Г) Трансформаторы для радиоэлектроники

Широкое применение в различных схемах радиоэлектроники находят трансформаторы малой мощности (от нескольких ВА до тысячных долей ВА). К таким трансформаторам предъявляются особые требования, которые могут быть удовлетворены только при применении специальных ферромагнитных материалов и специального устройства их обмоток и сердечника.

В современной электронной аппаратуре, применяемой в разнообразных отраслях техники, используются трансформаторы, преобразующие ток или напряжение электрических сигналов в широком спектре звуковых и сверхзвуковых частот. Они, как и усилители, рассчитанные на этот диапазон частот, условно называются трансформаторами и усилителями низких частот.

Также широко применяются «импульсные трансформаторы», преобразующие кратковременные импульсные токи, продолжительность которых измеряется микросекундами при числе импульсов в секунду до 1 000.

Указанные трансформаторы должны быть устроены таким образом, чтобы искажения, вносимые ими, были как можно меньше, т. е. форма кривой напряжения (или тока) на вторичной стороне должна повторять возможно точнее форму кривой напряжения (или тока) на первичной стороне. При этом приходится брать малые насыщения сердечника трансформатора и учитывать не только активные и индуктивные сопротивления обмоток, но и их емкостные связи, так как при высокой частоте (преобразуемого тока) токи, протекающие через емкости между обмотками, соизмеримы с токами, непосредственно протекающими по обмоткам. Приходится в этом случае применять специальную укладку витков обмоток и иногда особые системы металлических экранов.

В электронной технике находят себе также применение трансформаторы, которые на выходе дают периодически изменяющееся напряжение резко заостренной (пикообразной) формы. Они получили название пик-трансформаторов. Применяются они, например, при регулировании сеточного напряжения тиратронов.

Рассмотрим здесь два возможных исполнения таких трансформаторов, принцип устройства которых показан на рис. 2-79.

Рис. 2-79. Принцип устройства пик-трансформаторов.
a — трансформатор с сильно насыщенным сердечником и большим активным сопротивлением в первичной цепи; б — трансформатор с насыщенным стержнем и магнитным шунтом.

В первом случае (а) трансформатор включается на синусоидальное напряжение u₁ = U_1мsinwt через большое активное сопротивление R. Его сердечник должен быть сильно насыщенным. При холостом ходе ток i₁ в первичной обмотке будет близок к синусоидальному, так как в основном он будет определяться сопротивлением R. При этом магнитный поток Ф, как показано на рис. 2-79,а, будет иметь сильно уплощенную форму. Следовательно, э.д.с. будет иметь пикообразную форму. Во втором случае (б) вторичная обмотка располагается на стержне, имеющем относительно малое сечение. Параллельно ему устанавливается магнитный шунт с почти линейной характеристикой. При синусоидальном магнитном потоке Ф = Ф₂+Ф_ш его составляющие Ф₂ и Ф_ш будут несинусоидальными (рис. 2-79,б); поток Ф₂ из-за быстрого насыщения стержня 2 будет иметь уплощенную форму, при которой э.д.с. е₂ вторичной обмотки получит пикообразную форму.

2-22. Мощность, потери и размеры трансформатора

Мощность, потери и размеры трансформаторов связаны важными практически соотношениями, имеющими общее значение и для всех электрических машин.

Представим себе ряд трансформаторов возрастающей мощности, геометрически подобных друг другу и имеющих одинаковые плотности тока D (A/мм²) в обмотках и одинаковые индукции В (Гс) в сердечниках. Под геометрически подобными трансформаторами понимаются трансформаторы, соответственные размеры которых находятся в одном и том же отношении. Два геометрически подобных трансформатора изображены на рис. 2-80.

Рис. 2-80. Геометрически подобные трансформаторы.

Здесь все линейные размеры второго трансформатора в 2 раза больше соответственных линейных размеров первого трансформатора.

Мощность трансформатора пропорциональна произведению э.д.с. и тока, т. е.

(2-189)

При данной частоте тока э.д.с. Е пропорциональна числу витков w обмотки и магнитному потоку Ф:

E º wФ. (2-190)

Заменяя Ф = BS_c, где В — индукция в сечении S_с, получим:

E º wBS_c. (2-191)

Ток I = Ds_n, где D — плотность тока в проводнике, имеющем сечение s_n. Поэтому вместо (2-189) можем написать:

P º wBS_cDs_n. (2-192)

Если обозначить общее сечение меди всех витков обмотки через S_м = ws_n, то получим:

P º BDS_cS_м. (2-193)

Площади S_c и S_м пропорциональны квадрату линейного размера, причем здесь мы можем взять любой линейный размер (рис. 2-80), который обозначим через l; следовательно,

S_cS_м º l²l² = l⁴. (2-194)

Вместо (2-193) мы можем теперь написать (при D = const и В = const):

P º l⁴ (2-195)

или

l º P^1/4. (2-196)

Веса активных материалов (стали и меди) пропорциональны их объему, т. е. кубу линейных размеров:

G º l³, (2-197)

поэтому

G º P^3/4. (2-198)

Следовательно, вес трансформатора при увеличении линейных размеров растет медленнее, чем его мощность.

Можно считать, что стоимость С активных материалов и потери SP в них при заданных индукции и плотности тока также пропорциональны весу:

C º G º P^3/4; (2-199)

SP º G º l³ º P^3/4. (2-200)

Если отнести вес, стоимость трансформатора и его потери к единице мощности, то получим:

(2-201)

Следовательно, вес и стоимость активных материалов на 1 кВА и относительное значение потерь (потерь на единицу мощности) в ряде геометрически подобных трансформаторов изменяются обратно пропорционально корню четвертой степени из их мощности при сохранении постоянными значений D и В.

Этим и объясняется тенденция применять в современных электроустановках (там, где это возможно и целесообразно) трансформаторы большой мощности вместо нескольких малых трансформаторов той же суммарной мощности.

Из равенства (2-200) следует, что потери трансформатора растут пропорционально кубу линейных размеров. Но его поверхность охлаждения возрастает пропорционально только квадрату линейных размеров. Поэтому по мере увеличения мощности трансформаторов приходится повышать интенсивность их охлаждения и отступать от геометрического подобия их форм.

Приведенные соотношения (2-198) (2-201) дают лишь общую ориентировку при определении зависимости мощности трансформатора и его потерь от размеров, и они правильны лишь приближенно. При проектировании ряда трансформаторов возрастающей мощности приходится в той или иной мере от них отступать по конструктивным, технологическим и прочим соображениям.

2-23. Нагревание и охлаждение

Магнитные потери в сердечнике трансформатора и электрические потери в его обмотках обусловливают выделение тепла. В начальный промежуток времени работы трансформатора с нагрузкой имеет место неустановившийся тепловой процесс, в течение которого лишь часть тепла отдается окружающей среде, а другая часть остается в сердечнике и обмотках, повышая их температуру. По мере роста последней увеличивается отдача тепла. При некоторой температуре сердечника и обмоток все тепло, выделяющееся в них, отдается окружающей среде. Эта температура является установившейся, соответствующей установившемуся тепловому режиму. Она не должна превышать определенных пределов.

По ГОСТ 401-41 допускаются следующие температуры (°С):

Для обмоток
Для сердечника (на поверхности)
Для масла (верхних слоев)

При этом температура окружающего воздуха принимается равной 35°С.

Применяемые для трансформаторов изоляционные материалы резко снижают свои изоляционные и механические свойства при длительном повышении температуры. Особенно это относится к бумаге, являющейся одним из основных изоляционных материалов, применяемых в трансформаторостроении. Она в большой степени подвержена так называемому старению. Чем выше выбрана для нее температура, тем меньше срок ее службы.

Нужно отметить, что указанные температуры не должны непрерывно искусственно поддерживаться в трансформаторе путем увеличения его нагрузки, так как в этом случае значительно сократился бы срок службы трансформатора по сравнению с его нормальным сроком в 15 20 лет. Указанные температуры установлены в предположении суточного и годового колебаний температуры окружающей среды, следовательно, в предположении, что в эксплуатационных условиях периоды работы трансформатора с наивысшими указанными температурами чередуются с периодами работы при более низких температурах.

