§ 21. РЯДЫ СЕРДЕЧНИКОВ ДЛЯ Т. М. М.
Основу трансформатора составляет его магнитопровод (сердечник). Поэтому в целях унификации прежде всего стандартизируют размеры сердечников. Эти размеры должны быть выбраны таким образом, чтобы обеспечить выполнение трансформаторов в заданном диапазоне мощностей. Связь между размерами магнитопровода и мощностью трансформатора устанавливается выражением (11). Если в первом приближении принять, что все прочие величины в (11) постоянны, то получим, имея в виду обычный случай полного использования окна катушкой,
(132)
К ряду сердечников предъявляется требование: обеспечить определенный шаг — коэффициент кр — нарастания мощности трансформатора Р при переходе от сердечника к сердечнику. Для трансформаторах малой мощности принимают обычно кр= 1,25. Следовательно, по (132) необходимо обеспечить рост произведения scs0k в 1,25 при переходе к каждому последующему сердечнику. Этот рост может быть обеспечен либо за счет увеличения сечения сердечника sc, либо площади окна s0K, либо той и другой величины одновременно. Соотношение между sc и s0K желательно иметь оптимальным (см. табл. 29).
Практически одновременное увеличение sc и s0K является неприемлемым. Это означало бы, что от сердечника к сердечнику менялись бы все их размеры и каждый типоразмер требовал бы для своего изготовления новых заготовок магнитного материала, нового комплекта технологической оснастки и новых элементов конструкции трансформатора. Поэтому весь ряд сердечников разбивают на несколько групп. Внутри каждой группы сохраняются неизменными все размеры сердечника, кроме одного, и в зависимости от выбранного переменного размера может меняться величина либо sc, либо 50к. Между группами могут меняться все размеры сердечника. Таким путем удается для сердечников одной группы унифицировать некоторые виды оснастки и элементов конструкции.
Соотношения размеров всех сердечников должны обеспечить максимальное приближение к условиям оптимальной геометрии. Число сердечников в группе пс можно определить, исходя из допустимого по условиям оптимальной геометрии диапазона изменений V одного из рамеров — а, 6, с, h (т. е. изменений лс, у, г).
Учитывая (132), легко получить
откуда
Согласно выводам в § 20 V « 1,5—2,5 и при кр= 1,25 пс « 4.
Рассмотрим раздельно ряды наборных штампованных и ленточных сердечников (для трансформаторов малой мощности с медными обмотками).
Штампованные наборные сердечники. При штамповке пластин удобно набирать из них пакеты, различные по толщине Ь (см. рис. 1 и 90). Поэтому здесь рациональным способом является изменение внутри группы величины sc = ab при а = const. Это позволяет на все сердечники данной группы иметь один штамп, хотя и не обеспечивает сохранение оптимальной геометрии (см. табл. 27).
Нормализованные типоразмеры броневых сердечников, принятые в промышленности для трансформаторов наименьшего веса (нормаль Н0.666.000) и наименьшей стоимости (нормаль НИ0.010.005), приведены в § 27 (см. табл. 35—37). СТ и ТТ на штампованных наборных сердечниках широкого применения не находят. Сердечники обеспечивают следующий диапазон мощностей трансформаторов при нормальных перегревах (ориентировочно): по табл. 35 — от 1,5 до 1000 ва на частоте 50 Гц и от 15 до 3200 ва при частоте 400 Гц\ по табл. 37 от 1 до 300 ва при частоте 50 Гц. Точные значения предельных мощностей, как и мощностей каждого типоразмера, зависят от многих факторов (см. § 18 и 26).
Сердечники по Н0.666.000 делятся на два раздела: основной (см. табл. 35) и дополнительный (см. табл. 36) с «низким окном» (для высоковольтных трансформаторов). Геометрия сердечников характеризуется параметрами: х — 1; у = 0,6—2,5; z = 2,5 (для дополнительного раздела — z = 1,5).
Сопоставляя эти значения с данными табл. 27 (имея в виду вес и объем одновременно), можно сказать, что сердечники ряда для трансформаторов с заданным перегревом повышенной частоты относительно оптимальны при у = 1—2; в случае частоты 50 Гц — при у > 1,6. Для трансформаторов с заданным падением напряжения сердечники имеют слишком широкое и несколько высокое окно (велики х и г), а значения у оптимальны только в пределах t/> 1,6. Поэтому можно рекомендовать при повышенных частотах применять только наборы при у = 1—2, при нормальной частоте — только большие наборы (у> 1,25), при заданном падении напряжения — сердечники с «низким окном» (г = 1,5) и с большими наборами (у~> 1,6).
Сердечники по табл. 37 обеспечивают минимальную стоимость трансформатора для всех случаев расчета, но только при больших наборах (t/= 1,5 и 2). Сердечники со значениями у=1 неоптимальны.
Отметим следующие свойства рядов с вариацией толщины набора Ь. С переходом от типоразмера к соседнему большему типоразмеру трансформатора намагничивающий ток /0 внутри группы остается постоянным (при постоянной индукции), а при переходе к следующей группе — уменьшается; падение же напряжения А и (при постоянной плотности тока) внутри группы падает, а при переходе к следующей группе скачком возрастает по сравнению с наибольшим типоразмером предыдущей группы (оставаясь меньше, чем у наименьшего типоразмера предыдущей группы).
Ленточные сердечники. Ленточные сердечники применяются для БТ, СТ, TT и 3T. iB обозначения Ш, П, О, Е типов ленточных сердечников добавляется буква Л: ШЛ, ПЛ, ОЛ, ЕЛ. При этом типоразмеры ШЛ-сердечников для БТ во многом совпадают с типоразмерами наборных штампованных сердечников Ш по табл. 35. Это объясняется стремлением сохранить при переходе к ленточным сердечникам известную преемственность, хотя при этом и не обеспечивается соблюдение оптимальной геометрии.
Ряд нормализованных броневых разъемных ленточных сердечников приведен в табл. 38, § 27. Диапазон мощностей трансформаторов, охватываемых сердечниками при нормальных перегревах и применении холоднокатаной стали,— от 1 до 1200 ва при частоте 50 Гц и от 5 до 3400 ва при частоте 400 Гц (ориентировочно). Параметры геометрии: х = 1, у = 1—2, z = 2,5. Относительно оптимальности этой геометрии по весу и объему говорилось выше в настоящем параграфе. С точки зрения стоимости сердечники имеют слишком широкие окна (х) и в большинстве своем малые значения у.
Учитывая, что сохранение размеров окна внутри группы ряда для разъемных ленточных сердечников не вызывается технологической необходимостью, здесь не является обязательной вариация размера Ъ. Как было показано в § 20, оптимальная геометрия сердечников для БТ и СТ сохраняется при широких вариациях величины г. Это приводит к новому принципу построения группы ряда — изменению высоты окна h при всех прочих постоянных размерах. Такой принцип хорошо увязывается также с технологией изготовления разъемных сердечников методом штамповки и гибки ленты (см. § 9), когда на всю группу сердечников может быть использована одна и та же оснастка. При соответствующем выборе размеров возможна также сборка пс сердечников из (пс —2) стандартных половинок. Унифицируются при этом также основания трансформаторов.
Таким образом, для разъемных ленточных сердечников внутри группы наиболее рационально менять не sc, a s0k = ch путем изменения h при с= const.
Для разъемных ленточных сердечников может быть реализовано построение группы ряда с изменением ширины окна сердечника (параметра х), что особенно целесообразно для трансформаторов с заданным падением напряжения. Если для штампованных наборных сердечников этот принцип вступает в противоречие с технологией изготовления пластин, то здесь такого противоречия нет (хотя нет и технологических преимуществ, как при вариации высоты окна).
Оптимальный ряд ПЛ - с е р д еч н ико в для стержневых трансформаторов, построенный по такому принципу, приводится в табл. 39. Ряд охватывает широкий диапазон мощностей трансформаторов — от 1 до 3500 ва при частоте 50 Гц и от 10 до 9000 ва при частоте 400 Гц. Данный ряд сердечников максимально использует ряды предпочтительных чисел по ГОСТ 8032—56. Он состоит из 10 групп.
