.), что обусловлено технологическими факторами и свойствами используемой электротехнической стали (рис.2.3).

Одним из наиболее технологичных и экономичных конструктивных исполнений современных силовых трансформаторов является конструктивное исполнение с шихтованной планарной стержневой МС (рис.2.1.а) и цилиндрическими слоевыми обмотками из провода с прямоугольной или круглой формой поперечного сечения (рис 2.2.а, б).

Форма поперечного сечения МС ступенчатая, вписанная в окружность с диаметром D. Поскольку при такой форме поперечного сечения магнитной системы несколько снижается расход обмоточного провода, то она получила преимущественное распространение в трансформаторах, выпускаемых серийно, и рассматривается в настоящем учебном пособии.

Схематичное представление трансформатора такого конструктивного исполнения приведено на рис. 2.4.

Процессы проектирования трансформаторов с другими конструктивными видами МС (рис.2.1.б, в, г, д) аналогичны и отличаются только тем, что в их математических моделях отражены конструктивные и электромагнитные особенности этих МС.

а	б
в	г
г	Рис. 2.1 Планарные магнитные системы силовых трансформаторов: а – шихтованная МС со ступенчатой (вписанной в круг) формой поперечного сечения стержней и ярм; б – шихтованная МС со ступенчатой (вписанной в эллипс) формой поперечного сечения стержней и прямоугольной формой поперечного сечения ярма; в – шихтованная МС с вписанной в эллипс формой поперечного сечения стержней и ярм; г, д – витая стыковая и кольцевая МС с прямоугольной формой поперечного сечения стержней и ярм.

а	б

Рис. 2.2. Пространственные магнитные системы силовых трансформаторов:

а, б – стыковая ассиметричная и симметричная с прямоугольной формой поперечного сечения стержней и ярм; в – стыковая комбинированная с шихтованными стержнями и ярмами; г – навитая (из 3-х навитых элементов) с вписанной в круг формой поперечного сечения стержней.

Рис.2.3. Возможные формы поперечного сечения магнитных систем силовых трансформаторов.

2.1.1. Конструктивные параметры магнитной системы и выбор величины индукции в стержне

В задании на проект предусматривается применение современных сталей марок 3404÷3408 с толщиной листа 0,27÷0,35мм. Если марка стали (при ремонте) неизвестна, то рекомендуется выполнить ее проверку путем экспериментального определения характеристики холостого хода и измерением активной и реактивной мощности, с расчетом удельных потерь. Если марка электротехнической стали задана (или известна) то после выбора предварительного значения индукции в стержне необходимо по приложению А определить соответствующее этой индукции значение удельных потерь и удельной намагничивающей мощности . Для холоднокатаных сталей марок 3404 – 3408 толщиной 0,27 – 0,35 мм рекомендуется принимать индукцию в пределах 1,50 – 1,7 Тл (Таблица 2.1).

Марка стали	Мощность трансформатора в кВА
3404,3405,3406, 3407,3409	До 16	25-160	160 и более

Таблица 2.1 Рекомендуемая индукция в стержнях трансформаторов, ,Тл.

Важным конструктивным показателем МС является коэффициент заполнения активной сталью площади поперечного сечения стержня магнитной системы .

Коэффициент определяется как отношение площади поперечного сечения электротехнической стали стержня к площади фигуры, описанной вокруг ступенчатого сечения стержня (рис. 2.5), в рассматриваемой конструкции это площадь круга с диаметром D.

Коэффициент можно выразить так:

, (2.1)

где - коэффициент заполнения пакета электротехнической стали активной (чистой) сталью, значение зависит от толщины листов стали, толщины изоляции стали и усилия опрессовки стержня (выбирается по таблице 2.2);

- коэффициент использования площади круга – отношение площади ступенчатой фигуры сечения стержня к площади описанного круга диаметром D. Величина зависит от числа пакетов в сечении стержня. С увеличением диаметра стержня число пакетов и увеличиваются. Предварительно его можно определять по формуле:

. (2.2)

Предварительное значение D, (мм) определяется по эмпирической зависимости:

. (2.3)

Рис.2.5. Основные размеры планарной магнитной системы и изоляции обмоток в окне трансформатора.

Форма поперечного сечения ярма в его средней части по размерам пакетов обычно повторяет сечение стержня. Крайние пакеты в целях улучшения прессовки ярма ярмовыми балками, более равномерного распределения магнитного потока и давления по ширине пакетов, уменьшения веера пластин на углах пакетов делаются более широкими путем объединения двух крайних пакетов в один. Вследствие этого площадь поперечного сечения ярма немного больше площади поперечного сечения стержня. Это учитывается коэффициентом усиления сечения ярма , который в среднем равен 1,03.

Таблица 2.2 Коэффициент заполнения пакетов ( ) для рулонной холоднокатаной стали с нагревостойким покрытием

Марка стали	Толщина, мм
3404,3405,3406,3407, 3408, 3409	0,35	0,97
3405,3406,3407,3408,3409	0,30	0,96
0,27	0,95

Чаще всего используются стали марок 3407 и 3408 толщиной 0,35; 0,3 и 0,27 мм. Сравнительные данные современных холоднокатаных электротехнических сталей приведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3 Сравнительные показатели для холоднокатаных электротехнических сталей марок 3404, 3405-3408 толщиной 0,35; 0,3 и 0,27 мм.

Толщина, мм	Марка стали	Относительные удельные потери, %	Относительная цена, %	Число пластин в пакетах равной толщины, %
0,35
0,30
	87,5
0,27		86,5
	81,3

Примечание. В условиях совремённой рыночной экономики цены на активные, изоляционные и конструкционные материалы, применяемые в трансформаторостроении, зависят от экономической ситуации на рынках и часто изменяются. Поэтому в настоящем учебном пособии используются условные значения цен. То же относится и к стоимостям потерь холостого хода и нагрузочных, к величинам амортизационных отчислений и т.д.

Ориентировочная цена стали марки 3404 толщиной 0,35мм принята равной 5 грн./кг.

Количество пакетов стали различной ширины в сечении стержня определяется числом ступеней ( ) (углов пакетов) в описанного вокруг стержня круга, выбранной по одну сторону какой-либо из осей симметрии. Величина выбирается по таблице 2.4.

Таблица 2.4. Число ступеней в сечении стержня.

Мощность к·ВА		40-100	160-630
Число ступеней в сечении стержня,
	0,863	0,891	0,915	0,925

Полное число пакетов стали в сечении стержня .

Детальная разработка сечения стержня и ярма приведена в [1,3,7].