Конструкции магнитопроводов
Основными типами магнитных систем 1-фазных трансформаторов являются стержневая и броневая (рис. 2.2). В стержневых трансформаторах однофазные обмотки располагаются на двух стержнях и соединяются последовательно или параллельно. Стержнем называется та часть магнитопровода, на которой размещаются обмотки. Часть магнитопровода, на которой обмотки отсутствуют, называют ярмом. Трансформаторы броневой конструкции имеют разветвлённую магнитную систему, которая частично закрывает обмотки, бронируя их. Магнитный поток в стержне вдвое больше, чем в ярмах, которые поэтому могут иметь вдвое меньше сечение.
Распространены однофазные броневые трансформаторы малой мощности: радиотехнические, звонковые и т.д. Силовых трансформаторов броневого типа отечественная промышленность не выпускает.
Основное преимущество трансформаторов стержневого типа – цилиндрическая форма обмоток, более простых и технологичных, чем дисковые чередующиеся обмотки броневых трансформаторов.
Магнитопровод силового трансформатора выполняется из холоднокатанной электротехнической стали марок 3413, 3414. Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопровод набирается из изолированных листов, толщина листа 0,35…0,5 мм. По технологии изготовления различают стыковые и шихтованные впереплёт магнитопроводы (рис. 2.3, а, б). В стыковых сердечниках стержни и ярма собираются отдельно из листов стали, а затем они соединятся при помощи системы вертикальных шпилек. В шихтованных в переплёт сердечниках слои чередуются, место стыка одного слоя перекрывается сплошным листом другого. После сборки сердечника листы верхнего ярма вынимаются, на стержнях размещаются обмотки и листы снова зашихтовываются. При стыковой конструкции насадка обмоток осуществляется более просто. В стыковом магнитопроводе между стержнем и ярмом необходимо помещать изоляционную прокладку, чтобы избежать замыкания пластин. При наличии изоляционной прокладки значительно увеличивается магнитное сопротивление и возрастает намагничивающий ток трансформатора. Крепления в стыковом магнитопроводе более сложные и массивные, ярма необходимо плотно скреплять со стержнями. Шихтованный впереплёт сердечник имеет более жёсткую конструкцию.
В настоящее время магнитопроводы стыковой конструкции применяются достаточно редко. Для мощных силовых трансформаторов принята шихтованная в переплёт конструкция.
Поперечное сечение стержней магнитопровода у мощных силовых трансформаторов ступенчатое, по форме приближающееся к кругу (рис. 2.4, а). Такая форма обеспечивает получение требуемого поперечного сечения стержня при минимальном диаметре. Чем больше ступеней, тем ближе поперечное сечение к окружности, тем больше активное сечение стержня при данном диаметре.
Ярма, соединяющие стержни, выполняют обычно прямоугольного или ступенчатого сечения. В трансформаторах современных серий форма сечения ярма обычно повторяет форму сечения стержней. Формы сечения ярма приведены на рис. 2.4, б. Ярмо выполняют обычно на 2 … 5 % больше, чем
Рис. 2.4. Поперечное сечение стержня (а) и ярма (б)
сечение стержней. Это уменьшает индукцию в стали ярма и потери мощности в ней.
Обмотки трансформаторов
Обмотки трансформаторов должны обладать:
1. Механической прочностью;
2. Электрической прочностью;
3. Технологичностью;
4. Нагревостойкостью;
5. Экономичностью.
Основными величинами, определяющими конструкцию обмоток трансформатора, являются номинальные значения тока и напряжения. Обмотки выполняются из медного или алюминиевого провода круглого сечения (s = 0,02…10 мм2) или прямоугольного (s = 6…60 мм2).
Плотность тока в медных обмотках должна находиться в пределах:
· в трансформаторах с масляным охлаждением – j = 2,5…4,5 А/мм2;
· в сухих трансформаторах – j = 1,8…2,5 А/мм2.