Геометрия сердечников первых двух групп выбрана оптимальной из условия падения напряжения: х = 1,25; у > 1,6; z = = 1,25—3,2. Геометрия сердечников III—IV групп оптимальна по весу и объему для трансформаторов малой мощности повышенной частоты: х = 1,25; у = = 1,25; г = 2—4. Наконец, сердечники V—X групп (лс=1,6; у — 2; г = 2,5—5) оптимальны по всем показателям при частоте 50 Гц (при расчете на заданный перегрев) и по объему и стоимости при повышенных частотах (по весу здесь может иметь Место проигрыш до 5—10%).
Такая разбивка ряда по зонам геометрии соответствует реальному сочетанию предъявляемых к трансформаторах малой мощности требований с величинами их мощности (см. § 15) в большинстве практических случаев при одновременном учете большей применяемости малых типоразмеров на повышенных частотах и наоборот.
Поэтому ряд по табл. 39 можно считать единым оптимальным рядом для стержневых трансформаторов. Этот ряд также является междуведомственной нормалью СССР (нормаль Н0.666.002). На сердечниках этого ряда созданы, в частности, галетные трансформаторы (см. § 4, рис. 28). Сердечники средней части ряда могут оказаться неоптимальными по стоимости для трансформаторов на частоту 50 Гц при малых допустимых падениях напряжения. Для этих случаев окно должно быть сужено (уменьшен х). Однако при алюминиевых обмотках ряд оптимален и здесь. Из сердечников ряда можно составлять и броневые сердечники, причем их геометрия будет близка к оптимальной.
Особенностями ряда с вариацией высоты окна является постоянство величины Ди внутри группы и уменьшение ее при переходе к большему типоразмеру соседней группы, а также уменьшение намагничивающего тока io с переходом к большем} типоразмеру внутри группы и его возрастание с переходом к следующей группе ряда ( до величины, однако, меньшей, чем у наименьшего типоразмера предыдущей группы).
Нормализованный ряд тороидальных ленточных сердечников приведен в § 27, табл. 40. Ряд построен с вариацией размера Ь. Он охватывает мощности трансформаторов от 11 до 700 ва при частоте 50 Гц и от 1 до 2000 ва при частоте 400 Гц. Для трансформаторов нормальной частоты оптимальны высокие сердечники каждой группы (большие у).
Принятый ряд трехфазных разъемных ленточных сердечников приведен также в § 27, табл. 41. Здесь применен оптимальный принцип вариации высоты окна h. Геометрия сердечников ориентирована на использование при повышенных частотах. Диапазон мощностей трансформаторов на этих сердечниках при частоте 400 Гц — от 20 до 4000 ва.
Помимо рассмотренных рядов создается также ряд разъемных ленточных сердечников для трансформаторов минимальной стоимости. Малые сердечники ряда — броневого типа, большие— стержневого. Граничная мощность между ними—30— 40 ва.
Построение рядов и роль коэффициента заполнения к0К. Как уже отмечалось, любой ряд, будучи оптимальным (или приближаясь к оптимальному) в части одних экономических показателей, не оптимален в части других из них. Это положение усугубляется вариацией того или иного размера внутри группы ряда, вследствие чего может иметь место дополнительное отклонение от условий оптимальной геометрии.
Весьма эффективным средством уменьшения стоимости трансформатора при практическом сохранении веса и объема является осуществление оптимального (неполного) заполнения окна медью согласно рекомендациям в § 19 и 20 при соответствующем выборе типоразмера из ряда сердечников. Этот метод эффективен для всех нормализованных рядов (см. табл. 35—41) и для всех условий расчета (заданный перегрев, частота 50 Гц, частота 400 Гц, заданное падение напряжения). Метод применяется следующим образом:
- Для рядов с вариацией в группе толщины сердечника (параметра у) — ряды по табл. 35, 36, 38, 40. Для проектирования трансформаторов используются только типоразмеры с величинами у = 1,25—2.
Для ряда по табл. 37 оставляются сердечники с параметрами У = 1,5 и у = 2.
Трансформаторы, которые при полном заполнении окна проектировались на типоразмерах с толщинами сердечника у — = 0,6—1,6, проектируются теперь на оставленных типоразмерах с соответственно большими толщинами сердечника той же или предыдущей группы ряда (с типоразмера у = 2,5 ряда по табл. 35 переход осуществляется к типоразмеру у = 1,25 следующей группы ряда). Габариты и веса таких трансформаторов практически сохраняются или даже снижаются, а количество расходуемой дефицитной меди и суммарная стоимость трансформатора заметно снижаются (на 15—50%).
Переход к новым типоразмерам осуществляется в соответствии со следующей схемой:
Пунктиром обозначены переходы, осуществляемые с уменьшением коэффициента заполнения к0К, сплошной линией — с сохранением полного заполнения окна медью. В случаях, где указано два варианта перехода, переход с понижением величины кои обеспечивает меньшую стоимость при незначительно увеличенных весе и габаритах по сравнению с переходом при полном использовании окна.
Если вес трансформатора интереса не представляет, то рационален переход к сердечнику с толщиной у = 2 (у = 1,6) для большинства типоразмеров, в свою очередь, от сердечника при у = 2 целесообразно перейти к сердечнику следующей группы ряда с параметром у — 1,6. Это обеспечит снижение стоимости трансформаторов, особенно при нормальной частоте.
Для ряда наименьшей стоимости по табл. 37 переходы осуществляются только внутри группы с понижением величины кок от у — 1 к у — 1,5, а от у = 1,5 к у = 2. Для этого ряда таким путем достигается экономия меди и, если осуществляется безотходная штамповка, снижение стоимости трансформаторов. Суммарный вес их возрастает. Трансформатор с пакетом стали у = 2 выполняется обычным образом.
- Для рядов с вариацией в группе высоты окна (параметра z) — ряды по табл. 39 и 41.
При сохранении заданного перегрева трансформаторы проектируют на сердечниках с увеличенной высотой окна по сравнению с трансформаторами, в которых окно полностью занято катушками. Для СТ возможен переход к соседнему по высоте типоразмеру и через один типоразмер, для ЗТ в пределах данной группы эффективен переход от любого типоразмера к сердечнику с максимальной высотой окна. Трансформаторы, проектируемые обычно на самых высоких сердечниках группы (z > >3,5), могут переводиться на вторые по высоте (г = 3,2 для СТ; z = 2,4 для ЗТ) сердечники следующей группы ряда (с большей шириной стержня а). Следовательно, в одной группе каждого ряда можно оставить не более двух сердечников.
При сохранении падения напряжения переход к новым типоразмерам внутри данной группы нерационален.
Переход к СТ и ЗТ с неполным заполнением окна обеспечивает значительную экономию меди и снижение стоимости без увеличения, как правило, веса и габаритных объемов трансформаторов. Более того, у ЗТ вес и объем могут быть существенно уменьшены.
Таким образом, используя метод оптимальных коэффициентов заполнения (неполного заполнения окна), можно при сохранении весов и габаритов трансформаторов добиться значительного снижения расхода меди и стоимости трансформаторов при одновременном серьезном сокращении числа типоразмеров сердечников в рядах, т. е. проведении дополнительной унификации сердечников. Соответствующее рассмотрение показывает, что, используя метод оптимальных коэффициентов кок, можно получить трансформаторы минимальной стоимости, не создавая специального ряда, а опираясь на существующие ряды сердечников для трансформаторов наименьшего веса. Особенно это относится к случаю ленточных сердечников. Таким путем унификация сердечников может быть доведена до максимума.
Очевидно, что описанные преимущества обеспечат при их использовании существенный экономический эффект. Поэтому
изложенные принципы необходимо всемерно внедрять в практику проектирования трансформаторах малой мощности Заметим, что достигаемый относительный выигрыш тем больше, чем больше мощность проектируемого трансформатора и выше цена меди по отношению к цене стали.
Дополнительный выигрыш при проектировании трансформаторов на заданное падение напряжения может быть получен переходом к вариации размеров ленточных сердечников по ширине окна. Однако при этом пропадают отмеченные выше дополнительные возможности унификации сердечников.
