§ 1. Работа однофазного трансформатора вхолостую.

Трансформаторами в электротехнике называют такие аппараты, Б которых электрическая энергия переменного тока от одной неподвижной катушки из проводника передается другой неподвижной же катушке из проводника, не связанной с первой электрически. Звеном, передающим энергию от одной катушки другой, является магнитный поток, сцепляющийся с обеими катушками и непрерывно меняющийся по величине и по направлению.

На рис. 1а изображен простейший трансформатор, состоящий из двух катушек / и /7, расположенных коаксиально одна над другой. К катушке I подводится переменный ток от генератора переменного тока Г; эта катушка называется первичной катушкой или первичной обмоткой. С катушкою II, называемой вторичной катушкой или вторичной обмоткой, соединяется цепь ской энергии.

Действие трансформатора заключается в следующем. При прохождении тока в первичной катушке I ею создается магнитное поле, силовые линии которого пронизывают не только создавшую их катушку, но частично и вторичную катушку . Примерная картина распределения силовых линий, создаваемых первичною катушкою, изображена на рис. lb. Как видно из рисунка, все силовые линии замыкаются вокруг проводников катушки 7, но часть их (на рис. lb силовые линии 1, 2, 3, 4) замыкаются также вокруг проводников катушки II. Таким образом катушка является магнитно связанной с катушкою I при посредстве магнитных силовых линий. Степень магнитной связи катушек / и , при коаксиальном располо-

Рис. 1.

с приемниками электриче-

жении их, зависит от расстояния между ними: чем дальше катушки друг от друга, тем меньше магнитная связь между ними, ибо тем меньше силовых линий катушки / сцепляется с катушкою . Так как через катушку / проходит, как мы предполагаем, переменный ток, т. е. ток, меняющийся во времени по какому-то закону, например по закону синуса, то и магнитное поле, им создаваемое, также будет меняться во времени по тому же закону. Например, когда ток в катушке / проходит через наибольшее значение, то и магнитный поток, им создаваемый, также проходит через наибольшее значение; когда ток в катушке / проходит через нуль, меняя свое направление, то и магнитный поток проходит через нуль, также меняя Свое направление. В результате изменения тока в катушке / обе катушки / и Я пронизываются магнитным потоком, непрерывно меняющим свою величину и свое направление. Согласно основному закону электромагнитной индукции при всяком изменении пронизывающего катушку магнитного потока в катушке индуктируется переменная электродвижущая сила. В нашем случае в катушке / индуктируется электродвижущая сила самоиндукции, а в катушке индуктируется электродвижущая сила взаимоиндукции.

Если концы катушки соединить с цепью приемников электрической энергии (см. рис. 1а), то в этой цепи появится ток; следовательно приемники получат электрическую энергию. В то же время к катушке / от генератора направится энергия, почти равная энергии, отдаваемой в цепь катушкой . Таким образом электрическая энергия от одной катушки будет передаваться в цепь второй катушки, совершенно не связанной с первой катушкой гальванически (металлически). Средством передачи энергии в этом случае является только переменный магнитный поток.

Изображенный на рис. 1а трансформатор весьма несовершенен, ибо между первичной катушкой / и вторичной катушкой магнитная связь невелика.

Магнитная связь двух обмоток, вообще говоря, оценивается отношением магнитного потока, сцепляющегося с обеими обмотками, к потоку, создаваемому одной катушкой.

Из рис. lb видно, что только часть силовых линий катушки / замыкаетсявокруг катушки . Другая часть силовых линий (на рис. lb- линии 6, 7, 8) замыкается только вокруг катушки /. Эти силовые линии в передаче электрической энергии от первой катушки ко второй совершенно не участвуют, они образуют так называемое поле рассеяния.

Для того чтобы увеличить магнитную связь между первичной и вторичной обмотками и одновременно уменьшить магнитное сопротивление для прохождения магнитного потока, обмотки технических трансформаторов располагают на совершенно замкнутых железных сердечниках.

Рис. 2.

Первым примером выполнения трансформаторов может служить схематически изображенный на рис. 2 однофазный трансформатор так называемого стержневого типа. У него первичные и вторичные катушки Cj и расположены на железных стержнях а - а, соединенных с торцов железными же накладками b - b, называемыми ярмами. Таким образом два стержня а, а и два ярма Ь, b образуют замкнутое железное кольцо, в котором и проходит магнитный поток, сцепляющийся с первичной и вторичной обмотками. Это железное кольцо называется сердечником трансформатора.

Вторым примером выполнения трансформаторов может служить схематически изображенный на рис. 3 однофазный трансформатор так называемого броневого типа. У этого трансформатора первичные и вторичные обмотки с, состоящие каждая из ряда плоских катушек, расположены на сердечнике, образуемом двумя стержнями двух железных колец а к Ь. Кольца а и Ь, окружая обмотки, покрывают их почти целиком как бы бронею; поэтому описываемый трансформатор и называется броневым. Магнитный поток, проходящий внутри обмоток с, разбивается на две равные части, замыкающиеся каждое в своем железном кольце.

Применением железных замкнутых магнитных цепей у трансформаторов добиваются значительного снижения потока рассеяния. У таких трансформаторов потоки, сцепляющиеся с первичною и вторичною обмотками, почти равны друг другу. Предполагая, что первичная и вторичная обмотки пронизываются одним и тем же магнитным потоком, мы можем на основании общего закола индукции для мгновенных- значений электродвижущих сил обмоток написать выражения:

Рс. 3-

е, = -

dt dt

10 * вольт;

10 * вольт.

В этих .выражениях Wi и а', -числа витков первичной и вторичной обмоток, а йФ - величина изменения пронизывающего ка-TjmiKH магнитного потока за элемент времени dt; следовательно

бсть скорость изменения магнитного потока.

Из последних выражений можно получить следующее отнощ-е-ние:

т. е. индиктируемые в первичной, и вторичной катушках / и 7/мгновенные электродвижущие силы относятся друг к другу так же, как числа витков катушек. Последнее заключение справедливо не только по отношению к мгновенным значениям электродвижущих сил, но и к их наибольшим и действующим значениям.

Электродвижущая сила, индуктируемая в первичной, катушке, будучи электродвижущей силой самоиндукции, почти целиком уравновешивает приложенное к той же катушке напряжение (см. далее). Если через Ei и обозначить действующие значения электродвижущей силы первичной катушки и приложенного к ней напряжения, то можно написать:

Электродвижущая сила, индуктируемая во вторичной катушке, равна в рассматриваемом случае напряжению на концах этой катушки. Если, аналогично предыдущему, через Е^ и обозначить действующие значения электродвижущей силы вторичной катушки и напряжения на ее концах, то можно написать:

Следовательно, приложив к одной катушке трансформатора некоторое напряжение, можно на концах другой катушки получить любое напряжение, стоит только взять подходящее отношение между числами витков этих катушек. В этом и заключается основное свойство трансформатора.

Отношение числа витков.первичней обмотки к числу витков вторичной обмотки называется коэфициентом трансформации трансформатора. Коэфициент трансформации мы будем обозначать в дальнейшем буквою и.

Следовательно можно написать:

Е - К,

отношение электродвижущих сил первичной и вторичной обмоток трансформатора равно коэфици-енту трансформации.

Трансформатор, у которого коэфициент трансформации меньше единицы,назычается повышающим трансформатором, ибо у него напряжение вторичной обмотки, или так называемое вторичное напряжение, больше напряжения первичной обмотки, или Так называемого первичного напряжения. Трансформатор, у которого коэфициент трансформаций больше единицы, называется понижающим трансформатором, ибо у него вторичное напряжение меньше первичного.

Величины коэфициентов трансформации по ОСТу 4815 для трансформаторов разных мощностей см. в конце книги Приложения .

§ 2. Работа однофазного трансформатора под нагрузкою.

При холостой работе трансформатора магнитный поток создается током первичной обмотки или, вернее, магнитодвижущей силой первичной обмотки, равной 0,4 irД tWj, где / - ток в обмотке, а Wi - число ее витков. Так как магнитная цепь трансформатора выполняется из железа и потому имеет небольшое магнитное сопротивленне, а число витков первичной обмотки берется обычно большим, то ток холостой работы трансформатора невелик; он составляет 5-107о нормального (см. далее).

Если замкнуть вторичную обмотку на какое-либо сопротивление, то с появлением тока во вторичной обмотке появится и магнитодвижущая сила этой обмотки.

Согласно закону Ленца магнитодвижущая сила вторичной обмотки действует против магнитодвижущей силы первичной обмотки.

Казалось бы, что магнитный поток в этом случае должен уменьшаться, но если к первичной обмотке подведено постоянное по величине напряжение, то уменьшения магнит,юго потока почти не произойдет. В самом деле, электродвижущая сила, индуктируемая в первичной обмотке, при нагрузке трансформатора nj4TH равна приложенному напряжению (см. далее, § 23). Эта электродвижущая сила пропорциональна магнитному потоку. Следовательно, если первичное напряжение постоянно по величине, то и электродвижущая сила при нагрузке должна остаться почти той же, какой она была при холостой работе трансформатора. Это обстоятельство имеет следствием почти полное постоянство магнитного потока при любой нагрузке.

при постоянном по величине первичном напряжении магнитный поток трансформатора почти не меняется с изменением нагрузки и может быть принят равным магнитному потоку при холостой

работе.

Магнитный поток трансформатора может сохранить свою величину при нагрузке лишь потому, что с появлением тока во вторичной обмотке увеличивается и ток в первичной обмотке и при том настолько, что разность магнитодвижущих сил или ампер-

витков первичной и вторичной обмоток остается почти равной магнитодвижущей силе или ампервиткам при холостой работе. Таким образом появление во вл-оричной обмотке размагничивающей магнитодвижущей силы или ампервитков сопровождается автоматическим увеличением магнитодвижущей силы первичной обмотки.

Так как для создания магнитного потока трансформатора требуется, как было указано выше, небольшая магнитодвижущая сила, то можно сказать, что увеличение вторичной магнитодвижущей силы сопровождается почти таким же по величине увеличением первичной магнитодвижущей силы. Это значит, что если при каком-либо токе во вторичной обмотке 1 магнитодвижущая сила ее равна Q,A-rIw, где - число витков вторичной обмотки, то можно сказать, что с большим приближением она равна магнитодвижущей силе первичной о'бмотки 0,4т:/, tw где /, - ток в первичной обмотке при токе во вторичной обмотке, & w - число витков первичной обмотки.

Следовательно, можно написать:

или

Из последнего равенства получается вторая основная характеристика трансформатора, а именно, отношение:

и

где и - коэфициент трансформации. Таким образом

отношение токов первичной и вторичной обмоток транэформатора равно единице, деленной на его коэфициент трансформации.

Итак, основные характеристики трансформатора заключаются в отношениях:

и

Если перемножить левые части отношений между собой и правые части между собой, то получим

или

Последнее равенство дает третью характеристику трансформатора, которую можно выразить словами так:

отдаваемая вторичной обмоткой трансформатора мощность в вольт-амперах, почти равна мощности, подводимой к первичной обмотке также в вольт-амперах.

Если пренебречь потерями энергии в меди обмоток и в железе сердечника трансформатора, то можно сказать, что вся мощность, подводи.иая к первичной обмотке трансформатора от источника энергии, передается вторичной обмотке его, причем передатчиком служит магнитный поток. В этом отношении трансформатор можно уподобить механической зубчатой передаче, почему коэфициент трансформации называется иногда передаточным числом.

§ 3. Принцип действия и устройства трехфазных трансформаторов.

Трехфазный ток можно трансформировать тремя совершенно отдельными однофазными тЬансформаторами (см. дальше). В этом случае обмотки всех трех фаз магнитно н£ связаны друг с другом: каждая фаза имеет свою магнитную,.л:епь. Но тот же трехфазный ток можно трансформировать и .©Дним трехфазным трансформатором, у которого обмотки всех трех фаз магнитно связаны между собою, так как имеют общую магнитную цепь.

Чтобы уяснить себе принцип действия и устройства трехфазного трансформатора, представим себе три однофазных трансформатора, приставленных один к другому так, что три стержня их образуют один общий центральный стержень (рис. 4). На каждом из остальных трех стержней наложены первичные и вторичные обмотки (на рис. 4 вторичные обмотки не изображены).

Предположим, что первичные катушки всех стержней совершенно одинаковы и намотаны в одном направлении (на рис. 4 первичные катушки намотаны по часовой стрелке, если смотреть на них сверху). Соединим все верхние концы катушек в нейтраль О, а нижние концы катушек подведем к трем зажимам трехфазной сети. Токи в катушках создадут переменные во времени магнитные потоки, которые будут замыкаться каждый в своей магнитной цепи. В центральном составном стержне магнитные потоки сложатся и в сум,ме дадут нуль, ибо эти потоки создаются симметричными трехфазными токами, относительно которых мы знаем, что сумма мгновенных значений их равна нулю в любой момент времени. Например, если бы в катушке АХ ток /, был наибольший и проходил в указанном на рис. 4 направлении, то магнитный поток был бы равен наибольшему своему значению Ф и был направлен в центральном составном стержне сверху вниз. В двух других ка-

Рис. 4.

тушках BY к CZтоки /. и 4 в тот же момент времени равны половине наибольшего тока и имеют обратное направление по отношению

к току в катушке АХ (таково свойство трехфазных токов). По этой причине в стержнях катушек/К и CZ магнитные потоки будут равны половине наибольшего потока и в центральном составном стержне будут иметь обратное направление по отношению к потоку катушки АХ. Сумма потоков в рассматриваемый момент равна нулю. То же самое имеет место и для любого другого момента. Отсутствие потока в центральном стержне не означает отсутствия потоков в остальных стержнях. Если бы мы уничтожили центральный стержень, а верхние и нижние ярма соединили в общие ярма (см. рис. 5), то поток катушки АХ нашел бы себе путь через сердечники катушек BY и CZ, причем магнитодвижу-г^з силы этих катушек сложились бы с магнитодвижущей силой катушки АХ. В таком случае мы получили бы трехфазный трансформатор с общей магнитною цепью всех трех фаз.

Так как токи в катушках смещены по фазе на Д периода, то и создаваемые ими магнитные потоки также смещены во времени на 7з периода, т. е. наибольшие значения магнитных потоков в стержнях катушек следуют друг за другом через /з периода. Следствием сдвига по фазе магнитных потоков в сердечниках на /з периода является такой же сдвиг по фазе и электродвижущих сил, индуктируемых как в первичных, так и во вторичных катушках, наложенных на стержнях. Электродвижущие силы первичных катушек почти уравновешивают приложенное трехфазное напряжение. Электродвижущие силы вторичных катушек при правильном соединении концов катушек дают трехфазное вторичное напряжение, которое подается во вторичную цепь.

В отношении конструкции магнитной цепи трехфазные трансформаторы, как и Однофазные, разделяются на стержневые и броневые. Стержневые трансформаторы подразделяются на: а) трансформаторы с симметричной магнитной цепью и Ь) трансформаторы с несимметричной магнитной цепью. На рис. 6 схематически изображен стержневой трансформатор с симметричной магнитной цепью, а на рис. 7 изображен стержневой трансформатор с несимметричной магнитной цепью. Как видно из

Рис. 5.

рисунков, оба трансформатора состоять

из трех железных стерж-

TI ir IIII

III i 11

I! 11

1-J-rJ

ней 1, 2 и 3, схваченных сверху и снизу железными накладками-ярмами. На каждом стержне находятся первичная I и вторичная II катушки одной фазы.

У первого трансформатора стержни расположены по вершинам углов равностороннего треугольника; у второго трансформатора стержни расположены в одной плоскости.

Расположение стержней по вершинам углов равностороннего треугольника дает равные магнитные сопротивления для магнитных потоков всех трех фаз, так как пути прохождения этих потоков одинаковы. В самом деле, магнитные потоки трех фаз проходят каждый в отдельности через один вертикальный стержень полностью и через два других стержня но половине. На рис. 6 пунктиром изображены пути замыкания магнитного потока фазы стержня 2. \Ц Легко видеть, что для \ потоков фаз стержней 7 и 3 пути замыкания их магнитных потоков совершенно одинаковы. Это ! j Iii значит, что у рассматри- Ц iLLii. ваемого трансформатора магнитные сопротивления для потоков равны между собою.

Расположение стержней в одной плоскости приводит к тому, что магнитное сопротивление для потока средней фазы

(на рис. 7 для фазы стержня 2) меньше, неже-Рис. 6. ли для потоков крайних фаз (на рис. 7-для

фаз. стержней 1 и 5). Действительно магнитные потоки крайних фаз проходят по несколько более длинным путям, чем поток средней фазы. Кроме того, поток крайних фаз, выйдя из своих стержней, проходит в одной половине ярма полностью, и только в другой половине (после ответвления в средний стержень) проходит его половина. Поток же средней фазы по выходе из вертикального стержня тотчас же разветвляется на две половины, и потому в обеих частях ярма проходит лишь половина потока средней фазы. Таким образом потоки коайних фаз насыщают ярмо в большей степени, чем поток средней фазы, а потому магнитное сопротивление для потоков крайних фаз больше, чем для потока средней фазы.

Рис. 7.

Следствием неравенства магнитных сопротивлений для потоков разных фаз трехфазного трансформатора является неравенство токов холостой работы в отдельных фазах при одном и том же фазном напряжении.

г lillllllll т

Однако при небольшой насыщенности железа ярма и хорошей сборке железа стержней это неравенство токов незначительно. Так как конструкция трансформаторов с несимметричной магнитной цепью значительно проще, чем трансформатора с симметричной магнитной цепью, то первые трансформаторы и нашли себе преимущественное применение. Трансформаторы с симметричною магнитною цепью встречаются редко.

Рассматривая рис. 6 и 7 и предполагая, что во всех трех фазах проходят токи, легко видеть, что все фазы магнитно связаны друг с другом. Это значит, что магнитодвижущие силы отдельных фаз влияют друг на друга, чего мы не имеем, когда трехфазный ток трансформируется тремя однофазными трансформаторами.

Вторую группу трехфазных трансформаторов составляют броневые трансформаторы. Броневой трансформатор можно рассматривать как бы состоящим из трех однофазных броневых трасформаторов, приставленных один к другому своими ярмами.

На рис. 8 схематически изображен броневой трехфазный трансформатор с вертикально расположенным внутренним стержнем. Легко видеть из рисунка, что плоскостями АВ и CD он может быть разбит на три однофазных броневых трансформатора, магнитные потоки которых могут замыкаться каждый по своей магнитной цепи. Пути прохождения магнитных потоков на рис. 8 указаны пунктирными линиями. Как видно из рисунка, в средних вертикальных стержнях а, на которых наложены первичная I и вторичная II обмотки одной фазы, проходит полный поток, тогда как в ярмах b-b и боковых стенках проходит по половине пОтока. При одной и той же индукции сечения ярма и боковых стенок должны быть вдвое меньше сечения среднего стержня а.

Что касается магнитного потока в промежуточных частях с-с, то его величина, как мы увидим далее, зависит от способа включения средней фазы.

Броневые трансформаторы широко распространены в Америке. В Европе они встречаются значительно реже.

Главным преимуществом броневых трансформаторов перед стержневыми трансформаторами являются короткие пути замыкания магнитных потоков, а следовательно, небольшие токи холостой работы. К недостаткам броневых трансформаторов можно отнести, во-первых, малую доступность обмоток для ремонта, в виду того, что они окружены железом, и, во-вторых, худшие условия охлаждения обмотки -по той же причине. У стержневых трансформаторов обмотки почти целиком открыты и потому более доступны для осмотра и ремонта, а также и для охлаждающей среды.

Рис. 8.

§ 4. Вопросы для самопроверки.

1. Что представляет собою трансформатор?

2. На каком явлении основана работа трансформатора?

3. Из каких частей состоит трансформатор?

4. Как устроены стержневой и броневой трансформаторы?

5. Какова роль сердечника у трансформатора?

6. Что такое коэфициент трансформации?

7. Почему магнитный поток трансформатора остается почти постоянным при постоянном напряжении?

8. Первичное напряжение V, = 100 V; число витков первичной обмотки Wi = 100; сколько витков должна иметь вторичная обмотка при вторичном напряжении 2000 V? Чему равен вторичный ток, если первичный ток /, = 100 А?

9. Как устроен трехфазный трансформатор стержневой и броневой?

ГЛАВА ВТОРАЯ.

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О КОНСТРУКЦИИ ТРАНСФОРМАТОРОВ; СЕРДЕЧНИКИ ТРАНСФОРМАТОРОВ.

§ 5. Железо для сердечников.

Сердечники трансформаторов набираются из отдельных листов железа, толщиною 0,5 или 0,35 мм, изолированных друг от друга тонкой папиросной бумагой или лаком. Листовое железо, идущее на изготовление сердечников трансформаторов, должно обладать, во-первых, хорошей магнитной проницаемостью, чтобы намагничивающий ток был невелик, во-вторых, относительно большим удельным омическим сопротивлением, чтобы токи Фуко в нем были возможно меньше, и, в-третьих, малой задерживающей или коор-цетивной силой, чтобы потери на гистерезис были невелики.

Таким условиям до известной степени удовлетворяет мягкое отожженное железо с примесью кремния, так называемое легированное железо.

В трансформаторостроении обычно применяют средне-легированное и сильно-легированное железо. Средне-легированное железо содержит около 27о кремния, а сильно-легированное - около 47о-Если сравнить легированное железо с обыкновенным динамным железом, не содержащим кремния или содержащим лишь следы кремния (до 0,17 ),то можно констатировать, что средне-легированное железо при индукции 5= 18000 гауссов и частоте перемаг-ничения /=50 Hz имеет потери почти на 307о меньше, чем ди-намное железо, хотя намагничивающие ампервитки при тех же значениях индукции и частоте у средне-легированного железа на 10-11*/о больше, чем у динамного железа.

Сильно-легированное железо при индукции 5 = 18 000 гауссов и частоте перемагничения /=50 Hz имеет потери почти на 507о меньшие, а намагничивающие ампервитки на 457о большие, чем Динам-

ное железо. Увеличение намагничивающих ампервитков с увеличением содержания кремния в железе есть характерное влияние кремния на железо. В общесоюзном стандарте (ОСТ 377), обязательном с 1 июля 1929 г., на железо, применяемое в динамостроении и трансформаторостроении СССР, устанавливаются три марки, причем железо названо сталью, в виду наличия в нем кремния. Эти марки следующие:

a) Ст. Д -сталь листовая динамная,

b) Ст. С - сталь динамная специальная,-

c) Ст. Т - сталь листовая трансформаторная.

Таким образом по общесоюзному стандарту предусматривается один сорт трансформаторной стали.

Магнитные свойства стали указанных марок определяются по стандарту следующими техническими условиями.

а) Магнитная индукция.

Магнитная индукция электротехнической стали для определенных значений намагничивающих ампервитков на 1 см должна быть не ниже величин, указанных в таблице 1.

ТАБЛИЦА I.

От указанных величин магнитной индукции допускаются отклонения в сторону уменьшения не более, чем в 50 гауссов (ср. с кривой намагничения трансформаторного железа, приводимой на рис. 72).

б) Потери на гистерезис и на токи Фуко.

Потери энергии в стали на гистерезис и.на токи Фуко, измеренные при максимальной индукции, равной 10000 и 15 000 гауссов при частоте тока 50 Hz и при синусоидальной форме кривой приложенного напряжения, не должны превосходить величин, указанных в таблице 2.

ТАБЛИЦА 2.

Из таблицы 1 видно, что при 100 ампер-витков на см динамная сталь Ст. Д дает индукцию 17 800 гауссов, тогда как трансформаторная сталь Ст. Т дает индукцию всего 16500 гауссов. Следовательно, при одной и той же индукции, трансформаторная сталь потребует большее число ампервитков на 1 см.

Из таблицы 2 видно, что потери в трансформаторной стали Ст. Т-0,35 при индукции 15 000 гауссов составляют 3,3 W/кг, тогда как потери в динамной стали Ст. Д, при той же индукции, составляют 7,9 W/Kz, т. е. почти в 2,5 раза больше. Помимо того, что легированное железо имеет почти в 2,5 раза меньшие потери сравнительно с динамным железом, оно обладает также значительно меньшей способностью к старению , т. е. способностью давать увеличение потерь на гистерезис и токи Фуко с течением времени. После 500 часов работы легированное железо понижает свои магнитные свойства в отношении потерь всего на 3-47о в сравнении с б-87о у обыкновенного динамного железа. Согласно общесоюзному стандарту повышение магнитных потерь вследствие старения определяется следующими величинами:

для марки Ст. Д не более б*/ Ст. С не 3,5Vo Ст. Т не 27о

Следует отметить, что в Германии удалось получить трансфер матерное железо с потерями: lW/кг при индукции 10000 гауссов и 2,45 W/KZ при индукции 15000 гауссов.

Трансформаторная сталь, как и динамная, изготовляется в виде листов определенных размеров. Общесоюзным стандартом установлены размеры листовой стали 1000X2000 жж и 750X 1500 жж для всех марок. Листовая сталь марки Т изготовляется толщиною 0,35 и 0,5 мм, а листовая сталь остальных марок -только толщиною 0,5 мм.

От этих величин допускаются следующие отклонения:

а) в длине и ширине отдельных листов d=5Vo>

б) в толщине отдельных листов ±107о.

§ 6. Форма сечения частей сердечника.

Поперечное сечение той части сердечника трансформатора, на которую насаживаются катушки обмоток и которую в дальнейшем будем называть стержнем или к е р н о м, выбирается так, чтобы катушки имели наименьший периметр (в целях экономии меди). При одной и той ж§ площади сечения круглое сечение стержня имеет меньший периметр, чем прямоугольное сечение. Отношение периметра круглого сечения к периметру квадратного сечения, при одной и той же площади, равно 0,88. Кроме того, как будет показано ниже, круглые катушки более прочны при коротких замыканиях. Казалось бы, что стержням трансформатора следовало бы придавать круглое сечение. Так как, однако, стержни трансформатора набираются из пластин листового железа, то выполнение сердечника с круглым сечением было бы весьма затруднительно; в этом случае пришлось бы резать пластины постепенно уменьшаю-

щейся ширины. Чтобы все же приблизить сечение стержней сердечника к круглому сечению, эти стержни собираются из отдельных пакетов пластин разной ширины, которые в совокупности дают стержень, приближающийся к цилиндрическому.

Степень приближения сечения стержня к круглому в зависимости от мощности трансформатора берется неодинаковой. У трансформаторов средней мощности сечение стержня берется обычно кре-

\-0,5ZecH.

Рис. 9.

стообразное с примерными размерами, указанными на рис. 9а; при этих размерах получается наилучшее использование площади описанного вокруг сечения круга с диаметром d. Часто, однако, отступают от приведенных на рис. 9а наивыгоднейших размеров, придавая стержню менее ясно выраженное крестообразное сечение, приближающееся к прямоугольному (рис. 9Ь); получающиеся углы в стержне используются для установки распорных вставок, удерживающих на

месте обмотку. Трансформаторы большой мощности имеют сечение стержня, весьма приближающееся к круглому (рис 9с).

С целью охлаждения при больших сечениях внутри сердечников оставляют каналы, собирая сердечники из пакетов разной ширины. На рис. Рис. 10. 10 изображены сечения

сердечников с каналами для охлаждения. У первого сердечника (рис. 10а) каналы идут вдоль листов железа, у второго сердечника (рис. 10b) -поперек листов железа. Наиболее интенсивное охлаждение получается при расположении каналов поперек листов железа, так как поток тепла, получающегося в железе, в этом случае направляется вдоль листов, а не поперек листов как в первом случае, когда этому потоку приходится проходить через изоляцию между листами.

Условия производства заставляют, однако, располагать каналы для охлаждения вдоль листов железа. Надлежащее расстояние между пакетами стержня обеспечивается подходящими распорками,

не мешающими прохождению охлаждающей среды (обычно масла).

Во многих случаях экономия меди, получающаяся при круглом сечении, уступает иногда место простоте и более дешевой конструкции стержней с прямоугольным сечением. При прямоугольном сечении стержней пластины железа получают одинаковую ширину, что упрощает их резку. Сборка стержней с прямоугольным сечением также облегчается.

Так как периметр прямоугольного сечения, при одной и той же величине сечения, больше периметра круглого сечения, то поверхность охлаждения обмотки при прямоугольном сечении сердечника получается больше, чем при круглом сечении. Последнее обстоятельство также говорит в пользу прямоугольного сечения стержня. Однако выполнение прямоугольной обмотки, а также укрепление ее на стержнях более затруднительно, чем цилиндрической обмотки; на прямых участках проводники легко выпучиваются и не ложатся параллельно. Изгибы проводников на углах могут вызвать порчу изоляции.

Цилиндрические катушки более совершенны, чем прямоугольные; их механическая прочность превосходит механическую прочность прямоугольных

катушек.

С другой стороны при цилиндрических катушках расстояние между соседними стержнями больше, чем при прямоугольных катушках, а это имеет следствием увеличение объема железа ярма. В тех случаях, когда экономия меди в катушках и механическая прочность последних не играют особой роли, что 11;леет место, например, у стержневых трансформаторов небольшой мощности, предпочитают применять стержни с простейшим прямоугольным сечением. В тех же случаях, когда экономия меди по абсолютной величине довольно велика и от катушек требуется особая механическая прочность, что имеет место, например, у трансформаторов большой мощности, подверженных частым коротким замыканиям, применяют обычно стержни круглого сечения.

Что касается ярма, то оно выполняется обычно с прямоугольным сечением в целях упрощения сборки и удешевления всей коу-струкции сердечника; часто встречаются, однако, сечения ярма Т-образные (у трансформаторов небольшой мощности).

Следует отметить, что при оценке конструкции сердечников трансформаторов основываются не на одном только отношении площади поперечного сечения сердечника к площади поперечного сечения, обнимаемого катушкою, в предположении, что она непосредственно насажена на сердечник. У крестообразных и ступенчатых сечений за последнюю площадь принимают площадь окружности, описанной вокруг сечения сердечника и касающейся его внешних граней (на рис. 9 - окружности с диаметром d). Дело в том, что в полное сечение стержня входит не только железо, но и изоляция между пластинами железа, а также иногда и каналы для

охлаждения (см. рис. 10). Поэтому, оценивая сердечники трансформатора, говорят часто об отношении площади поперечного сечения только одного железа, проводящего магнитный поток, к площади поперечного сечения, обнимаемого катушкою, в предположении непосредственной насадки ее на сердечник (обычно между катушкою и стержнем имеется изоляционная прослойка). Это отношение называют коэфициентом заполнения железом сечения сердечника.

При толщине изоляционной бумаги между листами железа около 0,04 мм и толщине железа 0,35 мм бумага занимает примерно lOVo длины сечения сердечника, взятой поперек листов железа. Следовательно, если бы сердечник и надвинутая на него катушка имели прямоугольное сечение и сердечник не имел бы каналов для охлаждения, то коэфициент заполнения сечения сердечника железом был бы равен 907о. Это и есть наибольший возможный коэфициент заполнения, У KpecTOodipasHoro сердечника без каналов для охлаждения коэфициент заполнения равен примерно 707в; У двухступенчатого сечения (без каналов) коэфициент заполнения равен примерно 747о.

У сердечников с каналами для охлаждения коэфициент заполнения железом снижается до 55-707о-

Путем применения для трансформаторов железа толщиною 0,5 мм и замены бумажной изоляции лакировкой коэфициент заполнения железом сечения сердечника удалось повысить до 807о. Увеличение козфициента заполнения с 707о. До 807о имеет следствием экономию меди по крайней мере на Г07о.

§ 7. Общая конструкция сердечников однофазных трансформаторов.

Сердечники однофазных и трехфазных трансформаторов конструируются обычно таким образом, чтобы катушки обмоток можно было изготовлять отдельно на особых станках и затем пускать их в сборку в готовом виде. С этой целью пластины железа сердечников режутся вполне определенной формы и собираются определенным способом. Форма пластин железа диктуется еще и тем, чтобы при нарезке их из листов железа стандартных размеров получилось возможно меньше отходов. Что касается способа сборки пластин, то он должен обеспечить наименьшее магнитное сопротивление сердечников; только при этом условии намагничивающий ток трансформатора будет небольшим. У маломощных трансформаторов (например, у звонковых трансформаторов), у которых намагничивающий так, вообще говоря, относительно велик, сердечник набирается часто из неразрезанных пластин. Катушки наматываются в этом случае вручную на готовый сердечник.

Примером связи частей сердечника в притык может служить сердечник однофазного трансформатора стержневого типа, изображенный на рис. И. Как видно из рисунка, сердечник составляется из двух отдельных стержней (керн) и двух ярем, которые тем или

Железные листы иногда покрываются при высокой температуре эмалью, которая оказывается стойкой против действия нагретого масла.

иным способом к ним притягиваются. Как стержни, так и ярмт набираются независимо друг от друга.

У мощных трансформаторов сердечники собираются из нарезанных пластин железа, причем отдельные части сердечника (ярмо и стержни) связываются друг с другом или в притык или же в нахлестку .

Для того чтобы при сборке получить правильное положение стержней относительно каждого ярма, у мощных трансформаторов применяются цапфы (на рис. 10 изображены пунктиром), которые входят в углубления, имеющиеся в ярмах и в стержнях. Цапфы изготовляются из не проводящих электрический ток материалов, во избежание металлического соединения листов железа друг с другом и появления больших токов Фуко, Для уменьшения токов Фуко в сердечнике прокладывают иногда в местах стыка стержней и ярма прессшпан, асбестовую бумагу или не растворимый в масле миканит. Назначение этих прокладок заключается в изолировании пластин железа ярма от пластин стержней, так как трудно смонтировать сердечник так, чтобы пластины ярма являлись продолжением пластин стержня. В том случае, когда пластины ярма в месте стыка попадают между плас-нарушается изоляция последних друг от друга, что влечет за собою увеличение токов Фуко. Так как сборка сердечников в притык допускает изготовление частей сердечника каждой в отдельности и монтаж Этих частей несложен, то такой метод сборки и применяется весьма часто у мощных и стер <не-вых трансформаторов.

При выполнении связи частей сердечника в нахлестку ( в набор , в переплет , или шихтовкой) пластины одной части, например стержня, переплетаются с пластинами другой части, например ярма, образуя в месте соединения слой из пластин, принадлежащих поочередно одной и другой части. Рис. 12 дает ясное представление о соединении листов железа в нахлестку.

Примером выполнения сердечника однофазного трансформатора стержневого типа в нахлестку может служить сердечник, изображенный на рис. 13. Этот сердечник собирается из чередующихся друг с другом слоев а и из которых каждый содержит пластины только двух размеров. При наложении одного слоя на другой места

тинами стержня.

и

стыков пластин одного слоя покрываются пластинами другого слоя. Примером выполнения сердечника однофазного трансформатора броневого типа в нахлестку может служить сердечник, изображенный на рис. 14. Сердечник состоит из двух частей, причем каждая часть составляется из двух пар одинаковых пластин 1- и 2-2. Отдельные слои пластин накладываются друг на друга таким образом, что стыки одного слоя перекрываются пластинами следующего слоя.

В виду того, что сердечники, набранные в нахлестку, требуют несколько меньший намагничивающий ток и меньше гудят при неудовлетворительной сборке, чем сердечники, набранные в притык, в настоящее время имеется тенденция сердечники больших трансформаторов стержневого типа выполнять также в, нахлестку.

Своеобразную конструкцию имеет сердечник у так называемого Берри-трансформатора броневого типа, схематически изображен-

Рис. 13.

Рис. 14.

Рис. 15а.

Рис. 15Ь.

НОГО на рис. 15а. Как видно из рисунка, сердечник этого тоанс-форматора состоит из ряда колец Ц., охватываюСх

кольцевые обмотки высокого и низкого напряжения В ч Н равномерно по всему их периметру,

Анологичную, но более упрощенную конструкцию имеет сердечник трансформатора, схематически изображенного на рис. 15Ь. Сердечник этого трансформатора состоит из четырех пластинчатых колец а а a, и Oj, охватывающих обмотки В и Н и расположенных под прямым углом друг к другу.

Для того, чтобы сердечнику придать механическую прочность, пластины его сжимаются или при помощи болтов и заклепок, проходящих через толщу сердечника, или же при помощи чугунных плит (или швеллеров), накладываемых на сердечник. Все устройство, предназначенное для придания механической прочности сердечнику, должно выполняться так, чтобы оно не мешало охлаждению трансформатора и не вызывало добавочных потерь от токов Фуко. В том случае, когда сжимные- болты или заклепки пропускаются через толщу сердечника, эти болты должны быть тщательно изолированы от железа, во избежание электрического соединения ими пластин железа, что влечет за собою увеличение потерь на токи Фуко в железе. У трансформаторов небольшой мощности в качестве сжимных болтов с успехом применяют деревянные шпильки, проходящие через толщу сердечника, с ввинчиваемыми в них с торцов шурупами для дерева.

Чтобы получи гь равномерное сжатие листов, под сжимные болты подкладываются железные пластины толщиною около 1 мм. Сжимные плиты (щеки) целесообразно выполнять из немагнитного материала. Часто, однако, их выполняют из чугуна, но располагают так, чтобы они не увеличивали магнитное рассеяние обмоток и тем самым не увеличивали потерь на токи Фуко. У трансформаторов небольшой мощности, работающих в масле, сжимные щеки у ярма выполняются из дерева.

В настоящее время производятся опыты в отношении полной или частичной замены стяжных болтов склеиванием железных листов помощью бакелитовой массы при высоком давлении (10-50 am).

§ 8. Общая конструкция сердечников трехфазных трансформаторов.

Сердечники трехфазных трансформаторов стержневого типа выполняются в настоящее время со стержнями, расположенными в один ряд (рис. 7). Связь стержней с ярмами осуществляется или в притык или в нахлестку. В первом случае стержни и оба ярма изготовляются совершенно самостоятельно и затем при сборке, после наложения катушек, стягиваются при помощи сжимных плит и болтов. Соединение ярма с сердечниками в притык, в виду простоты выполнения, применяется довольно часто у мощных трансформаторов.

Во втором случае сердечник и одно ярмо набираются одновременно, с чередованием пластин, как было указано ранее; пластины же второго ярма набираются после наложения на сердечники катушек обмотки (рис. 16).

При изготовлении мощных трансформаторов стержневого типа сборка железа в нахлестку представляет большие затруднения из-