Сердечник трансформатора это: Магнитопровод трансформатора. Устройство и виды сердечников трансформаторов

Содержание

Магнитопровод трансформатора. Устройство и виды сердечников трансформаторов

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:

  • стержневые;
  • броневые;
  • тороидальные.

 

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.

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.

Выбор и расчёт сердечника трансформатора


Площадь сечения сердечника трансформатора -очень важный параметр. На величину магнитного потока, создаваемого в сердечнике трансформатора, кроме числа витков первичной обмотки и величины протекающего в ней тока, оказывает влияние и размер самого сердечника. Если трансформатор имеет сердечник малого размера, то создать в таком сердечнике магнитный поток большой величины нельзя и на выходе такого трансформатора получить большую мощность не удастся. Это объясняется тем, что материал, из которого изготовлен сердечник, имеет способность насыщаться. Явление насыщения трансформатора состоит в том, что, несмотря на увеличение тока в обмотке, магнитный поток в сердечнике, достигнув некоторой максимальной величины, далее практически не изменяется.

Предположим, что имеется катушка с железным сердечником, по которой протекает постоянный ток. При увеличении тока магнитный поток будет также увеличиваться. При малых величинах тока возрастание потока окажется пропорциональным увеличению тока. Затем поток будет нарастать всё медленнее и наконец при некоторой величине тока перестанет увеличиваться совсем. Наступит насыщение стали (насыщение сердечника).

В трансформаторе режим насыщения приводит к тому, что передача энергии из первичной обмотки во вторичную частично прекращается. Нормальная работа трансформатора возможна лишь тогда, когда магнитный поток в его сердечнике изменяется пропорционально изменению тока в первичной обмотке. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы сердечник не был в состоянии насыщения, а это возможно лишь тогда, когда его объём и сечение не меньше вполне определённой величины. Следовательно, чем больше мощность трансформатора, тем большим должен быть его сердечник.

Расчёт мощности трансформатора. Формула.

На практике часто приходится рассчитывать сечение сердечника по заданной мощности трансформатора:

Sсерд = 1.2√P, см2

Если известно сечение сердечника, то можно ориентировочно рассчитать мощность трансформатора по формуле:

P = S2серд / 1.44, вт.


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

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-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

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

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

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

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

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.

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.

Поделиться ссылкой:

Кликните на звездочку чтобы выставить рейтинг страницы

[Total: 0 Average: 0]

сердечник трансформатора | Электрознайка. Домашний Электромастер.


Трансформатор – это электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при той же частоте.
Действие трансформатора основано на использовании явления электромагнитной индукции.

Переменный электрический ток (ток, который изменяется по величине и по направлению) наводит в первичной катушке переменное магнитное поле. Это переменное магнитное поле, наводит переменное напряжение во вторичной обмотке. Величина напряжения ЭДС зависит от числа витков  в катушке и от скорости изменения магнитного поля.

Отношение числа витков первичной и вторичной обмоток определяет коэффициент трансформации:
   k = w1 / w2;   где:
w1 — число витков в первичной обмотке;
w2 — число витков во вторичной обмотке.
Если число витков в первичной обмотке больше чем во вторичной — это понижающий трансформатор.
Если число витков в первичной обмотке меньше, чем во вторичной — это повышающий трансформатор.

Один и тот же трансформатор может быть как понижающим, так и повышающим, в зависимости от того на какую обмотку подается переменное напряжение.

Трансформаторы без сердечника или с сердечником из высокочастотного феррита или альсифера — это высокочастотные трансформаторы ( частота выше 100 килогерц).
Трансформаторы с ферромагнитным сердечником (сталь, пермаллой, феррит) – это низкочастотные трансформаторы (частота ниже 100 килогерц).

Высокочастотные трансформаторы используются в устройствах техники электросвязи, радиосвязи и др. Низкочастотные трансформаторы используются в усилительной технике звуковых частот, в телефонной связи.
Особое место трансформаторы со стальным (набор из стальных листов) сердечником занимают в электротехнике.

Развитие электроэнергетики напрямую зависит от мощных, силовых трансформаторов.
Мощности силовых трансформаторов имеют величины от нескольких ватт до сотен тысяч киловатт и выше.

Силовой трансформатор – что же это?

На замкнутый сердечник (магнитопровод), набранный из стальных листов, надевают две или больше, обмоток, одна из которых соединяется с источником переменного тока. Другая (или другие) обмотка соединяется с потребителем электрического тока – нагрузкой.

Переменный ток, проходящий по первичной обмотке, создает в стальном сердечнике магнитный поток, который наводит в каждом витке обмотки – катушки переменное напряжение. Напряжения всех витков складываются в выходное напряжение трансформатора.

 Форма сердечника – магнитопровода, может быть Ш – образной, О – образной и тороидальной, в виде тора. Таким образом в силовом трансформаторе электрическая мощность из первичной обмотки передается во вторичную обмотку через магнитный поток в магнитопроводе.

Потребителей электрической энергии очень много: электрическое освещение, электронагреватели, радио и теле аппаратура, электродвигатели и многое другое. И все эти приборы требуют различные напряжения (переменные и постоянные) и разные мощности.

Проблема эта легко решается с помощью трансформатора. Из бытовой сети с переменным напряжением 220 вольт можно получить переменное напряжение любой величины и , если необходимо, преобразовать его в постоянное напряжение.

Коэффициент полезного действия трансформатора довольно велик, от 0,9 до 0,98 и зависит от потерь в магнитопроводе и от магнитных полей рассеяния.
От величины электрической мощности Р зависит площадь поперечного сечения магнитопровода S.
По значению площади S определяется, при расчетах трансформатора, количество витков w на 1 вольт:

w = 50 / S.

Мощность трансформатора Рс выбирается из требуемой величины нагрузки Рн плюс величина потерь в сердечнике.

При расчете трансформатора с определенной степенью точности можно считать, что мощность нагрузки во вторичной обмотке Pн = Uн * Iн и мощность потребляемая из сети в первичной обмотке Pc = Uc * Ic приблизительно равны. Если  потерями в сердечнике  пренебречь, то получается равенство:

k = Uс / Uн = Iн / Iс.

То есть, выводится правило: токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны их напряжениям, а соответственно и числу их витков.

Трансформатор сердечники - Справочник химика 21

    Магнитопровод трансформатора стержневого типа. Первичная и вторичная обмотки расположены на одном стержне, но изолированы между собой бакелитовым цилиндром. Трансформатор (сердечник) крепится четырьмя болтами на железной крышке масляного бака. В крышку бака вмазаны два высоковольтных проходных фарфоровых изолятора. Внутри изоляторов проходят сквозные шпильки, через которые выводится ток высокого напряжения от концов вторичной с мотки. [c.174]
    Запоминающее устройство (ЗУ) машины состоит из трех независимых частей, отличающихся принципом действия и объемом запоминающее устройство для хранения чисел, выполненное на ферритовых сердечниках, запоминающее устройство для размещения команд, построенное по принципу импульсных трансформаторов с воздушными зазорами, в которые вставляются штеккеры команд и адресов, и запоминающее устройство на ферритовых сердечниках для хранения микропрограмм. [c.424]

    Воспламенение сгораемых изолирующих оболочек проводов может также произойти п( и перегреве металлических масс в сердечниках трансформаторов, якорях динамомашин под действием индуктивных токов Фуко. [c.207]

    ВЧ-сердечника которого погружена в исследуемый раствор. При этом раствор попадает в зазор магнитопровода и воздействует на величину импеданса БЧ-трансформатора-сердечника. Таким образом, по изменению импеданса можно судить об электропроводности раствора. Работа с прибором состоит в том, что, регулируя величину напряжения в сеточной катушке, устанавливают нуль-прибор всякий раз в положение условного нуля. Аналогичный прибор описан в [112]. [c.111]

    И Кондратов [120] применили микроскоп. Стивенс и Айви [92] следили за удлинением с помощью дифференциального трансформатора, сердечник которого связан с растягиваемым образцом. [c.54]

    С целью повышения уровня изоляции и улучшения охлаждения силовых трансформаторов сердечники помещают в бак с трансформаторным маслом. Для заполнения бака маслом до самой крышки при всех возможных в процессе эксплуатации колебаниях температуры и объема масла над крышкой устанавливают расширитель — стальной бачок, сообщающийся с основным баком трубопроводом. Объем расширителя обычно составляет 8—10% объема масла, находящегося в баке. На крышке бака устанавливают вводы и выводы для присоединения обмоток трансформатора к внешней сети, а также различные устройства для контроля за состоянием масла и для защиты трансформатора от аварийных и атмосферных электрических разрядов. [c.245]

    Магнитные материалы с малой коэрцитивной силой и с большой магнитной проницаемостью называют магнитномягкими, а с большой коэрцитивной силой и меньшей проницаемостью — магнитнотвердыми. В первых потери на гистерезис малы, поэтому их используют в качестве сердечников трансформаторов, электромагнитов и в измерительных приборах, когда необходимо при наименьшей затрате энергии достигнуть наибольшей индукции. При этом старакяся увеличить электросопротивление для понижения потерь на вихревые токи (маг-нитопроводы собирают из пластин с прослойками изоляторов). К магнитномягким материалам относится железо типа Армко , но оно обладает низким сопротивлением Qmkom см). Этот недостаток частично устраняется введением в железо кремния (до 4%). У такого электротехнического железа сопротивление до 60 л л олточка Кюри 690 С. Оно широко применяется в электромашиностроении и в трансформаторах. [c.350]

    Трансформатор, Сердечник кольцевой (из свернутой ленты пермаллоя). Диаметр наружный 102 мм, диаметр внутренний 68 мм, ширина ленты 21 мм. [c.19]

    Трансформаторное, применяемое для изоляции и охлаждения обмотки и сердечника трансформаторов электрического тока [c.229]

    Ферромагнетики широко используются в самых различных отраслях народного хозяйства, например в электротехнике (изготовление сердечников трансформаторов и электродвигателей, а также постоянных магнитов). Существенное значение приобрело применение этих материалов в вычислительной технике, где их домены выступают в роли элементов памяти. [c.303]

    Вместо стаканчика можно взять и-образную трубочку (электролизер), металлические электроды изготовить, из проволочки соответствующих металлов, а графитовые электроды — из сердечника простого карандаша. Электроды вставляются в каучуковые пробки, которые плотно закрывают отверстия электролизера. Пробки должны иметь выходы для образующихся газов. Электроды соединяются с источником постоянного тока или через трансформатор и выпрямитель с электросетью. [c.171]

    Стекла обладают очень высокой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой и рядом ценных магнитных свойств, что привело к применению их в качестве сердечников в индуктивных составляющих электронных схем, силовых трансформаторов, записывающих магнитных головок и др. [c.378]

    Разработано несколько схем для неразрушающего измерения этого незатухающего тока. Если самоиндукция L части схемы, по которой протекает ток /, модулируется, то возникает э. д. с. й (Ы)1(11, которая может быть отведена из схемы с помощью трансформатора. Такая модуляция может быть достигнута путем помещения вблизи от контура заземленной сверхпроводящей пластины, смонтированной на вибрирующем кристалле пьезокристалла, либо путем попеременного перевода сверхпроводящего сердечника в малой катушке в сверхпроводящее состояние и обратно. [c.527]

    Нагревательным элементом печи служит так называемый сердечник — центральная часть загрузки, по которой проходит ток, выделяя тепло. Напряжение на сердечник подается при помощи двух заделанных в противоположные стенки печи электродов, что позволяет регулировать ход печи только изменением напряжения на питающем печь трансформаторе. Естественно также, что печи эти однофазные. [c.174]

    Во всех системах катодной защиты, в которых сопротивление в цепи тока и требуемый защитный ток остаются постоянными, применяют защитные установки с настраиваемым напряжением на выходе. При малых мощностях и токах настройка делается при помощи отводов и Клемм на вторичной обмотке трансформатора. Однако при более высоких мощностях и для простоты настройки целесообразно применить разделительный трансформатор с фиксированным вторичным напряжением для максимального напряжения защитного тока на выходе из установки, а на первичной обмотке включить перед ним регулировочный трансформатор, работающий как автотрансформатор для. экономии энергии. Этот регулировочный трансформатор может иметь кольцевой сердечник или быть стержневым для бесступенчатой настройки, или же иметь отводы для подсоединения к переключателю ступеней. Рекомендуется эпизодически приводить в действие контактные дорожки регулировочных трансформаторов и переключателей для поддержания их чистоты, а во время ревизий тщательно очищать их от загрязнений. [c.221]

    Из трансформаторов с шихтованным сердечником самым технологичным является БТ. При использовании ленточных сердечников это преимущество БТ перед СТ сохраняется только при малой мощности. Средние и большие СТ становятся дешевле из-за экономии в стоимости материалов. [c.116]

