Анализ конструкций шихтованных магнитопроводов силовых трехфазных трансформаторов

ВВЕДЕНИЕ
Одними из основных элементов электроэнерге-
тики и электротехники являются силовые трехфазные
трансформаторы. От их характеристик и параметров
зависят качество и эффективность энергопередачи, а
также технико-экономические показатели электро-
технических устройств и установок.


Особенностью работы силовых трехфазных транс-
форматоров является циклическое изменение уровня их
нагрузки в течение суток. Максимальная нагрузка на-
блюдается днем, минимальная – ночью. В ночное время
при малой нагрузке трансформаторов потери холостого
хода (ХХ) становятся преобладающими и являются од-
ной из важнейших характеристик трансформаторов.
Потери ХХ определяются конфигурацией и ма-
териалами магнитопровода трансформаторов. В со-
временных условиях удорожания электроэнергии за-
дача снижения потерь ХХ, повышения коэффициента
полезного действия (КПД), снижение стоимости и
уменьшение габаритов трансформатора является ак-
туальной задачей.
Можно выделить три основных типа магнито-
проводов, используемых при построении современ-
ных силовых трехфазных трансформаторов: шихто-
ванные, витые и порошковые.
Применение порошковых магнитопроводов пока
ограничено их высокой стоимостью, малым сорта-
ментом и низкой магнитной индукцией – до 1 Тл [1].
Пока такие типы магнитопроводов применяют для
построения специальных трансформаторов.
Все более широкое применение при изготовле-
нии силовых трехфазных трансформаторов малой и
средней мощности находят витые магнитопроводы.
Их конструкции развиваются наиболее быстрыми
темпами. Исследование свойств и параметров различ-
ных конфигураций витых магнитопроводов является
темой отдельной статьи.
В настоящее время наиболее массовыми остают-
ся трехфазные силовые трансформаторы с шихтован-
ными магнитопроводами. Эти трансформаторы пере-
крывают весь диапазон мощностей и напряжений: от
малых до больших.
Целью статьи является анализ современных конструкций шихтованных магнитопроводов трехфазных трансформаторов для выявления среди них наиболее
технологичных и с лучшими технико-экономическими
показателями.

Следует выделить три основных конструкции
шихтованных магнитопроводов трехфазных транс-
форматоров: BUTT-LAP (классический шихтованный
с прямым резом стыка), 1/2 MITRE CORE, MITRED
CORE, а также MULTI (SINGLE) STEP-LAP CORE,
(см. рис. 1,а-г соответственно). Несмотря на наличие при производстве до 4…8 % отходов  в последнее время доминирующее положение среди этих конструкций занимает MULTI-STEP LAP CORE (рис.1,г). Это связано с более простой сборкой магнитопровода, так как при такой шихтовке используется наименьшее количество пластин электротехнической
стали (ЭТС) в слое и наименьшее количество их ти-
поразмеров (см. табл. 1). При сборке стержней необ-
ходимо использовать 3 пластины 2-х типоразмеров, а
при сборке ярем соответственно 2 и 1. Из-за наличия
штампованных отверстий подобная технология по-
зволяет использовать до 5 одинаковых пластин в од-
ном слое, что делает возможным автоматизировать
процесс сборки магнитопровода.
Стоимость ЭТС классического шихтованного
магнитопровода BUTT-LAP на 6…10 % меньше стои-
мости магнитопровода MULTI-STEP LAP из-за необ-
ходимости компенсации отходов производства при
использовании последнего.

АНАЛИЗ СВОЙСТВ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ
ШИХТОВАННЫХ МАГНИТОПРОВОДОВ
СИЛОВЫХ ТРЕХФАЗНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Рассмотрим структуру магнитопровода в зоне со-
членения стрежней с ярмами. На рис. 2 схематически
представлены виды соединений STEP LAP и BUTTLAP.
При шихтовке BUTT-LAP магнитная индукция в
зоне соединений пластин может достигать 160 % номи-
нальной рабочей индукции [3]. Это вызывает глубокое
насыщение ЭТС в этих зонах, вызывая значительное
увеличение активных потерь в магнитопроводе. При
применении MULTI-STEP LAP шихтовки наблюдается
меньшее увеличение магнитной индукции – до 120 %
[3], а так же снижение активных потерь в магнитопрово-
де до 13% и уровня шума на 9 дБ [2, 3, 5], что связано с
увеличением площади поверхности перехода магнитно-
го потока в зонах сочленения ярем и стержней.

На рис. 3 [5] приведен пример распределения
магнитного потока при использовании витого магнитопровода с распределенным зазором (wound DG-core) которое в полной мере повторяется при использовании MULTI-STEP LAP магнитопровода. Как вид-
но из рисунка большая часть магнитных силовых ли-
ний переходит в соседние слои через боковые по-
верхности пластин, а меньшая часть – из торца в то-
рец пластин одного слоя. Следовательно, магнитное
сопротивление торцов пластин у зазора между пла-
стинами в одном слое больше чем магнитное сопро-
тивление между параллельными пластинами.
Следует отметить, что рис. 3 не совсем точно
воспроизводит структуру магнитного поля в зоне,
примыкающей к стыку. В этой зоне происходит выравнивание магнитной индукции во всех пластинах и недогруженных магнитным полем пластин (как в левом верхнем и правом нижнем углах рисунка) не возникает. Но этот рисунок показывает, что при шихтовке типа MULTI-STEP LAP магнитный поток, проходящий поперек пластин, составляет 50 % и более от
общего потока из-за отсутствия насыщения пластин,
что приводит к резкому возрастанию потерь на вихре-
вые токи. Здесь ширина зоны перехода потока значи-
тельно больше толщины пластины, а потери от вихре-
вых токов пропорциональны квадрату этой ширины.
При соединении BUTT-LAP магнитный поток, проходящий поперек пластин, составляет 20…25 % от общего потока из-за насыщения пластин, в которые частично переходит магнитный поток, что приводит к уменьшению потерь на вихревые токи.

Основная часть магнитного потока переходит из
листа в лист поперек направления прокатки, что еще
больше увеличивает потери в стали.
Листы анизотропной ЭТС имеют магнитноструктурированный характер, что определяет их различные магнитные свойства в различных направлениях в плоскости листа [8, 9]: в направлении прокатки
магнитное сопротивление меньше, поперек прокатки
– существенно больше, что неблагоприятно сказыва-
ется на прохождении магнитного потока под углами,
отличными от направления прокатки.
Косой рез в MULTI-STEP LAP магнитопроводах, с
одной стороны, позволяет увеличить поперечное сече-
ние поверхности перехода магнитного потока из стерж-
ней в ярма, но с другой стороны, с уменьшением шири-
ны пластины значительно увеличиваются удельные активные потери в стали магнитопровода. На рис. 4
показаны изменения удельных потерь при резке-
штамповке листов ЭТС различных толщин на полосы
различных ширин. При резке-штамповке под углом
(MULTI-STEP LAP) наблюдается сходная картина, ко-
гда в начале реза угла имеется наибольшее увеличение
(до 100 %) удельных потерь – темная область на рис. 5,б,
с их уменьшением (до 2…3 %) в продолжение реза.
Иная картина наблюдается при прямом резе лис-
та ЭТС, см. рис. 5,а, где в объеме с деформированной
сталью по длине всего реза происходит равномерное
увеличение потерь на уровне 3…12 %.
Согласно [9] при резке-штамповке образуется
местный наклеп, что также приводит к снижению
магнитной проницаемости ЭТС. На рис. 6 представлена зависимость магнитной проницаемости от ширины полосы ЭТС после повторного отжига в течении
2 часов при температуре 800 °С с целью улучшения
магнитных свойств. Как видно из рисунка, с уменьшением ширины полосы в значительной мере ухудшаются магнитные свойства ЭТС.

Как правило, предприятия, которые изготавливают пластины ЭТС для магнитопроводов, в послед-нее время не делают нормализационного отжига нарубленных пластин, в связи с чем магнитная проницаемость стали существенно снижается [9].
Имеет место обратный эффект применения
MULTI-STEP LAP магнитопроводов – вместо умень-
шения потерь и улучшения условий перехода магнит-
ного потока из стержней в ярма, происходит увеличе-
ние удельных потерь и ухудшение магнитных свойств
стали. Отметим также, что объем частей магнитопро-
вода с деформированной сталью при косом резе
больше, чем при прямом резе, что также отражается
на величине активных потерь в магнитопроводе.
Таким образом, все достижения применения новых
видов шихтовок нивелируются побочными эффектами
технологического цикла изготовления пластин ЭТС.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
СВОЙСТВ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ШИХТОВАННЫХ
МАГНИТОПРОВОДОВ СИЛОВЫХ ТРЕХФАЗНЫХ
ТРАНСФОРМАТОРОВ
Для определения эффективности работы различ-
ных типов шихтованных магнитопроводов были рас-
считаны и построены трехфазные трансформаторы
различной мощности с применением разных типов
шихтованных магнитопроводов, проведены серии
экспериментов с целью изучения их свойств.
При сравнительном анализе свойств магнито-
проводов рис.1,а и рис.1,г использовались трехфазные
трансформаторы одинаковой мощности, размеров и
параметров. Мощность трехфазных трансформаторов
составляла 75 и 300 кВ·А. На рис. 7 представлены
внешние виды трансформаторов с применением
MULTI-STEP LAP магнитопроводов (см. рис. 1,г).

На рис. 8 представлены внешние виды углов и
ярем трансформатора 75 кВ·А с MULTI-STEP LAP
магнитопроводом.

С использованием аналогичного типа шихтовки
был построен трансформатор 300 кВ·А. Как видно из
рисунка, в каждом слое использовались две одинаковые
пластины при этом один BOOK (пластины которые по-
следовательно собраны в определенной очередности с
последующим повторением при построении магнито-
провода) содержал 10 пластин пяти типоразмеров (пять
ступеней, см. рис. 8,в).
Параметры трансформатора 75 кВ·А составляли:
первичное напряжение – 480 В; первичная обмотка –
136 витков; соединение первичной обмотки – тре-
угольник; набор пакета магнитопровода – 114 мм;
ширина пластин стрежня и ярма – 102 мм; высота и
ширина окна магнитопровода – 490 и 95 мм; марка
ЭТС – 27М4 и 35М6.
Параметры трансформатора 300 кВ·А составляли:
первичное напряжение – 480 В; первичная обмотка – 41
виток; соединение первичной обмотки – треугольник;
набор пакета магнитопровода – 230 мм; ширина пластин
стрежня и ярма – 165 мм; высота и ширина окна магни-
топровода – 381 и 127 мм; марка ЭТС – 27М4.
Для сравнительной оценки свойств и характери-
стик магнитопроводов типа MULTI-STEP LAP и
стандартного BUTT-LAP проведены серии тестов с
использованием трансформаторов 75 и 300 кВ·А. Тес-
ты заключались в подаче на первичные обмотки из-
меняемого напряжения с последующим измерением
активных потерь и тока намагничивания трансформа-
тора, вторичная обмотка разомкнута (опыт ХХ).
На рис. 9 представлены графики зависимости
удельных потерь трансформаторов 75 кВ·А с магни-
топроводами типа MULTI-STEP LAP, где применена
сталь 27M4 (кривая 1) и стандартными BUTT-LAP
(прямые стыки) магнитопроводами с применением
сталей 35M6 (кривая 2) и 27М4 (кривая 3).

Согласно рис. 9 удельные потери ХХ в транс-
форматоре 75 кВ·А с применением MULTI-STEP LAP
магнитопровода из ЭТС марки 27М4 больше на
40…50 % удельных потерь в аналоге, где применена
стандартная BUTT-LAP конфигурация магнитопрово-
да (см. рис. 1,а) с использованием той же марки ЭТС.
Аналогичная картина наблюдается при сравне-
нии удельных потерь ХХ трансформаторов 300 кВ·А,
но различие составило до 15 %.

Разный уровень удельных потерь ХХ в трансфор-
маторах 75 и 300 кВ·А связан с различными геометриче-
скими размерами и пропорциями магнитопроводов и,
как следствие, различными магнитными условиями в
зонах перехода магнитного потока из стержней в ярма
(см. заштрихованные области на рис. 10).
Имеет место ситуация, где на пути магнитного
потока возникают магнитные «пробки» в виде торцов
пластин, с значительно ухудшенной магнитной про-
ницаемостью, что заставляет поток переходить в па-
раллельные пластины и, как следствие, имеем увели-
чение удельных потерь от вихревых токов.
Иследование зависимости потерь ХХ трансформаторов от обьема деформированой стали и уровня
потерь, вызываемых вихревыми токами, является те-
мой для отдельной статьи и здесь не приведено.
Нормализационный отжиг позволяет снизить
уровень внутренних напряжений в листах ЭТС
уменьшить уровень потерь в стали [9]. Но подобный
отжиг ведет к удорожанию стоимости магнитопрово-
да и, как правило, в технологическом процессе подготовки листов ЭТС применяется редко.

Следует отметить, что с увеличением геометри-
ческих размеров магнитопроводов влияние изменения
магнитных свойств пластин магнитопровода в резуль-
тате рубки-штамповки будет уменьшаться. Это под-
тверждает разность в удельных потерях в трансфор-
маторах 75 и 300 кВ·А.
В данной статье были проанализированы свойства
и параметры сухих трансформаторов малой и средней
мощности с напряжением до 1 кВ. В сухих и масляных
трансформаторах большой мощности со средним и вы-
соким уровнем напряжения, где используются большие
магнитопроводы, недостатки MULTI-STEP LAP конст-
рукции магнитопровода могут нивелироваться, и в пол-
ной мере обеспечивать все их достоинства.
Дальнейшие исследования должны быть посвя-
щены анализу свойств и параметров различных кон-
фигураций витых магнитопроводов трехфазных
трансформаторов.

ВЫВОДЫ
Несмотря на увеличение поверхности перехода
магнитного пока из стержней в ярма при применении
MULTI-STEP LAP магнитопровода трехфазного транс-
форматора, уровень потерь холостого хода в нем оказы-
вается значительно большим по сравнению с аналогич-
ным трансформатором, изготовленным с BUTT-LAP
магнитопроводом. Это обусловлено тем, что при
MULTI-STEP LAP шихтовке значительно возрастает доля магнитного потока, проходящего поперек пластин.
Применение MULTI-STEP LAP магнитопровода в
трансформаторах малой и средней мощности приводит
к значительному увеличению потерь холостого хода
(на 15…50 %), а также сопровождается технологиче-
скими отходами стали (5…7 %). Указанные недостатки
не компенсируются достоинствами подобного типа
магнитопроводов, такими как быстрота и удобство
сборки, возможность автоматизации процесса и малого
шума при работе трансформатора.
Применение нормализационного отжига листов
электротехнической стали может снизить уровень
потерь в стальных листах, но ожидать, что эти меры
позволят уменьшить дополнительные потери в транс-
форматорах малой и средней мощности при исполь-
зовании MULTI-STEP LAP магнитопроводов до уров-
ня BUTT-LAP магнитопроводов не приходиться.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *