Для чего нужен сердечник в трансформаторе: для чего нужен сердечник в трансформаторе? — Спрашивалка

Содержание

Из чего делают сердечник трансформатора

Здравствуйте, уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Продолжаем знакомство с электронными компонентами и в этой статье рассмотрим устройство и принцип работы трансформатора.

Трансформаторы нашли широкое применение в радио и электротехнике и применяются для передачи и распределения электрической энергии в сетях энергосистем, для питания схем радиоаппаратуры, в преобразовательных устройствах, качестве сварочных трансформаторов и т.п.

Трансформатор предназначен для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины.

В большинстве случаев трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода (сердечника) с расположенными на нем двумя катушками (обмотками) электрически не связанных между собой. Магнитопровод изготавливают из ферромагнитного материала, а обмотки мотают медным изолированным проводом и размещают на магнитопроводе.

Одна обмотка подключается к источнику переменного тока и называется первичной (I), с другой обмотки снимается напряжение для питания нагрузки и обмотка называется вторичной (II). Схематичное устройство простого трансформатора с двумя обмотками показано на рисунке ниже.

1. Принцип работы трансформатора.

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

Если на первичную обмотку подать переменное напряжение U1, то по виткам обмотки потечет переменный ток Io, который вокруг обмотки и в магнитопроводе создаст переменное магнитное поле. Магнитное поле образует магнитный поток Фo, который проходя по магнитопроводу пересекает витки первичной и вторичной обмоток и индуцирует (наводит) в них переменные ЭДС – е1 и е2. И если к выводам вторичной обмотки подключить вольтметр, то он покажет наличие выходного напряжения U2, которое будет приблизительно равно наведенной ЭДС е2.

При подключении к вторичной обмотке нагрузки, например, лампы накаливания, в первичной обмотке возникает ток I1, образующий в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф1 изменяющийся с той же частотой, что и ток I1. Под воздействием переменного магнитного потока в цепи вторичной обмотки возникает ток I2, создающий в свою очередь противодействующий согласно закону Ленца магнитный поток Ф2, стремящийся размагнитить порождающий его магнитный поток.

В результате размагничивающего действия потока Ф2 в магнитопроводе устанавливается магнитный поток Фo равный разности потоков Ф1 и Ф2 и являющийся частью потока Ф1, т.е.

Результирующий магнитный поток Фo обеспечивает передачу магнитной энергии из первичной обмотки во вторичную и наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу е2, под воздействием которой во вторичной цепи течет ток I2. Именно благодаря наличию магнитного потока Фo и существует ток I2, который будет тем больше, чем больше Фo. Но и в то же время чем больше ток I2, тем больше противодействующий поток Ф2 и, следовательно, меньше Фo.

Из сказанного следует, что при определенных значениях магнитного потока Ф1 и сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки устанавливаются соответствующие значения ЭДС е2, тока I2 и потока Ф2, обеспечивающие равновесие магнитных потоков в магнитопроводе, выражаемое формулой приведенной выше.

Таким образом, разность потоков Ф1 и Ф2 не может быть равна нулю, так как в этом случае отсутствовал бы основной поток Фo, а без него не мог бы существовать поток Ф2 и ток I2. Следовательно, магнитный поток Ф1, создаваемый первичным током I1, всегда больше магнитного потока Ф2, создаваемого вторичным током I2.

Величина магнитного потока зависит от создающего его тока и от числа витков обмотки, по которой он проходит.

Напряжение вторичной обмотки зависит от соотношения чисел витков в обмотках. При одинаковом числе витков напряжение на вторичной обмотке будет приблизительно равно напряжению, подаваемому на первичную обмотку, и такой трансформатор называют разделительным.

Если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, то развиваемое в ней напряжение будет больше напряжения, подаваемого на первичную обмотку, и такой трансформатор называют повышающим.

Если же вторичная обмотка содержит меньшее число витков, чем первичная, то и напряжение ее будет меньше, чем напряжение подаваемое на первичную обмотку, и такой трансформатор называют понижающим.

Следовательно. Путем подбора числа витков обмоток, при заданном входном напряжении U1 получают желаемое выходное напряжение U2. Для этого пользуются специальными методиками по расчету параметров трансформаторов, с помощью которых производится расчет обмоток, выбирается сечение проводов, определяются числа витков, а также толщина и тип магнитопровода.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то в магнитопроводе образуется магнитный поток постоянный во времени, по величине и направлению. В этом случае в первичной и вторичной обмотках не будет индуцироваться переменное напряжение, а следовательно, не будет передаваться электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Однако если в первичной обмотке трансформатора будет течь пульсирующий ток, то во вторичной обмотке будет индуцироваться переменное напряжение частота которого будет равна частоте пульсации тока в первичной обмотке.

2. Устройство трансформатора.

2.1. Магнитопровод. Магнитные материалы.

Назначение магнитопровода заключается в создании для магнитного потока замкнутого пути, обладающего минимальным магнитным сопротивлением. Поэтому магнитопроводы для трансформаторов изготавливают из материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью в сильных переменных магнитных полях. Материалы должны иметь малые потери на вихревые токи, чтобы не перегревать магнитопровод при достаточно больших значениях магнитной индукции, быть достаточно дешевыми и не требовать сложной механической и термической обработки.

Магнитные материалы, используемые для изготовления магнитопроводов, выпускаются в виде отдельных листов, либо в виде длинных лент определенной толщины и ширины и называются электротехническими сталями.
Листовые стали (ГОСТ 802-58) изготавливаются методом горячей и холодной прокатки, ленточные текстурованные стали (ГОСТ 9925-61) только методом холодной прокатки.

Также применяют железноникелевые сплавы с высокой магнитной проницаемостью, например, пермаллой, перминдюр и др. (ГОСТ 10160-62), и низкочастотные магнитомягкие ферриты.

Для изготовления разнообразных относительно недорогих трансформаторов широко применяются электротехнические стали, имеющие небольшую стоимость и позволяющие трансформатору работать как при постоянном подмагничивании магнитопровода, так и без него. Наибольшее применение нашли холоднокатаные стали, имеющие лучшие характеристики по сравнению со сталями горячей прокатки.

Сплавы с высокой магнитной проницаемостью применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, предназначенных для работы при повышенных и высоких частотах 50 – 100 кГц.

Недостатком таких сплавов является их высокая стоимость. Так, например, стоимость пермаллоя в 10 – 20 раз выше стоимости электротехнической стали, а пермендюра – в 150 раз. Однако в ряде случаев их применение позволяет существенно снизить массу, объем и даже общую стоимость трансформатора.

Другим их недостатком является сильное влияние на магнитную проницаемость постоянного подмагничивания, переменных магнитных полей, а также низкая стойкость к механическим воздействиям – удар, давление и т.п.

Из магнитомягких низкочастотных ферритов с высокой начальной проницаемостью изготавливают прессованные магнитопроводы, которые применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, работающих на высоких частотах от 50 – 100 кГц. Достоинством ферритов является невысокая стоимость, а недостатком является низкая индукция насыщения (0,4 – 0,5 Т) и сильная температурная и амплитудная нестабильность магнитной проницаемости. Поэтому их применяют лишь при слабых полях.

Выбор магнитных материалов производится исходя из электромагнитных характеристик с учетом условий работы и назначения трансформатора.

2.2. Типы магнитопроводов.

Магнитопроводы трансформаторов разделяются на шихтованные (штампованные) и ленточные (витые), изготавливаемые из листовых материалов и прессованные из ферритов.

Шихтованные магнитопроводы набираются из плоских штампованных пластин соответствующей формы. Причем пластины могут быть изготовлены практически из любых, даже очень хрупких материалов, что является достоинством этих магнитопроводов.

Ленточные магнитопроводы изготавливаются из тонкой ленты, намотанной в виде спирали, витки которой прочно соединены между собой. Достоинством ленточных магнитопроводов является полное использование свойств магнитных материалов, что позволяет уменьшить массу, размеры и стоимость трансформатора.

В зависимости от типа магнитопровода трансформаторы подразделяются на стрежневые, броневые и тороидальные. При этом каждый из этих типов может быть и стрежневым и ленточным.

В магнитопроводах стержневого типа обмотки располагается на двух стержнях (стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки). Это усложняет конструкцию трансформатора, но уменьшает толщину намотки, что способствует снижению индуктивности рассеяния, расхода проволоки и увеличивает поверхность охлаждения.

Стержневые магнитопроводы используют в выходных трансформаторах с малым уровнем помех, так как они малочувствительны к воздействию внешних магнитных полей низкой частоты. Это объясняется тем, что под влиянием внешнего магнитного поля в обеих катушках индуцируются напряжения, противоположные по фазе, которые при равенстве витков обмоток компенсируют друг друга. Как правило, стержневыми выполняются трансформаторы большой и средней мощности.

В магнитопроводе броневого типа обмотка располагается на центральном стержне. Это упрощает конструкцию трансформатора, позволяет получить более полное использование окна обмоткой, а также создает некоторую механическую защиту обмотки. Поэтому такие магнитопроводы получили наибольшее применение.

Некоторым недостатком броневых магнитопроводов является их повышенная чувствительность к воздействию магнитных полей низкой частоты, что делает их малопригодными к использованию в качестве выходных трансформаторов с малым уровнем помех. Чаще всего броневыми выполняются трансформаторы средней мощности и микротрансформаторы.

Тороидальные или кольцевые трансформаторы позволяют полнее использовать магнитные свойства материала, имеют малые потоки рассеивания и создают очень слабое внешнее магнитное поле, что особенно важно в высокочастотных и импульсных трансформаторах. Но из-за сложности изготовления обмоток не получили широкого применения. Чаще всего их делают из феррита.

Для уменьшения потерь на вихревые токи шихтованные магнитопроводы набираются из штампованных пластин толщиной 0,35 – 0,5 мм, которые с одной стороны покрывают слоем лака толщиной 0,01 мм или оксидной пленкой.

Лента для ленточных магнитопроводов имеет толщину от нескольких сотых до 0,35 мм и также покрывается электроизолирующей и одновременно склеивающейся суспензией или оксидной пленкой. И чем тоньше слой изоляции, тем плотнее происходит заполнение сечения магнитопровода магнитным материалом, тем меньше габаритные размеры трансформатора.

За последнее время наряду с рассмотренными «традиционными» типами магнитопроводов находят применение новые формы, к числу которых следует отнести магнитопроводы «кабельного» типа, «обращенный тор», катушечный и др.

На этом пока закончим. Продолжим во второй части.
Удачи!

1. В. А. Волгов – «Детали и узлы радио-электронной аппаратуры», Энергия, Москва 1977 г.
2. В. Н. Ванин – «Трансформаторы тока», Издательство «Энергия» Москва 1966 Ленинград.
3. И. И. Белопольский – «Расчет трансформаторов и дросселей малой моности», М-Л, Госэнергоиздат, 1963 г.
4. Г. Н. Петров – «Трансформаторы. Том 1. Основы теории», Государственное Энергетическое Издательство, Москва 1934 Ленинград.
5. В. Г. Борисов, – «Юный радиолюбитель», Москва, «Радио и связь» 1992 г.

Порошковые сердечники изготавливаются из множества материалов. Магнитному сплаву придается форма мелкодисперсных частиц диаметром от 5 до 200 мкм. Частицы покрываются изолирующим материалом толщиной от 0,1 до 3 мкм, и прессуют в пресс-формах при усилии до 300.000 фунтов на квадратный дюйм (21.000 кг/см 2 ).

Порошковые сердечники.
Порошковые сердечники изготавливаются из множества материалов. Магнитному сплаву придается форма мелкодисперсных частиц диаметром от 5 до 200 мкм. Частицы покрываются изолирующим материалом толщиной от 0,1 до 3 мкм, и прессуют в пресс-формах при усилии до 300.000 фунтов на квадратный дюйм (21.000 кг/см 2 ).

При таких высоких давлениях необходимо использовать оснастку из карбида вольфрама. Возможно большое разнообразие форм порошковых сердечников, но самыми распространенными являются тороиды. На маленькие тороиды наносится покрытие из парилена (поли-n-ксилилен, parylene), а на большие – эпоксидное. Покрытие необходимо для предотвращения короткого замыкания в процессе намотки обмотки и эксплуатации.

Изменение размера частиц, толщины их покрытия и давления позволяет изменять проницаемость готовых порошковых сердечников в диапазоне от 14 до 350. Затем сердечники отжигаются при высокой температуре в атмосфера водорода. Отжиг снимает внутренние напряжения, возникшие при прессовании, препятствует окислению и улучшает магнитные свойства порошковых сердечников.

Потери на вихревые токи в порошковых сердечниках минимальны из-за того, что каждая частица магнитного материала изолирована от других. Изолирующий материал обеспечивает распределенный воздушный зазор, который снижает проницаемость и дает возможность сердечнику запасать значительное количество энергии. Отсутствие локализованного воздушного зазора устраняет вредное действие краевого эффекта и связанных с ним потерь.

Порошковое железо выпускается с проницаемостью от 10 до 90 и является самым дешевым порошковым материалом. Из-за сложности производства изготовление сердечников с более высокими проницаемостями практически нецелесообразно. Кроме тороидов оно выпускается в виде стержней и Е – и I – сердечников. Насыщается в районе 10 кГс, но имеет очень большие потери.

Хотя потери в порошковом железе и высокие, они ниже, чем в трансформаторной стали. Оно эффективно применяется в виде стержней при очень низких уровнях потока для подстройки резонансных контуров с трансформаторной связью. Порошковое железо также используется в фильтрах с низкими эксплуатационными характеристиками, которые должны выдерживать большие постоянные токи, а цена имеет определяющее значение. Под воздействием высокочастотного пульсирующего тока значительной величины порошковое железо становится очень горячим.

МРР – порошковый молибденовый пермаллой, также известный как Мо-пермаллой. Мо-пермаллой (МРР) сердечники производят из сплава, состоящего из 2% молибдена, 81% никеля и 17% железа. Мо-пермаллой (МРР) тороиды изготавливаются с проницаемостью от 14 до 350. Это самый широкий диапазон проницаемостей для всех порошковых материалов. Мо-пермаллой (МРР) насыщается при 7 кГс и обладает самыми низкими потерями из всех порошковых материалов. У Мо-пермаллоя (МРР) самая лучшая температурная стабильность наряду с самым малым изменением проницаемости при малом и среднем уровне возбуждения. Высокое содержание никеля в Мо-пермаллое (МРР) делает его самым дорогим из всех порошковых сердечников, но его превосходные характеристики более чем компенсируют его стоимость.

Мо-пермаллой (МРР) наилучший материал для фильтров звуковой частоты, среднечастотных низкоуровневых резонансных контуров и сглаживающих дросселей в переключаемых источниках питания. Мо-пермаллой (МРР) сердечники можно использовать в мощных резонансных контурах, работающих в области насыщения на частотах до 3,5 кГц. При введении в насыщение на частотах выше этой выделяется слишком много тепла. Это самый лучший материал для трансформаторов тока в диапазоне 10 кГц – 1 МГц, особенно если необходимо выдерживать большие постоянные токи. Наиболее эффективное решение, из-за очень низких потерь на вихревые токи, при необходимости изолировать шину питания от коротких мощных пиков напряжения.

Сендаст был изобретен в Японии перед Второй мировой войной. Он состоит из 6% алюминия, 9% кремния и 85% железа. Тороиды из сендаста производятся с проницаемостями от 60 до 125 под торговой маркой Super-MSS. Свойства сендаста при подмагничивании постоянным током схожи с Мо-пермаллоем (МРР), а потери меньше, чем у порошкового железа, но больше, чем у Мо-пермаллоя (МРР). Из сендаста изготавливались высококачественные магнитные головки. MSS хорошо подходит для сетевых и выходных фильтров средних характеристик.

И хотя он слегка дороже порошкового железа, его значительно более низкие потери оправдывают разницу в цене. В переключаемых источниках питания, где потери не так критичны, Super-MSS (сендаст) обычно используют как замену Мо-пермаллою (МРР). Часто это – наилучший выбор, потому что Super-MSS (сендаст) стоит дешевле Мо-пермаллоя (МРР).

High Flux (HF) порошковые сердечники изготавливают из сплава 50% никеля и 50% железа. HF тороиды имеют проницаемость от 14 до 200. Сердечник из Hi-Flux (HF) может запасти в четыре раза больше энергии, чем сердечник МРР (Мо пермаллоя) или MSS (сендаста) такой же проницаемости и размеров, так как его практическое насыщение – 11 кГс. Hi-Flux (HF) стоит немного дешевле МРР (Мо-пермаллоя) и является самым лучшим выбором для применений, в которых требуется накопление максимальной энергии, а стоимость не имеет большого значения. Его потери значительно меньше, чем у порошкового железа, но больше, чем у МРР (Мо-пермаллоя) или Super-MSS (сендаста). Hi-Flux (HF) – лучший выбор для мощных низкочастотных резонансных контуров и дросселей, через которые должны протекать большие постоянные токи. Это делает возможным создание RFI фильтров для сетевых источников питания, которые могут удлинять импульсы выпрямителя и улучшать коэффициент мощности.

Ферриты являются керамическими материалами, изготовленными из окиси железа с добавлением окислов марганца, цинка или других металлов. Компоненты в виде порошков смешиваются, помещаются в форму и спекаются. В результате получается твердое, хрупкое стеклоподобное вещество. Обычно проницаемость имеет диапазон от 750 до 10000. Плотность потока насыщения – от 3 до 5 кГс. Ферриты можно производить в любой удобной форме – тороиды, Е – и I – образные сердечники, броневые сердечники и стержни.

Ферриты могут обладать самыми низкими потерями из всех широко применяемых материалов из-за их низкого остаточного намагничивания и высокого удельного сопротивления. Они – наилучший выбор для трансформаторов в диапазоне частот от 1 кГц до 1 Мгц. Они не очень хорошо подходят для высокочастотных применений, если не снабжены зазором. Это обусловлено большим влиянием температуры и уровня возбуждения на проницаемость и Q (добротность).

Обычно, удельное сопротивление ферритов в миллионы раз больше, чем у магнитомягких сплавов. Хотя это обуславливает самые низкие потери на вихревые токи из всех твердотельных материалов, все равно обмотка должна быть изолирована от сердечника. Кромки феррита, острые как бритва, легко нарушат изоляцию провода во время намотки.

Для предотвращения короткого замыкания во время намотки на ферритовые тороиды наносится париленовое или эпоксидное покрытие. Не смотря на то, что ферриты обладают достаточно высоким удельным сопротивлением, потери на вихревые токи иногда могут создавать проблемы. Это происходит в применениях с высоким напряжением на виток, таких как дроссели в низкочастотных цепях с высоковольтными импульсами. В этих случаях лучший выбор – МРР (Мо-пермаллой).

Формы сердечников.
Тороиды являются самой эффективной магнитной формой и при этом самой дешевой в производстве. Для намотки большого количества витков необходимы специальные машины, что несколько корректирует их низкую цену в сторону повышения. В тороидах обычно зазоры не используют из-за сложности соединения двух секций вместе.

Е – и I – сердечники более дорогие в изготовлении из-за необходимости точного совмещения. Если они не точно совмещены, то при креплении они расколются. При необходимости зазор вводится стачиванием среднего стержня Е- сердечника. Иногда, для удвоения зазора, соединяются два сердечника. Катушки для таких сердечников наматывают с большой скоростью на недорогих машинах, что частично компенсирует высокую стоимость сердечников.

Наиболее дорогие в производстве – броневые сердечники. Их изготавливают в виде двух половин, которые должны очень точно подходить друг к другу. Сердечник почти полностью окружает катушку, за исключением небольших отверстий для выводов. Практически все магнитное поле катушки заключено внутри сердечника. Если сердечник заземлен, феррит, обладающий средней электропроводностью, действует так же хорошо, как электромагнитный экран. Таким образом, броневые сердечники экранированы лучше, чем все другие типы сердечников.

Броневые сердечники подвергаются перегреву, потому что их обмотка окружена материалом сердечника, который плохо проводит тепло и препятствует циркуляции воздуха. Как и для Е – сердечника один или оба центральных стержня могут быть сточены, чтобы обеспечить воздушный зазор. Однако при этом тепловое действие краевых эффектов на обмотку приводит к еще большему возрастанию температуры. У броневых сердечников с зазором для подстройки индуктивности могут быть винтовые сердечники в центральной части.

Воздушным зазором можно обеспечить как стабильность проницаемости ферритов, так и способность запасать значительные количества энергии. При снижении проницаемости ферриты способны выдерживать большие значения постоянного тока без насыщения. На высоких частотах для минимизации потерь на краевые эффекты необходимо использовать литцендрат.

В начале 1980-х Stackpole Carbon Company выпускала ферритовые тороиды с низкой проницаемостью для накопления энергии. Однако по неизвестным причинам производственная линия была ликвидирована.

Потери в сердечнике.
Истинная стоимость потерь в сердечнике часто недооценивается конечным пользователем. Рассмотрим, например, сердечник, потери в котором составляют 1 Вт при стоимости электроэнергии 10 центов за кВт в час. За год непрерывной работы сердечник потратит 88 центов. Это тепло может принести пользу в Маренго, штат Иллинойс в январе, но абсолютно бесполезно в Финиксе, штат Аризона в июле. В последнем случае необходимо потратить дополнительный доллар на кондиционирование, чтобы выкачать наружу потраченную впустую энергию.

Когда размеры сердечника удваиваются, площадь поверхности увеличивается в четыре раза, а объем и потери возрастают в восемь раз. Рост температуры пропорционален отношению потерь в сердечнике к площади поверхности, то есть в больших сердечниках она больше в два раза. Сердечники с диаметром больше 3 дюймов (76,2 мм) могут потребовать принудительного воздушного охлаждения даже при умеренных уровнях потока.

Потери в сердечнике вызывают увеличение температуры обмотки. Сопротивление меди увеличивается на 0,4%/ о С. Таким образом, увеличение температуры на 30 о С из-за потерь в сердечнике, на 12% увеличивает потери в меди, что еще больше повышает температуру. Высокая температура сердечника также приводит к деградации изоляции обмотки и вызывает тепловые напряжения, которые могут привести к закорачиванию витков обмотки.

Большинство химических реакций примерно удваивают скорость с увеличением температуры на 10 о С. Механизм старения большинства электронных компонентов зависит от температуры и, таким образом, увеличение рабочей температуры на 10 о С сокращает срок службы вдвое. Растраченная впустую мощность повышает температуру внутри электронного оборудования, что приводит к снижению срока службы компонентов.

Избыточное тепло медленно окисляет и делает хрупкими паяные соединения и обугливает печатные платы. Долговременно воздействие высокой температуры на электролитические конденсаторы высушивает их и сокращает срок службы. Резисторы в условиях работы при повышенной температуре меняют свой номинал. Функционирование при повышенной температуре полупроводников приводит к перераспределению введенных в них примесей и увеличивает перетекание зарядов. Это перетекание может еще больше увеличить температуру полупроводника.

Для поддержания стабильности полупроводников при повышенной температуре окружающей среды необходимы более массивные и более дорогие радиаторы. Во многих случаях стоимость радиатора превышает экономию на сердечнике, работающем при повышенной температуре. Очень часто применение дорогих сердечников, температура которых при работе ниже, позволяет отказаться от вентилятора и снизить общую стоимость. Кажущаяся экономия в 1$ на стоимости сердечника может обернуться потерями 100$ если источник питания придется ремонтировать в полевых условиях.

Кривые В/Н.
На рис. 1 показана петля гистерезиса ферритового сердечника ЕС70/70 (3С81) без зазора производства Phillips (Ferroxcube) с обмоткой из 200 витков провода #17. Его индуктивность около 160 мГн при 90 мА. Тот же самый сердечник, но с воздушным зазором (EC70/70G) приведен на рис. 2. Напряжение возбуждения осталось неизменным, а ток значительно вырос. Индуктивность равна 4 мГн при 3,5 А и масштаб изменился. Петля гистерезиса стала значительно более линейной от введения зазора величиной 190 мил (0,48 мм), но насыщение происходит при тех же 3 кГс. Воздушный зазор, распределенный или нет, просто расширяет ось Н. Он не влияет на потери в сердечнике при одинаковых частоте и уровне потока.

Сердечники из MPP (Мо-пермаллоя), Super-MSS (сендаста), Hi-Flux и порошкового железа использовались для изготовления 4 мГн дросселей. Диаметр тороида был 1,84 дюйма (46,73 мм), проницаемость 60, обмотка состояла из 172 витков провода #17. На рис. 3 приведена петля гистерезиса для МРР (Мо пермаллоевого) сердечника. Петля гистерезиса для сердечника из порошкового железа приведена на рис. 4. Она более «массивная» по сравнению с петлей сердечника из МРР (Мо пермаллоя) и потери значительно больше. У многих видов порошкового железа существует значительное падение проницаемости при очень низких уровнях возбуждения. У используемого сердечника это падение составляло порядка 45%. Во время этого теста сердечник был очень горячим и производил неприятный звуковой шум.

На рис. 5 приведена тройная экспозиция правых половин петель гистерезиса порошковых сердечников из MPP (Мо-пермаллоя), Super-MSS (сендаста) и Hi-Flux. У сердечников из MPP (Мо-пермаллоя) и Super-MSS (сендаста) кривые почти идентичны, за исключением большего гистерезиса у MPP (Мо-пермаллоя). Насыщение этих сердечников происходит в районе 7 кГс. У порошковых сердечников из Hi-Flux гистерезис больше, чем у Super-MSS (сендаста) и насыщение происходит более плавно на уровне, большем 11 кГс. Потери для MPP (Мо-пермаллоя) и Super-MSS (сендаста) так малы, что их петли гистерезиса представляют практически прямую линию. Петлю гистерезиса Hi-Flux можно видеть, но она совсем не такая, как у порошкового железа на рис.4.

Акустический шум, производимый сердечниками из порошкового железа и феррита с зазором при измерениях на частоте 1 кГц достаточно неприятный. Hi-Flux шумит на 3дБ тише, а MPP (Мо-пермаллой) и Super-MSS (сендаст) – на 6 дБ. Но даже эти сердечники могут производить раздражающий шум при работе на частоте около 3 кГц при максимальных уровнях потока.

Измерение потерь в сердечниках.
На рис. 6 приведены идеальные формы волн, соответствующие 4 мГн дросселю, введенному в насыщение прямоугольным сигналом с частотой 1 кГц. Когда ток втекает в индуктивность, запасенная в ней энергия пропорциональна значению индуктивности и квадрату тока. Когда ток уменьшается, индуктивность возвращает энергию в цепь. Энергия запасается при положительном напряжении, и ток увеличивается от нуля до максимума. Это период положительной мощности, так как энергия течет из источника в индуктивность.

Когда напряжение возбуждения внезапно становится отрицательным, энергия из индуктивности возвращается в источник. Мощность становится отрицательной, так как напряжение отрицательное, а ток положительный. Когда ток переходит через ноль и становится отрицательным, энергия начинает течь в индуктивность и мощность снова становится положительной. В этой точке и ток, и напряжение отрицательные.

Когда при следующем переключении напряжения напряжение возбуждения становится положительным, мощность снова становится отрицательной и энергия из индуктивности возвращается в источник. В этом случае напряжение положительное, а ток отрицательный. Наконец ток пересекает ноль в положительном направлении, и мощность становится положительной. Формой изменения мощности является пилообразная волна с частотой 2 кГц со смещением на 5 Вт по постоянному току из-за потерь в сердечнике. Для измерения таких малых потерь при ±400 Вт реактивной мощности необходим очень точный умножающий ваттметр.

В типовом переключаемом источнике питания удвоенная амплитуда тока пульсаций, протекающего через сглаживающий дроссель, зависит от размера применяемого сердечника. Уменьшение размеров сердечника с целью экономии средств приводит к увеличению тока пульсаций. Больший ток пульсаций вызывает больший нагрев из-за потерь на гистерезис, что делает необходимым применение конденсатора фильтра большей емкости. Наиболее экономически обоснованным является использование сердечника, обеспечивающего ток пульсаций около одной четверти от тока нагрузки.

Потери на гистерезис, вызванные током пульсации часто больше потерь в меди. Полезным показателем производительности индуктивности в переключаемом источнике питания является Q, измеренная на частоте 40 кГц. Это позволяет определить ESR индуктивности. Измерения Q были проведены для MPP (Мо-пермаллоя), Super-MSS (сендаста), Hi-Flux, порошкового железа и феррита. Уровни постоянного тока были 6, 6, 15, 13 и 3,5 А. Проницаемость порошковых сердечников равна 60. Q на частоте 40 кГц измерялась при двойной амплитуде 2А для порошковых сердечников и 1А для феррита. Сопротивление обмотки было около 0,18 Ом у порошковых сердечников и 0,28 Ом у феррита. Результаты измерений приведены в Таб.1.

Таблица 1.

Тип сердечникаТок (А)

Выходное напряжение (В)

Выходная мощность (кВт)Потери мощности (Вт)Потери мощности (%)Q (40 кГц)ESRЦена $МРР (Мо пермаллой)63201,92110,6741410,97Super-MSS (Сендаст)63201,92160,834303,02Hi-Flux15800121571,3195610,68Порошковое железо1369391311,516640,64Феррит с зазором3,51870,65172,6811912,00Феррит/лит-цендрат3,51870,6581,21001013,00

Все сердечники тороидальные с диаметром 1,84 дюйма (46,7 мм), за исключением ферритового ЕС70/70G с зазором. Индуктивность 4,0 мГн. Ток пульсаций представляет собой треугольную волну с двойным размахом амплитуды, составляющим 33% от указанной во второй колонке таблицы.

В Таблице 2 приведены результаты сравнения сердечников для различных применений.

Два составных корня «магнит» и «провод», соединенные буквой «о», определяют назначение этого электротехнического устройства, созданного для надежного пропускания магнитного потока по специальному проводнику с минимальными или, в отдельных случаях, определенными потерями.

Электротехническая промышленность широко использует взаимную зависимость электрической и магнитной энергий, переход их из одного состояния в другое. На этом принципе работают многочисленные трансформаторы, дроссели, контакторы, реле, пускатели, электродвигатели, генераторы и другие подобные устройства.

В их конструкцию входит магнитопровод, пропускающий магнитный поток, возбужденный прохождением электрического тока, для дальнейшего преобразования электрической энергии. Он является одной из составных частей магнитной системы электротехнических устройств.

Магнитопровод электротехнического изделия (устройства) (Coil flux guide) – магнитная система электротехнического изделия (устройства) или совокупность нескольких ее частей в виде отдельной конструктивной единицы (ГОСТ 18311-80).

Из чего изготавливают магнитопровод

Вещества, которые входят в его конструкцию, могут обладать различными магнитными свойствами. Их принято классифицировать на 2 вида:

Для их отличия используется термин «магнитная проницаемость µ», которая определяет зависимость созданной магнитной индукции B (силы) от величины приложенной напряженности H.

Приведенный график показывает, что ферромагнетики обладают сильно выраженными магнитными свойствами, а у парамагнетиков и диамагнетиков они слабые.

Однако, индукция ферромагнетиков при дальнейшем увеличении напряженности начинает снижаться, имея одну ярко выраженную точку максимальной величины, характеризующей момент насыщения вещества. Она используется при расчетах и эксплуатации магнитных цепей.

После прекращения действия напряженности какая-то часть магнитных свойств остается у вещества и, если к нему приложить противоположное поле, то часть его энергии станет расходоваться на преодоление этой доли.

Поэтому у цепей переменного электромагнитного поля наблюдается отставание индукции от приложенной напряженности. Подобную зависимость намагниченности вещества ферромагнетиков характеризует график, получивший название гистерезиса.

На нем точками Нк показана ширина петли, которая характеризует остаточный магнетизм (коэрцитивную силу). По ее размеру ферромагнетики подразделяют на две категории:

1. мягкие, с узкой характеристикой петли;

2. твердые, имеющие большую коэрцитивную силу.

К первой категории относят мягкие сплавы железа и пермолой. Из них изготавливают сердечники для трансформаторов, электродвигателей и генераторов переменного тока потому, что они создают минимальные затраты энергии на перемагничивание.

Жесткие ферромагнетики из углеродистых сталей и специальных сплавов применяются в различных конструкциях постоянных магнитов.

При выборе материала для магнитопровода учитывают потери на:

вихревые токи, создаваемые от действия ЭДС, наведенной магнитным потоком;

последействие, обусловленное магнитной вязкостью.

Для конструкций магнитопроводов, работающих на переменном токе, выпускаются специальные сорта листовой или рулонной тонкостенной стали с различной степенью легирующих добавок, которые производятся методами холодного или горячего проката. Причем холоднокатаная сталь дороже, но обладает меньшими потерями индукции.

Из стальных листов и рулонов механическими методами обработки создают пластины или ленты. Их покрывают слоем лака для защиты и обеспечения изоляции. Двухстороннее покрытие более надежное.

Для реле, пускателей и контакторов, эксплуатируемых в цепях постоянного тока, магнитопроводы отливают цельными блоками.

Цепи переменного тока

Среди них распространены два вида магнитопроводов:

Первый тип выполнен двумя стержнями, на каждом из которых раздельно надеты две катушки с обмотками высокого или низкого напряжения. Если размещать на стержне по одной обмотке ВН и НН, то возникают большие потоки рассеивания энергии, возрастает составляющая реактивного сопротивления.

Магнитный поток, проходящий по стержням, замыкается верхним и нижним ярмом.

Броневой тип имеет стержень с обмотками и ярмами, от которого магнитный поток раздваивается на две половины. Поэтому его площадь в два раза превышает сечение ярма. Такие конструкции чаще встречаются в трансформаторах малой мощности, где не создаются большие тепловые нагрузки на конструкцию.

Силовым трансформаторам нужна большая поверхность охлаждения обмоток, вызванная преобразованием повышенных нагрузок. К ним лучше подходит стержневая схема.

Для них можно использовать три однофазных магнитопровода, разнесенных на одну треть длины окружности или собрать обмотки на общем железе в своих ячейках.

Если рассматривать общий магнитопровод из трех одинаковых конструкций, разнесенных по углу на 120 градусов, как показано на левой верхней части картинки, то внутри центрального стержня суммарный магнитный поток будет сбалансирован и равен нулю.

Однако, на практике чаще используют упрощенную конструкцию, расположенную в одной плоскости, когда три разных обмотки располагают на отдельном стержне. При этом способе магнитный поток от крайних катушек проходит по большому и малому кольцу, а от средней — по двум соседним. За счет образования неравномерного распределения дистанций создается определенный дисбаланс магнитных сопротивлений.

Он накладывает отдельные ограничения для расчетов конструкции и некоторых режимов эксплуатации, особенно холостого хода. Но в целом такая схема магнитопровода широко применяется на практике.

Приведенные на верхних картинках магнитопроводы делают из пластин, а на собранные стержни надевают катушки. Эта технология применяется на автоматизированных предприятиях с большим станочным парком.

На маленьких производствах может использоваться технология ручной сборки за счет ленточных заготовок, когда первоначально изготавливается катушка с намотанным проводом, а после этого вокруг нее последовательными витками монтируется магнитопровод из ленты трансформаторного железа.

Подобные витые магнитопроводы тоже создаются по стержневому и броневому типу.

У ленточной технологии допустимой толщиной материала является величина 0,2 или 0,35 мм, а для сборки пластинами она может быть выбрана 0,35 либо 0,5 или даже больше. Это объясняется необходимостью плотной намотки ленты между слоями, что сложно выполнять вручную при работе с толстыми материалами.

Если при намотке ленты на катушку ее длины не хватает, то допускается стыковать к ней продолжение и надежно прижимать его новым слоем. Аналогичным образом собираются пластины стержней и ярма в пластинчатых магнитопроводах. Во всех этих случаях стыки необходимо делать с минимальными размерами, ибо они влияют на общее магнитное сопротивление и потери энергии в целом.

Для точной работы создания подобных стыков стараются избегать, а когда их исключить невозможно, то применяют шлифовку краев, добиваясь плотного прилегания металла.

При ручной сборке конструкции довольно сложно бывает точно сориентировать пластины между собой. Поэтому в них делали отверстия и вставляли шпильки, которые обеспечивали хорошее центрирование. Но такой способ слегка уменьшает площадь магнитопровода, искажает прохождение силовых линий и магнитное сопротивление в целом.

Большие автоматизированные предприятия, занимающиеся специализированным выпуском магнитопроводов для точных трансформаторов, реле, пускателей, отказались от пробивных отверстий внутри пластин и применяют другие технологии сборки.

