Konstrukce výkonového transformátoru

Všechna vinutí transformátoru lze rozdělit do následujících hlavních typů podle typu vinutí: válcová z kulatého a obdélníkového drátu, šroubová, spojitá cívka atd.

Tyto typy vinutí lze dále rozdělit podle řady sekundárních charakteristik: počet vrstev nebo běhů, přítomnost paralelních větví, přítomnost transpozic atd.

Jednoduché válcové vinutí je vinutí, jehož závitový průřez je jeden drát a závity jsou uspořádány bez intervalů na válcové ploše tak, že pro pohyb z jednoho závitu na druhý je třeba se pohybovat v axiálním směru vinutí.

Válcové paralelní vinutí je vinutí, jehož průřez závitu se skládá z několika rovnoběžných drátů a závity jsou umístěny (bez intervalů mezi závity a dráty) na válcové ploše tak, že pro přesun z libovolného vodiče jednoho závitu na jakýkoli vodič jiného závitu je třeba se pohybovat v axiálním směru vinutí.

Dvouvrstvé jednoduché válcové nebo dvouvrstvé válcové paralelní vinutí je vinutí složené ze dvou soustředně umístěných jednoduchých válcových paralelních vinutí.

Válcové vinutí lze navinout z několika pravoúhlých drátů. V tomto případě je vhodné vzít všechny paralelní vodiče stejného průřezu. Pokud musíte zkombinovat průřez cívky z různých vodičů, doporučuje se vzít nejvýše dva různé průřezy vodičů. Obvykle se používá ploché vinutí. Vinutí na „hranu“ je povoleno, v radiálním směru vinutí musí být velikosti obou vodičů voleny tak, aby byly navzájem stejné.

Ve výrobě, při navíjení na navíjecím stroji, je válcové navíjení nejjednodušší a nejlevnější z používaných typů vinutí. Válcové vinutí z obdélníkového drátu lze použít s průřezem závitu minimálně 5 mm², který se rovná minimálnímu průřezu obdélníkového drátu podle průřezu, což odpovídá spodní hranici proudu vinutí 15–18 A při nejnižší proudové hustotě v měděném drátu. S 200 kVA při napětí vinutí nejvýše 6 kV.

Ve stejných mezích se tento typ vinutí někdy používá pro vinutí vysokého napětí, v tomto případě je však vhodnější vícevrstvé válcové vinutí z kruhového drátu.

Široce se používají válcová vícevrstvá vinutí vyrobená z obdélníkového drátu v jednom nebo několika paralelních drátech. Pro taková vinutí je napětí až 35 kV a výkon transformátoru až 80000 XNUMX kVA.

Používají se k výrobě vinutí transformátorů nízkého i vysokého napětí. Hlavní výhodou těchto vinutí je jejich jednoduchost, nízká cena a dostatečně vysoká elektrická a mechanická pevnost (obr. 1).

Rýže. 1. Válcová vinutí: а – jednovrstvé; б – dvouvrstvé;

в – vícevrstvé vyrobené z kulatého drátu; 1 – závity pravoúhlého drátu; 2 – dělené nivelační kroužky; 3 – papír-bakelitový válec; 4 – konec první vrstvy vinutí; 5 – vertikální lamely; 6 – vnitřní vinutí větví

Typicky je spirálové vinutí navinuto na papír-bakelitový válec na kolejnicích umístěných podél tvořících přímek válce.

Radiální kanály mezi závity jsou tvořeny meziotáčkovými distančními vložkami z elektricky izolační lepenky, navlečenými na lamely.

V paralelním spirálovém vinutí jsou paralelní dráty navinuty na válcové povrchy s různými průměry. V důsledku toho jsou aktivní a reaktivní odpory (v důsledku různé indukce rozptylového pole) paralelních vodičů nestejné. Pro vyrovnání celkového odporu vodičů a zamezení nerovnoměrného rozložení proudu ve spirálovém vinutí je nutné vodiče transponovat (přemístit) (obr. 3).

Rýže. 2. Šroubové vinutí: а – z jednoho drátu v zatáčce;

б – z několika paralelních vodičů v cívce

Rýže. 3. Transpozice drátů ve spirálových vinutích: а – skupina; б – Všeobecné

Rýže. 4. Transpoziční diagram ve spirálovém vinutí čtyř paralelních drátů: 1–4 – dráty

Šroubová vinutí se používají jako nízkonapěťová vinutí v transformátorech s napětím na nízkonapěťové straně od 230 V do 15,75 kV včetně, s výkonem transformátoru na tyč od 45 do 350 kVA.

Vzhledem k jednoduchosti a nízké výrobní ceně se nejčastěji používá vícevrstvé válcové vinutí transformátorů s výkonem do 200 kVA na tyč při napěťové třídě nejvýše 35 kV.

