Трансформаторы малой мощности - Сравнительные качества различных типов

§ 22. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ КАЧЕСТВА РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ Т. М. М.
Сравнение однофазных трансформаторов различных типов — броневых БТ, стержневых СТ и тороидальных ТТ — должно быть произведено по нескольким признакам — весовым и габаритным показателям, технологичности, сложности конструирования, стоимости и т. д. Интересно также сопоставить между собой по весам и габаритам однофазные и трехфазные трансформаторах малой мощности
Сравнение по весам и габаритам (объему) легко сделать на основе теоретических выводов, приведенных в § 18. Для этого достаточно сопоставить для трансформаторов разных типов значения удельных экономических показателей, выражаемых формулами (81), (94), (101), (104), в которых значения кэ берутся по (128) — (131). Все условия сопоставления должны быть выбраны равными — равный перегрев или равные падения напряжения, одинаковые материалы и т. д.
Однофазные трансформаторы. Начнем со сравнения весов и габаритов трансформаторов повышенной частоты. Какие из величин, входящих в формулу (81), различны для различных типов трансформаторов? Прежде всего члензависящий по (128), (78), (45) и табл. 26 от геометрии трансформатора и режима его работы. Очевидно, для сравнения необходимо выбрать оптимальные трансформаторы каждого типа, т. е. трансформаторы оптимальной геометрии, работающие в оптимальном режиме [v=vo по (106)]. Затем коэффициент заполнения окна к01! (имеется в виду обычное исполнение с полным использованием окна). Поскольку у СТ в окне размещаются две катушки, требующие больше места для изоляции, кок для него на 5—10% ниже, чем у БТ (исключая малые трансформаторы, где разница больше). В свою очередь, у ТТ кок на 10—15% ниже, чем у СТ по технологическим причинам (см. § 12). Далее, не одинаковы коэффициенты теплоотдачи (см. § 16). При равной мощности ак у БТ ниже на 15—20%, а у ТТ — примерно на 10%, чем у СТ.
При использовании штампованных сердечников все прочие величины одинаковы для всех типов трансформаторов. При использовании ленточных сердечников СТ и БТ выполняются обычно
на разъемных, а ТТ — на замкнутых сердечниках. Поэтому здесь следует различными принять еще величины удельных потерь рю, поскольку для разъемных сердечников они в краз раз выше, чем для тороидальных (см. § 11). Для частот 400—1000 Гц по табл. 16 Краз =1,1—1.25 (сердечники из стали).
Учтя эти замечания, подсчитави „э“ по (81), получим, что из трансформаторов на штампованных сердечниках наименьшими весами и габаритами обладает стержневой трансформатор. По сравнению с ним примерно на 10% большие веса и габариты имеет тороидальный трансформатор и на 20—30% — броневой. Если трансформаторы выполняются на ленточных сердечниках, тороидальный и стержневой трансформаторы имеют практически одинаковые показатели; показатели броневого на те же 20—30% хуже.
Аналогичным путем пс формулам (94) и (129) можно получить, что при нормальной частоте питания СТ и ТТ также близки друг к другу, а БТ имеет большие веса и габариты примерно на 15—25%.
То же касается и стоимости затраченных активных материалов. Отмеченные преимущества стержневых трансформаторов весьма существенны. Они имеют особое значение для трансформаторов малой мощности средних и больших мощностей, когда вес, габариты и стоимости материалов приобретают первостепенное значение.
Значения v и g по (81) и (94) для трансформаторов на ленточных сердечниках из холоднокатаной стали оптимальной геометрии по весу и объему (см. табл. 27) при частотах 50 и 400 Гц и перегреве 50° приведены в табл. 30. Принято: 5о=15б00 гс, <о = 0,5, Р=100 ва (для частоты 50 Гц), кс = 0,9, обмотки — медные; для СТ к0К = 0,3, ак = 1,1 X 10_3 вт/см2 •°С, рю = 11 вт/кг (см. табл. 17). Для БТ и ТТ последняя группа величин скорректирована в соответствии со сказанным выше.
Если сравнить БТ, СТ и ТТ, использующие реальные ряды сердечников, то выигрыш СТ несколько увеличится, поскольку ряд ПЛ-сердечников в большей мере удовлетворяет условиям оптимальной геометрии, чем ряды Ш, ШЛ и ОЛ (см. § 21).
Отметим, что у ТТ с ростом размеров заметно растет перепад температуры по толщине катушки из-за отсутствия торцов, что приводит к более существенному снижению результирующего ак по сравнению с БТ и СТ. Поэтому при мощностях свыше 300—500 ва на частоте 400 Гц значения v и g увеличиваются и показатели ТТ по весу и объему ухудшаются.
Иные результаты по сравнению различных типов трансформаторах малой мощности получаются при одинаковом падении напряжения Дм. Здесь СТ и ТТ по-прежнему практически равноценны, но БТ выигрывают по отношению к ним до 10% по объему и стоимости материалов. Значения v и g по (101) при оптимальной геометрии приведены
Таблица 30
Удельные веса и объемы однофазных трансформаторах малой мощности оптимальной геометрии

в табл. 30 для частоты 50 Гц и Д«=0,05. Принято: кс=0,9;
= 17 000 гс; Р=100 ва; кок для СТ — 0,2. При использовании же существующих рядов сердечников показатели БТ и ТТ при малых у значительно ухудшаются (в 1,5—2 раза), а у СТ в пределах всей группы ряда меняются мало.
Если рассмотреть однокатушечный стержневой трансформатор, то оказывается, что во всех случаях он существенно проигрывает в отношении и броневых, и тороидальных, и стержневых двухкатушечных трансформаторов.
Рассмотрим теперь некоторые электрические характеристики трансформаторов.
С точки зрения величины тока намагничивания io наилучшими показателями обладает ТТ, затем — СТ. При равной мощности трансформатора и примерно равных индукциях ток /о у ТТ примерно в 1,5—2,2 раза меньше, чем у СТ на повышенных частотах, и примерно в 1,1—1,3 раза на частоте 50 Гц. У БТ намагничивающий ток в 1,2—1,5 раза больше, чем у СТ.
Из иных характеристик важное значение для трансформаторов малой мощности часто имеют внешнее рассеяние и восприимчивость к внешним магнитным полям. Лучшим по этим показателям является, разумеется. ТТ (при соблюдении равномерности намотки обмоток вдоль сердечника), немного уступает ему СТ (при правильном расположении катушек). Данные БТ значительно хуже. Малое рассеяние СТ объясняется меньшей толщиной катушки, чем у БТ, половинным числом витков на каждом стержне [см. (21)] и нахождением стыков (зазоров) внутри катушки, а малое влияние полей — взаимной компенсацией э. д. с., наведенйых в двух катушках. Подчеркнем, что при расположении первичной обмотки на одном стержне, а вторичных — на другом рассеяние у СТ вырастает во много раз. С точки зрения собственной емкости обмоток ТТ имеет наихудшие данные. Емкость растет также у БТ и СТ с галетными обмотками из фольги.
О величине к. п. д. для различных трансформаторов говорится ниже, в § 24.
Сопоставление отдельных типов по ряду конструктивных признаков было проведено в § 4. Дополнительно можно отметить, что у БТ по сравнению с СТ получается меньше выводов при том же числе обмоток, ибо первичная обмотка СТ всегда должна распределяться двумя равными частями между стержнями магнитопровода. Поэтому в ряде случаев у СТ могут возникнуть затруднения с размещением выводов. С другой стороны, когда речь идет о разъемных ленточных сердечниках, проявляются преимущества СТ — здесь проще обеспечить малый зазор в сердечнике и стянуть две его половинки.
Наличие конструктивных элементов у трансформаторов увеличивает их вес и объем против теоретических величин „э“ по (81), (94), (101), особенно при малых мощностях. Поскольку меньше всего этих элементов у ТТ, его вес и габариты вырастают менее, чем у БТ и СТ, и приведенные выше цифры сопоставления этих типов необходимо скорректировать дополнительно на несколько процентов в пользу ТТ.
Перейдем теперь к технологичности различных типов трансформаторов. Наименее технологичным является ТТ. Он имеет два очень существенных недостатка: необходимость последовательного изготовления сердечника и катушек, что удлиняет цикл производства, и низкую производительность при намотке катушек (см. § 12). При этом станки тороидальной намотки значительно сложнее и дороже, чем обычные станки рядовой намотки, и могут использоваться лишь для намотки проводов, диаметр которых не превышает 0,7—2 мм. Последнее обстоятельство ограничивает возможность применения ТТ при мощностях выше 200—400 ва, если исключить ручную намотку катушек. Трудно применить ТТ также и при очень малых мощностях, когда окно сердечника оказывается недостаточным для прохода челнока. Затруднительность намотки ТТ особенно сказывается при частоте 50 Гц, когда число витков катушек весьма велико.
Если говорить о трансформаторах малой мощности на штампованных сердечниках, то самым технологичным должен быть признан БТ. По сравнению с СТ он имеет те достоинства, что требует лишь одну катушку вместо двух. Наличие двух катушек особенно невыгодно в трансформаторах маленьких размеров. Сопоставление БТ и СТ при использовании ленточных сердечников было сделано в § 4.

Технологические вопросы приобретают особое значение при серийном и массовом производстве.
Из всего сказанного ясно, что нельзя однозначно ответить на вопрос, какой же из типов трансформаторов является «абсолютно лучшим». Каждый обладает своими достоинствами и недостатками и должен применяться в зависимости от назначения трансформатора и предъявляемых к нему требований. Сопоставляя эти достоинства и недостатки, можно прийти к следующим рекомендациям по выбору оптимального типа низковольтного трансформатора. Вспомним при этом, что величина падения напряжения практически приобретает значение для меньших мощностей, величина перегрева — для больших.
При необходимости обеспечить минимальные веса и габариты и технологичность в производстве лучшим типом трансформатора средних и больших мощностей является стержневой трансформатор на разъемном ленточном сердечнике.
Для малых мощностей лучшим является броневой трансформатор. Броневой трансформатор нужно предпочесть также при использовании штампованных сердечников. Если рассматривать малые трансформаторы на ленточных сердечниках, то в тех случаях, когда на первое место выдвигаются требования простоты конструкции и ее технологичность, лучшим следует признать однокатушечный стержневой трансформатор.
Если необходимо обеспечить минимальное рассеяние без применения наружных экранов, можно применять тороидальный трансформатор.
Таблица 31
Рекомендуемые области применения различных типов однофазных трансформаторах малой мощности

Виды трансформаторов				На штампованных сердечниках	На ленточных сердечниках
Низковольт ные	Малые			БТ	БТ и 1СТ, СТ
	Средние и большие	гг	50	БТ	СТ
			400	БТ	СТ, ТТ
			>400	БТ, ТТ	ТТ, СТ
Высоковольтные			50	БТ	1СТ и СТ, БТ
			>400	БТ, ТТ	СТ, ТТ
С высоким потенциалом			50	БТ, ТТ	СТ, ТТ
			>400	ТТ, БТ	ТТ, СТ
При необходимости надежного экранирования				ТТ, СТ	ТТ, СТ

Примечание. Первым указывается тип трансформатора, применение которог о предпочтительно.

Упоминаемые в данном параграфе, но не приведенные еще таблицы см. в § 27.

Тороидальный трансформатор целесообразно применять также в тех случаях, когда речь идет о повышенных частотах, требования технологичности отступают на второй план, а веса и габариты должны быть выдержаны минимально возможными.
Использование ТТ тем более рационально, чем выше рабочая частота. Действительно, намоточные работы при этом облегчаются (уменьшается число витков), а потери в разъемном сердечнике по сравнению с тороидальным все более растут (коэффициент увеличения потерь краз по табл. 16). Последнее особенно справедливо для сердечников из сплава типа пермаллоя.
Применение ТТ вполне оправдано там, где не освоено производство разъемных сердечников, значительно более сложное, чем производство тороидальных.
Краткое сопоставление типов высоковольтных трансформаторах малой мощности было сделано в § 4.
В заключение даем сводную табл. 31 рекомендуемых областей применения различных типов однофазных трансформаторах малой мощности
Трехфазные трансформаторы. Сопоставим веса и объемы ЗТ и лучшего из однофазных — СТ при заданном перегреве. Все коэффициенты в (81) и (94) можно считать одинаковыми. Поэтому
или
Вычисливи кэ по формулам, приведенным в § 18—20,
получим, что ЗТ оптимальной геометрии имеет большие вес и объем, чем однофазный трансформатор — при повышенных частотах на 25—15%, при нормальной частоте— на 15—25%. При одинаковом Ди ЗТ имеет худшие показатели, чем лучший однофазный БТ на 30—25%.
Однако по сравнению с тремя однофазными трансформаторами на ту же суммарную мощность один трехфазный окажется более выгодным из-за большей компактности.
Намагничивающий ток у ЗТ при равных индукциях значительно больше, чем у однофазных.