Шихтованные и стыковые конструкции

Магнитопроводы, создаваемые на основе пластин, могут собираться за счет отдельной подготовки стержней с ярмами и последующего монтажа катушек с обмотками, как показано на картинке.

Справа приведена упрощенная стыковая схема сборки. У нее может проявиться серьезный недостаток — «пожар в стали», который характеризуется возникновением вихревых токов в сердечнике до критической величины, как показано на картинке внизу слева волнистой красной линией. Это создает аварийную ситуацию.

Устраняют этот дефект изоляционным слоем, который значительно влияет на увеличение намагничивающего потока. А это уже лишние потери энергии.

В отдельных случаях необходимо увеличить такой зазор для повышения реактивного сопротивления. Этот прием используется в индуктивностях и дросселях.

По перечисленным причинам стыковая схема сборки используется в неответственных конструкциях. Для точной работы магнитопровода используют шихтованную сборку пластин.

Ее принцип основан на четком распределении слоев и создании в нем одинаковых зазоров в стержне и ярме таким образом, чтобы при сборке все созданные полости заполнялись с минимальными стыками. При этом пластины стержня и ярма переплетаются между собой, образуя прочную и жесткую конструкцию.

На предыдущей верхней картинке показан шихтованный способ соединения прямоугольных пластин. Однако, меньшими потерями магнитной энергии обладают косоугольные конструкции, создаваемые обычно под 45 градусов. Они применяются в мощных магнитопроводах силовых трансформаторов.

На картинке показана сборка нескольких косоугольных пластин при частичной расшихтовке общей конструкции.

Даже при этом методе необходимо следить за качеством прилегания стыкуемых поверхностей и отсутствием в них недопустимых зазоров.

Метод применения косоугольных пластин обеспечивает минимальные потери магнитного потока в углах магнитопровода, но он значительно усложняет процесс изготовления и технологию сборки. За счет повышенной трудоемкости работ его используют очень редко.

Шихтованный метод сборки более надежен. Конструкция отличается прочностью, для нее требуется меньше деталей, а сборка проводится по заранее подготовленной методике.

При этом способе из пластин создается общая конструкция. После полной сборки магнитопровода возникает необходимость монтажа обмотки на нем.

Для этого приходится разбирать уже собранное верхнее ярмо поочередным изъятием всех его пластин. Чтобы исключить такую лишнюю операцию разработана технология сборки магнитопровода непосредственно внутри подготовленных катушек с обмотками.

Упрощенные модели шихтованных конструкций

На трансформаторах малой мощности часто не требуется точное выдерживание магнитных параметров. Для них создают заготовки методами штамповки по подготовленным шаблонам с последующим покрытием изоляционным лаком, причем, чаще всего, с одной стороны.

Левая сборка магнитопровода создается вводом в катушки заготовок сверху и снизу, а правая позволяет отгибать и вводить во внутреннее отверстие обмотки центральный стержень. При этих методах образуется небольшой воздушный зазор между стыкуемыми пластинами.

После сборки комплекта пластины плотно сжимаются крепежными элементами. Для уменьшения вихревых токов с магнитными потерями на них наносится слой изоляции.

Особенности магнитопроводов реле, пускателей

Принципы создания пути для прохождения магнитного потока остались теми же. Только магнитопровод разделяется на две части:

2. стационарно закрепленную.

При возникновении магнитного потока подвижный якорь вместе с закрепленными на нем контактами притягивается по принципу электромагнита, а при исчезновении — возвращается в исходное состояние под действием механических пружин.

Переменный ток постоянно меняется по величине и амплитуде. Эти изменения передаются магнитному потоку и подвижной части якоря, который может гудеть и вибрировать. Для исключения этого явления расщепляют магнитопровод вставкой короткозамкнутого витка.

В нем образуется раздвоение магнитного потока и сдвиг фазы одной его части. Тогда при переходе через нулевую точку одной ветви во второй действует сила, препятствующая вибрациям, и наоборот.

Магнитопроводы для устройств постоянного тока

В этих цепях отпадает необходимость бороться с вредным воздействием вихревых токов, которые проявляются при гармоничных синусоидальных колебаниях. Для магнитопроводов не используют наборы из тонких пластин, а изготавливают их прямоугольными или закругленными деталями методом цельных отливок.

При этом сердечник, на который насаживается катушка, делается круглым, а корпус и ярмо — прямоугольной формы.

С целью уменьшения первоначального тягового усилия воздушный зазор между разведенными частями магнитопровода имеет маленькую величину.

Магнитопроводы электрических машин

Наличие подвижного ротора, который вращается в поле статора, накладывает особенности на конструкции электродвигателей и генераторов. Внутри них необходимо расположить обмотки, по которым протекает электрический ток таким образом, чтобы обеспечить минимальные габариты.

С этой целью прямо в магнитопроводах изготавливаются полости для укладки проводов. Для этого сразу при штамповке пластин в них создаются пазы, которые после сборки представляют готовые магистрали под обмотки.

Таким образом, магнитопровод является неотъемлемой частью многих электротехнических устройств и служит для передачи магнитного потока.

Стальной сердечник — трансформатор — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Стальной сердечник — трансформатор

Cтраница 1


Стальной сердечник трансформатора Т выполняется с воздушным зазором и не насыщается, что позволяет обеспечить необходимое для правильной работы фильтра постоянство коэффициента kr и строгую пропорциональность между Ет и первичным током.  [2]

В стальном сердечнике трансформатора электрическая энергия расходуется на п е р е м а г и и ч и в а н и е сердечника, которое происходит 100 раз в секунду при частоте переменного тока, равной 50 герц, и на вихревые токи, возникающие в толще материала сердечника. С целью уменьшить потери на пе-ремагничивание п вихревые токи для изготовления сердечников трансформаторов применяют специальную листовую сталь толщиной 0 3 — 0.5 мм.  [3]

Для чего нужен стальной сердечник трансформатора.  [4]

Задача 2.11. В стальном сердечнике трансформатора ( рис. 2.8), имеющем обмотки на крайних стержнях, нужно получить в среднем стержне магнитный поток Ф 0 480 вб. Доля участия каждой обмотки в создании магнитного потока должна быть одинаковой.  [5]

Однако слишком сильное гудение стального сердечника трансформатора свидетельствует о нарушениях рабочего режима.  [6]

Значение магнитной индукции в стальном сердечнике трансформатора выбирается с учетом размагничивающего действия вторичной обмотки.  [8]

Основной поток замыкается в стальном сердечнике трансформатора.  [9]

В процессе работы обмотки и стальной сердечник трансформатора нагреваются. Металлические части трансформатора могут без повреждения продолжительное время выдерживать сравнительно высокие температуры нагрева. Изоляция обмоток, от надежности которой прежде всего зависит надежность работы трансформатора, при нагреве постепенно изнашивается, стареет. Старение изоляции характеризуется уменьшением ее эластичности и механической прочности. Следствием этого могут быть электрический пробой изоляции и повреждение трансформатора. Время, в течение которого изоляция изнашивается настолько, что она по своему физическому состоянию становится уже непригодной к дальнейшей работе, зависит от температуры ее нагрева. С увеличением последней при прочих равных условиях срок службы трансформатора уменьшается.  [10]

В процессе работы обмотки и стальной сердечник трансформатора нагреваются. Металлические части трансформатора без повреждения могут продолжительное время выдерживать сравнительно высокие температуры нагрева. Изоляция обмоток, от надежного поведения которой прежде всего зависит надежность работы трансформатора, при нагреве постепенно изнашивается или, как говорят, стареет.  [11]

От действия переменного магнитного поля в стальных сердечниках трансформаторов тоже могут возникать вредные вихревые токи. И чтобы бороться с ними, сердечники трансформаторов также делают не сплошными, а из тонких изолированных листов специальной трансформаторной стали.  [12]

Получится схема, приведенная на рис. 11 — 11, на которой не показан стальной сердечник трансформатора.  [13]

Если подобрать транзисторы VT1 и VT2 с равными начальными токами, то подмагничивание вообще исключается. Режим работы стального сердечника трансформатора определяется большими значениями магнитной проницаемости. Поэтому габаритные размеры, масса и стоимость двухтактного трансформатора получаются существенно меньше, чем трансформатора однотактного каскада при одинаковых электрических параметрах.  [15]

Страницы:      1    2

Что такое магнитопровод в трансформаторе.Зачем нужен зазор и другое | Электронные схемы

магнитопровода трансформаторов зачем они нужны

магнитопровода трансформаторов зачем они нужны

Сетевой и импульсный трансформаторы имеют сердечник или магнитопровод из разных материалов,в этой статье будет рассказано об этой детали.

магнитопровод сетевого трансформатора Ш-образная пластина

магнитопровод сетевого трансформатора Ш-образная пластина

Магнитопровод-это деталь трансформатора,предназначенная для прохождения магнитного потока.Этот поток в сетевом трансформаторе появляется,когда первичную-сетевую обмотку подключаем в сеть 220В,которая имеет синусоидальную форму напряжения.Возле этой катушки образуется электромагнитное поле,магнитная составляющая которого передается магнитопроводом и он становится магнитом,полюса которого изменяются 50 раз север и 50 раз юг за одну секунду.Если на магнитопровод вставить еще одну катушку-понижающую,то при подключении к ней нагрузки в ней индуцируется ЭДС.

Если измерить сопротивление сетевой обмотки ТС-180,то показания будут около 6.4Ом,а если взять резистор 6.4 Ом и включить в сеть 220В, то его разорвет или выбьет пробки.Дело в том,что сопротивление резистора активное,его как раз покажет омметр,а сопротивление сетевой обмотки при переменном напряжении 220В-реактивное,именно оно и оказывает сопротивление 220В. Сердечник в катушке увеличивает реактивное сопротивление и индуктивность обмотки.

как работает сетевой трансформатор

как работает сетевой трансформатор

Магнитопровод изготовлен из специальной трансформаторной стали-железа с кремнием (магнитомягкий материал),с большим удельным сопротивлением и с минимальной остаточной намагниченностью,узкой петлей гистерезиса,с высокой магнитной проницаемостью.На магнитопровод действуют токи Фуко,для их уменьшения сердечник собирают внахлест-шихтуют,а пластины изолируют друг от друга лаком или слоем оксида.Высокое удельное сопротивление сердечника тоже от токов Фуко.

активное, реактивное, удельное сопротивление

активное, реактивное, удельное сопротивление

Нельзя использовать в сердечнике другую сталь,она начнет нагреваться и трансформатор будет плохо работать.Сердечник может войти в насыщение,это когда магнитопровод максимально становится магнитом.В этом режиме трансформатор начнет излучать импульсные помехи,которые могут повлиять на работу радиодеталей.

ферритовый сердечник импульсного трансформатора

ферритовый сердечник импульсного трансформатора

Для работы в импульсных блоках питания,применяют ферритовый сердечник,который может работать на частотах десятки кГц с импульсами.Это тоже ферромагнетик,но выполнен из оксида железа и других добавок и материалов.Внахлест его не собирают,так как токи Фуко в сердечнике гасятся из-за высокого удельного сопротивления материала.Зазор делают для того,чтобы сердечник не входил в насыщение от намагниченности,которая может быть вызвана постоянной составляющей сигнала(немагнитный зазор).

тороидальный сетевой трансформатор на тороидальном сердечнике

тороидальный сетевой трансформатор на тороидальном сердечнике

Трансформаторы сетевые и импульсные, могут быть намотаны на тороидальном сердечнике для уменьшения полей рассеяния.Они более эффективны,по сравнению с обычными сердечниками,имеют меньшие габариты,но намотка на кольцах трудоемка,а на ферритовом кольце еще и зазор труднее выполнить,хотя есть в продаже кольца с зазором.

ферритовый сердечник из магнитной антенны радиоприемника

ферритовый сердечник из магнитной антенны радиоприемника

В магнитной антенне есть ферритовый сердечник.Маркировка 400НН. 400-это магнитная проницаемость,чем она выше,тем ниже рабочая частота феррита.На СВЧ сердечником в контурах служит латунь или алюминий.

Почему сердечник трансформатора собирают из отдельных пластин: нюансы

Автор Andrey Ku На чтение 4 мин Опубликовано

Сердечник трансформатора — главная деталь механизма. От ее качества зависит то, как будет поступать электрический импульс в прибор, эффективность функционирования вторичных и первичных обмоток. Большая часть людей знает примерную схему работы оборудования, назовет основные детали механизма. Но вопрос о том, почему сердечник трансформатора собирают из отдельных пластин не находит ответ.

Дело в том, что на пластику подается электрический импульс, и кажется, что нет разницы одна она установлена или несколько. Поэтому постараемся максимально доступно простом языком объяснить, для чего сердечник трансформатора собирают из тонких листов, почему это важно и как правильно выбираются коэффициенты длины, ширины, проводимости.

Характеристики сердечника: теория

Прежде чем ответить на вопрос, почему сердечник трансформатора набирается из пластин, нужно понять само устройство конструктивной детали. Предназначение механизма — концентрация магнитных потоков, поступающих в прибор. В результате обработки значения получаются постоянными и соответствующими измерениям. Без наличия сердцевины невозможно было бы рассчитывать технические характеристики прибора, в том числе и коэффициент погрешности, коэффициент полезного действия и другое.

Выполняются детали их специальной электротехнической стали ферритов, железа, пермаллоя, электриков ферритного вида — в зависимости от конкретного типа и переназначения техники.

Почему сердечники трансформатора делают из отдельных пластин — улучшение магнитных характеристик этих металлов и элементов.

Устройство изготовляется из цельным пластин, которые различной толщины. Делать в приборе можно различные вариации: от 0,5 до 0,35 миллиметров, но встречается и другой по толщине лист. Холоднокатаные в отличи от горячекатаных вариаций отличаются повышенными характеристиками магнитопровода, но для сборки устройства требуются специфические навыки работы.

Набираться могут из ленты, которая свернута спиралевидным образом, только тороидальные модели. Собирать так — значит разместить вторичную обмотку, при этом значительно понизиться индуктивное сопротивление внешней обмотки (стремится у нулевым значениям), что повысит точность работы.

Для чего магнитопровод трансформатора собирают из отдельных листов, если устройство имеет можно свыше ста вольтов и ампер и частоту функционирования 50 Гц — повышение качества работы и обеспечение бесперебойного поступления электроэнергии для обработки.

Устройства собирать нужно из тонких и отдельных пластин сердечника — это уменьшает вихревые потери. Под действием на трансформатор магнитострикции они становятся деформированными, уменьшается коэффициент полезного действия, невозможно провести качественные расчеты мощности и иных технических характеристик. По факту, удлинения листов должны быть симметричны квадрату индукции, при этом колебания были бы на частоте сети, удвоенной вдвое (так как берется квадрат показателе).

Но путем опытных расчетов выясняем, что механические колебания различные по значениям, так как шум содержит высшие гармоники. Становится ясно, почему сердечник трансформатора собирают из отдельных листов и почему используются только качественные металлы для его производства.

Практика

Узнав, как работает сердечник и поняв его основные технические характеристики, материалы изготовления и конструктивные особенности, можно понять и самостоятельно, почему сердечник современного трансформатора собирают из отдельных листов железа. Для того, чтоб понять это, нужно проследить о обратного. Если бы сердцевина оборудования была выполнена из сплошного цельного куска металла, то это привело бы к возникновению переменного магнитного поля.

Это в свою очередь пододвигает к образованию существенного магнитного поля около сердечника. Возникающие дополнительные токи не нужны для стабильной и качественной работы тс, они лишь затрудняют обработку данных вторичной и первичной обмотками.

Образованные дополнительные токовые потоки непременно приведут к существенным потерям электрической энергии.

Если бы использовался сплошной кусок металла, то:

  • возникали бы дополнительные токи;
  • уменьшалось сопротивление вторично и первичных обмоток;
  • нельзя проследить технические характеристики изделия, мощность, погрешность, КПД;
  • невозможность составить план работы, на который можно опираться при производстве;
  • устройство выходит из строя, так как испытает не только необходимые магнитные потоки, но и дополнительные постоянно;
  • наблюдаются потери энергетической мощности.

Для чего сердечник любого трансформатора собирают из тонких листов стали – становится понятно — для обеспечения стабильной  и бесперебойной работы. Но есть и другие причины того, почему сердечник трансформатора собирают из тонких железных листов стали:

  • есть возможность собрать аналитические данные;
  • в устройстве не возникает дополнительных токов;
  • функционирование без существенных энергетических потерь при работе;
  • срок службы;
  • удобство использования;
  • построение плана действий на производстве.

Изготовление из отдельных пластинок занимает больше времени и требует применения специфических знаний. Но без этого никак не обойтись. Для обеспечения стабильного функционирования и уменьшения потерь энергии используется число листов, изготовленных только из качественного и проверенного материала.

Виды магнитопроводов, сердечников трансформаторов

Магнитопровод силового трансформатора состоит из стальных пластин. Использование пластин вместо монолитного сердечника уменьшает вихревые токи, что повышает КПД и снижает нагрев.

магнитопроводы трансформаторов

Магнитопроводы вида 1, 2 или 3 получают методом штамповки.
Магнитопроводы вида 4, 5 или 6 получают путём навивки стальной ленты на шаблон, причём магнитопроводы типа 4 и 5 затем разрезаются пополам.

Виды магнитопроводов трансформаторов бывают:

1, 4 – броневые,
2, 5 – стержневые,
6, 7 – кольцевые.

Правда, кольцевых штампованных магнитопроводов я никогда не видел.
Чтобы определить сечение магнитопровода, нужно перемножить размеры «А» и «В». Для расчётов в этой статье используется размер сечения в сантиметрах.

Трансформаторы с штампованными броневым поз.1 и стержневым поз.2 магнитопроводами.Трансформаторы с витыми стержневым поз.1 и броневым поз.2 магнитопроводами.Трансформаторы с витыми кольцевыми магнитопроводами.

Стыковая конструкция

В такой конструкции сборка ярм и стержней осуществляется раздельно. Вначале на стержень монтируют обмотку, после этого крепят верхнее ярмо. Для изоляции пластин между стыкующимися элементами укладывают электрокартон. После монтажа ярма, конструкция прессуется и стягивается с помощью вертикальных шпилек. Такой тип сборки применяется для шунтирующих и токоограничивающих реакторов. Зависит это, в основном, от габаритов установки. При небольших размерах конечного изделия, такая сборка очень удобна, так как нужно лишь снять верхнее ярмо для монтажа обмоток.