    Наиболее, высокие характеристики у железо-никелевых сплавов (пермаллоев), у которых fxmax достигает 100 ООО а = 0,05 э, а добавкой до 3,8% молибдена и при 78,5% никеля характеристики еще выше. Пермаллои применяются Для изготовления сердечников трансформаторов, реле, катушек индуктивности, магнитных экранов и т, д. Магнитная проницаемость пермаллоев сильно снижается в поле высокой частоты. У сплава, содержащего по 49% Fe и Со с 2% V (пермендюр), очень высокая остаточная намагниченность В (до 24 500 гс, вместо 10 000 у пермаллоя) и повышенная точка Кюри (980° С вместо 580 у пермал лоя). Это позволяет считать пермендюр одним из лучших-.>материалов для изго товления деталей магнитопроводов в магнитных системах большой мощности [c.350]

    После этого приступают к выбору или расчету сердечника трансформатора. Выбор сердечника производят по литературным данным [60], где для целого ряда мощностей даны рекомендуемые типоразмеры магнитопроводов. [c.116]

    Ферриты тверды и хрупки. Их можно только шлифовать и полировать, а обработка резанием не удается. Коэрцитивная сила у них изменяется от 0,15 до 4 э, точка Кюри до 400—500°С, индукция насыщения 2000—4000 гс. У марганцово-цинковых ферритов гистере-зистые петли узкие небольшая). Никель-цинковые ферриты в зависимости от состава и способа получения имеют различную начальную магнитную проницаемость и более широкую гистерезисную петлю, Магний-марганцевые ферриты имеют почти квадратную гистеризионную петлю, что важно для изготовления запоминающих устройств в счетнорешающих машинах. Ферриты используются для изготовления контур-пых катушек, сердечников импульсных трансформаторов, трансформаторов развертки телевизионных приемников, магнитных экранов, резонаторов, накопителей в вычислительных машинах и для других целей. [c.352]

    Мостовая схема состоит из термисторов, включенных в ее плечи, постоянных сопротивлений и Р7, балансного сопротивления Р5, которое одновременно является частью плеч мостовой схемы. Сигнал, появляющийся при разбалансе схемы, с диагонали моста подается на делитель напряжения (сопротивления Я8, Н9, РЮ) через переключатель П1. Из-за индуктивного характера нагрузки (первичная обмотка трансформатора Г) делитель обеспечивает выбранную кратность деления напряжения сигнала только при определенной частоте. При изменении частоты переключателем П1 кратность деления напряжения нарушается. С делителя напряжения сигнал поступает на повышающий разделительный трансформатор Т с тороидальным сердечником, коэффициент трансформации которого около 6. [c.300]

    Годдард и сотрудники предложили заменить два сопротивления, составляющие плечи обычного моста, на две секции обомотки трансформатора, сердечник которого заземляется. При этом устраняются дефекты ранее предложенных схем заземления [216]. [c.36]

    Магнитные материалы с малой коэрцитивной силой Нг и с больп ой магнитной проницаемостью называют магннтномягкими, а с большой коэрцитивной силой и меиьн]ей проницаемостью — магиитнотвердымп. В первых потери на гистерезис малы, поэтому их используют в качестве сердечников трансформаторов, электромагнитов и в измерительных приборах, когда необходимо при [c.435]

    Данные трансформатора сердечник Ш20Х20 первичная обмотка 5 = 300 витков, ПЭВ-200,3 вторичные обмотки Л = 400-f 300 витков, ПЭВ-200,3. [c.88]

    К черным металлам относят и магнитные материалы, применяемые для изготовления сердечников трансформаторов, электрических машин, измерительной аппаратзфы и т.п. Особую группу веществ, близких к ним по свойствам, составляют ферриты — соединения оксида железа (Ш) с оксидами дрз их металлов, широко используемые в приборостроении. [c.47]

    Циркулярное намагничивание осуществляется при пропускании тока по контролируемой детали или через проводник (стержень), помещенный в отверстие детали. При циркулярном намагничивании направление магнитного потока перпендикулярно направлению тока, поэтому оптюиально обнаруживаются дефекты, направление которых совпадает с направлением тока. Одной из разновидностей циркулярного намагничивания является намагничивание путем индуцирования тока в контролируемой детали. Устройства для такого намагничивания представляют собой трансформатор, вторичной обмоткой которого (или частью сердечника) служит контролируемая деталь. На рисунке 3.4.1 представлено устройство намагничивающее УНМ-300/2000, предназначенное для намагничивания изделий постоянным током величиной до 300 А и импульсным током величиной до 2000 А (разработчик МНПО "Спектр"). [c.159]

    Мойет й другИх йзделйй из губчатой платины путём прессований ее с последующим спеканием п горячей ковкой. В настоящее время метод порошковой металлургии получил широкое применение в машиностроении и приборостроении для изготовления разнообразных изделий самосмазывающихся подшипников, фрикционных накладок, различного типа магнитных материалов и приборов (телефонная аппаратура, радиодетали, сердечники трансформаторов и др.), электрощеток, пористых фильтров и других изделий. [c.320]

    Диаметр сердечников трансформаторов и их от1юсительное расположение зависят от величины электропроводности исследуемого раствора. Для хорошо проводящих растворов диаметр центральной колонки раствора необходимо делать меньше, а высоту больше, для плохо проводящих — наоборот. [c.130]

    Измерения проводят при помощи моста для измерения импеданса (см. рис. 80). Источником переменного тока различных частот от 50 до 100 000 Гц служит генератор 7 нуль-инструментом — катодный осциллограф 5 с чувствительностью 3 мВ/см. Емкостная и омическая составляющие компенсируются отдельно при помощи прецизионных магазинов емкостей С с пределом измерений от 0,001 до 15 мкФ и магазина сопротивлений с постоянной индуктивностью и с пределом измерений от 0,01 до 10000 Ом. Индуктивность магазина, равная 10- 2Г, компенсируется катущкой из медного провода, включенной последовательно с измерительной ячейкой 4. Два постоянных плеча моста состоят из прецизионных конденсаторов на 1 мкФ каждый. Для увеличения точности измерений 50-периодную частоту отфильтровывают трансформатором (без сердечника с параллельным включением групп витков). [c.191]

    В дуговой печи короткое замыкание электродов на металл — нормальное эксплуатационное, ей присущее, явление, и необходимо обезопасить его последствия. С этой целью стремятся ограничить величины толчков тока при коротком замыкании, для чего на малых печах, у которых собственная индуктивность короткой сети и трансформатора недостаточна, в цепь установки со стороны высшего напряжения включают дроссель (реа1Ктор) с сердечником. Само замыкание стремятся возможно быстрее ликвиди-ро1Бать, оснащая установку быстродействующим автоматическим регулятором мощности. [c.80]

    Наконец, эффективным способом выравнивания мощностей фаз является пофазное регулирование напряжений на печи —снижение питающего напряжения на дикой фазе и увеличение его на мертвой . При этом можно получить одинаковые полезные мощности фаз, однако для этого печной трансформатор должен позволять регулировать напряжение каждой фазы самостоятельно, т. о. иметь четырехкерновый сердечник, или надо использовать три однофазных трансформатора. При таком по-фазном регулировании напряжения следует иметь в виду, что нагрузка фаз сети будет неравномерной. То же будет иметь место и при выравнивании полезных мощностей печи путем установки неодинаковых токов в ее фазах в соответствии с табл. 4-1. [c.115]

    В торцевые стенки заделаны угольные электроды 4 сечением 700X700 мм и длиной 2 м, выступающие внутрь и наружу стены. Внутренняя часть электрода скошена под углом 65° для увеличения поверхности контакта электрода с сердечником 6. На наружную часть электрода надеты водоохлаждаемые чугунные или бронзовые плиты, передающие ток на электрод. К плитам на болтах прикреплены шины, подводящие ток от трансформатора к лечи. [c.175]

    Потребитель должен учитывать неравномерный характер распределения ингибитора в бумаге, особенно там, где металл контактирует с обеими поверхностями бумаги (пазы, щели, зазоры). Известны случаи, когда антикоррозионная бумага УНИ 22-80 была использована для защиты от атмосферной коррозии торцов сердечников трансформаторов путем закладки одного слоя бумаги в зазор. При этом оказалось, что поверхность сердечника, контактирующего с наружной стороной бумаги, прокорроднровала, а с внутренней — нет. [c.112]

    Сравнительные показатели эффективности позволяют, используя приемы оптимизации, производить сравнение разных типов сердечников трансформаторов при различных условиях работы. Привёдем некоторые наиболее характерные сравнительные данные [60]. [c.115]

    При условии одинаковых изменений выходного напряжения трансформаторов под нагрузкой 6/=соп51 и нормальной частоты трансформатор с броневым сердечником (БТ) обладает наименьшим объемом. Наименьшую массу имеют трансформаторы с тороидальным сердечником (ТТ), со стержневым же сердечником магнитопровода (СТ), особенно однофазные, проигрывают БТ. [c.115]

    Ферросилиций, имеющий приблизительный состав FeSi, применяют при производстве кислотоупорных сплавов, например дюрайрона, в состав которых входит около 15% кремния. Дюрайрон применяют в химических лабораториях и на химических заводах. Сталелитейная промышленность производит мягкую сталь, содержащую небольшой процент кремния такую сталь благодаря высокой магнитной проницаемости применяют при производстве сердечников электрических трансформаторов. [c.529]

    В железнодороншых цистернах нет необходимости определять промежуточные уровни (достаточно фиксировать их предельные значения), поэтому выходной сигнал имеет релейную характеристику. Чувствительным элементом прибора является нонлавок, изготовленный из пенопласта и покрытый эпоксидной смолой, стойкой к углеводородным сжиженным газам. Поплавок 2 (см. рис. И-14) размещен в нижней камере корпуса 1 дифманометра и с помощью стержня 3 связан с сердечником 7, находящимся в разделительной трубке 8, на которую насажена катушка 4 дифференциального трансформатора. [c.56]

    ЦНИИТМАШем, как указывалось выше, созданы два электромагнитных ферритометра. Действие ферритометра ФВД-2 (рис. 99) основано на локальном измерении относительной величины магнитной проницаемости металла. Локальность определений обеспечивается выносным датчиком с контактной поверхностью 1 мм . Датчик выполнен в виде трансформатора со стержневым конусным сердечником. Второй идентичный трасформатор служит для компенсации схемы. Первичные обмотки трансформаторов соединены последовательно, а вторичные — навстречу друг другу так, что ЭДС, возникающая в обмотках, взаимно уравновешивается. [c.146]


Типы материалов магнитных сердечников для трансформаторов

Силовой трансформатор имеет первичную, вторичную и третичную обмотки. Трансформатор приводится в движение потоком между обмотками. В трансформаторах используются магнитные сердечники, которые служат проводником потока. Ядро может быть выполнено из различных материалов, некоторые из них обсуждаются в этом посте.

Магнитопровод - это в основном материал с магнитной проницаемостью, который помогает ограничивать магнитные поля в трансформаторах.Для изготовления магнитопроводов трансформаторов используются следующие типы материалов:

  • Аморфная сталь: Это один из популярных вариантов создания магнитопроводов в трансформаторах. Эти сердечники сделаны из нескольких металлических лент толщиной с бумагу, которые помогают уменьшить протекание вихревых токов. Сердечники из аморфной стали имеют меньшие потери, чем другие магнитопроводы, и могут легко работать при высоких температурах, чем стандартные многослойные пакеты. Сердечники из аморфной стали чаще всего используются в высокоэффективных трансформаторах, работающих на средних частотах.
  • Твердый железный сердечник: Эти сердечники обеспечивают магнитный поток и помогают сохранять сильные 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 эксплуатационными 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. Магнитопроводы из ферритовой керамики используются в высокочастотных приложениях. Керамические материалы производятся в различных спецификациях для удовлетворения разнообразных электрических требований. Эти 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. Эти изоляторы предотвращают появление вихревых токов и ограничивают их узкими петлями внутри каждого отдельного ламинированного слоя. Более тонкая ламинация сводит к минимуму эффекты вихревых токов.
  • Сердечники из карбонильного железа : Эти магнитные сердечники изготовлены из порошкового карбонильного железа и обеспечивают стабильную работу в широком диапазоне уровней магнитного потока и температуры. Сердечники из порошка карбонильного железа представляют собой небольшие железные сферы, покрытые тонким изолирующим слоем.Эти сердечники помогают уменьшить влияние вихревых токов при высоких температурах.
  • Кремниевая сталь : Кремниевая сталь имеет высокое электрическое сопротивление. Сердечник из кремнистой стали обеспечивает стабильную работу на протяжении многих лет. Кремниевая сталь обеспечивает высокую плотность потока насыщения. Несколько лет назад характеристики кремнистой стали были изменены в результате химических изменений, и сегодня новый продукт известен как AISI type M6. Сталь M6 обладает высокой проницаемостью и низкими потерями и используется в высокопроизводительных приложениях.

Вот видеоролик о том, как устроены ферритовые сердечники.

Как и любые другие металлические сердечники, вышеупомянутые магнитопроводы имеют свои преимущества и недостатки. Вы всегда можете проконсультироваться со специалистом-электриком или производителем электрического кабеля, чтобы узнать, какой из вышеуказанных магнитных сердечников идеально подойдет для вашего трансформатора.

Трансформатор

- Энциклопедия Нового Света

Трехфазный понижающий трансформатор, устанавливаемый на столб.