Чтобы при допустимых превышениях температуры нагретых сердечников и обмоток над температурой окружающей среды все тепло отдавалось окружающей среде, необходимо иметь достаточную поверхность охлаждения.

В масляных трансформаторах тепло, образующееся в сердечнике и обмотках, отдается маслу. Масло отводит это тепло к стенкам бака, которые с наружной стороны отдают его окружающему бак воздуху. Движение тепла от одной части трансформатора к другой обусловлено разностью температур. Распределение температур отдельных частей трансформатора показано на рис. 2-81. Здесь же показаны пути движения частиц масла, омывающего сердечник и обмотки, и частиц воздуха, омывающего наружные стенки бака.

Рис. 2-81. Распределение температуры отдельных частей трансформатора по его высоте.
1 — обмотка, 2 — сердечник, 3 — масло, 4 — стенки бака.

Чем больше мощность трансформатора, тем больше в нем потери (по абсолютной величине) и тем больше, следовательно, должна быть его поверхность охлаждения для отвода образующегося тепла. Этим и объясняется главным образом увеличение размеров трансформатора при увеличении его мощности.

При увеличении размеров трансформатора его мощность и потери растут быстрее, чем поверхность охлаждения (§ 2-22). Поэтому при возрастании мощности трансформатора охлаждение его должно быть более интенсивным.

Для трансформаторов небольшой мощности (до 20 30 кВА) применяются баки с гладкими стенками (рис. 2-82). Для трансформаторов средней и большой мощности приходится брать трубчатые баки (рис. 2-83) или баки с радиаторами (рис. 2-84). Для очень мощных трансформаторов применяются баки с радиаторами, которые обдуваются при помощи особых вентиляторов, вследствие чего значительно увеличивается теплоотдача с их поверхности.

Рис. 2-82. Трансформатор с гладким баком.

Рис. 2-83. Трансформатор с трубчатым баком.

Рис. 2-84. Трансформатор с радиаторным баком.

2-24. Конструкции трансформаторов

Наиболее распространенными являются масляные трансформаторы. Они при мощности S_н 100 кВА (для напряжений свыше 6300 В и при меньшей мощности) снабжаются маслорасширителями. Маслорасширитель представляет собой резервуар, помещенный на крышке бака и соединенный с ним трубой (рис. 2-85), причем труба должна находиться несколько выше дна расширителя. Емкость расширителя выбирается таким образом, чтобы масло в нем находилось все время при всех режимах работы трансформатора и при колебаниях температуры окружающего воздуха от -35 до +35° С. Для контроля за уровнем масла расширитель снабжается маслоуказателем. При наличии расширителя поверхность соприкосновения масла с воздухом значительно сокращается, что уменьшает его загрязнение и увлажнение; кроме того, продукты разложения масла и влага почти не попадают в основной бак на обмотки, а скапливаются на дне расширителя.

Рис. 2-85. Маслорасширитель и выхлопная труба.
1 — расширитель; 2 — труба, соединяющая расширитель с главным баком; 3 — маслоуказатель; 4 — отстойник (водоотделитель); 5 — клапан для взятия проб; 6 — выхлопная труба; 7 — стеклянная мембрана.

Мощные трансформаторы при S_н ³ 1000 кВА снабжаются также выхлопной трубой (рис. 2-85). Она представляет собой стальную трубу, соединенную одним концом с основным баком и закрытую с другого конца стеклянной пластиной — мембраной толщиной 3—5 мм. При внутренних повреждениях обмоток трансформатора быстро образуется вследствие испарения масла большое количество газов, которые выдавливают мембрану и выходят в атмосферу. В противном случае неизбежна деформация бака.

Согласно ГОСТ 401-41 трансформаторы снабжаются устройством для измерения температуры верхних слоев масла:
а) Трансформаторы до 750 кВА снабжаются термометрами обычного типа или с сигнальными контактами.
б) Трансформаторы от 1000 кВА и выше имеют термометрический сигнализатор, укрепляемый на боковой части бака на высоте 1,5 м от днища трансформатора.
в) Трехфазные трансформаторы мощностью от 7500 кВА и выше и однофазные трансформаторы мощностью 3333 кВА и выше должны иметь дистанционный измеритель температуры масла для передачи результатов измерения на щит управления.

Защита от чрезмерных повышений температуры внутри трансформатора (тепловая защита) осуществляется при помощи газовых реле, устанавливаемых в трубе, соединяющей бак с маслорасширителем.

Принцип действия газового реле основан на следующем.

При всяком чрезмерном перегреве какой-либо части трансформатора начинается разрушение ее изоляции. В результате появляется некоторое количество газообразных продуктов распада, выделяющихся с большей или меньшей скоростью в зависимости от интенсивности теплового процесса. Образующийся газ поднимается вверх и частично задерживается в газовом реле, схематично изображенном на рис. 2-86.

Рис. 2-86. Газовое реле.

В нормальном состоянии все реле заполнено маслом. При быстром выделении газа в трансформаторе он скапливается в верхней части резервуара А и постепенно понижает уровень масла. Вследствие этого поплавок В₁ опускается и замыкает цепь с сигнальным приспособлением. В том случае, когда процесс выделения газа носит более интенсивный характер, частицы газа достигают поплавка В₂ и, наклонив его, замыкают цепь управления масляного выключателя. Таким образом, газовое реле не только предупреждает о грозящей аварии, но и выключает трансформатор, если авария принимает большие размеры.

Надежность работы трансформатора в большой степени зависит от выполнения его. изоляции. Трансформаторы на напряжение 115000 В и выше должны иметь особенно прочную изоляцию. Теоретические и экспериментальные исследования советских ученых и инженеров Московского трансформаторного завода (МТЗ) имени В. В. Куйбышева позволили разработать оригинальные конструкции изоляции трансформаторов с экранирующими емкостями (§ 2-20,в), что значительно повысило надежность их работы. Такие трансформаторы получили название грозоупорных и нерезонирующих, так как при грозовых разрядах на линию передачи, соединенную с трансформаторами, в них почти не возникают опасные перенапряжения резонансного характера.

Выводы концов обмоток на крышку трансформатора производятся при помощи проходных фарфоровых изоляторов, выполнению которых также уделяется всегда большое внимание.

Масляные трансформаторы взрывоопасны. При большой мощности они устанавливаются на открытых подстанциях, вдали от производственных и жилых строений. Если же необходимо масляный трансформатор установить в помещении, то последнее должно быть специальным образом оборудовано (под трансформатором часто устраивается забетонированная яма, чтобы в случае повреждения бака и воспламенения масла оно стекало в эту яму).

В связи с этим большое значение приобретают безопасные в отношении взрыва сухие трансформаторы для установки их в помещениях. Такие трансформаторы в настоящее время на наших заводах изготовляются и находят себе все более широкое применение.

В Советском Союзе изобретены специальные негорючие масла (совол и совтол) для заполнения баков трансформаторов. Однако вследствие их относительно высокой стоимости они применяются еще редко.

Для прогресса трансформаторостроения большое значение имеет улучшение качества электротехнической стали. В последние годы на отечественных заводах освоено изготовление холоднокатаной электротехнической стали различных марок (Э310 и др.), которая обладает высокими магнитными свойствами в направлении прокатки (большая магнитная проницаемость и малые удельные потери). Применение такой стали позволяет значительно увеличить индукцию в сердечниках трансформаторов, повысить их к.п.д. и снизить расход активных материалов. Широкое внедрение стали Э310 в трансформаторостроение — важнейшая ближайшая задача дальнейшего улучшения советских трансформаторов. Из нее также выполняются небольшие однофазные трансформаторы с оригинальной конструкцией сердечника, который наматывается при помощи особых станков; при этом получаются трансформаторы броневого типа (рис. 2-87). Они обладают высоким к.п.д.

Рис. 2-87. Однофазный трансформатор с намотанным сердечником.