Когда речь идет о применении такой конструкции в силовых трансформаторах, возникает потребность в громоздких устройствах для стяжки изделия. Поверхности стержней и ярм, подлежащих стыковке, должны быть механически обработаны. Это снижает магнитное сопротивление, но требует больших материальных затрат и времени. Поэтому для силовых трансформаторов применяется другой вид сборки – шихтовка.

Шихтованная конструкция

В такой конструкции ярма и стержни представляют собой переплет. Их разбивают на слои определенной толщины. Состоит каждый такой пакет из двух-трех листов стали. Каждый слой содержит пластины, часть которых должна заходить в ярмо. Необходимо следить за тем, чтобы пластины предыдущего слоя перекрывали стыки пластин соседнего элемента.

Преимуществом такого вида сборки являются:

  • небольшой вес конструкции;
  • малые зазоры в зонах стыков;
  • малый ток холостого хода;
  • повышенная механическая прочность.

Из недостатков можно выделить фактор более сложной сборки трансформатора.

Сначала необходимо произвести расшихтовку верхнего ярма на отдельные слои. Затем обмотки насаживают на стержни и повторяют шихтование. Это делает монтаж более трудоемким. Проводить его должен квалифицированный специалист, так как некачественная сборка может ухудшить технические параметры трансформатора.

Влияние некачественной сборки на характеристики изделия

Наиболее распространенным дефектом собранной конструкции может быть плохая стыковка ярма с пластинами стержня. Вследствие этого, появившиеся зазоры приведут к возрастанию тока холостого хода (Iхх) трансформатора. Также ухудшится магнитный поток.

Если при сборке изделия количество пластин, входящих в ярмо, будет менее требуемого, то это вызовет уменьшение поперечного сечения, что спровоцирует рост магнитной индукции и увеличение потерь на холостом ходу. Любые механические повреждения пластин магнитопровода, во время шихтовки, также вызовут ухудшение технических параметров трансформатора.

Конструкция магнитопроводов силовых трансформаторов

У броневых магнитопроводов сечения стержней прямоугольные, а стержневые и бронестержневые магнитопроводы имеют в сечении вид многоугольника, вписанного в окружность (рисунок 8, а, б). В этом случае обмотки имеют вид круговых цилиндров и вследствие ступенчатого сечения магнитопровода коэффициент заполнения сталью полости обмотки получается большим. Такая конструкция с точки зрения расхода материалов, уменьшения габаритов и стоимости изготовления трансформатора, а также механической прочности обмоток является наиболее рациональной. Число ступеней магнитопровода увеличивается с увеличением мощности. В мощных трансформаторах в сечении магнитопровода предусматриваются каналы для его охлаждения циркулирующим трансформаторным маслом (рисунок 8, б).

рис 8, Формы сечения стержней трансформаторов, рис. 9 Формы сечения ярем трансформаторов

Для упрощения технологии изготовления ярем их сечение берется прямоугольным или с небольшим числом ступеней (рисунок 9). Форма сечения ярма и его сочленение со стержнем выбираются с учетом обеспечения равномерного распределения магнитного потока в сечении магнитопровода. Площади сечения ярем выбираются так, чтобы индукция в них была на 10 – 15% меньше, чем в стержнях. Стяжка стержней трансформаторов средней (до 800 – 1000 кВ×А) и большой мощности показана на рисунках 10 и 11. Ярма трансформаторов стягиваются с помощью деревянных или стальных балок. Для весьма мощных трансформаторов применяются и более сложные конструкции магнитопроводов.

Рис 10. Стяжка стержней трансформаторов средней мощности.  Рисунок 11. Стяжка стержней трансформаторов большой мощности 1 – деревянная планка; 2 – изоляционный цилиндр; 3 – деревянный стержень 1 – стальная шпилька; 2 – трубка из бакелизированной бумаги; 3 и 5 – шайбы из электротехнического картона; 4 – стальная шайба

Стержни магнитопроводов во избежание распушения спрессовывают (скрепляют). Делают это обычно наложением на стержень бандажа из стеклоленты или стальной проволоки. Стальной бандаж выполняют с изолирующей пряжкой, что исключает создание замкнутых стальных витков на стержнях. Бандаж накладывают равномерно, с определенным натягом. Для опрессовки ярм 3 и мест их сочленения со стержнями 1 используют ярмовые балки 2, которые в местах, выходящих за крайние стержни (рис. 18), стягивают шпильками.
Во избежание возникновения разности потенциалов между металлическими частями во время работы трансформатора, что может вызвать пробой изоляционных промежутков, разделяющих эти части, магнитопровод и детали его крепления обязательно заземляют. Заземление осуществляют медными лентами, вставляемыми между стальными пластинами магнитопровода одними концами и прикрепляемыми к ярмовым балкам другими концами.

Магнитопроводы трансформаторов малой мощности (обычно мощностью не более 1 кВ·А) чаще всего изготовляют из узкой ленты электротехнической холоднокатаной стали путем навивки. Такие магнитопроводы делают разрезными (рис. 1.9), а после насадки обмоток собирают встык и стягивают специальными хомутами.

Рисунок 12. Магнитопровод трансформатора небольшой мощностиРисунок 13. Раскрой листов (а) и укладка магнитопровода (б) трансформатора небольшой мощности

В однофазных трансформаторах весьма малой мощности (до 150 – 200 В×А) применяется броневая конструкция магнитопроводов. При этом стремятся к наибольшему упрощению их изготовления и сборки, а также к уменьшению отходов листовой стали. Обычно штамповка листов магнитопровода производится по одному из вариантов, изображенных на рисунках 12 и 13. В первом случае лист вырубается одним ударом штампа и имеет прорезь n; при сборке средний лепесток временно отгибается и вводится внутрь катушки обмотки, лепесток последующего листа вводится внутрь катушки с противоположного, торцевого, ее конца и так далее. Во втором случае одновременно вырубаются Ш-образные листы Ш1 и Ш2 и ярмовые листы Я1 и Я2 (рисунок 13, а), из которых составляются два слоя листов магнитопровода (рисунок 13, б). При этом листы вводятся внутрь катушки также поочередно с одного и второго ее конца.

Магнитопроводы силовых трансформаторов собираются из листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм марок 1511, 1512, 1513 или 3411, 3412, 3413. Применение холоднокатаной стали в последние годы все больше расширяется.

Межлистовая изоляция осуществляется путем односторонней оклейки листов стали изоляционной бумагой толщиной 0,03 мм или двустороннего покрытия изоляционным масляным лаком.

Индукции в стержнях трансформаторов мощностью 5 кВ×А и выше находится в пределах 1,2 – 1,45 Т для горячекатаных сталей и 1,5 – 1,7 Т для холоднокатаных сталей у масляных трансформаторов и соответственно 1,0 – 1,2 Т и 1,1 – 1,5 Т у сухих трансформаторов.

Видео: Трансформатор. Ликбез по магнитопроводу

Сегодня поговорим о такой теме как сердечник трансформатора.

Что такое трансформатор. Окончание | Компьютер и жизнь

Приветствую, друзья!

Продолжаем знакомство с «кирпичиками» электроники.

В первой части статьи мы начали знакомиться с трансформатором, узнали, как он устроен.

Мы узнали, что такое габаритная мощность трансформатора, коэффициент трансформации и КПД.

Сейчас мы с вами узнаем еще кое-что интересное и копнем в практическую сторону вопроса.

Сначала о том, какие бывают

Сердечники трансформаторов

Сердечники низкочастотных маломощных трансформаторов выполнены не из цельного куска ферромагнетика, а из отдельных пластин, изолированных друг от друга. Это уменьшает нагрев сердечника от вихревых токов (токов Фуко).

Такие сердечники из пластин стягивают винтами или специальными скобами. Если сердечник плохо стянут, то он будет надоедливо гудеть. Малогабаритные трансформаторы в адаптерах не стянуты, а проклеены специальным составом.

Форма сердечников может быть различной. Чаще всего применяются Ш- и П-образные сердечники. В случае Ш-образного сердечника обмотки располагаются в одной катушке на центральном стержне. В случае П-образного сердечника обмотки располагаются на двух катушках.

При этом в каждой катушке имеется половина первичной и половина вторичной обмотки (обмоток). Половинки обмоток включаются последовательно. Можно использовать одну половинку вторичной обмотки, получив вдвое меньшее напряжение.

Если быть точным, сердечники состоят из Ш-образных или П-образных пластин и замыкающей магнитный поток прямоугольной пластины.

Собирается сердечник вперекрышку, так, чтобы не было отдельного блока Ш-образных и замыкающих пластин.

Существую еще тороидальные сердечники, представляющие собой тор – «бублик» прямоугольного сечения.

Они отличаются меньшим рассеиванием магнитного потока и представляют собой металлическую ленту, свитую в кольцо.

Металлическая лента покрыта слоем лака – для того, чтобы воспрепятствовать токам Фуко.

Однако изготовить трансформатор на таком сердечнике сложнее.

Кто хотя раз пробовал мотать обмотки на тороидальном сердечнике – тот знает!

Интересно отметить, что сердечники высокочастотных (импульсных) трансформаторов сделаны из цельного куска материала (феррита).

Ферриты обладают повышенным электрическим и магнитным сопротивлением, поэтому такие технологические ухищрения не нужны.

Ферритовые сердечники способны работать на частотах в сотни килогерц и выше.

Где применяются трансформаторы в компьютерах и периферии?

Они применяются в блоках питания компьютеров и периферийных устройств. Отметим, что в большинстве случаев в периферийных устройствах и во всех компьютерах используются импульсные блоки питания.

Т.е. предварительно переменная сетевое напряжение выпрямляется высоковольтным выпрямителем. Постоянное напряжение поступает в инвертор, который превращает его в переменное напряжение повышенной частоты, которое можно преобразовать трансформатором.

Зачем такие сложности, спросите вы? Переменное выпрямить в постоянное, и затем опять превратить в переменное? Выигрыш здесь тот, что при повышенных частотах габариты и вес сердечника трансформатора уменьшаются в десятки раз!

При небольшом сердечнике количество меди в обмотках будет небольшим. Следовательно, стоимость трансформатора значительно уменьшается.

Стандартный компьютерный блок питания размерами 150 х 140 х 85 мм способен отдать мощность 600 — 800 ватт и более. При использовании трансформатора на частоте сетевого напряжения 50 Гц он имел бы габариты в несколько раз больше и вес в несколько килограммов. Тяжёлый бы получился компьютер!

Традиционные низкочастотные трансформаторы пока еще используются в маломощных блоках питания для модемов, акустических колонок, точек доступа и прочих маломощных периферийных устройств. Но область их применения постепенно сужается.

Автотрансформаторы

Достоинство обычных трансформаторов — гальваническая развязка обмоток. Т.е. вторичная обмотка не соединена непосредственно (гальванически) с сетью. Это повышает безопасность использования. Мощность из первичной обмотки во вторичную передается по воздуху.

А что будет, если соединить обмотки? Получим автотрансформатор!

Будет работать тот же закон электромагнитной индукции — чем с большей части витков снимается напряжение, тем больше оно будет.

Если подать напряжение на соединенные вместе первичную и вторичную обмотки, а снять напряжение с той, которая была раньше вторичной, получим понижающий трансформатор.

А если подать напряжение на часть обмотки, бывшей ранее первичной, а снять его с крайних выводов, получим повышающий трансформатор.

Уже интересно, правда?

Чтобы получить повышение напряжение на вторичной обмотке традиционным способом, пришлось бы мотать обмотку с количеством витков большим, чем в первичной. А так можно намотать дополнительную (небольшую) обмотку и получить нужное напряжение!

Цена этого — отсутствие гальванической развязки, так как присутствует, по существу, одна обмотка с отводами, подключенная к электрической сети.

Вместе с тем у автотрансформатора есть одно существенное преимущество. При той же мощности, снимаемой с обмотки, сердечник автотрансформатора имеет меньшие габариты и вес. Это свойство широко используется в источниках бесперебойного напряжения (ИБП), где используется технология AVR.

При изменении входного сетевого напряжения ИБП не спешит переключаться на аккумуляторы, а коммутирует обмотки автотрансформатора, поддерживая напряжение на нагрузке. Это продлевает срок службы аккумулятора.

Сердечник автотрансформатора имеет меньшие габариты и вес потому, что мощность из первичной обмотки во вторичную передается не только по воздуху, но и непосредственно, гальванически.

Перегрев трансформатора

В процессе работы трансформатор греется. Греются и обмотки, и сердечник. В правильно рассчитанном и изготовленном трансформаторе температура не превышает определенной величины. Но производители всегда ищут, где бы сэкономить.

Поэтому в дешевых адаптерах применяют следующий трюк. Уменьшают сечение сердечника и количество витков, экономия на меди и стали. В результате сердечник и обмотки греются сильнее. Чтобы исключить возможность пожара, последовательно с первичной обмоткой включают термопредохранитель, который располагают в недрах первичной обмотки.

При нагревании обмотки греется и термопредохранитель. При достижении определенной температуры (110 — 130 С) термопредохранитель перегорает, цепь первичной обмотки размыкается, и возгорания не происходит.

Иногда при ремонте таких трансформаторов неисправный термопредохранитель закорачивают, восстанавливая цепь первичной обмотки.

Но такой, с позволения сказать, ремонт повышает пожароопасность. Никогда так не поступайте!

Как проверить трансформатор

Обмотки маломощного трансформатора имеют небольшое сопротивление от единиц до десятков и сотен Ом, поэтому их можно проверить тестером в режиме измерения сопротивления.

Первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение 220 В, поэтому там большее количество витков.

Ток, протекающий по ней, невелик, поэтому используется провод малого сечения.

Во вторичной обмотке ток обычно больше, используется провод большего сечения.

Чем больше сечение проводника, тем меньше его сопротивление. Поэтому для понижающего трансформатора сопротивление первичной обмотки больше сопротивления вторичной.

В заключение рассмотрим одно из интересных применений трансформатора — импульсный паяльник.

Первичная обмотка выполнена как обычно и рассчитана на сетевое напряжение 220 вольт.

Вторичная выполнена из толстой медной шины и имеет один виток.

На ней генерируется очень небольшое напряжение, но она способна отдать ток в несколько ампер, чего достаточно для нагрева жала из более тонкой медной проволоки.

Жало очень невелико, поэтому нагревается за несколько секунд. Традиционный паяльник с толстым жалом греется гораздо медленнее!

Можно еще почитать

Что такое биполярный транзистор, и как его проверить.

Что такое полевой транзистор, и как его проверить.


Из чего сделать сердечник для трансформатора

Несмотря на многообразие электрооборудования на рынке, далеко не во всех ситуациях можно найти подходящий преобразовательный агрегат для решения конкретной задачи. Поэтому многие обыватели пытаются изготовить трансформатор своими руками для получения определенных параметров работы. Стоит отметить, что намотать трансформатор может каждый, даже без специализированного оборудования и особых навыков, но этот процесс довольно трудоемкий и кропотливый. Поэтому изначально вам придется определиться с типом и характеристиками прибора.

Что понадобится для сборки?

Все преобразователи подразделяются на две основные категории – повышающие и понижающие трансформаторы.

В зависимости от предназначения, конструктивных особенностей и места установки их можно разделить на такие категории:

Практически каждое из вышеперечисленных устройств вы можете воссоздать в домашних условиях. Наиболее простым вариантом является перемотка трансформатора из заводского изделия, так как он уже содержит необходимые элементы. Главное, чтобы первичная обмотка подходила по номиналу питающего напряжения и мощности. Куда хуже, если перематывать нужно обе обмотки, к примеру, если и первичная, и вторичная обмотка пробиты или получили механическое повреждение.

Для изготовления трансформатора своими руками вам понадобятся:

  • Магнитопровод – служит в качестве проводника магнитного потока, лучше взять из старого трансформатора, так как он изготовлен из электротехнической стали и обеспечивает необходимые параметры работы, характеризуется малыми потерями в железе.
  • Провода нужного вам сечения в лаковой, полимерной или стеклотканевой изоляции. Чем тоньше этот слой, тем плотнее прилягут витки к каркасу и друг к другу.
  • Каркас – служит в качестве основания для обмоток трансформатора, устанавливает габариты по ширине. Можно взять из старого трансформатора, а можно изготовить своими руками. Материалом для каркаса может послужить электротехнический картон, гетинакс или текстолит, важно чтобы он не занимал много места в зазоре между сердечником и проводом.
  • Изоляция – предназначена для электрического отделения токоведущих элементов друг от друга и от конструктивных элементов трансформатора. В промышленном производстве используется лакотканевая лента, фторопласт, парафиновая пропитка, но при самостоятельном изготовлении подойдет любой имеющийся у вас материал, главное, чтобы его диэлектрической прочности хватало для напряжения сети.
  • Намоточный станок – позволяет упростить процесс и обеспечить постоянное натяжение. Можно изготовить своими руками из ручной дрели или по принципу вертела на двух шарнирах. Важно, чтобы изготовленный станок имел как можно меньший люфт.

Помимо этого вам могут пригодиться: молоток с деревянной пресс-планкой, паяльник для соединения проводов, ножницы, пассатижи. Но перед изготовлением, обязательно рассчитайте параметры трансформатора.

Расчеты

Наиболее сложный вариант, если вы будете изготавливать трансформатор своими руками с нуля. В таком случае расчет электрической машины производится в зависимости от выходной мощности. Исходя из этого параметра, рассчитывается мощность первичной обмотки. Если вы используете заводской сердечник, то можно считать эти величины одинаковыми, если вы соберете его самостоятельно, то P2 = 0,9 * P1

Это приблизительный расчет с учетом потерь в сердечнике. В зависимости от качества шихтовки своими руками, разница мощностей может находиться в пределах от 5 до 20%.

В зависимости от мощности первички определяется сечение магнитопровода, которое вычисляется по формуле: S = √P1

Следует отметить, что мощность для вычислений берется в Ваттах, а размеры сердечника получаем в квадратных сантиметрах.

Далее определяется коэффициент передачи электромагнитной энергии: k = f/S,

Где k – коэффициент передачи, f – частота сетевого напряжения переменного тока, S – площадь сечения магнитопровода.