Rozmanitost vícevrstvé válcové vinutí je vinutí cívky složené z řady samostatně umístěných axiálních cívek, což jsou vícevrstvá válcová vinutí. Obvykle se vyrábí z jednoho kruhového drátu bez použití paralelních drátů. Používá se pro transformátor s výkonem na tyč nejvýše 350 kVA, při proudu 40–45 A a pouze pro realizaci vysokonapěťových vinutí.

Rýže. 5. Průběžné vinutí cívky

Zvláštní pozornost je věnována mezivrstvové izolaci, protože v důsledku velkého počtu závitů a postupného spojení vrstev vznikají mezi sousedními závity ležícími v různých vrstvách značná napětí. Například u transformátorů s výkonem do 200 kVA na tyč s napěťovou třídou 3 až 35 kV může celkové pracovní napětí dvou vrstev dosáhnout 5000–6000 V a zkušební napětí 10000–12000 V. Kabelový papír položený ve více vrstvách poskytuje dobré výsledky jako mezivrstvová izolace.

Použití menšího počtu vrstev silnější elektrokartóny se neospravedlňuje, protože lepenka je méně elastická než kabelový papír a při navíjení vysoce napnutého drátu dochází k lomům listu, což následně vede k roztřepení mezivrstvové izolace.

Jednoduché průběžné vinutí cívky je vinutí složené ze série axiálně umístěných a sériově spojených cívek, navinutých z pravoúhlého drátu v ploché spirále, s radiálními chladicími kanály mezi všemi nebo částmi cívek. Výška cívky se rovná výšce drátu.

Průběžné vinutí cívkyse nazývá paralelní, pokud je průřez každého závitu tvořen dvěma nebo více paralelními dráty a počet závitů v cívce je větší než jeden (obr. 5).

Vinutí se nazývá kontinuální, pokud je jeho vinutí provedeno jedním (dvěma, třemi nebo více) vodiči bez přepájení konců sériově zapojených cívek. Průběžné vinutí cívky nemá žádné přerušení ani pájené dráty.

Díky své vysoké mechanické pevnosti, snadné distribuci závitů vinutí přes cívky, snadnému provádění seřizovacích větví, srovnatelné jednoduchosti vinutí, absenci přepájení mezi cívkami a snadné montáži na jádro je kontinuální vinutí cívky široce používáno jako vysokonapěťové vinutí pro transformátory s výkonem na tyč od 50 do 20000 10 kVA a vyšším od A15–17, se zátěžovými proudy. Tento typ vinutí se používá také jako nízkonapěťová vinutí při proudech od 20–300 do 6 A (obr. 7, XNUMX).

Rýže. 6. Část průběžné vinutí cívky se dvěma paralelními dráty v závitu

Rýže. 7. Přechody v kontinuálních cívkách

Při napětí 110 kV a více se používá pouze spojité vinutí cívky. Je-li závit vinutí tvořen několika paralelními dráty, je nutné paralelní dráty transponovat stejným způsobem jako u spirálových paralelních vinutí.

Transformátor je elektrický stroj, který přeměňuje střídavý proud jednoho napětí na střídavý proud jiného napětí.

Hlavní konstrukční prvky výkonových transformátorů jsou: pouzdro, jádro, vinutí, chladicí zařízení, průchodky a ochranná zařízení (expandér, výfukové potrubí a plynové relé).

Vinutí transformátoru jsou uspořádána tak, že magnetický tok vytvářený primárním vinutím proniká velkou částí do sekundárních vinutí. Tento požadavek je zajištěn konstrukcí ocelového jádra, které je uzavřeným magnetickým obvodem. V závislosti na vzájemné poloze vinutí a magnetického systému existují dva hlavní typy transformátorů: tyčové a pancéřované.

U transformátoru jádra jsou vinutí umístěna na tyčích jádra, které jsou spojeny třmeny, které uzavírají magnetický obvod. Tyčový typ se používá pro napájení a řadu speciálních transformátorů. Pancéřovaný transformátor používá rozvětvený magnetický obvod, který obklopuje vinutí, jako by je „pancéřoval“. Provedení jádra s rozvětveným magnetickým obvodem, obdobné jako u pancéřovaného provedení, se používá zejména u malých jednofázových transformátorů.

Třífázový jádrový transformátor:

Magnetický obvod transformátoru, nazývaný jádro, je sestaven z plechů legované oceli. Aby se listy neslepily, nejprve je natřete tenkou vrstvou laku nebo přelepíte papírem.

Jádro se skládá z tyčí, které nesou vinutí a třmenů, které uzavírají magnetický obvod. Průřez jádra by měl mít tvar, který pokud možno odpovídá tvaru cívek.

U pravoúhlých cívek je průřez jádra obdélníkový. U kulatých má jádro vícestupňový průřez. Pokud má jádro velký průřez, jsou vytvořeny podélné vzduchové kanály, které odvádějí teplo a rozdělují jádro na samostatné balíčky.

Plechy se k sobě stahují pomocí čepů nebo nýtů. Jednotlivé plechy by se neměly vzájemně spojovat, protože v rovině kontaktu mohou vznikat vířivé proudy. Aby nedocházelo ke zkratu plechů přes čepy a nýty, jsou na nich umístěny izolační trubky. Matice a hlavy nýtů jsou izolovány od lisovacích desek jádra podložkami z elektrokartonu.

Transformátory používají dva typy vinutí: kotoučové a válcové.

V provedení diskového vinutí jsou primární a sekundární vinutí rozděleny do řady plochých cívek ve tvaru disku, které jsou střídavě položeny na jádru transformátoru.

U válcového vinutí jsou primární a sekundární vinutí umístěny soustředně vůči sobě navzájem. Nízkonapěťové vinutí je obvykle umístěno blíže k jádru, protože je snazší jej izolovat od oceli.

Při výrobě vinutí je nutné rozlišovat mezi izolací jednotlivých vodičů, izolací mezi vrstvami a cívkami, izolací mezi primárním a sekundárním (sekundárním) vinutím a izolací vinutí vůči jádru.

Vinutí transformátoru je vyrobeno z měděného drátu pokrytého izolací. K izolaci drátů vinutí se používá papír, bavlna, někdy hedvábná příze, laková (smaltovaná) fólie nebo několik vrstev izolace, například vrstva laku a vrstva hedvábné příze, vrstva papíru a vrstva bavlněné příze atd.

Papírové rozpěrky se používají jako izolace mezi vrstvami. Cívky jsou izolovány podložkami nebo těsněními vyrobenými z elektrokartonu, vinutí pásky, papíru nebo látky napuštěné olejem.

Konce vinutí transformátoru jsou vyvedeny pomocí průchodek, které je izolují od uzemněného pouzdra (nádrže).

Existují dva hlavní způsoby připojení vinutí třífázového transformátoru: zapojení do trojúhelníku a zapojení do hvězdy. Když jsou vinutí zapojena do trojúhelníku, fázové napětí se rovná síťovému napětí a fázový proud je 1,73krát menší než síťový proud. Když jsou vinutí zapojena do hvězdy, fázové napětí je 1,73krát menší než síťové napětí a fázový proud se rovná proudu ve vedení.

Způsob připojení vinutí v třífázovém transformátoru má velký význam, protože na něm závisí úhel fázového posunu sekundárního napětí vzhledem k primárnímu napětí. Fázový posun mezi napětím primárního a sekundárního vinutí závisí také na směru vinutí cívek. Další informace naleznete zde: Schémata a skupiny zapojení vinutí výkonového transformátoru

V případech, kdy jsou transformátory určeny ke společnému paralelnímu provozu, je nutné, aby okamžité potenciály fází těchto transformátorů byly stejné. Transformátory, které mají stejný fázový posun mezi síťovými napětími vysokonapěťového a nízkonapěťového vinutí, jsou přiřazeny do jedné skupiny spojení vinutí, které je přiřazeno číslo podle označení hodin.

K izolaci vinutí od jádra a k izolaci vysokonapěťového vinutí od vinutí nízkého napětí se používají tuhé válce lisované z pečeného papíru nebo válce z elektrokartonu, tzv. měkké válce.

Při konstrukci transformátorů je široce používán speciální minerální (ropný) olej, který se nazývá transformátorový olej. Nádrže jsou naplněny transformátorovým olejem a je v něm ponořeno jádro s vinutím. Tato konstrukce je přijata pro výkonné výkonové transformátory, pro transformátory výkonných usměrňovacích zařízení, pro výkonné pulzní transformátory.

Transformátorový olej, ze kterého byla odstraněna vlhkost a nečistoty, tedy vysušen a vyčištěn, je dobrou izolací mezi vinutím a kovovým pouzdrem. Kromě toho transformátorový olej, který má vyšší tepelnou vodivost než vzduch, dobře vede teplo z aktivních částí transformátoru na vnější povrchy nádrže.

S rostoucím výkonem transformátoru rostou ztráty rychleji než jeho geometrické rozměry, což vede k nutnosti zvětšit jeho chladicí plochu. Více o tom naleznete zde: Power Transformer Cooling Systems

V praxi našla uplatnění zařízení převádějící střídavá napětí, u kterých jsou primární a sekundární vinutí elektricky spojeny. Tato zařízení se nazývají autotransformátory.

Autotransformátor se od běžného transformátoru liší tím, že jeho primární a sekundární vinutí jsou spolu spojeny nejen indukčně (jako u běžného transformátoru), ale také elektricky.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře