Transformatory z rdzeniem ferromagnetycznym
Budowa transformatorów
Dwa uzwojenia transformatora nawinięte są na rdzeniu wykonanym z materiału ferromagnetycznego Jak wiadomo reluktancja rdzenia stalowego jest setki, a niekiedy tysiące razy mniejsza od rełuktancji drogi strumienia magnetycznego w powietrzu. Wobec tego przeważająca część strumienia magnetycznego tworzy strumień magnetyczny główny sprzężony z obydwoma uzwojeniami, natomiast strumień rozproszenia jest stosunkowo niewielki. Transformatory tego typu znalazły szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach, a zwłaszcza w elektroenergetyce. Z punktu widzenia budowy rdzenia rozróżnia się transformatory rdzeniowe i transformatory płaszczowe.
Na rys. 13.9a przedstawiona jest konstrukcja transformatora rdzeniowego. W takim transformatorze istnieją dwie kolumny, na każdej znajduje się część uzwojeń napięcia pierwotnego i napięcia wtórnego. Obwód magnetyczny takiego rdzenia jest nierozgałęziony.
Na rys. 13.9b przedstawiono konstrukcję rdzenia płaszczowego. Całe uzwojenie pierwotne i wtórne umieszczone jest na kolumnie środkowej. Obwód magnetyczny jest rozgałęziony. W obu wariantach konstrukcyjnych rdzeń wykonany jest z blach jednostronnie izolowanych. Do budowy transformatorów wielkich częstotliwości stosuje się tzw. rdzenie proszkowe o izolowanych cząstkach materiału ferromagnetycznego.
a) b)
Rys. 13.9. konstrukcje transformatorów: a) rdzeniowego, b) płaszczowego
Uzwojenia transformatorów dużej mocy wykonuje się jako cylindryczne lub krążkowe. W przypadku uzwojenia cylindrycznego jedno uzwojenie umieszczone jest współśrodkowo z drugim. W przypadku uzwojenia krążkowego na kolumnie transformatora osadzone są na przemian cewki uzwojenia pierwotnego i cewki uzwojenia wtórnego.
Pod względem sposobu chłodzenia rozróżnia się transformatory suche lub transformatory olejowe. Transformatory olejowe stosowane są przy dużych mocach, gdy naturalne odprowadzenie ciepła jest niewystarczające. Rdzeń stalowy wraz z uzwojeniami umieszcza się w kadzi z olejem. Olej odgrywa rolę czynnika chłodzącego, a ponadto wpływa korzystnie na własności izolacyjne uzwojeń.
Straty w rdzeniu transformatora
Przy przepływie prądu sinusoidalnego przez uzwojenie nawinięte na rdzeń z materiału ferromagnetycznego, w rdzeniu powstają straty dwojakiego rodzaju: straty histerezowe i straty wiroprądowe. Oba rodzaje strat łącznie są nazywane stratami w stali lub stratami magnetycznymi. Straty histerezowe związane są ze zjawiskiem histerezy magnetycznej. Wprawdzie rdzenie transformatorów wykonane są z materiałów o dość wąskiej pętli histerezy (z materiałów magnetycznie miękkich), ale z punktu widzenia strat zjawiska histerezy pominąć nie można. Jeśli prąd płynący w uzwojeniu ma częstotliwość f, to pętla histerezy jest obiegana f razy na sekundę. Moc strat na histerezę jest proporcjonalna do częstotliwości i do pola powierzchni pętli. Do określenia strat histerezowych posługujemy się wzorami empirycznymi. Dość prosty, a jednocześnie dający dość dokładne wyniki, jest wzór Steinmetza, zgodnie z którym straty jednostkowe histerezowe, w W/kg
pn = бh f B
przy czym: бh -współczynnik zależny od materiału rdzenia (dodatków stopowych stali i sposobu walcowania blach); f — częstotliwość w Hz; Bm— wartość maksymalna (amplituda) indukcji magnetycznej w rdzeniu, w T; n - — wykładnik potęgi, który w zależności od indukcji magnetycznej przyjmuje się następująco: przy Bm = 0,1 ...1 T, n = 1,6; przy , Bm= l...1,6 T. n = 2
Często straty histerezowe jednostkowe, w W/kg, oblicza się ze wzoru empirycznego Richtera, zgodnie z którym
pw= ε (f/100) B2m
przy czym ε -oznacza współczynnik materiałowy zawarty w granicach 2,8...4,4.
Straty wiroprądowe powstają w środowiskach przewodzących w wyniku przepływu prądów wirowych. Ograniczenie prądów wirowych uzyskuje się w wyniku budowy rdzeni wykonanych z blach izolowanych jednostronnie. Straty wiroprądowe są proporcjonalne do kwadratu indukcji magnetycznej w rdzeniu i do kwadratu częstotliwości. Straty jednostkowe, w W/kg, obliczamy przeważnie ze wzoru Richtera, zgodnie z którym
pw= б(f/100)2 B2m
przy czym: б- współczynnik materiałowy zawartych w granicach od 1,1 dla cienkich blach o grubości 0,35..0,5 mm i zawartości krzemu 4%, do 22,4 dla grubych blach o grubości 1 mm i zawartości krzemu 0,5%.
Całkowite straty magnetyczne są sumą strat histerezowych i wiroprądowych
pfe = ph + pw
czyli przy stosowaniu wzorów Richtera
pfe = ε (f/100) B2m + б (f/100)2 B2m
W przypadku transformatorów energetycznych można przyjąć:
f= 50Hz i Bm =1 T. Wtedy pfe = 0,5 ε + 0,25 б.
Stratność blach, z których wykonuje się rdzenie transformatorów, zależna jest od technologii stosowanej przy produkcji blach. W wyniku badań prowadzonych w ostatnich latach poznano czynniki warunkujące uzyskiwanie korzystnych parametrów magnetycznych i opracowano odpowiednie technologie. Straty w stali można wyznaczyć drogą pomiarową. Są one równe mocy pobranej przez transformator w stanie jałowym przy napięciu znamionowym. Straty te nie zależą bowiem od obciążenia, a jak wykazaliśmy, zależą od kwadratu indukcji magnetycznej w rdzeniu, która z kolei zależy od wartości przyłożonego napięcia.
transformatory mocy —stosowane są do zasilania sieci energetycznych, transformatory dodawcze — uzwojenie wtórne transformatora włączane jest szeregowo do sieci w celu doprowadzenia dodatkowego napięcia dla potrzeb regulacji napięcia w danej fazie,
transformatory wielofazowe — używane są do zasilania prostowników, strona pierwotna jest zasilana napięciem trójfazowym, natomiast po stronie wtórnej otrzymuje się napięcie wielofazowe, np. sześciofazawe,
autotransfornatory — stanowią wykonanie oszczędnościowe transformatorów.
Autotransformator jest to transformator mający jedno wspólne uzwojenie dla obwodu pierwotnego i wtórnego. Budowa autotransformatora nie różni się na ogół od budowy zwykłego transformatora z wyjątkiem sposobu podłączenia obwodów. Autotransformator stosuje się gdy chodzi o zmianę napięcia tego samego rzędu wielkości np. z 220 V na 120 V. Przekładnię autotransformator określa taki sam sposób wzór jak transformatora,
autotransforrnatory z przesuwnym zaczepem strony wtórnej zapewniają przy
ciągłą regulację,
przekładniki pomiarowe — stosowane są do rozszerzania zakresu przyrządów pomiarowych prądu przemiennego (przekładniki napięciowe i prądowe). Amperomierze elektromagnetyczne budowane są do mierzenia prądów o natężeniu do 200 A; jeżeli trzeba rozszerzyć zakres pomiarowy przyrządu, posługujemy się transformatorami miernikowymi zwanymi przekładnikami prądowymi.
Analogicznie do przekładników prądowych, w celu rozszerzenia zakresu pomiarowego woltomierza wysokich napięć stosuje się transformatory napięciowe, zwane przekładnikami napięciowymi. Przekładnik ten obniża napięcie doprowadzone do woltomierza,
transformatory z przesuwnym uzwojeniem lub przesuwnym rdzeniem, względnie o wirniku pierścieniowym, zwane regulatorami indukcyjnymi (przesuwniki fazowe) stosowane w laboratoriach i elektrotermii,
transformatory symetryzujące — stosowane są do symetryzacji obciążenia sieci, transformatory spawalnicze — charakteryzują się stałą wartością prądu, niezależną od rezystancji obciążenia, co uzyskuje się poprzez wbudowanie dławika w obwód wtórny,
transformatory częstotliwości — zasada ich działania polega na wykorzystaniu nieliniowości obwodów magnetycznych, tj. na podmagnesowywaniu rdzenia prądem stałym i wykorzystaniu wyższych harmonicznych,
transformatory wysokich częstotliwości — wykonywane zwykłe jako bezrdzeniowe (powietrzne),
kriotransformatory — posiadają uzwojenia umieszczone w cieczach kriogenicznych (ciekły hel, azot, wodór) dla stworzenia warunków nadprze-. przewodnictwa . W takich uzwojeniach dopuszcza się gęstości prądu wielokrotnie większą niż uzwojeniach normalnych,
zespoły kaskadowe transformatorów — przeznaczone są do uzyskiwania bardzo wysokich napięć.
j_czaja1