Исходя из полученного коэффициента, определяется число витков в обмотках по величине входных и выходных напряжений: N1 = k*U1, N2 = k*U2

Это приблизительные вычисления, предназначенные для бытового применения радиолюбителями. Заводские трансформаторы имеют более сложную процедуру расчета, которая производится по справочникам и зависит от их типа и назначения (силовые, измерительные, трехобмоточные, тороидальные устройства и т.д.)

Далее рассчитывается сила тока в первичной обмотке трансформатора: I1 = P1 / U1

Соответственно, ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора, вычисляется по формуле: : I2 = P2 / U2

Исходя из величины тока в каждой обмотке, выбирается сечение жилы. Но заметьте, что проводник в обмотке значительно хуже охлаждается, поэтому запас сечения делается на 20 – 30%. Проще выполнять данную работу медными проводами, но это требование не критично.

Таблица: выбор сечения, в зависимости от протекающего тока

Медный проводник Алюминиевый проводник
Сечение жил, мм 2 Ток, А Сечение жил. мм 2 Ток, А
0,5 11
0,75 15
1 17
1.5 19 2,5 22
2.5 27 4 28
4 38 6 36
6 46 10 50
10 70 16 60
16 80 25 85
25 115 35 100
35 135 50 135
50 175 70 165
70 215 95 200
95 265 120 230
120 300

Сборка повышающего трансформатора

Особенностью повышающего трансформатора является большее сечение жил первичной обмотки трансформатора по отношению к вторичной. Ярким примером может служить любой агрегат, повышающий напряжение питания 220 Вольт до 400, 500, 1000 В и т.д., соответственно класс изоляции трансформатора выбирается по номиналу вторичной обмотки, как в сетевых трансформаторах.

Заметьте, что проводник большого сечения не получится намотать самодельным станком, поскольку вы не сможете выдать достаточное усилие. Определить это довольно просто – если первые витки свободно двигаются по каркасу катушки или хуже того, вы видите явный зазор между жилой и каркасом, переходите к ручной намотке.

Для сборки вам потребуется выполнить такую последовательность действий:

  • Соберите основание из диэлектрического материала, для этого можно вырезать его по лекалу из картона. Сборка каркаса производится внахлест при помощи клея. Рис. 2: изготовьте каркас для трансформатора

Если у вас имеется готовый образец, можете переходить к следующему этапу.

  • Сделайте отверстия в щеке катушки под выводы в электрическую сеть и к потребителю. Проденьте в них выводы. Рис. 3: проденьте вывод первичной обмотки
  • Уложите первый слой изоляции под первичку. Рис. 4: нанесите слой изоляции на катушку
  • Намотайте первичную обмотку трансформатора – если позволяет толщина, используйте станок, в противном случае, сделайте это руками. При намотке каждые 4 -5 витков проверяйте жесткость фиксации и плотность прилегания. Рис. 5: намотайте первичку

В случае наличия видимых зазоров рекомендуется придавливать витки деревянной пресс-плашкой или прибивать их через плашку молотком.

  • Посчитайте количество витков, оно должно соответствовать расчетному, выводы проденьте в отверстия. Уложите слой изоляции на первичку.
  • После слоя изоляции намотайте вторичку, так как здесь будет использоваться более тонкий провод, эту процедуру проще выполнять на станке. Рис. 6: намотайте вторичную обмотку

Периодически проверяйте плотность витков и их фиксацию на стержне. Хорошая фиксация не должна прогибаться и деформироваться при нажатии пальцами.

  • Если все витки не помещаются в один слой, их выкладывают в несколько, тогда важно соблюдать одно и то же количество витков в каждом из них. Слои перекладываются диэлектрическим материалом, заметьте, что толщина изоляции не должна существенно влиять на общие габариты катушек. Рис. 7: заизолируйте первый слой
  • Выведете концы вторичной обмотки на щечку каркаса.
  • Поместите магнитопровод в окно каркаса, сборка сердечника выполняется поочередно с каждой стороны, иначе потери окажутся слишком большими. Затем сердечник распирается для плотности фиксации. Рис. 8: поместите катушки на сердечник

Мощные трансформаторы на большой номинал напряжения дополнительно пропитывается парафиновой изоляцией. Такая процедура приводит к повышению емкостных потерь, но создает дополнительную защиту от электрического тока.

Сборка понижающего трансформатора

Понижающий трансформатор будет отличаться большим количеством витков на первичке. В быту их можно часто встретить в блоках питания, сварочных аппаратах и прочем оборудовании. Правда, в импульсных блоках используется другая технология, поэтому ремонт таких устройств производится без трансформаторов.

Так как изготовление сварочного трансформатора своими руками довольно актуально для домашних самоделок, рассмотрим на примере этот вариант. Требования к процессу сборки соответствует предыдущему. Отличительной особенностью такого агрегата является большое сечение провода во вторичной обмотке, так как сварочный ток может достигать сотен ампер.

Процесс изготовления заключается в следующем:

  1. Возьмите старое или изготовьте основание для катушки.
  2. Зафиксируйте на трансформаторном каркасе слой изоляции.
  3. Намотайте первичную обмотку с попеременной изоляцией слоев.
  4. Заизолируйте первичку и намотайте вторичную обмотку, так как большой диаметр проводов не позволит сделать это вручную, используйте слесарный инструмент.
  5. Зафиксируйте выводы обеих катушек.
  6. Установите пластины сердечника.

Испытание

Для проверки работоспособности П-образных или тороидальных трансформаторов в домашних условиях можно воспользоваться обычным мультиметром. Для этого переведите измерительный прибор в режим прозвона и проверьте целостность каждой из обмоток. Затем проверьте изоляцию между каждой из обмоток и магнитопроводом и сопротивление между обеими обмотками. Это наиболее простой комплекс испытаний, который даст общее представление об исправности самодельного агрегата.

Для проверки отсутствия короткозамкнутых витков используется лампа, включающаяся последовательно к первичной обмотке.

Помимо этого электрические машины испытываются в режиме холостого хода и короткого замыкания. Такие проверки показывают, насколько качественно собран преобразователь, но выполнять их в домашних условиях не обязательно.

Трансформатор устанавливают в электрических сетях для преобразования напряжения переменного тока. Главные части устройства – это сердечник и обмотки. Обмотки – это катушки, которые наматываются из проводящего металла на сердечник. В этих целях чаще всего используют медь или алюминий. Под нагрузкой на первичную обмотку подается напряжение. Ток пронизывает обмотку и приводит к возникновению магнитного потока в сердечнике. В результате во второй обмотке также возникает напряжение. А его величина зависит от количества витков проволоки на первичной и вторичной обмотке.

Что такое магнитопровод трансформатора и зачем он нужен?

Магнитопровод или сердечник трансформатора позволяет более эффективно преобразовывать напряжение, уменьшая при этом потери. Для изготовления сердечников используют специальную ферромагнитную сталь.

Виды сердечников трансформатора

Сердечники по строению разделяют на:

Стержневой сердечник имеет вид буквы П. Обмотки насаживаются на стержни, а сами стержни соединяются ярмом. Такая конструкция магнитопровода позволяет легко осматривать и ремонтировать обмотки. Поэтому такой тип характерен для средних и мощных трансформаторов.

Броневой сердечник Ш-образной формы. Обмотки находятся на центральном стержне. Броневые трансформаторы сложнее в производстве. И ремонтировать обмотки в них не так просто, как в стержневых.

Тороидальный сердечник имеет вид кольца с сечением прямоугольной формы. Обмотки наматываются прямо на него. Поэтому этот тип сердечников считается самым энергетически эффективным.

а – стержневой сердечник, б – броневой сердечник, в – тороидальный сердечник.

Как сократить потери в магнитопроводе трансформатора?

В работающем трансформаторе на сердечник воздействует переменное магнитное поле. В результате вокруг сердечника возникают вихревые токи. Из-за них магнитопровод нагревается – то есть часть полезной энергии уходит впустую.

На потери из-за перемагничивания влияет:

  • характер материала сердечника. Чем проще намагничивается металл, тем проще его перемагнитить и тем меньше потери в трансформаторе;
  • частота перемагничивания;
  • максимальное значение магнитной индукции.

Чтобы снизить потери, для производства сердечников используют сталь с выраженными магнитными свойствами. Такой материал требует меньше энергии на перемагничивание.

В монолитных проводниках вихревые токи приобретают максимальные значения из-за небольшого сопротивления. Следовательно, чтобы уменьшить потери в трансформаторе, нужно увеличить сопротивление материала сердечника. Производители силовых трансформаторов нашли выход: они набирают магнитопровод из металлических листов. Стальные пластины для сердечника берутся не более 0,5 мм толщиной.

Чтобы действительно снизить сопротивление вихревым токам в сердечнике, металлические пластины нужно изолировать. Для этого производители трансформаторов используют лак и окалину. Прослойка не дает влиять вихревым токам на магнитный поток в сердечнике. Поэтому потери снижаются.

Производители собирают пластины двумя способами:

  • встык – при этом собирается сам сердечник, потом на него насаживаются обмотки и только после этого все скрепляется ярмом в единую конструкцию;
  • впереплет (шихтованные сердечники) – когда каждый следующий ряд пластин перекрывает стыки на предыдущем.

Встык магнитопровод проще монтировать, но уровень потерь в них выше, чем у шихтованных сердечников. Поэтому большим спросом пользуются шихтованные трансформаторы.

О компании

Наша организация имеет штат высококвалифицированных работников, многие из которых имеют стаж работы в области энергетики более 10 лет. Кроме того мы являемся официальными представителем ПАО «МЭТЗ им. В.И. Козлова» в РФ.

Каркас представляет собой необходимое устройство внутри трансформатора, к изготовлению которого применяются особые требования. Это устройство служит для крепления обмоток, при том в зависимости от вида тс изменяются особенности, применяемые материалы, разметка и тому подобное. Каркас для трансформатора иногда делают своими руками, на самом деле это затруднительная процедура.

Почему нужно использовать текстолит

По стандарту обмотки силового трансформатора выполняются на специальных каркасах. Для изготовления каркасов на заводах, то есть на серийном производстве, применяют прессованные варианты из пресс порошков. Состав этих пресс порошков определяет основные химически и физические свойства, которыми будет обладать деталь в дальнейшем. Но если производство мелкосерийное или же трансформатор, в частности его каркас, изготовляется в домашних условиях, то используют слоистые пластинки, а также гетинакс, картон.

Ранее наиболее часто применяющимся вариантом служил гетинакс, который обладал средними характеристиками, но минимальной стоимостью. Потом стали использовать картон. Несмотря на его отличительные свойства и простоту использовании он не сумел прижиться, так как требовалась обязательная пропитка гигроскопичному материалу.

Особенности

Текстолит является оптимальным в плане соотношения качества, удобства и цены. Он отлично поддается любой обработке, например, механической или термической. Обрезка листов до 1,5 миллиметров проводится и в холодном состоянии, что удобно, если речь идет не о крупном серийном производстве. Используются для минимальных по толщине пластов гильотинные ножницы. А если листы немного толще, то используется циркулярная пила.

Текстолит, толщина пласта которого превышает 3 миллиметра, распиливается уже в горячем состоянии. Но можно не нагревать до температуры плавления, оптимальным будет нагрев от 80 градусов (в крайнем случае 120 градусов).

Удобный этот материал и для тех, кто занимается изготовлением каркасов в домашних условиях. Можно брать только часть, а после этого провести опиловку над профилем. Швы покрываются специальным слоем, а каркас лаком для обеспечения защиты от влажности, повышения жесткости и улучшения защиты обмоток. Также тонкий слой лака служит для обеспечения гигроскопичности, обязательно требуется выбирать качественный состав.

Дополнительные требования

Для гильзы каркаса используются гетинакс идентичной толщины. В некоторых ситуациях есть смысл брать большую по толщине катушку, чтоб получить ровную форму обмоток. Ребра гильзы делаются слегка круглой формы. Это поможет избежать излома или уменьшить его угол, что непременно проявляется при намотке на первых слоях инструмента. Но следует избегать и проявления излишней округленности. Это понизит прочность поверхности.

Размеры материала берутся в строгом соответствии с тем, каких размеров сам трансформатор и дроссель. Для минимальных по размерам устройств чаще прибегают к установке каркасов из материала толщиной от 0,2 до 0,5 миллиметров. Для больших катушек берутся варианты с толщиной от 2 миллиметров.

Отдельно стоит отметить важность использования качественного клея. Текстолитовые каркасы обязательно просто автоматически складываются и закрепляются друг с другом, но бывают ситуации, когда они соединяются между собой при помощи клея. Столярный клей или универсальный, который можно купить в любом строительном магазине, подходит только для проклейки каркаса трансформатора из картона, но для текстолита использовать его не разрешается.

Разметка

Разметка — первый этап, который проводится при наличии материалов и инструментов. Важно тщательное исследование, позволяющее определить технические характеристики.

Допустимо делать ее вручную при помощи специальных таблиц (но обратите внимание, что в таком случае придется рассчитывать все самостоятельно, используя формулы).

Можно выбрать и разметку при помощи программ — есть в бесплатном доступе такие в интернет. Но в таком случае начинающий радиолюбитель не сможет понять алгоритм расчета и научиться выполнять рамку самостоятельно, без использования компьютеризированного оборудования.

Как сделать вручную

Проверка прочности и особенностей закрепления проводится опытным путем. Берется катушка, точней ее образец, который будет не жалко выкинуть, на него накладываются 10 витков, которые будут использоваться для основного трансформатора.

Выбирается стержень с диаметром в четыре раза большим для проводов с толщиной от 0,96 миллиметров, в пять раз больше, если берутся провода до 1,56 миллиметров и в шесть раз толще, если толщина провода превышает 2,44 миллиметра. Это необходимо обязательно учитывать, подобранные инструкции есть в специальной технической литературе.

Отдельно следует рассчитывать то, что кроме определенного изгиба, который непременно образуется на первых нескольких слоях сильней, а после начнет закругляться, есть и сильное натяжение, и растяжение. Во время разметки каркаса учитывают, что кратность увеличивается в несколько раз. Например, для провода, который имеет толщину 1 миллиметров, радиус закругления будет около 5 миллиметров. Радиусы для любых по диаметру проводов также размещается в соответствующих таблицах.

Выбор класса

Проведение разметки по образцам позволяет избежать появления неплотных и неровных поверхностей в обмотке. Тонкий гетинакс используется, если требуется увеличить жесткость каркаса. Например, если мощность устройства составляет до 10 Вт, то размеры деталей маленьких будут составлять 0,5, средних — 0,7 до 1,5, а больших — от 1. Мощность до 100 Вт подразумевает использование 0,7 — 1, 2,0 — 4, 1 — 2 миллиметровых деталей соответственно. Для приборов с мощностными показателями от 100 до 500 Вт берутся до 1 до 2 мм для класса а, от 3 до 6 для б, от 1,5 до 3 для класса в.

Для последнего типа, с наибольшими показателями мощности, целесообразно увеличить радиус закругления путем приближения к оптимальным показателям значения округления. Лучше брать специальные вкладыши из материала, который используется для витых магнитных проводов. Применяют их в том случае, если по толщине магнитопровод больше в два раза, чем рабочий стержень устройства.

Дополнительно устанавливают на детали большую часть выступающей части на 3 миллиметра. Это нужно для того, чтоб щеки каркаса крепились прочно у оборудования. Гильза по размеру делается чуть больше рабочего стержня на 0,5 мм, зазоры не должны превышать этого показателя. Обязательно учитывают, получается ли каркас с помощью аппаратного воздействия или же он поставляется в комплекте устройства.

Расчет при помощи программ

В интернете есть несколько десятков программ, при этом большинство из них в бесплатном доступе, которые проводят расчет трансформатора, его каркаса. В частности, популярностью пользуется программа CARCASS, от версии 1.0, 2.0 и далее. Она работает в онлайн-режиме, но при желании можно скачать файл и установить себе на компьютере. В программу вносятся данные о:

  • типе сердечника;
  • толщине материала и стяжке;
  • размерах сердечника А, В, С, Н.

После ввода всей информации нажимается кнопка «Ввод» или «Расчет». Появится расчет и на черте катушки, который можно распечатать и нанести на имеющийся в наличии текстолит. Есть вариант, рассчитываемый на каркас с замком.

Вырезание

Вырезание происходит после нанесения на материал чертежа катушки. Делается это при помощи обычного строительного карандаша или даже маркера.

Инструменты, которые понадобятся для вырезания, различные в зависимости от толщины текстолита. Для листов до 1,5 миллиметров, чья резка проводится в холодном состоянии, используют гильотинные ножницы. А если листы толще, то используется циркулярная пила. Текстолит с толщиной от 3 миллиметра пилят при температуре от 80 градусов по Цельсию пилой.

Сборка

Сборка текстолитовых плит обычно не требует использования дополнительных материалов. Собираются в замок руками.

Но другие поверхности, например, стандартный картон, просто так не закрепляются. Соединить конструкцию столярным клеем, нитроклеем с высокими показателями водоустойчивости и теплоустойчивости.

Окончательная подготовка

Важно обращать внимание на согласование отдельных частей каркаса. При сборке не по типу замок изменить ничего не будет возможно. Придется выкинуть устройства, так как повторное нанесение клея не гарантирует отличный результат. После сборки каркас обрабатывают бакелитовым или клеящим лаком. Можно пропитать специальным лаком с церезином или головаксом.

Намотка провода и установка клемм

Наматывают на катушку провода, затем устанавливают клеммы уже после полной пропитки лаком и окончательной сушки. Выводы и отводы делают поводом немного с большим сечением. Подойдет провод с изоляцией многожильный, лучше применять цветные маркировки.

Катушка зажимается между щеками, шпилька монтируется в конусах. Намоточное оборудование устанавливается как минимум на один метр. Станок вращается так, что провод ложился сверху, левой рукой придерживать по направлению. Клеммы монтируются после изоляции.

Изготовление каркаса катушек с использованием деревянной модели

Деревянная модель предназначена для удобства склейки. Проводится расчет, при помощи инструментов вырезаются детали.

Деревянная бобышка с отверстием экономит время при изготовлении и намотке. Выступающие края просто срезаются ножницами и загибаются внутрь.

Как можно отремонтировать щечки

Производство каркасов своими руками сопряжено с намоткой. При намотке отгибают отводы гильзы и раздвинув щечки проводят действия. Вклейка материала поможет, если образовались зазоры. Приклеить щечки на края можно только при достаточном качестве клея. Если возникают проблемы в задевании деталей, то округлить углы при помощи напильника.