В обмотках, выполненных из алюминиевого провода, плотность тока на 40% меньше. В связи с этим, поперечное сечение обмотки из алюминия будет больше, чем из меди, при одной величине тока, а, следовательно, габариты и масса трансформатора с алюминиевыми обмотками больше, чем с медными.
В современных трансформаторах первичную и вторичную обмотки не размещают на различных стержнях магнитопровода, а стремятся расположить для лучшей магнитной связи ближе друг к другу. При этом на каждом стержне размещают обе обмотки: либо концентрически одну поверх другой (рис. 2.5, а) – концентрические обмотки, либо в виде нескольких дисковых катушек, чередующихся по высоте стержня (рис. 2.5, б) – дисковые чередующиеся обмотки. Эти обмотки имеют меньшее магнитное рассеяние, однако изоляции их сложнее. В силовых трансформаторах применят в основном концентрические обмотки, причём ближе к стержням располагают обмотку НН, требующую меньшей изоляции относительно стержня, а снаружи – обмотку ВН.
Обмотки трансформаторов делятся на:
1. Цилиндрические 1, 2-х слойные, выполненные из провода прямоугольного сечения (рис. 2.5, а).
2. Цилиндрические многослойные, выполненные из провода круглого или прямоугольного сечения (рис. 2.5, б). Применяются в качестве обмотки ВН или НН, просты в производстве, но механическая прочность невелика. Применяют при мощности на 1 стержень до 200 кВА.
3. Катушечные многослойные (рис. 2.5, б). Состоят из ряда последовательно-соединённых катушек, намотанных из круглого провода. Используются в качестве обмотки ВН при напряжении до 35 кВ, при мощности на 1 стержень до 350 кВА.
4. Винтовые (рис. 2.5, г). Выполняются из нескольких прямоугольных проводников, которые укладываются по винтовой линии. Для равномерного распределения тока между параллельными проводниками применяется транспозиция проводников, т.е. перекладка проводников относительно стержня. Используются в качестве обмотки НН при токах свыше 300 А, при напряжении от 230 В до 15 кВ, мощность на 1 стержень – от 45 до до 350 кВА. Обладают достаточной механической прочностью.
5. Непрерывные катушечные. Широко используются в качестве обмоток ВН и НН ввиду большой механической прочности и надёжности. Выполняется из нескольких десятков дисковых катушек, намотанных по спираль и соединённых без пайки.
2.4. Режим холостого хода 1–фазного трансформатора
Изучение работы трансформатора под нагрузкой основывается на изучении двух предельных режимов: холостого хода (х.х.) и короткого замыкания (к.з.).
Под режимом холостого хода понимают такой режим работы трансформатора, когда его первичная обмотка подключена на сеть переменного напряжения, а вторичная обмотка разомкнута.
Если подвести к первичной обмотке напряжение 
, то по обмотке потечёт ток i0, который создаёт МДС 
. Эта МДС создаёт магнитный поток. Часть потока замыкается по сердечнику, образуя основной поток Ф. Другая часть потока замыкается в основном по воздуху и сцепляется с витками первичной обмотки – Фs1 – поток рассеяния. Основной поток наводит в первичной и вторичной обмотке ЭДС
; (2.8)
, (2.9)
а в первичной обмотке – ЭДС рассеяния:
. (2.10)
По закону равновесия напряжений, запишем уравнение напряжений для первичной и вторичной обмотки:
. (2.11)
Рассмотрим холостой ход идеального трансформатора, т.е. трансформатора без рассеяния и потерь мощности: 
, тогда получим:
. (2.12)
Таким образом, подводимое напряжение и наводимая в первичной обмотке ЭДС в любой момент времени находятся во взаимном равновесии:
. (2.13)
С другой стороны,
. (2.14)
Тогда
, (2.15)
Отсюда
, (2.16)
. (2.17)
Таким образом, магнитный поток является синусоидальной функцией времени и опережает ЭДС на угол 
(рис. 2.6).
Рис. 2.6. Кривые первичного