Трансформатор - это устройство, которое передает электрическую энергию от одной цепи к другой посредством магнитной связи, не требуя относительного движения между ее частями. Обычно он состоит из двух или более связанных обмоток и, в большинстве случаев, сердечника для концентрации магнитного потока.

Переменное напряжение, приложенное к одной обмотке, создает изменяющийся во времени магнитный поток в сердечнике, который индуцирует напряжение в других обмотках. Изменение относительного количества витков между первичной и вторичной обмотками определяет соотношение входного и выходного напряжений, таким образом, преобразует напряжение, повышая или понижая его между цепями.

Принцип трансформатора был продемонстрирован в 1831 году Фарадеем, хотя практические конструкции не появлялись до 1880-х годов. [1] Менее чем за десять лет трансформатор сыграл важную роль во время «Войны токов», когда системы переменного тока одержали победу над своими аналогами постоянного тока, и в этой позиции они остались доминирующими. С тех пор трансформатор сформировал отрасль электроснабжения, позволяя экономично передавать энергию на большие расстояния.Вся электроэнергия в мире, за исключением небольшой, проходит через серию трансформаторов к тому времени, когда достигает потребителя.

Среди самых простых электрических машин трансформатор также является одним из самых эффективных, [2] с большими блоками, производительность которых превышает 99,75 процента. [3] Трансформаторы бывают разных размеров: от миниатюрного трансформатора связи, скрытого внутри сценического микрофона, до огромных блоков с номинальной мощностью гига ВА, используемых для соединения частей национальных электрических сетей.Все они работают с одними и теми же основными принципами и имеют много общего в своих частях, хотя существуют различные конструкции трансформаторов, которые выполняют специализированные функции в доме и в промышленности.

История

Майкл Фарадей построил первый трансформатор в 1831 году, хотя он использовал его только для демонстрации принципа электромагнитной индукции и не предвидел его практического использования. [1] Русский инженер Павел Яблочков в 1876 году изобрел систему освещения на основе набора индукционных катушек, в которой первичные обмотки были подключены к источнику переменного тока, а вторичные обмотки могли быть подключены к нескольким «электрическим свечам».В патенте утверждалось, что система может «обеспечивать раздельное питание нескольких осветительных приборов с разной силой света от одного источника электроэнергии». Очевидно, индукционная катушка в этой системе работала как трансформатор.

Люсьен Голар и Джон Диксон Гиббс, которые впервые представили устройство с открытым железным сердечником, названное «вторичным генератором», в Лондоне в 1882 году. [4] , а затем продали идею американской компании Westinghouse. Возможно, это был первый практический силовой трансформатор.Они также выставили изобретение в Турине в 1884 году, где оно было применено для системы электрического освещения.

Исторический трансформатор Стэнли.

Уильям Стэнли, инженер Westinghouse, построил первое коммерческое устройство в 1885 году после того, как Джордж Вестингауз купил патенты Голларда и Гиббса. Ядро было сделано из соединенных друг с другом железных пластин Е-образной формы. Эта конструкция была впервые использована в коммерческих целях в 1886 году. [1] Венгерские инженеры Зиперновски, Блати и Дери из компании Ganz в Будапеште создали эффективную модель с закрытым сердечником «ZBD» в 1885 году на основе конструкции Голара и Гиббса.В их заявке на патент впервые было использовано слово «трансформатор». [4] Русский инженер Михаил Доливо-Добровольский разработал первый трехфазный трансформатор в 1889 году. В 1891 году Никола Тесла изобрел катушку Тесла, двухканальный резонансный трансформатор с воздушным сердечником для генерации очень высоких напряжений на высокой частоте.

Преобразователи звуковой частоты (в то время называемые повторяющимися катушками) использовались первыми экспериментаторами при разработке телефона. В то время как новые технологии сделали трансформаторы в некоторых электронных устройствах устаревшими, трансформаторы все еще используются во многих электронных устройствах.Трансформаторы необходимы для передачи электроэнергии высокого напряжения, что делает передачу на большие расстояния экономически целесообразной. Это преимущество было основным фактором при выборе передачи энергии переменного тока в «Войне токов» в конце 1880-х годов. [1] Многие другие имеют патенты на трансформаторы.

Основные принципы

Связь по взаимной индукции

Идеальный понижающий трансформатор, показывающий магнитный поток в сердечнике

Принципы работы трансформатора иллюстрируются рассмотрением гипотетического идеального трансформатора, состоящего из двух обмоток с нулевым сопротивлением вокруг сердечника пренебрежимо малого нежелание. [5] Напряжение, приложенное к первичной обмотке, вызывает ток, который развивает магнитодвижущую силу (МДС) в сердечнике. Ток, необходимый для создания MMF, называется током намагничивания; в идеальном трансформаторе он считается незначительным. MMF управляет потоком вокруг магнитной цепи сердечника. [5]

На каждую обмотку наводится электродвижущая сила (ЭДС), эффект, известный как взаимная индуктивность. [6] Обмотки в идеальном трансформаторе не имеют сопротивления, поэтому ЭДС равны по величине измеренным напряжениям на клеммах.В соответствии с законом индукции Фарадея они пропорциональны скорости изменения потока:

vP = NPdΦPdt {\ displaystyle {v_ {P}} = {N_ {P}} {\ frac {d \ Phi _ { P}} {dt}}} и vS = NSdΦSdt {\ displaystyle {v_ {S}} = {N_ {S}} {\ frac {d \ Phi _ {S}} {dt}}}

где:

В идеальном трансформаторе весь поток, создаваемый первичной обмоткой, также связывает вторичную, [7] и, таким образом, ΦP = ΦS {\ displaystyle \ Phi _ {P} = \ Phi _ {S} \,}, от которому следует известное уравнение трансформатора:

vPvS = NPNS {\ displaystyle {\ frac {v_ {P}} {v_ {S}}} = {\ frac {N_ {P}} {N_ {S}} } \, \!}

Соотношение первичного и вторичного напряжения, следовательно, такое же, как отношение количества витков; [5] в качестве альтернативы, что вольты на виток одинаковы в обеих обмотках.

Под нагрузкой

Идеальный трансформатор в качестве элемента схемы

Если сопротивление нагрузки подключено к вторичной обмотке, ток будет течь во вторичной цепи, созданной таким образом. Ток создает MMF по вторичной обмотке в противоположность первичной обмотке, таким образом подавляя поток в сердечнике. [7] Теперь уменьшенный магнитный поток уменьшает первичную ЭДС, заставляя ток в первичной цепи увеличиваться, чтобы точно компенсировать влияние вторичной MMF и возвращать магнитный поток к его прежнему значению. [8] Таким образом, магнитный поток в сердечнике остается неизменным независимо от вторичного тока, если поддерживается первичное напряжение. [7] Таким образом, электрическая энергия, подаваемая в первичный контур, передается во вторичный контур.

Первичный и вторичный MMF отличаются только величиной пренебрежимо малого тока намагничивания и могут быть приравнены, так что: iPNP = iSNS {\ displaystyle {i_ {P}} {N_ {P}} = {i_ {S}} {N_ {S}} \!}, Из которого возникает соотношение тока трансформатора:

iSiP = NPNS {\ displaystyle {\ frac {i_ {S}} {i_ {P}}} = {\ frac {N_ { P}} {N_ {S}}}}

Из рассмотрения соотношений напряжения и тока можно легко показать, что полное сопротивление в одной цепи преобразуется квадратом , отношения витков, [7] вторичный импеданс ZS {\ displaystyle Z_ {S} \!}, таким образом, кажется, что первичная цепь имеет значение ZS (NPNS) 2 {\ displaystyle Z_ {S} \! \ left (\! {\ tfrac {N_ { P}} {N_ {S}}} \! \ Right) ^ {2} \! \!}.

Практические соображения

Утечка потока

Утечка потока в двухобмоточном трансформаторе


Идеальная модель трансформатора предполагает, что весь поток, генерируемый первичной обмоткой, связывает все витки каждой обмотки, включая ее самого. На практике некоторый поток проходит по путям, выводящим его за пределы обмоток. Такой поток называется потоком рассеяния и проявляется как самоиндукция последовательно с взаимно соединенными обмотками трансформатора. [9] Утечка сама по себе не является прямым источником потери мощности, но приводит к ухудшению регулирования напряжения, в результате чего вторичное напряжение не может быть прямо пропорционально первичному, особенно при большой нагрузке. [9] Распределительные трансформаторы обычно имеют очень низкую индуктивность рассеяния.

Однако в некоторых приложениях утечка может быть желательным свойством, и длинные магнитные пути, воздушные зазоры или магнитные байпасные шунты могут быть намеренно введены в конструкцию трансформатора для ограничения подаваемого им тока короткого замыкания. Негерметичные трансформаторы могут использоваться для питания нагрузок с отрицательным сопротивлением, таких как электрические дуги, ртутные лампы и неоновые вывески; или для безопасного обращения с грузами, которые периодически замыкаются накоротко, например, с электродуговыми сварочными аппаратами.Воздушные зазоры также используются для предотвращения насыщения трансформатора, особенно трансформаторов звуковой частоты, в которые добавлен компонент постоянного тока.

Влияние частоты

Член производной по времени в законе Фарадея означает, что поток в сердечнике является интегралом приложенного напряжения. Идеальный трансформатор, по крайней мере, гипотетически, работал бы при возбуждении постоянным током, при этом магнитный поток в сердечнике линейно увеличивался со временем. На практике магнитный поток очень быстро возрастет до точки, где произойдет магнитное насыщение сердечника, и трансформатор перестанет функционировать как таковой.Поэтому все применяемые трансформаторы должны работать в условиях переменного (или импульсного) тока.

Универсальное уравнение ЭДС трансформатора

Если поток в сердечнике синусоидальный, соотношение для любой из обмоток между его действующим значением ЭДС E и частотой питания f , числом витков N , площадью поперечного сечения сердечника a и пиковая плотность магнитного потока B задаются универсальным уравнением ЭДС: [5]

E = 2πfNaB2 = 4.44fNaB {\ displaystyle E = {\ frac {2 \ pi fNaB} {\ sqrt {2}}} \! = 4.44fNaB}

ЭДС трансформатора при данной плотности потока увеличивается с частотой, эффект, обусловленный уравнение ЭДС универсального трансформатора. [5] Работая на более высоких частотах, трансформаторы могут быть физически более компактными, не достигая насыщения, и данный сердечник может передавать больше мощности. Однако эффективность снижается из-за того, что такие свойства, как потери в сердечнике и скин-эффект в проводнике, также увеличиваются с увеличением частоты.В самолетах и ​​военной технике традиционно используются источники питания 400 Гц, поскольку снижение эффективности более чем компенсируется уменьшением веса сердечника и обмотки.

Как правило, работа трансформатора при расчетном напряжении, но с более высокой частотой, чем предполагалось, приведет к уменьшению тока намагничивания. На частоте ниже проектного значения при приложенном номинальном напряжении ток намагничивания может возрасти до чрезмерного уровня. Эксплуатация трансформатора на частоте, отличной от его расчетной, может потребовать оценки напряжений, потерь и охлаждения, чтобы установить, является ли безопасная работа практичной.Например, трансформаторы могут нуждаться в оборудовании реле перенапряжения "вольт на герц" для защиты трансформатора от перенапряжения с частотой выше номинальной.

Потери энергии

Идеальный трансформатор не будет иметь потерь энергии и, следовательно, будет иметь 100-процентный КПД. Несмотря на то, что трансформатор является одним из самых эффективных электрических машин, а экспериментальные модели с использованием сверхпроводящих обмоток достигают КПД 99,85%, энергия [10] рассеивается в обмотках, сердечнике и окружающих конструкциях.Более крупные трансформаторы, как правило, более эффективны, а трансформаторы, рассчитанные на распределение электроэнергии, обычно работают лучше, чем 95 процентов. [11] Небольшой трансформатор, такой как подключаемый «силовой блок», используемый для маломощных [[потребитель электроника]] может быть менее 85 процентов.

Потери в трансформаторе обусловлены несколькими причинами и могут различаться между потерями в обмотках, иногда называемыми потерями в меди , и потерями в магнитной цепи, иногда называемыми потерями в стали , Потери изменяются в зависимости от тока нагрузки, и кроме того, могут быть выражены как потери «без нагрузки», «при полной нагрузке» или при промежуточной нагрузке.Сопротивление обмотки преобладает над потерями нагрузки, тогда как потери на гистерезис и вихревые токи составляют более 99 процентов потерь холостого хода.