Оборудование для испытаний трансформаторов | Сердечник трансформатора

Сердечник трансформатора обеспечивает магнитный путь для направления потока. Использование высокопроницаемого материала (который описывает способность материала переносить флюс), а также более совершенные методы строительства сердечника помогают обеспечить желаемый путь потока с низким сопротивлением и ограничить линии потока к сердечнику. Сердечник состоит из множества тонких полос из силикона с ориентированной структурой, называемых слоистыми пластинами, которые электрически изолированы (но все же магнитно связаны) друг от друга тонкими покрытиями из изоляционного материала.Это важно для снижения потерь холостого хода трансформатора. Сердечник является источником тепла в трансформаторе, и по мере увеличения размера сердечника могут потребоваться охлаждающие каналы внутри сердечника. Такие проблемы, как короткозамкнутые пластинки сердечника, приведут к повышенным потерям и, возможно, к перегреву сердечника трансформатора.

Жила изолирована от заземленных механических структур, которые удерживают ее вместе и поддерживают, а затем намеренно заземляется в одной точке.В более крупных сердечниках трансформаторов, которые имеют несколько секций сердечника, изолированные друг от друга охлаждающими каналами, могут быть установлены перемычки сердечника для соединения секций сердечника вместе и один вывод для надежного соединения связанной группы с землей. Сердечник, который, по сути, является проводником, который не предназначен для протекания тока, может приобретать некоторый потенциал за счет емкостной связи с самой внутренней обмоткой, когда трансформатор находится под напряжением (что приводит к частичным разрядам, которые могут повредить трансформатор) и индуцированному потенциалу, когда трансформатор несет нагрузку, если сердечник надежно не заземлен.Заземление жилы также обеспечивает срабатывание защитного устройства в случае выхода из строя изоляции обмотки жилы. Чтобы такое повреждение было обнаружено защитной системой источника питания / линии (и быстро отключило линию), сердечник трансформатора должен быть заземлен, чтобы обеспечить электрический (аварийный) путь обратно к источнику. Сердечник обычно заземляется только в одной точке, так как заземление нескольких сердечников может привести к возникновению циркулирующих токов и перегреву (и выделению газов) в сердечнике.

Магнитное состояние трансформатора имеет первостепенное значение для правильной работы трансформатора.Наиболее частые проблемы сердечника, встречающиеся в полевых условиях, включают проблемы с заземлением сердечника, плохую конструкцию сердечника, короткое замыкание и перегрев. Следующие ниже электрические полевые испытания, используемые в сочетании с нашим ассортиментом оборудования для испытаний трансформаторов, предоставляют информацию о целостности сердечника трансформатора.

Диагностика сердечника

  • Возбуждающий ток: обнаруживает большинство проблем сердечника трансформатора, включая закороченные пластинки и другие проблемы, которые значительно влияют на сопротивление магнитного потока в сердечнике, такие как частично смещенное или открытое соединение сердечника, плохое качество сборки сердечника и т. Д. .; чувствителен к намагничиванию сердечника
  • Сопротивление изоляции по постоянному току (заземление жилы): проверяет наличие непреднамеренного заземления жилы (лучший инструмент для этого) и проблем, связанных с изоляцией заземления жилы. Низкие значения сопротивления изоляции между сердечником и землей могут быть вызваны смещением пластин сердечника и токопроводящим загрязнением или посторонними предметами, которые перекрывают изоляцию между жилой и землей.
  • Емкость / коэффициент мощности / коэффициент рассеяния: Емкость обмотки низкого напряжения (CL), измеренная во время испытания коэффициента мощности / коэффициента рассеяния, чувствительна к ухудшению или полной потере заземления сердечника.
  • Анализ частотной характеристики качания (SFRA): чувствителен к изменениям магнитного сердечника и намагниченности сердечника в нижнем диапазоне частот, в то время как потеря заземления сердечника может быть обнаружена в более высоких частотах (например.g., ≥ 50 кГц).

Конструкция трансформатора и конструкция сердечника трансформатора

Эта магнитная цепь, более известная как «сердечник трансформатора», предназначена для обеспечения пути, по которому проходит магнитное поле, которое необходимо для индукции напряжения между двумя обмотками.

Однако этот тип конструкции трансформатора , в котором две обмотки намотаны на отдельные ветви, не очень эффективен, поскольку первичная и вторичная обмотки хорошо разделены друг от друга.Это приводит к низкой магнитной связи между двумя обмотками, а также к большой утечке магнитного потока из самого трансформатора. Но помимо этой O-образной конструкции, существуют различные типы «трансформаторной конструкции» и доступные конструкции, которые используются для преодоления этих недостатков, создавая более компактный трансформатор меньшего размера.

Эффективность простой конструкции трансформатора может быть повышена за счет приведения двух обмоток в плотный контакт друг с другом, тем самым улучшая магнитную связь.Увеличение и концентрация магнитной цепи вокруг катушек может улучшить магнитную связь между двумя обмотками, но это также имеет эффект увеличения магнитных потерь сердечника трансформатора.

Сердечник не только обеспечивает путь для магнитного поля с низким сопротивлением, но и предотвращает циркуляцию электрических токов внутри самого стального сердечника. Циркуляционные токи, называемые «вихревыми токами», вызывают нагрев и потери энергии в сердечнике, снижая эффективность трансформатора.

Эти потери возникают в основном из-за напряжений, индуцированных в железной цепи, которая постоянно подвергается воздействию переменных магнитных полей, создаваемых внешним синусоидальным питающим напряжением. Один из способов уменьшить эти нежелательные потери мощности — сконструировать сердечник трансформатора из тонких стальных пластин.

В большинстве конструкций трансформаторов центральный железный сердечник изготавливается из высокопроницаемого материала, обычно из тонких пластин кремнистой стали. Эти тонкие пластины собраны вместе, чтобы обеспечить необходимый магнитный путь с минимальными магнитными потерями.Удельное сопротивление самого стального листа высокое, что снижает потери на вихревые токи за счет очень тонких слоев.

Эти стальные листы трансформатора различаются по толщине от 0,25 мм до 0,5 мм, и, поскольку сталь является проводником, листы и любые фиксирующие шпильки, заклепки или болты электрически изолированы друг от друга очень тонким слоем изоляционного лака или оксидного слоя на поверхности.

Конструкция сердечника трансформатора

Обычно название, связанное с конструкцией трансформатора, зависит от того, как первичная и вторичная обмотки намотаны вокруг центрального многослойного стального сердечника.Двумя наиболее распространенными и базовыми конструкциями трансформатора являются трансформатор с закрытым сердечником и трансформатор с корпусом .

В трансформаторе с замкнутым сердечником (с сердечником) первичная и вторичная обмотки намотаны снаружи и окружают сердечник. В трансформаторе с оболочкой первичная и вторичная обмотки проходят внутри стальной магнитной цепи (сердечника), которая образует оболочку вокруг обмоток, как показано ниже.

Конструкция сердечника трансформатора

В обоих типах конструкции сердечника трансформатора магнитный поток, соединяющий первичную и вторичную обмотки, проходит полностью внутри сердечника без потери магнитного потока через воздух.В конструкции трансформатора с сердечником одна половина обмотки намотана вокруг каждого плеча (или плеча) магнитной цепи трансформатора, как показано выше.

Катушки не расположены так, что первичная обмотка на одном плече, а вторичная обмотка — на другом, вместо этого половина первичной обмотки и половина вторичной обмотки размещены одна над другой концентрически на каждом плече, чтобы увеличить магнитную связь, позволяющую практически все магнитные силовые линии проходят через первичную и вторичную обмотки одновременно.Однако при такой конструкции трансформатора небольшой процент силовых линий магнитного поля выходит за пределы сердечника, и это называется «потоком рассеяния».

Сердечники трансформатора типа оболочки преодолевают этот поток рассеяния, поскольку и первичная, и вторичная обмотки намотаны на одну и ту же центральную ветвь или ветвь, площадь поперечного сечения которой в два раза больше, чем у двух внешних ветвей. Преимущество здесь состоит в том, что магнитный поток имеет два замкнутых магнитных пути, которые обтекают катушки как с левой, так и с правой стороны, прежде чем вернуться обратно к центральным катушкам.

Это означает, что магнитный поток, циркулирующий вокруг внешних сторон трансформатора этого типа, равен Φ / 2. Поскольку магнитный поток имеет замкнутый путь вокруг катушек, это дает преимущество уменьшения потерь в сердечнике и повышения общей эффективности.

Ламинирование трансформатора

Но вам может быть интересно, как первичная и вторичная обмотки намотаны на эти многослойные железные или стальные сердечники для этого типа трансформаторных конструкций.Катушки сначала наматываются на каркас, который имеет поперечное сечение цилиндрического, прямоугольного или овального типа, чтобы соответствовать конструкции многослойного сердечника. В трансформаторных конструкциях с корпусом и сердечником для монтажа обмоток катушки отдельные листы штампуются или вырубаются из более крупных стальных листов и формируются в полосы из тонкой стали, напоминающие буквы «E», «L», «П» и «И», как показано ниже.

Типы сердечников трансформатора

Эти ламинированные штамповки при соединении вместе образуют сердцевину необходимой формы.Например, два штампа «E» плюс два штампа «I» замыкающего конца, чтобы получить сердечник E-I, образующий один элемент стандартного сердечника трансформатора кожухового типа. Эти отдельные листы плотно стыкуются вместе во время строительства, чтобы уменьшить сопротивление воздушного зазора в стыках, создавая сильно насыщенную плотность магнитного потока.

Пластины сердечника трансформатора обычно накладываются друг на друга поочередно, чтобы образовалось соединение внахлест, с добавлением большего количества пар пластин для получения сердечника правильной толщины.Такое чередование слоев пластин также дает трансформатору преимущество в виде уменьшения утечки магнитного потока и потерь в стали. Конструкция многослойного трансформатора с сердечником E-I в основном используется в разделительных трансформаторах, повышающих и понижающих трансформаторах, а также в автотрансформаторе.

Обмотка трансформатора

Обмотки трансформатора — еще одна важная часть конструкции трансформатора, поскольку они являются основными проводниками с током, намотанными вокруг многослойных частей сердечника.В однофазном двухобмоточном трансформаторе будут присутствовать две обмотки, как показано. Та, которая подключена к источнику напряжения и создает магнитный поток, называемый первичной обмоткой, а вторая обмотка, называемая вторичной, в которой напряжение индуцируется в результате взаимной индукции.

Если вторичное выходное напряжение меньше первичного входного напряжения, трансформатор известен как «понижающий трансформатор». Если вторичное выходное напряжение больше, чем первичное входное напряжение, это называется «повышающим трансформатором».

Конструкция сердечника

Тип провода, используемого в качестве основного токоведущего проводника в обмотке трансформатора, — медный или алюминиевый. Хотя алюминиевый провод легче и, как правило, дешевле, чем медный провод, необходимо использовать провод с большей площадью поперечного сечения, чтобы пропускать такой же ток, как и с медью, поэтому он используется в основном в более крупных силовых трансформаторах.

В трансформаторах мощности и напряжения малой кВА, используемых в электрических и электронных схемах низкого напряжения, как правило, используются медные проводники, поскольку они имеют более высокую механическую прочность и меньший размер проводников, чем аналогичные типы из алюминия.Обратной стороной является то, что в комплекте с сердечником эти трансформаторы могут быть намного тяжелее.

Обмотки и катушки трансформатора можно в целом разделить на концентрические катушки и многослойные катушки. В конструкции трансформатора с сердечником обмотки обычно располагаются концентрически вокруг плеча сердечника, как показано выше, при этом первичная обмотка с более высоким напряжением наматывается на вторичную обмотку с более низким напряжением.

Зажимные или «блинные» катушки состоят из плоских проводников, намотанных по спирали, и названы так из-за расположения проводников в виде дисков.Чередующиеся диски выполнены по спирали снаружи к центру в чередующемся расположении с отдельными катушками, сложенными вместе и разделенными изоляционными материалами, такими как бумага или пластиковый лист. Многослойные катушки и обмотки чаще встречаются с сердечником корпусного типа.

Винтовые обмотки , также известные как винтовые обмотки, представляют собой еще одну очень распространенную цилиндрическую катушку, используемую в низковольтных силовых трансформаторах. Обмотки состоят из прямоугольных проводников с большим поперечным сечением, намотанных сбоку, с изолированными жилами, намотанными параллельно, непрерывно по длине цилиндра, с подходящими прокладками, вставленными между соседними витками или дисками, чтобы минимизировать циркулирующие токи между параллельными жилами.Змеевик продвигается наружу по спирали, напоминающей штопор.

Сердечник трансформатора

Изоляция, используемая для предотвращения короткого замыкания проводов в трансформаторе, обычно представляет собой тонкий слой лака или эмали в трансформаторе с воздушным охлаждением. Этим тонким лаком или эмалевой краской наносится на проволоку перед намоткой на сердечник.

В трансформаторах большей мощности и распределительных трансформаторов проводники изолированы друг от друга с помощью пропитанной маслом бумаги или ткани.Весь сердечник и обмотки погружаются и герметизируются в защитном баке с трансформаторным маслом. Трансформаторное масло действует как изолятор, а также как охлаждающая жидкость.

Трансформатор с ориентацией точек

Мы не можем просто взять ламинированный сердечник и обернуть вокруг него одну из конфигураций катушки. Мы могли бы, но можем обнаружить, что вторичное напряжение и ток могут не совпадать по фазе с первичным напряжением и током. Обмотки двух катушек имеют различную ориентацию одна относительно другой.Любая катушка может быть намотана на сердечник по часовой стрелке или против часовой стрелки, поэтому для отслеживания их относительной ориентации используются «точки» для обозначения данного конца каждой обмотки.

Этот метод определения ориентации или направления намотки трансформатора называется «точечным соглашением». Затем обмотки трансформатора наматываются таким образом, чтобы между напряжениями обмоток существовали правильные фазовые соотношения, при этом полярность трансформатора определялась как относительная полярность вторичного напряжения по отношению к первичному напряжению, как показано ниже.

Конструкция трансформатора с точечной ориентацией

Первый трансформатор показывает две «точки» рядом на двух обмотках. Ток, выходящий из вторичной точки, является «синфазным» с током, входящим в первичную точку. Таким образом, полярности напряжений на пунктирных концах также синфазны, поэтому, когда напряжение положительно на точечном конце первичной катушки, напряжение на вторичной катушке также будет положительным на отмеченном пунктиром конце.

На втором трансформаторе показаны две точки на противоположных концах обмоток, что означает, что первичная и вторичная обмотки трансформатора намотаны в противоположных направлениях. В результате ток, выходящий из вторичной точки, будет на 180 o «не в фазе» с током, входящим в первичную точку. Таким образом, полярности напряжений на концах, обозначенных точками, также не совпадают по фазе, поэтому, когда напряжение на конце первичной катушки положительное, напряжение на соответствующей вторичной катушке будет отрицательным.

Тогда конструкция трансформатора может быть такой, что вторичное напряжение может быть «синфазным» или «не синфазным» по отношению к первичному напряжению. Трансформаторы, которые имеют несколько различных вторичных обмоток, которые электрически изолированы друг от друга, важно знать полярность точек каждой вторичной обмотки, чтобы их можно было соединить вместе последовательно (вторичное напряжение суммируется) или последовательно встречно. (вторичное напряжение — разница) конфигурации.

Способность регулировать коэффициент трансформации трансформатора часто бывает желательной для компенсации влияния изменений первичного напряжения питания, регулирования трансформатора или изменения условий нагрузки. Регулировка напряжения трансформатора обычно выполняется путем изменения отношения витков и, следовательно, его отношения напряжений, в результате чего часть первичной обмотки на стороне высокого напряжения отводится, что упрощает регулировку. Отводы предпочтительнее на стороне высокого напряжения, поскольку напряжение на виток ниже, чем на вторичной стороне низкого напряжения.

Изменение первичной обмотки трансформатора

В этом простом примере переключение ответвлений первичной обмотки рассчитано для изменения напряжения питания на ± 5%, но можно выбрать любое значение. Некоторые трансформаторы могут иметь две или более первичных или две или более вторичных обмотки для использования в различных приложениях, обеспечивающих разные напряжения от одного сердечника.

Потери в сердечнике трансформатора

Способность железа или стали переносить магнитный поток намного выше, чем в воздухе, и эта способность пропускать магнитный поток называется проницаемостью .Большинство сердечников трансформаторов изготовлено из низкоуглеродистой стали, которая может иметь проницаемость порядка 1500 по сравнению с 1,0 для воздуха.

Это означает, что многослойный стальной сердечник может переносить магнитный поток в 1500 раз лучше, чем поток воздуха. Однако, когда магнитный поток течет в стальном сердечнике трансформатора, в стали возникают два типа потерь. Один назвал «потери на вихревые токи», а другой — «гистерезисными потерями».

Гистерезис потерь

Потери на гистерезис трансформатора возникают из-за трения молекул о поток магнитных силовых линий, необходимых для намагничивания сердечника, которые постоянно меняются по величине и направлению сначала в одном направлении, а затем в другом из-за влияния синусоидальное напряжение питания.

Это молекулярное трение вызывает выделение тепла, которое представляет собой потерю энергии в трансформаторе. Чрезмерные потери тепла могут со временем сократить срок службы изоляционных материалов, используемых при изготовлении обмоток и конструкций. Поэтому охлаждение трансформатора важно.

Кроме того, трансформаторы рассчитаны на работу с определенной частотой питания. Снижение частоты питания приведет к увеличению гистерезиса и повышению температуры в железном сердечнике.Таким образом, уменьшение частоты питания с 60 Гц до 50 Гц приведет к увеличению имеющегося гистерезиса и уменьшению мощности трансформатора в ВА.

Потери на вихревые токи

С другой стороны, потери на вихревые токи трансформатора

вызваны протеканием циркулирующих токов, индуцированных в стали, вызванных течением магнитного потока вокруг сердечника. Эти циркулирующие токи возникают из-за того, что для магнитного потока сердечник действует как одиночная петля из проволоки. Поскольку железный сердечник является хорошим проводником, вихревые токи, индуцируемые твердым железным сердечником, будут большими.

Вихревые токи ничего не влияют на полезность трансформатора, но вместо этого они противодействуют потоку индуцированного тока, действуя как отрицательная сила, вызывая резистивный нагрев и потери мощности внутри сердечника.

Ламинирование железного сердечника

Потери на вихревые токи в сердечнике трансформатора нельзя полностью исключить, но их можно значительно уменьшить и контролировать, уменьшив толщину стального сердечника. Вместо того, чтобы иметь один большой твердый железный сердечник в качестве материала магнитного сердечника трансформатора или катушки, магнитный путь разделен на множество тонких штампованных стальных форм, называемых «пластинами».

Пластины, используемые в конструкции трансформатора, представляют собой очень тонкие полосы изолированного металла, соединенные вместе, чтобы получить сплошной, но многослойный сердечник, как мы видели выше. Эти слои изолированы друг от друга слоем лака или бумаги для увеличения эффективного удельного сопротивления сердечника, тем самым увеличивая общее сопротивление для ограничения прохождения вихревых токов.

Результатом всей этой изоляции является то, что нежелательные наведенные вихревые токи потери мощности в сердечнике значительно снижаются, и именно по этой причине цепи магнитного железа каждого трансформатора и других электромагнитных машин все ламинированы.Использование пластин в конструкции трансформатора снижает потери на вихревые токи.

Потери энергии, которые проявляются в виде тепла из-за гистерезиса и вихревых токов на магнитном пути, обычно известны как «потери в сердечнике трансформатора». Поскольку эти потери возникают во всех магнитных материалах в результате действия переменных магнитных полей. Потери в сердечнике трансформатора всегда будут присутствовать в трансформаторе всякий раз, когда первичная обмотка находится под напряжением, даже если к вторичной обмотке не подключена нагрузка.Кроме того, сочетание гистерезисных потерь и потерь на вихревые токи обычно называют «потерями в стали трансформатора», поскольку магнитный поток, вызывающий эти потери, является постоянным при всех нагрузках.

Потери меди

Но есть также другой тип потерь энергии, связанный с трансформатором, который называется «потери в меди». Трансформатор Потери в меди в основном связаны с электрическим сопротивлением первичной и вторичной обмоток. Большинство катушек трансформатора намотаны с использованием медного провода, сопротивление которого измеряется в Ом (Ом), и, как мы знаем из Закона Ома, сопротивление медного провода будет противодействовать любым токам намагничивания, протекающим через него.

Когда электрическая нагрузка подключена ко вторичной обмотке трансформатора, большие электрические токи начинают течь как в первичной, так и во вторичной обмотках, потери электроэнергии и мощности (I 2 R) возникают в виде тепла. Обычно потери в меди меняются в зависимости от тока нагрузки, они почти равны нулю на холостом ходу и максимальны при полной нагрузке, когда ток протекает на максимуме.

Номинальное значение вольт-ампер (ВА) трансформатора можно увеличить за счет улучшения конструкции и конструкции, чтобы уменьшить эти потери в сердечнике и меди.Трансформатору с высоким номинальным напряжением и током требуются проводники большого сечения, чтобы минимизировать потери в меди. Повышение скорости рассеивания тепла (лучшее охлаждение) за счет принудительной подачи воздуха или масла или за счет улучшения его изоляции, чтобы она могла выдерживать более высокие температуры, тем самым увеличивая номинальную мощность трансформатора в ВА.

Тогда мы можем определить идеальный трансформатор как имеющий:

  • Отсутствие петель гистерезиса или потерь на гистерезис → 0
  • Бесконечное сопротивление материала сердечника, дающее нулевые потери на вихревые токи → 0
  • Нулевое сопротивление обмотки, дающее ноль I 2 * R потери в меди → 0

В следующем учебном пособии о трансформаторе мы рассмотрим нагрузку трансформатора вторичной обмотки по отношению к электрической нагрузке и увидим влияние «холостого хода» и «включенного» трансформатора на ток первичной обмотки.

Как используются сердечники трансформаторов в мире

В Corefficient мы знаем, что в связи с активизацией развития сельских районов, индустриализацией и открытием заводов нового поколения рынок трансформаторов растет. Мы считаем, что лучший потребитель — это информированный потребитель.Мы хотели уделить время определению некоторых основных элементов и принципов электрических трансформаторов, сердечников трансформаторов и того, как они используются в мире.

Определение сердечников трансформатора и типов сердечников трансформатора

Сердечник трансформатора — это статическое устройство, которое передает мощность от одного источника к другому посредством электромагнитной индукции. Это кусочки магнитного материала с высокой магнитной проницаемостью, который используется для направления магнитных полей в трансформаторах.Сердечники трансформаторов изготавливаются из разных материалов и бывают разных типов. Вот несколько конкретных примеров и то, как они работают:

  • Стальные ламинированные сердечники : Эти типы сердечников трансформаторов известны своей проницаемостью, которая снижает ток намагничивания и делает их подходящим вариантом для использования при передаче напряжения на уровне звуковой частоты.

  • Твердые сердечники : Они обладают самой высокой магнитной проницаемостью и электрическим сопротивлением.Они, как правило, используют электрическую передачу, где частота высока и требует плавной и безопасной работы. Эти типы сердечников являются прочными по своей природе и имеют долгий срок службы.
  • Тороидальные сердечники : Они используются в качестве индуктора в электрических цепях из-за их круглой конструкции; они эффективны и действенны при обработке высокого уровня энергетической нагрузки.

Трансформаторы и определение типов трансформаторов

Существуют также трансформаторы различных типов, которые имеют несколько катушек или обмоток на первичной и вторичной сторонах.Они также могут иметь «центральный отвод», то есть две катушки соединены последовательно. Трансформаторы сконструированы таким образом, чтобы преобразовывать уровень напряжения на первичной стороне во вторичную. Существует три типа трансформаторов: понижающий, повышающий и изолированный трансформатор.

  • Понижающий трансформатор : Понижающий трансформатор преобразует более высокое напряжение в более низкое напряжение на вторичном выходе. Количество обмоток на вторичной стороне больше, чем на первичной.Эти типы трансформаторов в основном используются в электронике; это требование к силовой части любого электрооборудования.
  • Повышающий трансформатор : Логически повышающий трансформатор является противоположностью понижающего трансформатора. Они увеличивают низкое первичное напряжение до высокого вторичного напряжения. Повышающие трансформаторы также могут использоваться в электронике, включая стабилизаторы и инверторы. Повышающие трансформаторы также используются при распределении электроэнергии, часто «повышая» напряжение в энергосистеме перед распределением.
  • Изолированный трансформатор : Изолированный трансформатор не преобразует уровни напряжения, а уровни напряжения на первичной и вторичной сторонах остаются неизменными. Это изолирующий барьер, где проводимость происходит только с магнитным потоком, как правило, в целях безопасности и для предотвращения передачи шума от первичной обмотки к вторичной или наоборот.

Типы материалов магнитных сердечников для трансформаторов

Электрический силовой трансформатор имеет первичную, вторичную и третичную обмотки.Затем он приводится в движение потоком между обмотками. Магнитные сердечники служат проводником потока. Сердечник может быть изготовлен из следующих материалов:

  • Аморфная сталь : Эти сердечники изготовлены из нескольких металлических лент толщиной в бумагу, которые помогают уменьшить протекание вихревых токов. Сердечники из аморфной стали имеют небольшие потери и могут легко работать при высоких температурах. Сердечники из аморфной стали чаще всего используются в высокоэффективных трансформаторах, работающих на средних частотах.

  • Твердый железный сердечник : Эти сердечники обеспечивают магнитный поток, который помогает сохранять высокие магнитные поля без насыщения железом. Сердечники не рекомендуются для трансформаторов, работающих на переменном токе, поскольку магнитное поле создает большие вихревые токи. Эти вихревые токи выделяют тепло на высоких частотах.
  • Аморфные металлы : Эти металлы, также известные как стекловидные металлы, являются стеклообразными или некристаллическими. Эти металлы используются для создания трансформаторов с высокими рабочими характеристиками.Материалы обладают низкой проводимостью, что способствует уменьшению вихревых токов.
  • Ферритная керамика : Ферритная керамика — это класс керамических соединений, состоящих из оксида железа и одного или нескольких металлических элементов. Эти ферритовые керамические магнитопроводы используются в высокочастотных приложениях. Керамические материалы служат в качестве эффективных изоляторов и помогают уменьшить вихревые токи.
  • Ламинированные магнитные сердечники : Эти сердечники состоят из тонких листов железа, покрытых изолирующим слоем, предотвращающим вихревые токи.
  • Сердечник из карбонильного железа s: Эти магнитные сердечники изготовлены из порошкообразного карбонильного железа и обеспечивают стабильную работу в широком диапазоне магнитного потока и температур. Сердечники из порошка карбонильного железа представляют собой небольшие железные сферы, покрытые тонким изолирующим слоем. Эти сердечники помогают снизить влияние вихревых токов при высоких температурах.
  • Кремниевая сталь : Кремниевая сталь имеет высокое электрическое сопротивление. Сердечник из кремнистой стали обеспечивает стабильную работу в течение многих лет и обеспечивает высокую плотность потока насыщения.

Преобразование энергии, электрические сети и сердечники трансформаторов

Наиболее очевидное применение электрического трансформатора — это распределение мощности в линии передачи: от электростанции до повышающей передачи, для понижающей передачи. На электростанции (или генерирующей установке) энергия угля, газа, воды, атомной энергии, ветра, солнца и т. Д. Преобразуется в электрическую энергию. Электростанция подключена к сети передачи, которая, в свою очередь, подключена к распределительной сети.Передающая сеть — это высоковольтная сеть для передачи электроэнергии на большие расстояния. Распределительная сеть — это сеть среднего и низкого напряжения для местного распределения электроэнергии конечным пользователям.

Обычно сеть состоит из множества подстанций, соединенных между собой линиями электропередачи. Эти подстанции содержат защитное оборудование, которое в случае проблем может автоматически срабатывать автоматические выключатели, перенаправляя мощность в сети.

В Corefficient, чтобы гарантировать высокое качество сердечников трансформаторов, мы предлагаем испытания материалов из электротехнической стали, включая испытания Эпштейна, испытания отдельных листов, испытания Франклина и испытания размеров.Мы также предлагаем электрические испытания собранного сердечника.

Corefficient — компания по производству сердечников трансформаторов, базирующаяся в Монтеррее, Мексика, стремящаяся повысить ценность своей продукции для сердечников трансформаторов. Сочетание опыта и успеха в области проектирования сердечников трансформаторов, проектирования сердечников трансформаторов, экспертизы магнитных сердечников и, что наиболее важно, обслуживания клиентов. Готов начать? Свяжитесь с инженером по продажам Corefficient сегодня по телефону: 1 (704) 236-2510.

Что такое сердечник трансформатора, конструкция, работа, потери

Сердечник трансформатора:

Обычно трансформаторы состоят из медной обмотки, такой как первичная обмотка, вторичная обмотка, вспомогательная обмотка или третичная обмотка, электрической изоляции, сердечника, вводов, изоляции, клеммной коробки и т. Д.

Трансформаторы работают по принципу взаимной индукции. Взаимная индуктивность — это не что иное, как потокосцепление между двумя обмотками. Магнитный поток проходит через структуру, которая называется сердечником трансформатора.

Сердечники трансформатора — это главный путь магнитной цепи. Просто по сравнению с электрической схемой, мы можем сказать это как проводник.

Как проводник передает ток в электрической цепи, а также в магнитной цепи, сердечники трансформатора переносят магнитный поток.

Сердечник трансформатора имеет меньшее сопротивление. Сопротивление противодействует потоку магнитного потока. Так что сердечник трансформатора должен иметь меньшее сопротивление.

Высокое значение сопротивления увеличивает температуру сердечника трансформатора.

Сердечник трансформатора

Рассмотрим выбор сердечника трансформатора:

  • Сердечник трансформатора должен иметь меньшее сопротивление магнитному потоку. Поток косвенно пропорционален сопротивлению.
  • Сердечник трансформатора должен быть ламинированным, чтобы уменьшить потери на вихревые токи.Потери на вихревые токи пропорциональны квадрату толщины пластин. Толщина ламинирования составляет от 0,3 мм до 0,5 мм, уменьшение толщины ламинации ниже 0,3 мм приводит к снижению механической прочности.
  • Сталь с более высоким содержанием кремния — это мягкий железный материал с меньшими потерями на гистерезис. Кроме того, проницаемость кремнистой стали высока, поэтому этот материал принимает небольшой ток намагничивания. Сталь, используемая для сердечников трансформаторов, может быть горячекатаной или холоднокатанной.2 толщиной 0,33 мм (или 0,35 мм). При этом стоимость холоднокатаной стали выше, чем горячекатаной. Но холоднокатаная сталь имеет много преимуществ перед горячекатаным чугуном .. см. ..
  • Холоднокатаный стальной лист с ориентированной зернистостью (CRGO) с приблизительным содержанием кремния 3% обычно используется для магнитных цепей трансформатора.
    1. Магнитная индукция максимальная и петля кривой BH большая.
    2. Потери в сердечнике при работе трансформатора без нагрузки низкие.
    3. Низкая потребляемая реактивная мощность при работе трансформатора без нагрузки.
    4. Хорошая механическая прочность
    5. Меньшая магнитострикция

Ламинирование сердечника трансформатора:

Трансформатор штамповки подключается и должен быть закрыт для протекания магнитного потока. Итак, построено четыре типа конструкции.

Сердечник трансформатора: Ссылка: www.electronics-tutorials.ws
  • E-I lamination
  • Ламинирование E-E
  • Ламинирование U-I
  • L-L ламинация

Здесь английская буква обозначает форму ламинации.Конструкция E-I и E-E используется в трансформаторе типа оболочки. Конструкция U-I и L-L используется в трансформаторе Core типа.

Конструкция из слоистых трансформаторов с сердечником

E-I в основном используется в изолирующих трансформаторах, повышающих и понижающих трансформаторах, а также автотрансформаторах.

Примечание: При сборке сердечника трансформатора отдельные пластины должны быть плотно скреплены болтами. Обеспечение воздушного зазора между слоями приводит к увеличению сопротивления магнитной цепи.

Также Для уменьшения шумов трансформатора ламинат должен быть плотно зажат вместе, и следует избегать пробивки отверстий, насколько это возможно, чтобы минимизировать поперечные магнитные потери в стали.

Воздушный зазор в месте соединения ветвей и ярм должен быть уменьшен, насколько это возможно, для обеспечения максимально гладких проводящих путей для тока намагничивания.

Потери в сердечнике трансформатора:

Потери в сердечнике трансформатора называются постоянными потерями, которые включают как потери на вихревые токи, так и гистерезисные потери.

Обе потери происходят из-за сопротивления сердечника, поскольку мы не можем построить сердечник с нулевым сопротивлением. (как падение напряжения в электрической цепи. Падение напряжения в кабеле происходит из-за сопротивления кабеля)

Вихретоковые потери:

Потери на вихревые токи — это постоянные потери из-за протекания циркулирующих токов, отличных от площади сердечника. Весь поток, создаваемый в первичной обмотке, не может достичь вторичной обмотки, поток отсекается соседними частями сердечника.

Из-за этого действия существует небольшое количество форм циркулирующего тока. Из-за этого тока вызывают убытки. Эти потери называются потерями на вихревые токи.

Потери на вихревые токи в сердечнике трансформатора нельзя полностью исключить, но их можно значительно уменьшить и контролировать, уменьшив толщину стального сердечника.

Гистерезисные потери:

У каждого материала своя молекулярная структура. Потери на гистерезис трансформатора возникают из-за трения молекул о поток магнитных силовых линий, необходимых для намагничивания сердечника, которые постоянно меняются по величине и направлению сначала в одном направлении, а затем в другом из-за влияния синусоидального напряжения питания. (Переменный ток).

Сердечник трансформатора и конструкция сердечника трансформатора

Назначение сердечника трансформатора

В силовом трансформаторе есть первичная, вторичная, а иногда и третичная обмотка. Характеристики трансформатора в основном зависят от магнитных связей между этими обмотками. Для эффективной магнитной связи между этими обмотками в трансформаторе должен быть предусмотрен один магнитный тракт с низким сопротивлением, общий для всех обмоток. Этот магнитный путь с низким сопротивлением в трансформаторе известен как сердечник трансформатора .Три основных типа сердечников трансформатора:

  1. Трансформаторы с сердечником
  2. Трансформаторы с корпусом
  3. Трансформаторы с воздушным сердечником

Влияние диаметра сердечника трансформатора

Рассмотрим диаметр сердечника трансформатора be ′ D ′.
Затем площадь поперечного сечения сердечника,

Теперь, напряжение на виток,

Где, B м — максимальная магнитная индукция сердечника.

E пропорционально D 2 .
Следовательно, напряжение на виток увеличивается с увеличением диаметра сердечника трансформатора.
Опять же, если напряжение на обмотке трансформатора равно V.
Тогда V = eN, где N — количество витков в обмотке.
Если V постоянно, e обратно пропорционально N. Следовательно, D 2 обратно пропорционально N. Таким образом, диаметр сердечника увеличивается, количество витков в обмотке трансформатора уменьшается. Уменьшение количества витков, уменьшение высоты ветвей сердечника, несмотря на уменьшение высоты ветвей сердечника, увеличившееся в диаметре сердечника, приводит к увеличению габаритного диаметра магнитопровода трансформатора .Этот увеличенный вес стали в конечном итоге приводит к увеличению потерь в сердечнике трансформатора. Увеличение диаметра сердечника приводит к увеличению основного диаметра на обмотке. Несмотря на увеличенный диаметр витков обмотки, меньшее количество витков в обмотках приводит к меньшим потерям меди в трансформаторе.

Итак, мы продолжаем увеличивать диаметр сердечника трансформатора, потери в сердечнике трансформатора будут увеличиваться, но в то же время потери нагрузки или потери меди в трансформаторе уменьшаются.С другой стороны, если диаметр сердечника уменьшается, вес стали в сердечнике уменьшается; что приводит к меньшим потерям в сердечнике трансформатора, но в то же время это приводит к увеличению количества витков в обмотке, означает увеличение веса меди, что приводит к дополнительным потерям меди в трансформаторе. Таким образом, диаметр сердечника должен быть оптимизирован во время проектирования сердечника трансформатора , учитывая оба аспекта.

Материал сердечника трансформатора

Основная проблема сердечника трансформатора заключается в его гистерезисе и потерях на вихревые токи.Потери на гистерезис в трансформаторе в основном зависят от материалов сердечника. Обнаружено, что небольшое количество кремния, легированного сталью с низким содержанием углерода, дает материал для сердечника трансформатора, который имеет низкие гистерезисные потери и высокую проницаемость. Из-за увеличения потребности в мощности необходимо еще больше снизить потери в сердечнике, и для этого применяется другой метод обработки стали, известный как холодная прокатка. Этот метод обеспечивает ориентацию зерна в ферромагнитной стали в направлении прокатки.

Стальная сердцевина, прошедшая как легирование кремнием, так и холодную прокатку, широко известна как CRGOS или холоднокатаная кремниевая сталь с ориентированной зернистостью. Этот материал сейчас повсеместно используется для изготовления сердечников трансформаторов.

Хотя этот материал имеет низкие удельные потери в железе, но все же; у него есть некоторые недостатки, например, он подвержен увеличению потерь из-за потока потока в направлении, отличном от ориентации зерен, а также подвержен ухудшению характеристик из-за удара изгиба и вырубки режущего листа CRGOS.На обе поверхности листа нанесено изолирующее оксидное покрытие.

Оптимальная конструкция поперечного сечения сердечника трансформатора

Максимальная магнитная индукция стали CRGO составляет около 1,9 Тл. Означает, что сталь становится насыщенной при плотности магнитного потока 1,9 Тл. Одним из важных критериев для конструкции сердечника трансформатора является то, что он не должен быть насыщен во время нормального режима работы трансформатора. Напряжения трансформатора зависят от его полного намагничивающего потока.Полный намагничивающий поток через сердечник — это не что иное, как произведение плотности потока и площади поперечного сечения сердечника. Следовательно, магнитной индукцией сердечника можно управлять, регулируя площадь поперечного сечения сердечника во время его проектирования.

Идеальная форма поперечного сечения сердечника трансформатора — круглая. Для получения идеального круглого поперечного сечения каждый последующий ламинированный стальной лист должен быть разрезан на разные размеры и размеры. Это абсолютно неэкономично для практического производства.На самом деле производители используют разные группы или пакеты заранее определенного количества ламинированных листов одинакового размера. Группа или пакет представляет собой блок ламинированных листов с заранее определенной оптимальной высотой (толщиной). Ядро представляет собой сборку этих блоков таким последовательным образом в зависимости от их размера от центральной линии сердечника, что дает оптимальную круглую форму поперечного сечения. Такое типичное поперечное сечение показано на рисунке ниже.

Маслопроводы необходимы для охлаждения активной зоны. Охлаждающие каналы необходимы, потому что температура горячих точек может стать опасно высокой, а их количество зависит от диаметра сердечника и материалов, из которых он изготовлен.Кроме того, с обеих сторон сердечника необходимы стальные зажимные пластины для зажима ламинации. Блоки ламинирования стального листа, маслопроводы и прижимные пластины; все должно лежать на периферии оптимального основного круга.
Чистая площадь поперечного сечения рассчитывается на основе размеров различных пакетов, и делается поправка на пространство, потерянное между слоями (известное как коэффициент штабелирования), для которого толщина стального листа 0,28 мм с изоляционным покрытием составляет приблизительно 0,96. Также вычитается площадь маслопроводов.Отношение чистой площади поперечного сечения сердечника к общей площади поперечного сечения внутри воображаемой периферийной окружности известно как коэффициент использования сердечника трансформатора. Увеличение числа шагов улучшает коэффициент использования, но в то же время увеличивает стоимость производства. Оптимальное количество ступеней от 6 (для меньшего диаметра) до 15 (для большего диаметра).

Производство сердечника трансформатора

При изготовлении сердечника трансформатора учитываются основные факторы

  1. Повышенная надежность.
  2. Снижение потерь в стали в трансформаторе и тока намагничивания.
  3. Снижение затрат на материалы и рабочую силу.
  4. Снижение уровня шума.

Проверка качества необходима на каждом этапе производства, чтобы гарантировать качество и надежность. Стальной лист необходимо испытать на предмет обеспечения конкретных значений потерь в сердечнике или в стали. Ламинирование должно быть тщательно проверено и осмотрено визуально, ржавчина и изгибы ламината должны быть отклонены. Для уменьшения шумов трансформатора ламинаты должны быть плотно прижаты друг к другу и по возможности избегать пробивных отверстий, чтобы минимизировать поперечные магнитные потери в стали.Воздушный зазор на стыке конечностей и ярм должен быть уменьшен, насколько это возможно, чтобы обеспечить максимально гладкие пути прохождения тока намагничивания.

Угловое соединение ветвей с помощью хомутов

Потери в сердечнике в трансформаторе происходят в основном из-за:

  1. Поток магнитного потока вдоль направления ориентации зерен,
  2. Поток магнитного потока перпендикулярно направлению ориентации зерен, это также известные как поперечные потери железа. Потеря поперечного зерна в основном происходит в зонах стыковки углов ветвей с коромыслами и в некоторой степени может контролироваться с помощью специальных приемов стыковки углов.Обычно в сердечнике трансформатора используются соединения двух типов:
    1. Соединения с чередованием
    2. Соединения под углом

Соединения с чередованием в сердечнике трансформатора

Соединения с чередованием в сердечнике трансформатора — это простейшая форма соединений. Это соединение показано на рисунке. Флюс выходит и входит в стык перпендикулярно ориентации зерен. Следовательно, поперечные потери зерна в соединениях этого типа высоки. Но, учитывая низкую стоимость изготовления, предпочтительно использовать трансформатор малой мощности.

Зазубренные стыки в сердечнике трансформатора

Здесь ламинат разрезан под углом 45 o . Кромки ламинированных ветвей и ярма располагаются лицом к лицу в стыках со скосом в сердечнике трансформатора. Здесь флюс входит и выходит из ламинации, получает плавный путь в направлении своего потока; следовательно, поперечные потери здесь минимальны. Однако это связано с повышенными производственными затратами. Предпочтительно использовать в типах трансформаторов, где минимизация потерь является основным критерием при проектировании сердечника трансформатора .

Конструкция сердечника трансформатора и классы охлаждения

Тип и форма сердечника влияют на КПД трансформатора. Поскольку все трансформаторы имеют потери мощности, охлаждение трансформатора является частью номинальной мощности.

Ядра

Конструкция сердечников трансформатора влияет на КПД трансформатора. Сердечники состоят из ножек и ярм. Вертикальные ножки поддерживают катушки, а верхняя и нижняя коромысла соединяют ножки. Концы пластин, используемых для создания сердечника, часто обрезаны под углом 45 °, а не под прямым углом (см. Рисунок 1).Это позволяет слоям ламинирования ножек и коромысел немного перекрываться в углах. Это помогает улучшить путь магнитной проводимости через сердечник.

Рис. 1. Пластины, используемые для изготовления сердечников, часто разрезаются под углом 45 °, чтобы обеспечить перекрытие для улучшения пути магнитной проводимости.

В понижающем трансформаторе сначала наматывается вторичная обмотка, которая располагается ближе всего к сердечнику со слоем изоляционного материала между ними.Затем наматывается первичная обмотка и помещается поверх низковольтной катушки со слоем изоляционного материала между ними. Эта конструкция размещает проводники, находящиеся под высоким напряжением, на большем физическом расстоянии от утюга, который обычно заземлен. В повышающем трансформаторе сначала наматывается первичная обмотка, а сверху — вторичная.

Сердечник электрически соединен с зажимами сердечника, стальной конструкцией и кожухом, все из которых соединены проводом с заземлением установки или системы.Три распространенных типа трансформаторов — это трансформаторы с сердечником, корпусные трансформаторы и тороидальные трансформаторы.

Трансформаторы с сердечником

Трансформатор с сердечником имеет обмотки, расположенные вокруг каждой ветви из материала сердечника. Толстый слой изоляционного материала обернут вокруг ножек, чтобы предотвратить электрический контакт между проводом катушки и железом ножки. Трехфазные трансформаторы обычно имеют трехполюсную конструкцию. Однофазные трансформаторы обычно имеют двухполюсную конструкцию. Трансформаторы с сердечником обычно дешевле, чем трансформаторы других типов, поскольку используется меньше железа и корпус меньше.

Корпусные трансформаторы

Трансформатор оболочечного типа имеет дополнительные ножки и металлический корпус, окружающий сердечник. Сверхпроводящий материал помогает свести к минимуму поток утечки сердечника. Обычные трансформаторы корпусного типа включают сердечники с 3, 5 и 7 выводами. Трехфазные трансформаторы обычно имеют 5 или 7 ветвей. Две вспомогательные ножки 7-веточной конструкции обеспечивают симметрию трех магнитных цепей сердечника. Однако дополнительные ветви трансформатора кожухового типа приводят к увеличению емкости между первичной и вторичной обмотками.Такая конструкция позволяет более равномерно распределять поток между различными ветвями сердечника. Более равномерное распределение потока приводит к уменьшению гармоник. Однофазные трансформаторы обычно имеют трехполюсную конструкцию.

Рисунок 2. Однофазные и трехфазные трансформаторы с сердечником и корпусом. Изображение предоставлено SpinningSpark (CC 3.0)

Трансформаторы с тороидальным сердечником

Трансформатор с тороидальным сердечником имеет сердечник в форме пончика с медной проволокой, намотанной по всему сердечнику (см. Рисунок 3).Тороидальный сердечник состоит из длинной полосы магнитного материала и плотно скручивает ее, придавая ей форму, напоминающую пружину. Поскольку сердечник изготовлен из цельного куска магнитного материала, такая конструкция обеспечивает наилучшее соединение между первичной и вторичной обмотками.

Первичный и вторичный провода наматываются через центральное отверстие, вокруг сердечника и обратно через центральное отверстие. Провод можно обернуть, чтобы обеспечить полное покрытие сердечника и полностью удерживать магнитное поле, ограниченное сердечником, для повышения эффективности.Тороидальные трансформаторы также тише других трансформаторов. Тороидальные трансформаторы чаще всего используются в относительно высокочастотных приложениях, таких как аудио и R.F. компоненты.

Рис. 3. Тороидальный трансформатор имеет сердечник в форме пончика с обмотками, намотанными вокруг сердечника. Изображение предоставлено GlobalSpec

Охлаждение трансформатора

Часть мощности трансформатора определяется рассеиванием тепловых потерь, генерируемых в трансформаторе, и повышением температуры трансформатора при подаче определенной нагрузки.Из-за высокой концентрации проводника в обмотках нагрев является важным фактором при установке и конструкции трансформатора. Если в трансформаторе или вокруг него остается чрезмерное тепло, изоляция проводников, составляющих обмотки, будет повреждена и, возможно, выйдет из строя. Любые средства, которые могут экономично рассеивать тепло, генерируемое в катушках и магнитной цепи, более легко позволяют увеличить номинальные характеристики трансформатора, имеющего определенный физический размер, или позволяют уменьшить размеры блока, имеющего определенную номинальную мощность в кВА.Трансформаторы могут быть обозначены как сухие, где для охлаждения катушек используется воздух, или как жидкостные, когда катушки погружены в масло.

Типы охлаждающих жидкостей

Хотя сухие трансформаторы охлаждаются воздухом, иногда требуется дополнительное охлаждение для достижения желаемой номинальной нагрузки. Это достигается погружением змеевиков в жидкий теплоноситель. Масла, обычно используемые в качестве охлаждающих жидкостей, также действуют как электрические изоляторы, поэтому они обладают очень высокой диэлектрической прочностью.

Минеральное масло — обычная охлаждающая жидкость, используемая в трансформаторах. Минеральное масло имеет более высокую диэлектрическую прочность, чем воздух, поэтому оно действует как изолятор. Он также имеет более высокую теплоемкость, чем воздух, поэтому действует как хладагент. Однако минеральное масло легко воспламеняется.

Askarels — это класс масел, которые были разработаны для замены минеральных масел в местах, где существует проблема воспламеняемости. Аскарели считаются негорючими. Однако они могут разлагаться под воздействием тепла с образованием соляной кислоты и токсичных химикатов, таких как диоксины.Кроме того, некоторые виды аскарелов содержат полихлорированные бифенилы (ПХБ). Использование аскарелей в новых трансформаторах в США было запрещено в 1977 году. Многие старые трансформаторы в полевых условиях до сих пор содержат ядовитые аскарелы. При работе со старыми маслонаполненными трансформаторами необходимо соблюдать особую осторожность.

Высокотемпературные углеводороды и синтетические сложные эфиры все чаще используются в качестве охлаждающих жидкостей трансформаторов. Оба типа материалов очень стабильны при относительно высоких температурах, но высокая стоимость в некоторой степени ограничивает их использование только в самых критических областях.Силиконы и галогенированные жидкости использовались в прошлом, но редко используются сейчас, потому что оба проявляют биологическую стойкость в окружающей среде в случае разлива.

Классы охлаждения

Исторически класс охлаждения трансформатора давался обозначением из 2-4 букв, обозначающим воздух (A), воду (W), минеральное изоляционное масло (O) или синтетическую негорючую изоляционную жидкость (L), а также природное происхождение. использовалась конвекция (N) или принудительная конвекция (F). Класс охлаждения сухих трансформаторов определен в IEEE C57.94-1982 (R-1987) (см. Рисунок 4).

Рис. 4. Класс охлаждения сухих трансформаторов определяет, вентилируется ли трансформатор и является ли трансформатор с самоохлаждением или с принудительным воздушным охлаждением.

Класс охлаждения жидкостных трансформаторов исторически имел подобное обозначение. Класс охлаждения жидкостных трансформаторов был недавно изменен. Класс охлаждения трансформаторов, погруженных в жидкость, теперь определен в стандарте IEEE C57.12.00-2000. В этом стандарте предусмотрено 4-буквенное обозначение, которое указывает конкретные критерии, касающиеся типа масла, того, как масло циркулирует, что используется для охлаждения масла и как масло охлаждается снаружи (см. Рисунок 5).

Рис. 5. Класс охлаждения жидкостных трансформаторов описывает тип масла, то, как масло циркулирует, что используется для охлаждения масла и как масло охлаждается снаружи.

Пределы температуры

Повышение температуры трансформатора — это разница между максимальной температурой ядра в горячей точке при полной нагрузке и температурой в нерабочем состоянии.Повышение температуры должно быть ограничено, чтобы местная температура не превышала номинальные характеристики изоляции. Величина повышения температуры трансформатора зависит от конструкции трансформатора, условий окружающей среды и нагрузки. Общие конструктивные факторы, влияющие на величину повышения температуры, включают диаметр обмоточного провода, а также размер и конструкцию сердечника.

Рис. 6. Температурный режим трансформатора определяется допустимым превышением температуры и превышением допустимой температуры горячей точки.

Существует несколько стандартных номиналов трансформатора, основанных на допустимом превышении температуры (см. Рисунок 6). Например, изоляционные материалы класса 105 (A) могут использоваться только в трансформаторах, которые рассчитаны на постоянное повышение температуры при полной нагрузке, не превышающее 55 ° C по сравнению с температурой окружающей среды 40 ° C. Стандарты допускают температуру самой горячей точки на 10 ° C выше нормального повышения температуры. Таким образом, трансформатор класса 105 (A) при полной нагрузке имеет среднюю температуру проводника 95 ° C при работе при температуре окружающей среды 40 ° C и максимальную температуру самого горячего места проводника 105 ° C.Другие классы имеют другие значения для допустимого повышения температуры и повышения температуры горячей точки.

3 основных типа магнитных сердечников, используемых в трансформаторах

Двигатели и трансформаторы не будут нормально работать без сердечника. Сердечники, используемые в повышающих / понижающих трансформаторах, могут состоять из нескольких различных материалов в зависимости от области применения. Сердечник оказывает сильное влияние на функциональность трансформатора. Размер и геометрия сердечника будут определять мощность, напряжение и ток, которые может обеспечить трансформатор.Сердечник — это проводник для магнитного потока, который течет, когда сигнал переменного тока подается на первичную катушку. Этот поток сердечника передает энергию от первичной обмотки к вторичной обмотке. Чтобы сделать это эффективно, трансформаторы имеют сердечники из многослойной стали или аморфные. В этом посте мы обсудим различные материалы, из которых изготовлены сердечники трансформатора.

Три основных типа стальных сердечников, используемых в магнитных трансформаторах

Магнитные трансформаторы

имеют сердечники, изготовленные из следующих материалов:

  • Твердый чугун / сталь: Раньше твердый отожженный чугун или сталь были популярным материалом для сердечника, поскольку они допускали сильные магнитные поля.В последнее время он стал непопулярным из-за того, что производит вихревые токи, которые делают трансформатор неэффективным. Они также выделяют большое количество тепла, которое влияет на общую производительность трансформатора.
  • Многослойный кремниевый сплав / Кремниевая сталь: Пластины из кремниевого сплава, которые в основном представляют собой тонкие полоски кремниевого сплава, уложены вместе и используются в качестве сердечника. Эти сердечники обычно используются в электрических трансформаторах 50/60/400 Гц. Материал сердечника в такой форме обеспечивает эффективное распространение магнитного поля с уменьшенными вихревыми токами и рассеиванием тепла.
  • Аморфная сталь: Сердечники, состоящие из очень тонких полос из аморфной стали, могут использоваться в трансформаторах, работающих от средних до высоких частот. При использовании этого материала на этих частотах поток вихревых токов значительно снижается. Следовательно, это предпочтительный материал, если вы хотите сделать ваш трансформатор средней частоты чрезвычайно эффективным.

В зависимости от области применения можно выбрать подходящий сердечник для поддержки эффективной работы трансформатора.Например, трансформатор, который необходим для преобразования «настенной мощности» в соответствующие напряжения, необходимые для работы источника питания лазера, сильно отличается от трансформатора, используемого для создания таких же напряжений, но в импульсном источнике питания. Поэтому важно использовать эти знания при выборе ядра, которое поможет вашему приложению работать оптимально. Выбор правильного ядра также означает меньшие затраты и меньшее время разработки.

3 основных типа магнитных сердечников, используемых в трансформаторах, последнее изменение: 13 декабря 2018 г., gt stepp

О gt stepp

GT Stepp — инженер-электрик с более чем 20-летним опытом работы, специалист в области исследований, оценки, испытаний и поддержка различных технологий.Посвящен успеху; с сильными аналитическими, организационными и техническими навыками.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *