Трансформаторы 4 (стр. 21 из 22)
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 = U1мsinwt 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+Фш его составляющие Ф2 и Фш 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:
Заменяя Ф = BSc, где В — индукция в сечении Sс, получим:
Ток I = Dsn, где D — плотность тока в проводнике, имеющем сечение sn. Поэтому вместо (2-189) можем написать:
Если обозначить общее сечение меди всех витков обмотки через Sм = wsn, то получим:
Площади Sc и Sм пропорциональны квадрату линейного размера, причем здесь мы можем взять любой линейный размер (рис. 2-80), который обозначим через l; следовательно,
Вместо (2-193) мы можем теперь написать (при D = const и В = const):
или
Веса активных материалов (стали и меди) пропорциональны их объему, т. е. кубу линейных размеров:
поэтому
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:
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 | 105 |
| Для сердечника (на поверхности) | 110 |
| Для масла (верхних слоев) | 95 |
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.