Потери в трансформаторе возникают из-за:

Сопротивление обмотки
Ток, протекающий через обмотки, вызывает резистивный нагрев проводников. На более высоких частотах скин-эффект и эффект близости создают дополнительное сопротивление обмотки и потери.
Вихревые токи
Ферромагнитные материалы также являются хорошими проводниками, и твердый сердечник, сделанный из такого материала, также представляет собой один короткозамкнутый виток по всей своей длине.Таким образом, индуцированные вихревые токи циркулируют внутри сердечника в плоскости, перпендикулярной потоку, и ответственны за резистивный нагрев материала сердечника.
Гистерезисные потери
Каждый раз, когда магнитное поле меняется на противоположное, небольшое количество энергии теряется на гистерезис внутри магнитного сердечника, величина которого зависит от конкретного материала сердечника.
Магнитострикция
Магнитный поток в сердечнике заставляет его физически расширяться и немного сжиматься под действием переменного магнитного поля, эффект, известный как магнитострикция.Это производит знакомый жужжащий звук и, в свою очередь, вызывает потери из-за нагрева от трения в чувствительных сердечниках.
Механические потери
В дополнение к магнитострикции переменное магнитное поле вызывает колебания электромагнитных сил между первичной и вторичной обмотками. Они вызывают вибрацию в ближайших металлических конструкциях, усиливают гудение и потребляют небольшое количество энергии.
Паразитные потери
Не все магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой, перехватывается вторичной.Часть потока рассеяния может индуцировать вихревые токи в соседних проводящих объектах, таких как опорная конструкция трансформатора, и преобразовываться в тепло.
Система охлаждения
Силовые трансформаторы большой мощности могут быть оснащены охлаждающими вентиляторами, масляными насосами или теплообменниками с водяным охлаждением, предназначенными для отвода тепла. Мощность, используемая для работы системы охлаждения, обычно считается частью потерь трансформатора.

Эквивалентная схема

Физические ограничения практического трансформатора могут быть сведены воедино в виде модели эквивалентной схемы, построенной на идеальном трансформаторе без потерь. [12] Потери мощности в обмотках зависят от тока и легко представлены в виде последовательных сопротивлений R P и R S . Рассеивание магнитного потока приводит к падению части приложенного напряжения, не влияя на взаимную связь, и, таким образом, может быть смоделировано как самоиндуктивности X P и X S последовательно с идеально связанной областью. Потери в стали вызваны в основном гистерезисом и эффектами вихревых токов в сердечнике и, как правило, пропорциональны квадрату потока сердечника для работы на данной частоте. [13] Поскольку магнитный поток в сердечнике пропорционален приложенному напряжению, потери в стали могут быть представлены сопротивлением R C параллельно с идеальным трансформатором.

Сердечник с конечной магнитной проницаемостью требует тока намагничивания I M для поддержания взаимного потока в сердечнике. Ток намагничивания находится в фазе с потоком; Эффекты насыщения делают отношения между ними нелинейными, но для простоты этот эффект имеет тенденцию игнорироваться в большинстве эквивалентов схем. [13] При синусоидальном питании поток сердечника отстает от наведенной ЭДС на 90 °, и этот эффект можно смоделировать как намагничивающее реактивное сопротивление X M параллельно с составляющей потерь в сердечнике. R C и X M иногда вместе называют намагничивающей ветвью модели. Если вторичная обмотка разомкнута, ток, потребляемый ветвью намагничивания, представляет собой ток холостого хода трансформатора.{2} \! \!}.

Полученную модель иногда называют «точной эквивалентной схемой», хотя она сохраняет ряд приближений, таких как предположение о линейности. [12] Анализ можно упростить, переместив ветвь намагничивания влево от импеданса первичной обмотки, неявно предположив, что ток намагничивания низкий, а затем суммировав первичный и приведенный вторичный импедансы.

Типы и применение трансформаторов

Для определенных инженерных приложений было создано множество специализированных конструкций трансформаторов.Многочисленные области применения трансформаторов позволяют классифицировать их по разным причинам:

  • По уровню мощности : от долей вольт-ампера (ВА) до более тысячи МВА;
  • По диапазону частот : мощность, аудио или радиочастота;
  • По классу напряжения : от нескольких вольт до сотен киловольт;
  • По типу охлаждения : с воздушным, масляным, вентиляторным или водяным охлаждением;
  • По прикладной функции : например, источник питания, согласование импеданса или изоляция цепи;
  • По конечному назначению : распределитель, выпрямитель, дуговая печь, выход усилителя;
  • Соотношение витков обмотки : повышающее, понижающее, изолирующее (почти равное соотношение), переменное.

Конструкция

Сердечники

Трансформатор с ламинированным сердечником, показывающий край пластин в верхней части блока.
Стальные сердечники

Трансформаторы для использования на мощных или звуковых частотах обычно имеют сердечники из высокопроницаемой кремнистой стали. [14] За счет концентрации магнитного потока, большая его часть связывает как первичную, так и вторичную обмотки, и ток намагничивания значительно снижается. Первые разработчики трансформаторов вскоре поняли, что сердечники, построенные из твердого железа, приводят к недопустимым потерям на вихревые токи, и их конструкции смягчали этот эффект с помощью сердечников, состоящих из пучков изолированных железных проводов. [4] Более поздние конструкции сконструировали сердечник путем наложения слоев тонких стальных пластин, принцип, который используется до сих пор. Каждая пластина изолирована от соседей слоем непроводящей краски. Уравнение универсального трансформатора указывает минимальную площадь поперечного сечения сердечника, чтобы избежать насыщения.

Эффект расслоения заключается в ограничении вихревых токов высокоэллиптическими путями, которые ограничивают небольшой поток, и, таким образом, уменьшают их величину. Более тонкие листы уменьшают потери, [14] , но их строительство более трудоемко и дорого. [15] Тонкие пластинки обычно используются в высокочастотных трансформаторах, а некоторые типы очень тонких стальных пластин могут работать на частотах до 10 кГц.

Конструкция сердечника E-I, обмотки опущены.

Одна общая конструкция ламинированного сердечника состоит из чередующихся стопок стальных листов Е-образной формы, покрытых I-образными деталями, что привело к его названию «трансформатор E-I». [15] Резаный сердечник или С-образный сердечник получают путем наматывания стальной полосы вокруг прямоугольной формы с последующим соединением слоев вместе.Затем его разрезают на две части, образуя две С-образные формы, и сердцевину собирают, связывая две С-половинки вместе стальной лентой. [15] Их преимущество в том, что поток всегда направлен параллельно металлическим зернам, что снижает сопротивление.

Остаточная намагниченность стального сердечника означает, что он сохраняет статическое магнитное поле при отключении питания. Когда затем снова подается питание, остаточное поле вызовет высокий пусковой ток до тех пор, пока эффект остаточного магнетизма не уменьшится, обычно после нескольких циклов приложенного переменного тока.Устройства защиты от сверхтоков, такие как предохранители, должны быть выбраны так, чтобы обеспечить прохождение этого безопасного броска тока. На трансформаторах, подключенных к длинным воздушным линиям электропередачи, индуцированные токи из-за геомагнитных возмущений во время солнечных бурь могут вызвать насыщение сердечника и ложное срабатывание устройств защиты трансформатора.

Распределительные трансформаторы могут обеспечить низкие потери без нагрузки за счет использования сердечников, сделанных из кремнистой стали с низкими потерями и высокой проницаемостью, и аморфной (некристаллической) стали, так называемого «металлического стекла».«Высокая начальная стоимость материала сердечника компенсируется в течение срока службы трансформатора более низкими потерями при небольшой нагрузке.

Твердые сердечники

Сердечники из порошкового железа используются в схемах (например, импульсных источниках питания), которые работают выше частоты сети и до нескольких десятков килогерц. Эти материалы сочетают высокую магнитную проницаемость с высоким объемным удельным сопротивлением. Для частот, выходящих за пределы диапазона ОВЧ, распространены сердечники, изготовленные из непроводящих магнитных керамических материалов, называемых ферритами. [15] Некоторые радиочастотные трансформаторы также имеют подвижные сердечники (иногда называемые «заглушками»), которые позволяют регулировать коэффициент связи (и полосу пропускания) настроенных радиочастотных цепей.

Воздушные сердечники

В высокочастотных трансформаторах также могут использоваться воздушные сердечники. Это устраняет потери из-за гистерезиса в материале сердечника. Такие трансформаторы поддерживают высокую эффективность связи (низкие потери поля рассеяния) за счет перекрытия первичной и вторичной обмоток.

Сердечники тороидальные
Трансформаторы разные.Верхний правый тороидальный. Внизу справа - источник питания от настенных бородавок на 12 В переменного тока.

Тороидальные трансформаторы построены вокруг кольцевого сердечника, который изготовлен из длинной полосы кремнистой стали или пермаллоя, намотанной в катушку, из порошкового железа или феррита, в зависимости от рабочей частоты. Ленточная конструкция обеспечивает оптимальное выравнивание границ зерен, повышая эффективность трансформатора за счет уменьшения сопротивления сердечника. Форма замкнутого кольца устраняет воздушные зазоры, присущие конструкции сердечника E-I.Поперечное сечение кольца обычно квадратное или прямоугольное, но доступны и более дорогие сердечники с круглым поперечным сечением. Первичная и вторичная обмотки часто наматываются концентрически, чтобы покрыть всю поверхность сердечника. Это сводит к минимуму необходимую длину провода, а также обеспечивает экранирование, чтобы минимизировать магнитное поле сердечника от создания электромагнитных помех.

Ферритовые тороидальные сердечники используются на более высоких частотах, обычно от нескольких десятков килогерц до мегагерц, для уменьшения потерь, физических размеров и веса импульсных источников питания.

Тороидальные трансформаторы более эффективны, чем более дешевые ламинированные E-I типы аналогичного уровня мощности. Другие преимущества по сравнению с типами EI включают меньший размер (около половины), меньший вес (около половины), меньший механический гул (что делает их лучше в усилителях звука), более низкое внешнее магнитное поле (около одной десятой), низкие потери без нагрузки. (что делает их более эффективными в резервных цепях), монтаж на одном болте и больший выбор форм. Этот последний пункт означает, что для заданной выходной мощности может быть выбран широкий плоский тороид или высокий узкий тороид с одинаковыми электрическими свойствами, в зависимости от доступного пространства.Основные недостатки - более высокая стоимость и ограниченный размер.

Недостатком конструкции тороидального трансформатора является более высокая стоимость обмоток. Как следствие, редко встречаются тороидальные трансформаторы мощностью выше нескольких кВА. Небольшие распределительные трансформаторы могут достичь некоторых преимуществ тороидального сердечника, разделив его и заставив открыть, а затем вставив катушку, содержащую первичную и вторичную обмотки.

При установке тороидального трансформатора важно избегать непреднамеренного короткого замыкания сердечника.Это может произойти, если стальной крепежный болт в середине сердечника коснется металлоконструкций с обоих концов, образуя петлю из проводящего материала, которая проходит через отверстие в тороиде. Такая петля может привести к протеканию в болте опасно большого тока.

Обмотки

Обозначения цепей
Трансформатор с двумя обмотками и железным сердечником.
Понижающий или повышающий трансформатор.Символ показывает, у какой обмотки больше витков, но обычно не указывает точное соотношение.
Трансформатор с тремя обмотками. Точки показывают относительную конфигурацию обмоток.
Трансформатор с электростатическим экраном, предотвращающим емкостную связь между обмотками.

Проводящий материал, используемый для обмоток, зависит от области применения, но во всех случаях отдельные витки должны быть электрически изолированы друг от друга и от других обмоток. [16] Для малых силовых и сигнальных трансформаторов катушки часто наматываются из эмалированной магнитной проволоки, такой как проволока Formvar. Большие силовые трансформаторы, работающие при высоком напряжении, могут быть намотаны проволочными, медными или алюминиевыми прямоугольными проводниками, изолированными пропитанной маслом бумагой. [17] Ленточные проводники используются для очень сильных токов. Высокочастотные трансформаторы, работающие на частотах от десятков до сотен килогерц, будут иметь обмотки из литцовой проволоки, чтобы минимизировать потери на скин-эффект в проводниках. [16] В больших силовых трансформаторах также используются многожильные проводники, поскольку даже на низких частотах мощности в противном случае в сильноточных обмотках могло бы существовать неравномерное распределение тока. [17] Каждая жила изолирована индивидуально, и жилы расположены так, что в определенных точках обмотки или по всей обмотке каждая часть занимает разные относительные положения в проводнике в целом. Это перемещение выравнивает ток, протекающий в каждой жилке проводника, и снижает потери на вихревые токи в самой обмотке.Многожильный провод также более гибкий, чем сплошной провод аналогичного размера, что облегчает производство. [17]

Для сигнальных трансформаторов обмотки могут быть расположены таким образом, чтобы минимизировать индуктивность рассеяния и паразитную емкость для улучшения высокочастотной характеристики. Это можно сделать, разделив каждую катушку на секции, и эти секции будут размещены слоями между секциями другой обмотки. Это известно как многослойная обмотка или перемежающаяся обмотка.

Как первичная, так и вторичная обмотки силовых трансформаторов могут иметь внешние соединения, называемые ответвлениями, с промежуточными точками на обмотке, чтобы обеспечить возможность выбора соотношения напряжений.Отводы могут быть подключены к автоматическому переключателю ответвлений под нагрузкой для регулирования напряжения в распределительных цепях. Преобразователи звуковой частоты, используемые для передачи звука на громкоговорители громкоговорителей, имеют ответвители, позволяющие регулировать импеданс каждого динамика. Трансформатор с центральным отводом часто используется в выходном каскаде усилителя мощности звука в двухтактной схеме. Трансформаторы модуляции в передатчиках AM очень похожи.

Изоляция обмотки

Витки обмоток должны быть изолированы друг от друга, чтобы ток проходил по всей обмотке.Разность потенциалов между соседними витками обычно невелика, поэтому для трансформаторов малой мощности может хватить эмалевой изоляции. Дополнительная листовая или ленточная изоляция обычно используется между слоями обмотки в более крупных трансформаторах.

Трансформатор также можно погружать в трансформаторное масло, которое обеспечивает дополнительную изоляцию. Хотя масло в основном используется для охлаждения трансформатора, оно также помогает уменьшить образование коронного разряда внутри высоковольтных трансформаторов. При охлаждении обмоток изоляция не так легко разрушается из-за тепла.Чтобы предотвратить ухудшение изоляционных свойств трансформаторного масла, корпус трансформатора полностью герметичен от проникновения влаги. Таким образом, масло служит как охлаждающей средой для отвода тепла от сердечника и змеевика, так и частью системы изоляции.

Обмотки некоторых силовых трансформаторов защищены эпоксидной смолой. Пропитывая трансформатор эпоксидной смолой в вакууме, воздушные пространства внутри обмоток заменяются эпоксидной смолой, тем самым герметизируя обмотки и помогая предотвратить возможное образование короны и поглощение грязи или воды.Таким образом производятся трансформаторы, подходящие для влажной или грязной среды, но с повышенными производственными затратами.

Базовый уровень импульсной изоляции (BIL)

Наружные электрические распределительные системы подвержены ударам молнии. Даже если молния ударяет в линию на некотором расстоянии от трансформатора, скачки напряжения могут распространяться по линии и попадать в трансформатор. Выключатели высокого напряжения и автоматические выключатели также могут создавать аналогичные скачки напряжения при размыкании и замыкании. Оба типа скачков имеют крутые волновые фронты и могут нанести серьезный ущерб электрическому оборудованию.Чтобы свести к минимуму влияние этих скачков, электрическая система защищена осветительными разрядниками, но они не полностью исключают попадание скачка на трансформатор. Базовый уровень импульса (BIL) трансформатора измеряет его способность выдерживать эти скачки. Все трансформаторы на 600 В и ниже рассчитаны на 10 кВ BIL. Трансформаторы на 2400 и 4160 вольт рассчитаны на 25 кВ BIL.

Экранирование

Если трансформаторы предназначены для минимальной электростатической связи между первичной и вторичной цепями, электростатический экран может быть помещен между обмотками для уменьшения емкости между первичной и вторичной обмотками.Экран может быть однослойной металлической фольгой, изолированной там, где он перекрывается, чтобы предотвратить его действие как закороченный виток, или однослойной обмоткой между первичной и вторичной обмотками. Экран подключен к заземлению.

Трансформаторы также могут быть заключены в магнитные экраны, электростатические экраны или и то, и другое, чтобы предотвратить влияние внешних помех на работу трансформатора или предотвратить влияние трансформатора на работу близлежащих устройств, которые могут быть чувствительны к полям рассеяния, таким как ЭЛТ. .

Охлаждающая жидкость

Сухой трехфазный трансформатор со снятой крышкой; номинальная мощность около 200 кВА, 480 В.

Малосигнальные трансформаторы не выделяют значительного количества тепла. Силовые трансформаторы мощностью до нескольких киловатт используют естественное конвективное воздушное охлаждение. Особые меры должны быть предусмотрены для охлаждения трансформаторов большой мощности. Трансформаторы, работающие с большей мощностью или имеющие большой рабочий цикл, могут охлаждаться вентилятором.

Некоторые сухие трансформаторы заключены в герметичные резервуары и охлаждаются азотом или газообразным гексафторидом серы.

Обмотки мощных или высоковольтных трансформаторов погружены в трансформаторное масло - минеральное масло высокой степени очистки, устойчивое при высоких температурах. В больших трансформаторах, используемых в помещении, должна использоваться негорючая жидкость. Раньше использовался полихлорированный бифенил (ПХБ), поскольку он не представлял опасности возгорания в силовых трансформаторах внутри помещений и очень стабилен. Из-за стабильности и токсического воздействия побочных продуктов ПХБ, а также их накопления в окружающей среде, это больше не допускается в новом оборудовании.Старые трансформаторы, которые все еще содержат ПХБ, следует еженедельно проверять на предмет утечек. В случае обнаружения утечки ее следует заменить и профессионально обеззаразить или утилизировать экологически безопасным способом. Сегодня можно использовать нетоксичные, стабильные масла на основе силикона или фторированные углеводороды, если стоимость огнестойкой жидкости компенсирует дополнительные затраты на строительство хранилища трансформатора. Могут использоваться и другие менее воспламеняющиеся жидкости, такие как масло канолы, но все огнестойкие жидкости имеют некоторые недостатки в производительности, стоимости или токсичности по сравнению с минеральным маслом.

Масло охлаждает трансформатор и обеспечивает часть электрической изоляции между внутренними частями, находящимися под напряжением. Он должен быть стабильным при высоких температурах, чтобы небольшое короткое замыкание или дуга не привели к пробою или возгоранию. Бак, заполненный маслом, может иметь радиаторы, через которые масло циркулирует за счет естественной конвекции. Очень большие или мощные трансформаторы (мощностью в миллионы ватт) могут иметь охлаждающие вентиляторы, масляные насосы и даже масляные теплообменники. Масляные трансформаторы подвергаются длительным процессам сушки с использованием парофазной теплопередачи, электрического самонагрева, создания вакуума или их комбинации, чтобы гарантировать полное отсутствие водяного пара в трансформаторе перед подачей охлаждающего масла.Это помогает предотвратить электрический пробой под нагрузкой.

Масляные силовые трансформаторы могут быть оснащены реле Бухгольца, которые являются устройствами безопасности, которые обнаруживают скопление газа внутри трансформатора (побочный эффект электрической дуги внутри обмоток) и, таким образом, отключают трансформатор.

Экспериментальные силовые трансформаторы в диапазоне 2 МВА были построены со сверхпроводящими обмотками, которые исключают потери в меди, но не потери в стали сердечника. Они охлаждаются жидким азотом или гелием.

Клеммы

Очень маленькие трансформаторы будут иметь провода, подключенные непосредственно к концам катушек и выведенные к основанию блока для подключения цепей. Более крупные трансформаторы могут иметь тяжелые болтовые клеммы, шины или высоковольтные изолированные вводы из полимеров или фарфора. Большой ввод может иметь сложную конструкцию, поскольку он должен обеспечивать электрическую изоляцию, не допуская утечки масла из трансформатора.

Корпус

Небольшие трансформаторы часто не имеют корпуса.Трансформаторы могут иметь защитный кожух, как описано выше. Более крупные блоки могут быть закрыты для предотвращения контакта с токоведущими частями и для содержания охлаждающей среды (масла или сжатого газа).

См. Также

Примечания

  1. 1.0 1.1 1.2 1.3 J.W. Колтман, «Трансформатор» Scientific American 1 (январь 1988 г.): 86-95
  2. ↑ Уильям Фланаган. 1993. Справочник по проектированию и применению трансформаторов. (Нью-Йорк, Нью-Йорк: Макгроу-Хилл.ISBN 0070212910).
  3. ↑ ENERGIE. Возможности энергосбережения в ЕС за счет использования энергоэффективных распределительных трансформаторов 1999 г. [1]. Проверено 25 июня 2007 г.
  4. 4,0 4,1 4,2 D.J. Аллан, «Силовые трансформаторы - второй век» Power Engineering Journal IEE (1991)
  5. 5,0 5,1 5,2 5,3 5,4 M.G. Сказать. 1983. Машины переменного тока, 5-е изд.(Лондон, Великобритания: Pitman), 13-14.
  6. ↑ Нейв, C.R. HyperPhysics Государственный университет Джорджии, 2005; Проверено 25 июня 2007 г.
  7. 7,0 7,1 7,2 7,3 Уильям Фланаган. 1993. Справочник по проектированию и применению трансформаторов. (Нью-Йорк, Нью-Йорк: Макгроу-Хилл), 2
  8. ↑ Джон Хиндмарш. 1977. Электрические машины и их применение, 4-е изд. (Эксетер, Великобритания: Пергаммон), 142-143.
  9. 9,0 9.1 Питер Макларен. 1984. Элементарная электроэнергетика и машины. (Западный Суссекс, Великобритания: Эллис Хорвуд), 68-74
  10. ↑ H. Riemersma, et al. 1981. Применение сверхпроводящей технологии в силовых трансформаторах. Транзакции IEEE в силовых аппаратах и ​​системах PAS-100 (7): 3398-3407 [2] дата обращения 25 июня 2007 г.
  11. ↑ T. Kubo, H. Sachs, S. Nadel. 2001. Возможности внедрения новых стандартов эффективности бытовой техники и оборудования. Американский совет по энергоэффективной экономике [3], 39.дата обращения 25 июня 2007 г.
  12. 12,0 12,1 12,2 A.R. Дэниелс, 1985. Введение в электрические машины. (Лондон, Великобритания: Macmillan. ISBN 0333196279)
  13. 13,0 13,1 M.G. Сказать. 1983. Машины переменного тока, 5-е изд. . (Лондон, Великобритания: Pitman), 142-143.
  14. 14,0 14,1 Джон Хиндмарш. 1977. Электрические машины и их применение. (Сент-Луис, Миссури: Пергамон.ISBN 0080305733), 29-31.
  15. 15,0 15,1 15,2 15,3 Полковник Уильям Маклайман. 2004. Справочник по проектированию трансформаторов и индукторов. (Уорминстер, Пенсильвания: CRC. ISBN 0824753933), 3.9–3.14.
  16. 16,0 16,1 Ллойд Диксон, Вихретоковые потери в обмотках трансформатора и проводке. Техасские инструменты . Проверено 25 июня 2007 года.
  17. 17,0 17,1 17,2 Центральное электрическое генерирующее управление.1982. Практика современной электростанции. (Сент-Луис, Миссури: Пергамон. ISBN 0080164366).

Список литературы

  • Центральное электрическое генерирующее управление, 1982. Практика современной электростанции. Оксфорд, Великобритания: Пергамон. ISBN 0080164366.
  • Daniels, A.R. 1985. Введение в электрические машины | издатель. Саут-Ярра, Виктория, Австралия: Макмиллан. ISBN 0333196279.
  • Fitzgerald, A. 1983. Electric Machinery, 4-е изд.Колумбус, Огайо: Макгроу-Хилл. ISBN 0070211450.
  • Фланаган, Уильям. 1993. Справочник по проектированию и применению трансформаторов. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. ISBN 0070212910.
  • Heathcote, MJ. 1998. J&P Transformer Book, , 12-е изд. Оксфод, Великобритания: Newnes. ISBN 0750611588.
  • Хиндмарш, Дж. 1984. Электрические машины и их приложения, 4-е изд. Оксфорд, Великобритания: Пергамон. ISBN 0080305725.
  • Макларен, Питер. 1984. Элементарная электроэнергетика и машины. Западный Сассекс, Великобритания: Эллис Хорвуд. ISBN 047020057X.
  • Маклайман, полковник Уильям. 2004. Справочник по проектированию трансформаторов и индукторов. Уорминстер, Пенсильвания: CRC. ISBN 0824753933.
  • Нил, Дж. П. 1960. Основы электротехники. Колумбус, Огайо: Макгроу-Хилл. ASIN B000BSOZ66. (Раздел 7-9 о взаимной индуктивности, 301).
  • Say, M.G. 1983. Машины переменного тока, 5-е изд. Лондон, Великобритания: Питман. ISBN 0273019694.
  • Шеперд, Мортон Дж. И А.Х Спенс. 1970. Высшая электротехника. Nominet, Великобритания: Pitman Publishing. ISBN 0273400258.

Внешние ссылки

Все ссылки получены 25 марта 2020 г.

Кредиты

Энциклопедия Нового Света Писатели и редакторы переписали и завершили статью Википедия в соответствии со стандартами New World Encyclopedia . Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства.Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников Энциклопедии Нового Света, участников, так и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних вкладов википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в Энциклопедию Нового Света :

Примечание. могут применяться ограничения на использование отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

Трансформатор - его работа, конструкция, типы и применение

Они являются неотъемлемой частью электрической системы, и их применение можно наблюдать практически во всех областях электротехники, от систем электроснабжения до обычных бытовых приборов.

С развитием источников питания переменного тока возникла потребность в трансформаторах. Раньше передача электроэнергии постоянного тока приводила к большим потерям и низкой эффективности.

Однако, увеличив напряжение передачи с помощью трансформатора, эта проблема была решена.Повышение напряжения сопровождается уменьшением тока, чтобы поддерживать постоянную мощность в трансформаторе.

А поскольку потери мощности прямо пропорциональны квадрату тока, это приводит к уменьшению тока в 10 раз, следовательно, к снижению потерь в 100 раз. Действительно, без трансформаторов мы не смогли бы использовать электрические власть в том виде, в котором мы ее используем сейчас.

Вот почему мы генерируем электроэнергию при напряжении от 11 до 25 кВ, а затем повышаем его до 132 220 или 500 кВ для передачи с минимальными потерями, а затем мы понижаем напряжение для безопасного использования в жилых и коммерческих помещениях.

Строительство трансформатора

Трансформатор состоит в основном из сердечника, обмоток и бака, однако в некоторых трансформаторах также присутствуют проходные изоляторы, сапуны, радиаторы и расширители.

Сердечник: Сердечник трансформатора изготовлен из мягкого железа или кремнистой стали, что обеспечивает путь с низким сопротивлением (силовые линии магнитного поля могут легко проходить через них).

Сердечники трансформатора ламинированы для уменьшения потерь на вихревые токи, обычно 2 пластин.Толщиной от 5 мм до 5 мм и изолированы друг от друга и обмоток покрытием из оксида, фосфата или лака. Ядро состоит из пластин различной формы, таких как E, L, I, C и U.

В трансформаторах оболочечного типа сердечник окружает или покрывает обмотки, как оболочка.

В трансформаторах с сердечником обмотки намотаны вокруг двух концов или прямоугольников сердечника.

Обмотки:

Однофазный двухобмоточный трансформатор обычно имеет 2 обмотки, первичная и вторичная обмотки, которые сделаны из высококачественной многожильной меди.Обмотки намотаны на сердечник и полностью не имеют электрического контакта друг с другом.

Их также можно назвать обмотками высокого и низкого напряжения соответственно, причем обмотка высокого напряжения имеет большую изоляцию, чем обмотка низкого напряжения.

Принцип работы:

Основной принцип работы трансформатора - это работа взаимной индукции между первичной и вторичной обмотками, которые связаны общим магнитным потоком через сердечник трансформатора.Сердечник обеспечивает путь для прохождения магнитного потока с низким сопротивлением.

Трансформатор имеет первичную и вторичную обмотки, как описано выше. Обмотка, подключенная к источнику, может рассматриваться как первичная обмотка, а ток, который она проводит, может иметь собственное магнитное поле.

Это магнитное поле создается поперек сердечника и меняет направление из-за переменных токов, и теперь согласно закону электромагнитной индукции Фарадея:

Скорость изменения магнитной связи во времени прямо пропорциональна ЭДС, индуцированной в проводнике или катушке

Это изменение магнитного поля индуцирует на вторичной обмотке напряжение, пропорциональное количеству витков на обмотках.Это можно понять с помощью следующего уравнения:

Коэффициент трансформации трансформатора:

Обе обмотки трансформатора, т.е. первичный и вторичный имеют определенное количество витков. Отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки известно как отношение витков.

Где:

N P = Количество витков первичной обмотки

N S = витки вторичной обмотки

Идеальный трансформатор:

Идеальный трансформатор - это трансформатор, который дает выходную мощность, точно равную входной мощности.Это означает, что у него нет никаких потерь.

Идеальных трансформаторов не существует, и они используются только для упрощения расчетов трансформаторов. Их соотношение напряжений можно смоделировать с помощью этих простых уравнений:

Где:

В P = Напряжение первичной стороны

В S = Напряжение вторичной стороны

А мощность определяется по:

и

или

Где:

Другими словами, идеальный трансформатор будет иметь 100% КПД без потерь мощности.

Можно предположить, что идеальный трансформатор будет иметь нулевое сопротивление обмотки, поток утечки и потери в меди или сердечнике.

Схема эквивалента идеального трансформатора:

Эквивалентная схема идеального трансформатора не будет моделировать какое-либо сопротивление или какое-либо реактивное сопротивление, потому что все типы имеющихся потерь считаются несуществующими. Итак, мы получаем очень упрощенную принципиальную схему.

Чем идеальный трансформатор отличается от настоящего трансформатора?

На самом деле у нас есть трансформаторы, которые состоят из некоторых потерь мощности; следовательно, выходная мощность никогда не равна входной мощности трансформатора.

Настоящие трансформаторы будут иметь некоторое значение сопротивления обмотки, будут иметь поток утечки, а также будут иметь потери в меди и сердечнике, которые мы обсудим ниже.

Ток намагничивания:

Это ток, необходимый для создания магнитного потока в сердечнике трансформатора (или его намагничивания).

Можно заметить, что когда на трансформатор подается переменный ток при размыкании цепи во вторичной обмотке, небольшой ток по-прежнему будет течь через первичную обмотку.

Этот ток состоит из тока намагничивания (i m ) и тока потерь в сердечнике (i h + e ).

Некоторые важные моменты относительно тока намагничивания:

  1. Он не является чисто синусоидальным и будет иметь более высокочастотные компоненты, когда ядро ​​начнет насыщаться.
  2. Когда сердечник достигает максимального магнитного потока, для небольшого увеличения притока потребуется очень высокий ток намагничивания.

Ток потерь в сердечнике компенсирует гистерезис и потери на вихревые токи в сердечнике.

Сумма тока намагничивания и тока потерь в сердечнике называется током возбуждения трансформатора.

Потери:

Трансформатор является статическим устройством и не имеет вращающейся части, поэтому у него нет вращательных потерь. Однако он имеет следующие электрические потери:

  1. Потери в сердечнике или железе
  2. Потери меди

Потери в сердечнике:

Потери в сердечнике называются потерями в стали, потому что они связаны или являются следствием стального сердечника трансформатора.

Их можно разбить на 2 части.

  1. Гистерезис потери
  2. Потери на вихревые токи

Гистерезис потери:

Можно считать, что любой ферромагнитный материал имеет множество небольших магнитных доменов (маленьких постоянных магнитов), которые указывают в случайных направлениях. Когда к железу прикладывается внешнее магнитное поле, эти домены выстраиваются в направлении поля.

Однако, когда переменный ток меняет свое направление, магнитное поле также меняет свое направление, и магнитные домены также должны менять свое направление в соответствии с магнитным полем.

Некоторые магнитные домены выровняются, но некоторым потребуется дополнительная энергия для их выравнивания. Эта энергия, необходимая для переориентации магнитных доменов во время каждого цикла переменного тока, известна как потеря гистерезиса.

Потери на вихревых токах:

Переменный поток в сердечнике трансформатора соединяется со вторичными обмотками и наводит на них напряжение согласно закону Фарадея.

Также вероятно, что этот переменный поток будет связываться с другими проводящими частями трансформатора, такими как железный сердечник и железный кожух или корпус.

Этот переменный поток затем будет индуцировать локализованные напряжения в этих частях, что затем приведет к возникновению вихрей тока, протекающих внутри них. Эти токи известны как вихревые токи.

Эти токи вызывают потери энергии из-за удельного сопротивления сердечника или проводящей части, на которой они возникают, следовательно, энергия рассеивается в виде тепла.

Гистерезисные потери и потери на вихревые токи приводят к нагреву сердечника трансформатора.

Потери меди:

Первичная и вторичная обмотки трансформатора всегда будут иметь некоторое собственное сопротивление, и прохождение тока через это сопротивление всегда будет приводить к потерям энергии.

Поскольку обмотки сделаны из меди, потери энергии или тепла в них известны как потери в меди.

Потери меди можно определить по:

Итак, чем больше величина тока, тем больше будут потери в меди. Вот почему эти потери также известны как переменные потери, поскольку они зависят от нагрузки.

Реактивное сопротивление утечки:

Первичная и вторичная обмотки создают свой собственный поток, который связан друг с другом, это называется взаимным потоком.

Однако не весь магнитный поток между первичной и вторичной обмотками связан.

Некоторый поток, создаваемый первичной обмоткой, не будет связан с вторичной обмоткой, в то время как некоторое количество потока, создаваемого вторичной обмоткой, не будет связываться с первичной обмоткой.

Этот поток, который соединяется только с одной из обмоток вместо соединения с обеими, известен как поток утечки.

Обмотки являются индуктивными по своей природе, этот поток рассеяния будет создавать в обмотках самореактивное сопротивление или импеданс, который известен как реактивное сопротивление рассеяния.

Это реактивное сопротивление утечки вызовет падение напряжения в первичной и вторичной обмотках.

Схема эквивалента трансформатора

:

Эквивалентная схема трансформатора - это упрощенное представление трансформатора, состоящего из сопротивлений и реактивных сопротивлений.

Эквивалентная схема помогает нам в выполнении расчетов трансформатора, поскольку теперь анализ базовой схемы может быть применен к трансформатору.

Резистор R

P и резистор R S :

Эти резисторы моделируют резистивные потери в меди в трансформаторе, и их легко представить.

X M :

Как мы уже упоминали ранее, ток возбуждения или ток холостого хода равен сумме тока намагничивания и тока потерь в сердечнике.

Таким образом, ток намагничивания можно смоделировать реактивным сопротивлением X M , подключенным к первичному источнику напряжения.

R C :

Потери в сердечнике, состоящие из потерь на вихревые токи и гистерезисных потерь, можно смоделировать с помощью сопротивления R C , подключенного к первичному источнику напряжения

Xm и Rc известны как ветви возбуждения.

X P и X S :

X p - реактивное сопротивление утечки на первичной обмотке, а X S - реактивное сопротивление утечки на вторичной обмотке.

Для первичной и вторичной сторон:

Приведенная выше эквивалентная схема является точным представлением трансформатора. Однако для решения практических схем трансформатора необходимо преобразовать всю схему на единый уровень напряжения.

Это делается путем привязки цепи к ее первичной или вторичной стороне.

На первичную сторону:

Чтобы отнести или преобразовать схему к первичной стороне, мы сначала находим значение константы «а».

Где a = N p N s

Теперь, когда мы нашли «a», мы можем преобразовать сопротивление вторичной стороны Rs и реактивное сопротивление Xs в первичную сторону, умножив их оба на 2 .

R S ' = R S x a 2

X S ' = X S x a 2

Вторичное напряжение Vs умножается на «a», а вторичный ток Is делится на «a».

На вторичную сторону:

Учитывая значение константы «a», мы делим значения сопротивления первичной стороны и реактивного сопротивления на 2 .

То же самое будет сделано для X M и R C .

R P ' = R P a 2

X P ' = X P a 2

R C ' = R C a 2

X M ' = X M a 2

Первичный ток умножается на «а», а первичное напряжение делится на «а».

После того, как мы отнесли наши значения к одной конкретной стороне, первичной или вторичной, мы можем переместить ветвь возбуждения на передний план и последовательно сложить сопротивления и реактивные сопротивления, как показано на принципиальных схемах.

Эффективность:

КПД трансформатора - это отношение выходной мощности трансформатора к входной мощности.

Выдается

η = P ВЫХ P ВЫХ + P ПОТЕРЯ X 100%

Где:

Так как выходная мощность всегда будет меньше входной, КПД трансформатора всегда будет в пределах 0–100%, в то время как идеальный трансформатор будет иметь КПД 100%.

Чтобы рассчитать КПД трансформатора по эквивалентной схеме, мы просто добавляем потери в меди и потери в сердечнике к уравнению КПД, чтобы получить следующее уравнение:

η = P ВЫХ P ВЫХ + P cu + P сердечник X 100%

Регулировка напряжения:

Также важно знать, что, поскольку трансформатор имеет последовательное сопротивление внутри, на нем также будут падать напряжения.Это приведет к изменению выходного напряжения с изменяющейся нагрузкой, даже если входное напряжение остается постоянным.

Величина, которая сравнивает выходное напряжение без нагрузки с выходным напряжением при полной нагрузке, называется регулированием напряжения.

Его можно рассчитать по следующей формуле:

VR = V S.NL - V S.FL V S.FL X 100%

Где:

В С.NL = Выходное напряжение без нагрузки

В S.FL = Выходное напряжение при полной нагрузке

Следует отметить, что идеальный трансформатор будет иметь регулировку напряжения 0%.

Типы трансформаторов и их применение

Привет! По соответствующей теме мы ранее писали в блоге о типах трансформаторов. Если это вас заинтересует, ознакомьтесь с ним и дайте нам знать, что вы думаете

Повышающий трансформатор:

Эти трансформаторы увеличивают нижний уровень напряжения на первичной стороне до более высокого значения на вторичной стороне.В этом случае вторичная обмотка имеет большее количество витков, чем первичная.

Они в основном используются на генерирующих станциях, где генерируемое напряжение около 11 кВ повышается до 132 кВ или более для передачи.

Понижающий трансформатор:

Понижающие трансформаторы понижают высокое напряжение на первичной стороне до более низкого значения на вторичной стороне. В этом случае первичная обмотка имеет большее количество витков.

Понижающие трансформаторы используются на сетевых станциях для снижения высоких напряжений передачи до подходящего более низкого значения для распределения и использования. Их также можно найти на наших зарядных устройствах для мобильных устройств.

Другие типы включают силовые трансформаторы, распределительные трансформаторы, трансформаторы с сердечником, одно- и трехфазные трансформаторы, внутренние и внешние трансформаторы. Вы можете проверить наш предыдущий блог, посвященный типам трансформаторов и их применению.

Ограничения трансформатора:

Здесь также важно отметить, что трансформатор будет работать только от переменного тока.Это связано с тем, что постоянный ток (DC) будет создавать постоянное магнитное поле вместо изменяющегося магнитного поля, и, следовательно, во вторичной обмотке не будет индуцироваться ЭДС.

На этом мы завершаем нашу тему о трансформаторах. Мы надеемся, что этот блог был полезен и дал вам ценную информацию по этой теме. Не стесняйтесь предлагать или задавать любые вопросы, которые могут у вас возникнуть, в разделе комментариев ниже. Спасибо.

Трансформатор

- обзор | Темы ScienceDirect

3 Силовые трансформаторы

Силовой трансформатор используется на подстанции для повышения или понижения входящего и выходящего напряжения.Трансформаторы на распределительных подстанциях всегда понижают входящие напряжения передачи до более низких напряжений, используемых на уровне распределения. Линии распределения отходят от подстанций напряжением 4–25 кВ. Затем мощность передается на распределительный трансформатор, где напряжение дополнительно понижается до напряжения использования, которое находится в диапазоне от 110 до 480 В для прямого использования потребителем.

Когда трансформатор был изобретен Уильямом Стэнли в 1886 году, первые ограничения на диапазон и уровни мощности энергосистем были сняты.В системе постоянного тока, разработанной Томасом Эдисоном, передаваемая мощность требовала исключительно высоких уровней тока из-за низкого напряжения. Эти высокие уровни тока вызвали большие падения напряжения и потери мощности в линиях передачи. Использование трансформаторов значительно снизило падение напряжения и потери мощности. Основная предпосылка идеального трансформатора заключается в том, что при повышении напряжения в системе уровни тока пропорционально уменьшаются для поддержания постоянной выходной мощности.

Трансформатор обычно изготавливается одним из двух способов.На рис. 5 показаны следующие основные конфигурации:

Рис. 5. Однофазные трансформаторы: (A) с сердечником и (B) с корпусом.

Тип сердечника: Состоит из простой прямоугольной многослойной стальной пластины с обмоткой трансформатора, намотанной с обеих сторон. Обмотка, подключенная к источнику, называется первичной обмоткой, а то, что связано с импедансом или нагрузкой, называется вторичной обмоткой.

Тип оболочки: Этот тип конструкции состоит из сердечника с тремя ножками, обмотки которого намотаны вокруг центральной ножки.

В обоих типах трансформаторов сердечник состоит из тонких пластин, электрически изолированных друг от друга, чтобы минимизировать вихревые токи или те токи, которые циркулируют в материале сердечника и вызывают тепловые потери.

Трансформатор работает по принципу магнитной индукции. Изменяющееся во времени напряжение, В p , которое прикладывается к входной (первичной) стороне, создает изменяющийся во времени поток в сердечнике. Этот изменяющийся поток соединяется со вторичной обмоткой и индуцирует вторичное напряжение В s пропорционально соотношению обмоток.Соотношение между напряжениями на обеих сторонах идеального трансформатора определяется следующим образом:

Vp / Vs = Np / Ns,

, где N p и N s - это количество витков первичной обмотки. и вторичные обмотки соответственно. Соотношение между током, протекающим с обеих сторон идеального трансформатора, определяется выражением

NpIp = NsIs,

, где I p и I s - первичный и вторичный токи соответственно.Если трансформатор без потерь, то входная мощность равна выходной мощности, а напряжения и токи связаны соотношением Vp / Vs = Is / Ip. Таким образом, когда напряжение увеличивается от вторичного к первичному, ток уменьшается; следовательно, ток ниже при более высоких напряжениях.

В современных энергосистемах трансформаторы можно найти повсюду. Трансформаторы имеют множество названий в зависимости от цели, для которой они используются в энергосистеме. Трансформатор, подключенный к выходу генератора и используемый для повышения его напряжения до уровня передачи, называется единичным трансформатором.Трансформаторы, которые понижают уровни напряжения передачи до уровней распределения, известны как трансформаторы подстанции. Наконец, трансформаторы, которые понижают напряжение на уровне распределения до уровня напряжения, доступного для потребителей, известны как распределительные трансформаторы.

Трансформаторы обычно размещаются в различных местах. Многие трансформаторы представляют собой воздушные трансформаторы, подвешенные на столбах с прямым доступом к проводам. Подземные трансформаторы обычно помещаются в подземные хранилища, чтобы защитить их от доступа общественности и нарушений окружающей среды.Наиболее распространенный тип трансформатора - это трансформатор, устанавливаемый на площадку, который обычно устанавливается на бетонную площадку на уровне земли. Подушечки для крепления предназначены для контакта с населением и поэтому должны соответствовать строгим стандартам Американского национального института стандартов (ANSI). Последний тип трансформатора - это внутренний трансформатор, который предназначен для размещения в здании, обычно на уровне земли. Из-за опасений по поводу масла, используемого в качестве охлаждающей жидкости, большинство внутренних трансформаторов охлаждаются менее воспламеняющимся хладагентом, таким как газ, и часто называются трансформаторами сухого типа.

Уникальный набор трансформаторов - это трансформаторы с переключением под нагрузкой (ULTC). Поскольку напряжение вдоль распределительной линии обычно уменьшается с увеличением нагрузки, потребляемой потребителями, желательно регулировать величину напряжения на подстанции. Самый экономичный метод регулирования напряжения - с помощью трансформатора ULTC. Трансформатор ULTC имеет несколько настроек отвода, которые позволяют регулировать количество вторичных обмоток в зависимости от желаемого уровня напряжения.При изменении соотношения первичной и вторичной обмоток соотношение напряжений на первичной и вторичной обмотках также изменяется. Это изменение настройки отвода позволяет изменять вторичное напряжение в ответ на изменения нагрузки. Эти ответвители полностью автоматические и работают в зависимости от напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

CORE - Корпорация трансформаторов Вирджинии и Джорджии

Сердечник - это часть трансформатора, в которой колеблется магнитное поле. Он изготовлен из высококачественной сверхориентированной стали с небольшим содержанием силикона.Это необходимо для минимизации потерь энергии, которые приводят к нагреву. Стальная сердцевина прокатывается на тонкие листы размером до 20, каждая сторона покрыта изоляционным материалом, цель этих тонких листов - еще больше минимизировать потери.
Для силовых трансформаторов листы укладываются вместе со скошенными стыками, варьируя ширину стальных пластин в опоре скошенного сердечника, можно приблизительно получить круглое поперечное сечение.
Процесс включает в себя оборудование для резки и штабелирования стержней для создания стержневой рамы.Автоматические станки для нарезки сердечников стали стандартом для сердечников силовых трансформаторов. Укладка сердечника требует особой осторожности и точности. Следует быть осторожным с:

+ зазор на ступеньках внахлест должен быть небольшим, менее 2мм.

+ Устранение заусенцев, тонкой стальной резьбы, которая отрывается в масле и позже вызывает частичный разряд.

+ Контроль прямоугольности и перпендикулярности магнитопровода.

Это некоторые из немногих вещей, за которыми необходимо внимательно следить, чтобы не допустить возникновения этих проблем.Таким образом, штабелирование вручную является обычной практикой в ​​отрасли, громоздко, требует много времени и подвержено ошибкам в случае конструкции с большим силовым трансформатором.

В GTC мы используем самую современную установку для вырезания стержней Astronics. Автоматизированное оборудование Astronics для резки сердечника позволяет точно разрезать сердечник трансформатора с одним и несколькими ножками.
В комплекте с корончатым резаком находится автоматизированный E-укладчик. E-штабелеукладчик укладывает стальной сердечник в окончательное положение по мере резки, что практически исключает человеческие ошибки и снижает потери при одновременном повышении надежности.На других заводах VTC для трансформаторов средней мощности используется другой вариант штабелирования сердечников.

В VTC используется лазерная измерительная система для измерения заусенцев. Лазерная головка устанавливается на измерительном столе, и головка перемещается по ламинированной стали, которая находится под лазерным лучом. Система сканирует на наличие заусенцев и измеряет с заданной скоростью.

Преимущества

  • Калибровка не требуется для каждого измерения - данные вводятся в систему один раз для сравнения приемлемой стальной кромки с плохой стальной кромкой с заусенцами.
  • Точное измерение - меньше человеческого вмешательства в измерение
  • Инструмент может обеспечить наименьшее количество отсчетов, до 0,1 мил - увеличенный градиент обнаружения заусенцев
  • Формирует отчеты в формате Excel; отчеты могут быть сохранены для каждого задания для записей. Отчеты также можно использовать для отслеживания заусенцев и принятия профилактических мер, побуждающих к профилактическому обслуживанию станка в отношении смены инструмента с накопленными данными.

Надежное размагничивание сердечников трансформатора

Всякий раз, когда силовой или распределительный трансформатор изолирован от энергосистемы, вероятно, что остаточный магнетизм остается в сердечнике из-за фазового сдвига.Однако остаточный магнетизм также возникает при проведении испытаний сопротивления обмотки. Поскольку производители используют эти измерения в своих текущих испытаниях, а эти испытания обычно проводятся для оценки состояния на месте, на трансформаторы может регулярно влиять эффект остаточного магнетизма.

Остаточный магнетизм приводит к высоким пусковым токам, которые создают большую и ненужную нагрузку на трансформатор. Остаточный магнетизм также влияет на большое количество диагностических измерений.Поэтому получить достоверную оценку состояния трансформаторов сложно.

Поэтому рекомендуется размагнитить трансформатор перед его повторным включением или выполнением диагностических измерений. В течение последних нескольких лет были запущены первые испытательные устройства, позволяющие на практике размагничивать трансформаторы на месте.

Влияние остаточного магнетизма на пусковой ток

При повторном включении трансформатора возникает пусковой ток, который может значительно превышать номинальный ток.Если сердечник трансформатора все еще содержит остаточный магнетизм, первый пиковый ток может даже достигнуть уровня тока короткого замыкания. Эти высокие токи могут вызывать нежелательные эффекты, такие как механическая деформация обмоток, неправильное срабатывание защитного оборудования, повышенная нагрузка на установку и провалы напряжения в сети. Только омические компоненты, такие как сопротивление обмотки, способны ослабить высокие пусковые токи до стабильного уровня всего за несколько циклов (рис.1).

Рис.1: Снижение пускового тока с течением времени

Самый высокий пусковой ток возникает, когда напряжение прикладывается около точки пересечения нуля и полярность напряжения прикладывается в том же направлении, что и остаточный магнетизм в сердечнике или соответствующем плече (Рис. 2, [Формулы 1-3]) . Если сердечник достигает насыщения, индуктивность трансформатора значительно уменьшается. Теперь ток ограничивается только сопротивлением обмотки на стороне высокого напряжения и импедансом подключенной линии передачи.

Влияние остаточного магнетизма на рутинные и диагностические электрические измерения

Остаточный магнетизм может достигать 90% от плотности магнитного потока (B) во время работы. В случае неисправности или во время стандартных испытаний для анализа состояния трансформатора могут использоваться различные методы электрической диагностики. Остаточный магнетизм влияет на некоторые диагностические измерения таким образом, что надежный и содержательный анализ становится практически невозможным.

В частности, при выполнении измерений тока возбуждения, теста магнитного баланса или анализа частотной характеристики развертки для локализации неисправностей в сердечнике остаточный магнетизм может иметь такой отрицательный эффект, что результаты становятся неразрешимыми.

Рис.2: Влияние остаточного магнетизма на пусковой ток

Влияние на измерения тока возбуждения

Измерение тока возбуждения может предоставить свидетельство потенциальных неисправностей в сердечнике.Неисправности в сердечнике приводят к увеличению возбуждающего тока. Если доступны эталонные значения тока возбуждения, их можно использовать для оценки. Поскольку токи возбуждения не имеют линейного поведения по отношению к приложенному напряжению, измерения для сравнения с эталонными значениями должны выполняться при том же напряжении. Оценка выполняется на основе типовой схемы трех- или пятиконечного трансформатора или на основе эталонных измерений, если они доступны. Величина тока намагничивания зависит от длины намагниченного пути.Это практически идентично для обмоток на внешних конечностях, но ниже для обмоток на средней конечности (рис. 3). Если есть, например, остаточный магнетизм на средней конечности, это может легко привести к неправильной интерпретации, и надежный диагноз станет невозможным (рис. 4).

Рис.3: Ток намагничивания размагниченного трансформатора Рис.4: Ток намагничивания при намагничивании средней конечности

Влияние на тест магнитного баланса

Тест магнитного баланса, т.е.е. испытание магнитного потока целесообразно в качестве обычного испытания электрического поля и в качестве дополнительного метода диагностики при подозрении на неисправность в активной зоне. При испытании магнитного баланса переменное напряжение подается на обмотку, а наведенное напряжение измеряется на двух других фазах.

Это должно привести к типичной картине: если, например, напряжение 100 В приложено к обмотке на средней конечности, измеренные напряжения на других обмотках должны каждая отображать значение приблизительно 50 В.Это можно объяснить наличием двух магнитных путей одинаковой длины. Когда напряжение подается на одну из обмоток на внешних ветвях, это приводит к другой схеме, поскольку магнитные пути имеют разную длину. Если записанный рисунок отклоняется от ожидаемого рисунка, это может указывать либо на проблемы в сердечнике, либо может быть связано с нежелательными эффектами остаточного магнетизма.

Влияние на измерения при анализе частотной характеристики развертки

Анализ частотной характеристики развертки (SFRA или FRA) использует анализ частотной характеристики для описания динамических характеристик колебательной сети на основе ее входных и выходных сигналов.Метод измерения SFRA описан в стандартах IEC 60076-18 и IEEE C57.149-2012 и становится все более популярным в качестве диагностического метода.

Трансформатор отражает такую ​​колебательную систему, состоящую из различных последовательных и параллельных резонансов с соответствующими индуктивностями (L), емкостями (C) и сопротивлениями (R). Когда один параметр изменяется, например, основная индуктивность из-за проблемы с сердечником или геометрического сдвига обмотки, одна или несколько характеристических точек резонанса также смещаются или смещаются.

Каждая электрическая сеть имеет уникальную частотную характеристику, так называемый отпечаток пальца. Интерпретация измерения SFRA основана на сравнении измерений, например, с исходным отпечатком пальца или с другими преобразователями того же типа. График отпечатка пальца не должен меняться на протяжении всего жизненного цикла трансформатора. Поэтому следует избегать всех влияний, которые могут повлиять на измерения SFRA, так как они могут привести к неправильной интерпретации полученных результатов испытаний.

Поскольку остаточный магнетизм влияет на частотную характеристику, особенно на более низких частотах, где индуктивность намагничивания преобладает над характеристикой, очень важно убедиться, что трансформатор был размагничен перед выполнением измерения. Между тем, из-за этого ярко выраженного и хорошо изученного влияния на более низких частотах измерение SFRA эффективно для проверки остаточного магнетизма.

Измерение SFRA отражает основную индуктивность через первые точки резонанса.На рис. 5 показаны типичные точки резонанса основной индуктивности трехполюсного трансформатора. На внешних обмотках четко видны две значимые точки параллельного и последовательного резонанса. Это можно приписать двум магнитным путям разной длины. По сравнению с этим обмотка на средней конечности имеет только одну характерную одиночную резонансную точку.

Рис.5: Типичные точки резонанса главной индуктивности трехлепесткового трансформатора

Как ранее объяснялось для пускового тока, индуктивность изменяется в зависимости от степени намагничивания сердечника, при этом L demag > L mag .Точка резонанса состоит из сети емкостей и индуктивностей и может быть описана формулой 4. Чем ниже становится индуктивность, отраженная состоянием более высокого остаточного магнетизма, тем больше точки резонанса перемещаются в сторону более высоких частот.

Методы размагничивания

Для размагничивания магнитных материалов доступны три следующих метода:

1. Размагничивание посредством вибрации

2. Размагничивание нагревом до температуры Кюри

3.Электрическое размагничивание.

Поскольку первые два метода нельзя использовать для трансформатора, единственным вариантом становится электрический метод. Производители могут подавать на трансформаторы номинальное напряжение при номинальной частоте. Постепенно уменьшая напряжение, сердечник постепенно размагничивается (рис. 6). Для размагничивания сердечников трансформатора на месте часто можно использовать только сигналы пониженного напряжения и частоты. Во многих случаях нет регулируемого источника напряжения, который может обеспечить номинальное напряжение трансформатора, вместо этого можно использовать только однофазный источник.

Рис.6: Размагничивание с помощью синусоидального сигнала

Размагничивание однофазных и трехфазных трансформаторов можно производить аналогичным образом. При работе с трехфазным трансформатором важно учитывать, что между фазами имеет место магнитная связь. Поэтому фаза или лимб, используемые во время процедуры размагничивания, чрезвычайно важны и выбираются сознательно. Также имеет смысл использовать сторону высокого напряжения для размагничивания, поскольку с этой обмоткой связано больше витков для генерации магнитного потока.Следовательно, общее время размагничивания может быть сокращено. Эксперименты показали, что для размагничивания однофазным источником наиболее подходит средняя конечность. Таким образом, поток распределяется симметрично по двум внешним конечностям. Чтобы определить, какая обмотка связана со средней ветвью в обмотке треугольником, требуется векторная группа трансформатора.

Искусство точного размагничивания

Существуют различные подходы к электрическому размагничиванию.Одним из них является снижение напряжения соотв. время с заданными шагами. В зависимости от типа и размера небольшие распределительные трансформаторы или большие силовые трансформаторы могут иметь очень разные параметры гистерезиса. Недостатком этого подхода является то, что требуется много времени, чтобы гарантировать, что оба типа трансформаторов могут быть надежно размагничены с использованием одной и той же процедуры.

Чтобы противодействовать этой проблеме, ток может быть дополнительно активирован во время выполнения теста, чтобы запустить следующий цикл гистерезиса.Однако, поскольку ток намагничивания увеличивается очень быстро, когда сердечник трансформатора достигает насыщения, этот процесс является довольно неточным. Различные эксперименты показали, что, в частности, небольшие трансформаторы повторно намагничиваются в последнем цикле, что в свою очередь приводит к высоким пусковым токам.

Размагничивание на основе измерения магнитного потока зарекомендовало себя как самый безопасный и эффективный подход, поскольку он надежно работает как с маленькими, так и с большими трансформаторами. Однако этот подход предъявляет очень строгие требования к измерению используемого оборудования, поскольку напряжение необходимо постоянно измерять с течением времени, и интеграл должен быть получен из этого [Формула 5].Важно избегать «вторичного гистерезиса» во время размагничивания. Возникающий остаточный магнетизм может привести к кажущемуся размагничиванию.

Методика измерения размагничивания

Поскольку напряжение и, следовательно, магнитный поток основной индуктивности L H нельзя измерить напрямую, это напряжение необходимо рассчитать (Рис. 7, [Формула 6]). Следовательно, сопротивление обмотки R необходимо измерить заранее, а затем вычесть падение напряжения на сопротивлении обмотки из измеренного напряжения.Формула 7 показывает расчет магнитного потока на основную индуктивность. Таким образом, ф R (0) представляет собой начальный поток, который соответствует остаточному магнетизму.

Рис.7: Упрощенная эквивалентная электрическая схема для процедуры измерения

Испытательная установка для размагничивания с помощью испытательного решения OMICRON очень проста: фактически пользователям требуются только коммутационный блок CP SB1 и испытательный прибор CPC 100. Благодаря распределительной коробке отпадает необходимость в повторном подключении после измерения коэффициента трансформации трансформатора или сопротивления обмотки.После ввода векторной группы трансформатора и тестового тока в тестовую карту «Demag» CPC 100 инициирует процедуру, и остаточный магнетизм снижается практически до нуля.

Сердечник может быть насыщен в обоих направлениях с помощью CPC 100. Затем определяются конкретные параметры гистерезиса для каждого трансформатора и рассчитывается начальный магнитный поток. Затем на основе этих параметров используется итерационный алгоритм для изменения как напряжения, так и частоты. При этом CPC 100 постоянно измеряет поток ф в активной зоне.С помощью нескольких итераций сердечник размагничивается до уровня ниже 1% от его максимального значения. После процедуры размагничивания несколько магнитных доменов возвращаются к своей предпочтительной ориентации. Эта процедура также называется магнитной вязкостью. Эффект может быть определен при повторном размагничивании, хотя на самом деле он незначителен и поэтому не очень важен на практике.

Таким образом, CPC 100 представляет собой практичное и надежное решение для быстрого размагничивания небольших распределительных трансформаторов, а также больших силовых трансформаторов.Вместе с программным обеспечением Primary Test Manager и Switchbox испытание может быть выполнено наиболее удобно.

Пример на базе трансформатора 350 МВА

Испытан силовой трансформатор мощностью 350 МВА-YNyn0 1971 года выпуска на 400/30 кВ.

Для проверки состояния, измерения SFRA проводились с помощью OMICRON FRAnalyzer. Состояние трансформатора регистрировалось сразу после вывода его из эксплуатации с помощью начального измерения SFRA.Впоследствии было проведено измерение сопротивления обмотки постоянного тока на фазе B (которая была намотана на средний конец сердечника), а затем было проведено еще одно измерение SFRA. Наконец, трансформатор был размагничен с использованием ранее описанного метода, а затем проверен путем выполнения окончательного измерения SFRA.

Результаты после процедуры размагничивания показаны в Таблице 1:

Таблица 1: Результаты после размагничивания трансформатора 350 кВ

Таблица 1: Результаты после размагничивания трансформатора 350 кВ

При сравнении результатов SFRA для отдельных фаз становится очевидным, что трансформатор показывает остаточный магнетизм после отключения от энергосистемы (рис.8). После процедуры размагничивания все точки резонанса сместились в сторону более низких частот, как и ожидалось, и можно увидеть типичную картину SFRA трехконечного трансформатора. Таким образом, трансформатор можно рассматривать как размагниченный.

Фаза А Фаза B Фаза C

Рис. 8: Фазовое сравнение результатов SFRA с различными условиями остаточной намагниченности

Заключение

В этой статье подчеркивается важность и влияние остаточного магнетизма.Это также должно повысить осведомленность о связанных рисках, связанных с повторным включением трансформаторов после отключения электроэнергии.

В течение последних нескольких лет были разработаны первые испытательные устройства (такие как OMICRON CPC 100), которые позволяют надежно размагничивать трансформаторы на месте без каких-либо дополнительных усилий. Размагниченные сердечники трансформатора сводят к минимуму риск для персонала и оборудования во время установки. Метод измерения SFRA теперь описан в стандартах IEC 60076-18 и IEEE C57.149-2012 и становится все более популярным в качестве диагностического метода.Чтобы получить надежные и воспроизводимые результаты измерений, мы рекомендуем размагнитить сердечник трансформатора перед выполнением измерений SFRA.

Используя испытательный прибор OMICRON CPC 100 вместе с Primary Test Manager и коммутатором CP SB1, испытательная установка для размагничивания проста и не требует повторного подключения. Остаточный магнетизм трансформаторов может быть автоматически уменьшен почти до нуля. Это противодействует воздействию высоких пусковых токов и повышает надежность диагностических испытаний.

Литература:

[1] «О беззвучном переходном процессе на трансформаторах»
(Н. Кьеза, А. Авендано, Х. К. Хойдален, Б. А. Морк, Д. Ищенко, А. П. Кунце)

[2] "Исследование поведения уровня остаточной намагниченности защитных трансформаторов тока"

(Дж. Дикерт, Р. Люксенбургер, П. Шегнер)

[3] «Снижение пусковых токов в сетевых трансформаторах за счет уменьшения остаточного потока с помощью сверхнизкочастотной мощности»

(Барис Кован, Франсиско де Леон, Дариуш Чарковски, Живан Забар и Лео Биренбаум)

[4] «Измерение остаточного потока и мгновенное определение оптимального напряжения силового трансформатора»

(Горан Петрович, Томислав Килич, Станко Милун)

Формулы:

Трансформатор с ламинированным сердечником - почему сердечник трансформатора ламинированный?

Все вы знаете, что трансформатор имеет ламинированный сердечник , и кто-то может подумать, не будет ли проще использовать компактный железный блок.

Если вы ищете объяснение для этой цели, вы не найдете его легко, поэтому мы постараемся как можно проще проиллюстрировать причину, по которой невозможно использовать твердый железный сердечник вместо ламинированного сердечника.

При вставке твердого железного сердечника в трансформатор, когда он подвергается воздействию переменного магнитного поля, внутри него проходят паразитные токи (вихревые токи), которые нагревают его.

На самом деле происходит такая же ситуация, как если бы мы обернули большую петлю вокруг сердечника трансформатора и замкнули два конца вместе.

Трансформатор с ламинированным сердечником

Чтобы нейтрализовать эти вихревые токи, необходимо разделить сердечник на очень тонкие листы, изолировав их от других с помощью слоя лака или оксида таким образом, чтобы даже если один превышает другой, вихревые токи в листе никогда не могут быть закорочены токами соседних листов.

ArnoldReinhold на en.wikipedia / CC BY-SA

В настоящее время на рынке представлены стандартные листы 0.50 мм, а толщина только «особого» типа - 0,35 мм.

Очевидно, что трансформаторы с толщиной 0,35 мм имеют более высокие характеристики, потому что потери, вызванные рассеянием и вихревыми токами, ниже

Ламинирование сердечника - Трансформатор с ламинированным сердечником

Автор Svjo - Собственная работа, CC BY- SA 3.0, Link

Мы должны отметить, что вихревые токи и гистерезисные потери значительно увеличиваются с увеличением рабочей частоты, тогда ламинированные сердечники можно использовать только на низких частотах, максимум до 20 000–30 000 Гц.

Для работы на частотах от 10 000 до 100 000 Гц удобно использовать ферритовые сердечники, состоящие из микроскопических зерен железа, соединенных специальными клеями, изолирующими их друг от друга.

Чем легче сердечник, тем меньше в его теле порошка железа, тем выше будет его рабочая частота.

Очень тяжелые ферритовые сердечники способны работать на максимальной частоте 2 МГц, самые легкие - до 20/50 МГц, а очень легкие - даже на частотах выше 100 МГц.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *