Магнитной системой трансформатора называют комплект пластин из электротехнической стали, собранный в определенной геометрической форме. Ее обычно разделяют на стержни и ярма.
Стержни — это часть магнитной системы, на которой располагаются основные обмотки трансформатора, а ярма соединяют стержни, замыкая магнитную цепь, и обычно не несут обмоток. Различают торцовые и боковые ярма. Ярмо, соединяющее концы двух или нескольких стержней, называют торцовым, а соединяющее оба конца одного и того же стержня — боковым (рис. 11).
Магнитные системы трансформаторов различают: по взаимному расположению стержней и ярм (торцовых и боковых), количеству стержней, способу сборки.
По взаимному расположению стержней и торцовых ярм магнитные системы могут быть плоского или пространственного исполнения. Те, в которых продольные оси всех стержней и ярм расположены в одной плоскости, называют плоскими (рис. 11), а в которых не все оси стержней или ярм в одной плоскости — пространственными (рис. 12).
По взаимному расположению стержней и боковых ярм различают стержневые, бронестержневые и броневые магнитные системы.
У стержневой системы (см. рис. 11, б, в) стержни соединяются только торцовыми ярмами (верхним и нижним) при отсутствии боковых ярм у бронестержневой системы (см. рис. 11, а) один стержень — одним боковым ярмом, у броневой системы (см. рис. 11, г) оба конца одного и того же стержня — не менее чем двумя боковыми ярмами.
Рис. 11. Плоские магнитные системы трансформаторов:
а— бронестержневая с одним стержнем, б — стержневая с двумя стержнями, в — стержневая с тремя стержнями, г — броневая; 1 — стержень, 2 — боковое ярмо, 3 — верхнее и нижнее торцовые ярма, 4 — обмотка
Рис. 12. Пространственная магнитная система:
I — элементы навитой ленточной магнитной системы, 2 — стеклобандаж, скрепляющий составной стержень, 3 — изоляционная прокладка стыка двух частей составного стержня
18. СТЕРЖНЕВЫЕ МАГНИТНЫЕ СИСТЕМЫ
Наиболее распространены плоские стержневые магнитные системы. Стержни этих систем (от одного до трех в зависимости от числа таз и конструкции трансформатора) располагают обычно вертикально (см. рис. 11,б, в). Большинство отечественных трансформаторов имеет стержни и ярма, собранные способом шихтовки; т. е. их собирают из пластин, плоскости которых только параллельны (рис. 13).
Рис. 13. Сечение стержня магнитной системы
Обмотки стержневых магнитных систем имеют цилиндрическую форму, поэтому и форму сечения стержней стремятся приблизить к кругу. Сечения стержней выполняют ступенчатыми, набирая их из пластин и пакетов различной ширины, при этом ступенчатую фигуру сечения вписывают в окружность, диаметр которой равен диаметру стержня.
Отношение площади поперечного сечения стержня к площади круга с диаметром, равным диаметру стержня, называют коэффициентом заполнения площади круга. Это очень важная величина. Чем больше этот коэффициент, тем в меньшем диаметре можно разместить заданное сечение стержня и, следовательно, меньше должны быть диаметр обмоток, масса проводов и потери короткого замыкания. При ступенчатом сечении коэффициент заполнения увеличивают за счет большего числа пакетов, что, однако, повышает трудоемкость изготовления: растет номенклатура пластин, усложняется сборка.
Для уменьшения потерь от вихревых токов пластины стали тщательно изолируют друг от друга. Существует несколько видов электроизоляционных покрытий различной толщины (от 3— 4 до 20—30 мкм). Чем тоньше изоляция, тем больше суммарная площадь селения пластин стали (активное сечение) в поперечном сечении стержня (ярма).
Отношение активного сечения стержня (ярма) к площади его поперечного сечения называют коэффициентом заполнения сечения стержня (ярма). При термостойком покрытии, принятом сейчас для большинства конструкций, коэффициент заполнения сечения стержня (ярма) достигает 0,96, т. е. лишь 4% сечения стержня составляет неактивную часть (не является сталью).
Каждая ступень сечения образуется пакетом (стопой) изолированных пластин одинаковых размеров. Между пакетами при больших диаметрах оставляют один или несколько каналов для охлаждения. У масляных трансформаторов эти каналы делают шириной 5—6 мм, у воздушных — до 20 мм.
Форма сечения торцовых ярм, как правило, повторяет сечение стержня. Исключение составляют один-два крайних пакета, ширину которых обычно увеличивают до ширины соседнего внутреннего пакета. Такое «уширение» крайних пакетов улучшает прессовку и фиксацию ярм магнитной системы.
Стержневые магнитные системы кроме шихтованной конструкции могут быть стыковые и навитые (ленточные).
К стыковым относят магнитосистемы с разъемом в плоскости поперечного сечения стержней; их стержни и ярма собирают отдельно, а затем устанавливают встык по плоскости разъема, как указано на рис. 14, а.
При наличии разъемов облегчается сборка магнитной системы (отдельные элементы устанавливают друг на друга и скрепляют стяжными шпильками) и упрощается насадка обмоток (снимают целиком верхнее торцовое ярмо).
Однако стыковые системы имеют существенные недостатки, определяемые необходимостью точной стыковки пластин ярма и стержня. Всегда возможны какие-то несовпадения, а следовательно, и замыкания пластин в месте стыка (рис. 14, б). Замыкание приводит к циркулирующим токам, а усиленный нагрев стыка может стать причиной аварии трансформатора. Для предупреждения замыкания в месте стыка устанавливают прокладку из прессованного электрокартона или другого изоляционного материала (рис. 14, в). Толщина прокладки должна быть минимальной, поскольку наличие зазора в стыке увеличивает магнитное сопротивление и ток холостого хода.
Рис. 14. Схема стыковки магнитной системы (а) с соединением элементов стержня без прокладки (б) и с изолирующей прокладкой (в):
1 — торцовые ярма, 2 — элементы стержня магнитной системы, 3 — изолирующие прокладки, 4 — пластины элементов стержня
Однако слишком тонкие прокладки ненадежны: ошибки в изготовлении пластин или их небрежная сборка, наличие заусенцев « «гребешков» (выступов пластин) могут привести (в результате вибраций) к разрушению прокладки и замыканию между пластинами.
Стыковые магнитопроводы из-за указанных недостатков почти не используются в трансформаторах, но широко применяются в электрических реакторах.
Шихтованная магнитная система отличается от стыковой тем, что ее стержни и ярма собирают из пластин, не имеющих сплошного стыка в плоскости поперечного сечения. Места стыка пластин в каждом смежном слое смещены друг относительно друга, и пластины собираются (шихтуются) в переплет: каждый стык пластин в одном слое перекрывается сплошными участками в смежных слоях. На рис. 15 видно, что лишь часть магнитного потока проходит через зазор, где сопротивление ему в сотни раз выше, чем в стали, а основная часть — по сплошному участку соседней пластины. Благодаря этому ток холостого хода снижается в несколько раз (по сравнению со стыковой конструкцией).
Сборку (шихтовку) магнитной системы производят в одну или две пластины, т. е. толщина слоя шихтовки равна толщине одной или двух пластин. Наименьший ток холостого хода получается при шихтовке в одну пластину, несколько больший — при шихтовке в две пластины. Дальнейшее увеличение толщины слоя (три и более пластин) нецелесообразно, так как растет площадь стыка и заметно повышается ток холостого хода.
Шихтовка в три пластины более производительна, чем в одну-две пластины, однако этот видимый «выигрыш» обманчив, поскольку завышенная реактивная мощность, определяемая током холостого хода за срок службы трансформатора (25 лет и более), вызовет потери, стоимость которых во много раз превышает экономию на время сборки.
Рис. 15. Схема шихтовки магнитной системы в две пластины. Штриховыми линиями показано направление магнитного потока
В шихтованной магнитной системе стык отдельных пластин ярма и стержня может иметь форму прямую, косую или комбинированную.
У прямого стыка пластины имеют прямоугольную форму (рис. 16, а), у косого — пластины срезаны в месте сочленения под углом (рис. 16,6), у комбинированного — прямые и косые стыки при шихтовке чередуются (рис. 16, г).
Холоднокатаная сталь обладает, как известно, анизотропией (имеет различные магнитные свойства вдоль и поперек прокатки). Для ее экономичного использования необходимо совпадение направлений прокатки и основного магнитного потока, что достигается везде, кроме углов магнитной системы.
При использовании прямого стыка (рис. 16, а) в углах существуют зоны несовпадения направлений прокатки стали и магнитного потока (на рисунке — заштрихованный участок), в которых потери холостого хода (Вт/кг) в 2—2,5 раза превышают потери на участках, где направления прокатки и потока совпадают.
Для уменьшения потерь в углах применяют иногда двухрамную конструкцию магнитной системы с прямым стыком (рис. 16, в). Объем углов в такой конструкции снижается вдвое по сравнению с однорамной, следовательно, в 2 раза уменьшаются и потери в углах.
Зону несовпадения потока и прокатки уменьшают, используя косой срез пластин — косой стык (рис. 16, б). Косым стыком называют место сочленения пластин ярма и стержня, срезанных под углом, близким к 45° к направлению прокатки, т. е. к продольной оси пластины.
Рис. 16. Стыки стержней:
а— прямой, б- косой, в — прямой у двухрамной магнитной системы, г — комбинированный; А — направление прокатки. Заштрихованные участки обозначают зоны несовпадения магнитного потока с направлением прокатки
Перекрытие стыков достигается взаимным смещением пластин смежных слоев по длине, в результате чего один из острых углов («ус») каждого слоя выступает над ярами (рис. 17, в). Во избежание травм при сборке острый конец «уса» обрезают.
Пластины с косым стыком могут иметь сложную конфигурацию (рис. 17, а, б), их изготовление требует специального оборудования, а сборка магнитной системы с ними более трудоемка, чем при прямом стыке, но косой стык снижает потери холостого хода на 15—25%, поэтому его широко применяют.
Несколько большие потери холостого хода получаются в магнитной системе с комбинированным стыком. Схемы шихтовки с комбинированным стыком на крайних стержнях (I положение) и прямым на среднем стержне (II положение) были показаны на рис. 16, г.
Как видно из рисунка, пластины имеют сравнительно простую форму; смежные слои при шихтовке смещать не обязательно, «усы» отсутствуют; шихтовка лишь немногим сложнее, чем с пластинами, имеющими прямой стык.
В последние годы для трансформаторов небольшой мощности начали применять навитые (ленточные) магнитные системы из «непрерывной» стальной ленты без стыков. Название они получили по способу изготовления: их навивают (наматывают) из стальных лент соответствующей ширины.
Рис. 17. Магнитная система трехфазного трансформатора с косым стыком пластин (а — над крайним стержнем, б — над средним стержнем) и схема шихтовки (в):
1, 4 — пластины крайнего и среднего стержней, 2 — верхнее ярмо, 3 — прессующее кольцо, 5 — устройство для подъема, 6 — обмотка ВН, 7 — «ус»
