Проектирование трансформаторов слагается из их расчета и конструирования. Расчет трансформатора в общем представляет собой математически неопределенную задачу со многими решениями, так как число определяемых неизвестных, связывающих их, больше числа уравнений. Вследствие этого в процессе расчета трансформатора приходится задаваться определенными значениями некоторых исходных электромагнитных и конструктивных величин, базируясь на опыте построенных трансформаторов. В связи с этим при проектировании нового трансформатора обычно получается несколько расчетных вариантов, из которых и выбирается наивыгоднейший.
Расчет и опыт показывают, что можно рассчитать и построить трансформатор с высоким коэффициентом полезного действия (КПД), однако это еще не является признаком наивыгоднейшего варианта трансформатора, так как при его выборе нужно учитывать также и другие технико-экономические показатели, как, например, размеры, вес и стоимость трансформатора. Уменьшение веса и стоимости трансформатора связано с увеличением индукции в сердечнике и плотности тока в обмотках, что ведет к увеличению потерь в стали и меди трансформатора, а следовательно, к повышению его нагрева. При этом КПД трансформатора уменьшается.
Предельно допустимый нагрев маломощных силовых трансформаторов для обычной изоляции обмоток класса А может составлять 100 – 105°С, и для класса Е – 115 – 120°С или превышение температуры над окружающей средой 65 – 70°С и 80 – 85°С при температуре этой среды +35°С. Следовательно, пределом использования активных материалов является нагрев трансформаторов.
Маломощные силовые трансформаторы большей частью строятся однофазными, однако в ряде случаев встречаются также и трехфазные трансформаторы. Эти трансформаторы имеют обычно естественное воздушное охлаждение.
Как известно, в трансформаторах вес стали сердечника и вес меди обмоток находятся во взаимно обратной зависимости, то есть при увеличении веса активной стали расход меди на обмотки уменьшается. Так как цена обмоточной меди в маломощных трансформаторах значительно выше стоимости стали, то отношение веса стали к весу меди в них принимается выше, чем для трансформаторов большой мощности.
Таким образом, правильно рассчитанный маломощный силовой трансформатор должен иметь минимальные стоимость и вес, удовлетворять заданным техническим требованиям и иметь высокий КПД.
Типы маломощных силовых трансформаторов
Маломощные силовые трансформаторы строятся:
а) стержневого типа (рисунки 1 и 3);
б) броневого типа (рисунок 2);
в) тороидального типа (рисунок 4).
 |  |
| Рисунок 1. Трансформаторы стержневого типа: а – с двумя катушками; б – с одной катушкой | Рисунок 2. Трансформатор броневого типа |
 |  |
| Рисунок 3. Трехфазные трансформаторы с различной штамповкой пластин: а – с Ш-образными пластинами; б – с прямоугольными пластинами | Рисунок 4. Трансформаторы с витыми сердечниками: а – тороидальным; б – Ш-образным |
Большинство маломощных силовых трансформаторов обычно строятся броневого типа. Однако трансформаторы стержневого и тороидального типов также находят достаточное применение.
Трехфазные маломощные силовые трансформаторы выполняются стержневого типа или из штампованных Ш-образных пластин (рисунок 3, а), или из прямоугольных пластин (рисунок 3, б).
Крепление сердечника трансформатора
 |  |
| Рисунок 5. Трансформатор с сердечником, стянутым накладками | Рисунок 6. Трансформатор с сердечником, стянутым штампованными крышками |
В маломощных силовых трансформаторах применяются два основных способа крепления собранного пакета сердечника.
1. Крепление с помощью шпилек
В этом случае пакет сердечника трансформатора сжимается с помощью шпилек и скоб из полосовой стали толщиной 1 – 2 мм (рисунок 5).
В броневых трансформаторах для крепления сердечника иногда применяется штампованная из листовой стали деталь, служащая одновременно кожухом трансформатора (рисунок 6).
2. Крепление запрессовкой сердечника в обойму
В этом случае собранный пакет сердечника трансформатора обжимается специальной обоймой.
Материалом для сердечника маломощного силового трансформатора служит специальная листовая электротехническая сталь марок Э41, Э11 и другие толщиной листа 0,50 и 0,35 мм. Основные технические данные листовой стали различных марок определяются ГОСТ 802-58¹.
Обозначения, например, указанных марок стали расшифровывается следующим образом: Э – электротехническая; первая цифра 4 – высоколегированная ( с содержанием кремния до 5 %): первая цифра 1 – слаболегированная (с содержанием кремния до 1 %); вторая цифра 1 – с нормальными удельными потерями.
Для изготовления сердечника из листовой стали штампуются пластины П-образной формы – однофазных стержневых трансформаторов и Ш-образной формы – для однофазных броневых и трехфазных стержневых трансформаторов. При отсутствии возможности штамповки фигурных пластин производится заготовка прямоугольных пластин резкой листов на ножницах. Как при штамповке, так и при резке заготовок из листов стали желательно делать пластины вдоль направления прокатки стали, так как магнитная проницаемость стали в этом направлении несколько больше.
В целях уменьшения потерь на вихревые токи в сердечнике трансформатора листы стали покрываются электроизоляционным покрытием.
Изготовление витых сердечников маломощных трансформаторов (рисунок 4) производится из холоднокатаной стали марок Э310 и Э320 на специальных намоточных станках.
Конструкция катушек маломощных трансформаторов
Катушки маломощных трансформаторов, имеющих обмотку из проводов малого диаметра, как правило, выполняются в виде каркаса, на который наматываются обмотки. Каркасы катушек делаются обычно из изолирующего материала или путем штамповки из пластмассы (рисунок 7), или клееные из электрокартона, текстолита, гетинакса и других материалов (рисунок 8).
 |  |
| Рисунок 7. Штампованный из пластмассы каркас катушки трансформатора | Рисунок 8. Сборный каркас катушки трансформатора |
Пропитка катушек изолирующим лаком
После намотки катушки должны быть пропитаны изолирующим лаком. Пропитка лаком повышает электрическую прочность изоляции обмотки, увеличивает ее механическую прочность, увеличивает теплостойкость и теплопроводность изоляции, а также защищает обмотку от влаги. В качестве пропитывающих лаков могут быть использованы асфальтомасляные лаки №447 и 458, глифталевый лак №321.
Перед пропиткой катушки должны быть просушены в течение 2 – 3 часов при температуре около 100°С. Пропитка катушек лаком производится при температуре 60 – 70°С в течение 3 – 5 минут, а сушка лака при температуре 110 – 115°С в течение 3 – 8 часов.
Выбор материала для сердечника
Как указывалось выше, материалом для сердечников маломощных силовых трансформаторов служит специальная листовая электротехническая сталь различных марок, обозначаемых по ГОСТ 802-58¹ в виде Э41, Э11, Э310 и Э320 и другая. Выбор стали для сердечника определяется назначением трансформатора, частотой сети и техническими условиями задания.
Для маломощных трансформаторов минимальной стоимости в основном применяется сталь марки Э41 толщиной δс = 0,5 мм с удельными потерями kс = 1,6 Вт/кг при B = 1 Тл, f = 50Гц, и δс = 0,35 мм с удельными потерями kс = 1,35 Вт/кг при B = 1 Тл. Для мощных трансформаторов можно иногда применить сталь марки Э11. Сталь марки Э11 мягкая, легче обрабатывается, чем сталь Э41, и дешевле по стоимости, но имеет повышенные удельные потери kс = 3,3 Вт/кг при B = 1 Тл, f = 50 Гц и δс = 0,5 мм.
Для трансформаторов минимального веса может быть применена холоднокатаная сталь с повышенной магнитной проницаемостью марок Э310 и Э320.
Для маломощных трансформаторов повышенной частоты (200 – 400 Гц) может быть рекомендована сталь марок Э34, Э340, Э44, Э47 и Э48 с толщиной листа при мощностях до 100 ВА – δс = 0,35 мм, и при мощностях свыше 100 ВА – δс = 0,20 – 0,35 мм и пониженными удельными потерями.
При выборе толщины листа стали необходимо учитывать зависимость коэффициента заполнения поперечного сечения сталью от этой толщины.
Средние значения коэффициента заполнения даны в таблице 1.
Таблица 1
| Толщина листа, мм | Коэффициент заполнения поперечного сечения стержня сталью | Изоляция между листами |
0,5 | 0,92 | лак |
1 Для того чтобы не нарушать хронологию изложения материала взятого из источника представленного ниже, в тексте указан, не действующий на сегодняшний день, стандарт ГОСТ 802-58. Его действующим аналогом, является ГОСТ 21427.1-83. Соответственно марки стали Э11, Э41, Э310, Э320, Э34, Э340, Э44, Э47 и Э48 являются устаревшими и не производятся. Выбирая сталь при расчете сердечника пользуйтесь ГОСТ 21427.1-83.
Источник: Ермолин Н. П., "Как рассчитать маломощный силовой трансформатор" – Ленинград: Госэнергоиздат, 1961 – 52с.