Для чего нужен сердечник в трансформаторе: Магнитопровод трансформатора. Устройство и виды сердечников трансформаторов

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 сердечника

Ток (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.

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

магнитопровода трансформаторов зачем они нужны

магнитопровода трансформаторов зачем они нужны

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

магнитопровод сетевого трансформатора Ш-образная пластина

магнитопровод сетевого трансформатора Ш-образная пластина

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

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

как работает сетевой трансформатор

как работает сетевой трансформатор

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

активное, реактивное, удельное сопротивление

активное, реактивное, удельное сопротивление

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

ферритовый сердечник импульсного трансформатора

ферритовый сердечник импульсного трансформатора

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

тороидальный сетевой трансформатор на тороидальном сердечнике

тороидальный сетевой трансформатор на тороидальном сердечнике

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

ферритовый сердечник из магнитной антенны радиоприемника

ферритовый сердечник из магнитной антенны радиоприемника

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

Из чего сделать сердечник для трансформатора

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

Что понадобится для сборки?

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

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

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

Для изготовления трансформатора своими руками вам понадобятся:

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

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

Расчеты

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Таблица: выбор сечения, в зависимости от протекающего тока

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

Сборка повышающего трансформатора

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

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

Для сборки вам потребуется выполнить такую последовательность действий:

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

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

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

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

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

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

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

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

Сборка понижающего трансформатора

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

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

Процесс изготовления заключается в следующем:

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

Испытание

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

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

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

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

Что такое магнитопровод трансформатора и зачем он нужен?

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

Виды сердечников трансформатора

Сердечники по строению разделяют на:

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

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

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

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

Как сократить потери в магнитопроводе трансформатора?

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

На потери из-за перемагничивания влияет:

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

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

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

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

Производители собирают пластины двумя способами:

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

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

О компании

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

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

Почему нужно использовать текстолит

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

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

Особенности

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

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

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

Дополнительные требования

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

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

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

Разметка

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

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

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

Как сделать вручную

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

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

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

Выбор класса

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

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

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

Расчет при помощи программ

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

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

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

Вырезание

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

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

Сборка

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

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

Окончательная подготовка

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

Намотка провода и установка клемм

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

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

Изготовление каркаса катушек с использованием деревянной модели

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

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

Как можно отремонтировать щечки

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

Почему сердечник трансформатора собирают из отдельных пластин: нюансы

Автор otransformatore На чтение 4 мин Опубликовано 27.12.2018

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

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

Характеристики сердечника: теория

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

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

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

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

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

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

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

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

Практика

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

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

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

Если бы использовался сплошной кусок металла, то:

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

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

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

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

Что такое трансформатор. Окончание | Компьютер и жизнь

Приветствую, друзья!

Продолжаем знакомство с «кирпичиками» электроники.

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

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

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

Сначала о том, какие бывают

Сердечники трансформаторов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Однако изготовить трансформатор на таком сердечнике сложнее.

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

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

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

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

Где применяются трансформаторы в компьютерах и периферии?

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

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

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

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

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

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

Автотрансформаторы

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

А что будет, если соединить обмотки? Получим автотрансформатор!

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

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

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

Уже интересно, правда?

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

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

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

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

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

Перегрев трансформатора

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

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

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

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

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

Как проверить трансформатор

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

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

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

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

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

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

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

Вторичная выполнена из толстой медной шины и имеет один виток.

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

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

Можно еще почитать

Что такое биполярный транзистор, и как его проверить.

Что такое полевой транзистор, и как его проверить.

Ответы на вопросы о трансформаторах.

За время работы нашей компании, а это, на минуточку, более 15 лет, нами был накоплен ценный опыт, который помогает в решении повседневных сложных задач наших заказчиков, и которым мы бы хотели поделиться с пользователями нашего сайта. Благодаря рубрике «Вопрос-ответ» мы производим обратную связь с нашими клиентами, и некоторые вопросы нам показались интересными. Одни вопросы задают очень часто, другие – не очень, однако, в любом случае, мы приняли решение осветить в данной статье те моменты, которые, безусловно, являются очень важными в процессе повседневной эксплуатации трансформаторов.

Итак, начнем с вопросов, которые являются ключевыми. На эти вопросы мы отвечали не раз, однако, они по-прежнему волнуют многих наших посетителей:

— На каком принципе основывается работа трансформатора?

Ответ: В основе принципа действия любого трансформатора лежит явление электромагнитной индукции. Т.е. явлении, связанном с возникновением электрического тока в замкнутом контуре трансформатора.

 

— Что такое анцапфа?

Ответ: Анцапфа – это, так называемый, переключатель ПБВ (сокр., переключение без возбуждения). В силовом трансформаторе такой переключатель устанавливается со стороны высшего напряжения (ВН) и предназначается, в первую очередь, для изменения коэффициента трансформации. При изменениях высшего напряжения в пределах +- 10% от номинального значения, анцапфа позволяет поддерживать напряжение на вторичной обмотке постоянным. Переключение положения ПБВ (анцапфы) необходимо производить только при отключенном трансформаторе (снимая напряжение на стороне ВН).

 

— Почему сердечник трансформатора изготавливают из нескольких изолированных пластин, а не из цельного куска стали?

Ответ: Сердечник трансформатора изготавливается с использованием изолированных пластин для уменьшения или практически полного исключения потерь, вызываемых протеканием вихревых токов. Таким образом, благодаря сердечнику из изолированных пластин, общая сумма потерь, будет в разы ниже, чем потери при использовании цельного сердечника. Стоит отметить, что сердечник может быть изготовлен цельным, однако, обязательным условием является высокое удельное сопротивление материала (это могут быть, например, ферритовые сплавы).

 

— Зачем пластины сердечника трансформатора стягиваются шпильками?

Ответ: Сделано это для того, чтобы обеспечить максимально плотное прилегание изолированных пластин друг к другу, а также, чтобы сделать пакет пластин сердечника прочным и достаточно устойчивым к механическим повреждениям.

 

— Что такое холостой ход трансформатора? Как трансформатор работает в этом режиме?

Ответ: Режим холостого хода трансформатора — это такой режим работы трансформатора, при котором одна из его обмоток запитана от источника переменного тока (напряжения) (линия электропередач), а цепи остальных обмоток разомкнуты. В реальности, такой режим работы встречается у трансформатора, в случае, когда он подключен к сети, а нагрузка, запитываемая от его вторичной обмотки, ещё не подключена.

За время ведения рубрики «Вопрос-ответ» нам не раз приходилось вникать в тонкости частных проблем, возникающих у пользователей. Часто, вопросы задают студенты, или просто люди сомневающиеся, как, например, в следующих вопросах:

— Что происходит на вторичных обмотках трансформатора в случае понижения напряжения на первичной обмотке трансформатора?

Ответ: Напряжение на вторичных обмотках трансформатора снижается строго пропорционально коэффициенту трансформации.

 

— Мы имеем в собственности шесть смежных земельных участков без электричества, однако, рядом проходит ЛЭП на 380В. Для целей электропитания будущих строений, мы собираемся приобрести понижающий трансформатор. Пожалуйста, подскажите какой выбрать?

Ответ: Для начала, необходимо определить планируемую суммарную мощность потребления. Здесь, следует учесть возможность увеличения количества потребителей (и соответственно увеличения потребления). Затем присылайте заявку нам, а мы, по Вашим данным, подберем подходящий вариант понижающего трансформатора.

 

Нам также задают вопросы, которые косвенно касаются выбора трансформатора. Можно назвать их «вопросы от любознательных». И хотя информацию по таким вопросам, часто, можно найти в открытом доступе, мы охотно идем навстречу:

— От чего зависит межповерочный интервал трансформаторов тока?

Ответ: Сроки межповерочных интервалов трансформаторов устанавливаются, непосредственно, заводом-изготовителем, исходя из характеристик данной конкретной модели трансформатора. Как правило, межповерочный интервал трансформатора составляет 4 года.

 

— Что означают обозначения обмоток защиты 5Р и 10Р на трансформаторе?

Ответ: Обозначения 5Р и 10Р применяются для отображения погрешности релейной защиты в 5% и 10% соответственно.

 

— Трансформатор тока и трансформатор оперативного тока – в чем разница?

Ответ: Главное отличие состоит в назначении этих трансформаторов. Трансформаторы тока предназначаются для преобразования тока до таких значений, которые были бы удобны для измерения, а, следовательно, используются для подключения различного измерительного оборудования. Трансформатор оперативного тока предназначается для питания различных цепей управления оборудованием (реле, приводы, и т.п.), автоматики, а также сигнализации и защиты.

 

— Чем отличаются трансформаторы с изолированной нейтралью и глухо заземленной нейтралью?

Ответ: В цепях трансформаторов с глухозаземленной нейтралью, вторичную обмотку соединяют по схеме «звезда с нулевым выводом», и поэтому такой трансформатор имеет 4 вывода. Один из выводов – нулевой. При этом, он соединен с контуром заземления. В цепях трансформаторов с изолированной нейтралью, используют схему соединения вторичной обмотки — «звезда», выводов при этом получается 3. Трансформаторы с глухозаземленной нейтралью, при обрыве одной из фаз – безопаснее, а с изолированной – не прекращают подачу электроэнергии.

Как используются сердечники трансформаторов в мире

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

Определение сердечников трансформатора и типов сердечников трансформатора

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

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

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

Трансформаторы и определенные типы трансформаторов

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

• Понижающий трансформатор : Понижающий трансформатор преобразует более высокое напряжение в более низкое напряжение на вторичном выходе.Количество обмоток на вторичной стороне больше, чем на первичной. Эти типы трансформаторов в основном используются в электронике; это требование к силовой части любого электрооборудования.
• Повышающий трансформатор : Логически повышающий трансформатор является противоположностью понижающего трансформатора. Они увеличивают низкое первичное напряжение до высокого вторичного напряжения. Повышающие трансформаторы также могут использоваться в электронике, включая стабилизаторы и инверторы.Повышающие трансформаторы также используются при распределении электроэнергии, часто «повышая» напряжение в энергосистеме перед распределением.

• Изолированный трансформатор : Изолированный трансформатор не преобразует уровни напряжения, а уровни напряжения на первичной и вторичной сторонах остаются неизменными. Это изолирующий барьер, где проводимость происходит только с магнитным потоком, как правило, в целях безопасности и для предотвращения передачи шума от первичной обмотки к вторичной или наоборот.

Типы материалов магнитных сердечников для трансформаторов

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

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

• Твердый железный сердечник : Эти сердечники обеспечивают магнитный поток, который помогает сохранять 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. Эти ферритовые керамические магнитопроводы используются в высокочастотных приложениях. Керамические материалы служат в качестве эффективных изоляторов и помогают уменьшить вихревые токи.
• Ламинированные магнитные сердечники : Эти сердечники состоят из тонких листов железа, покрытых изолирующим слоем, предотвращающим появление вихревых токов.
• Сердечник из карбонильного железа s: Эти магнитные сердечники изготовлены из порошкового карбонильного железа и обеспечивают стабильную работу в широком диапазоне магнитного потока и температур. Сердечники из порошка карбонильного железа представляют собой небольшие железные сферы, покрытые тонким изолирующим слоем. Эти сердечники помогают уменьшить влияние вихревых токов при высоких температурах.
• Кремниевая сталь : Кремниевая сталь имеет высокое электрическое сопротивление. Сердечник из кремнистой стали обеспечивает стабильную работу в течение многих лет и обеспечивает высокую плотность потока насыщения.

Преобразование энергии, электрические сети и сердечники трансформаторов

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

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

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

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

Конструкция трансформатора

и конструкция сердечника трансформатора

Эта магнитная цепь, более известная как «сердечник трансформатора», предназначена для того, чтобы обеспечить проход для магнитного поля, которое необходимо для индукции напряжения между двумя обмотками.

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

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

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

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

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

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

Конструкция сердечника трансформатора

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

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

Конструкция сердечника трансформатора

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

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

Сердечники трансформатора

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

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

Ламинирование трансформатора

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

Типы сердечников трансформатора

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

Пластины сердечника трансформатора обычно укладываются друг на друга поочередно, чтобы получился стык внахлест, при этом добавляются дополнительные пары пластин, чтобы получить сердечник нужной толщины. Такое чередование слоев пластин также дает трансформатору преимущество в виде уменьшения утечки магнитного потока и потерь в стали.Конструкция многослойного трансформатора с сердечником E-I в основном используется в изолирующих трансформаторах, повышающих и понижающих трансформаторах, а также в автотрансформаторах.

Обмотки трансформатора

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

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

Конструкция сердечника

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

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

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

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

Спиральные обмотки , также известные как винтовые обмотки, являются еще одним очень распространенным устройством цилиндрической катушки, используемым в низковольтных силовых трансформаторах.Обмотки состоят из прямоугольных проводников с большим поперечным сечением, намотанных сбоку, с изолированными жилами, намотанными параллельно, непрерывно по длине цилиндра, с соответствующими прокладками, вставленными между соседними витками или дисками, чтобы минимизировать циркулирующие токи между параллельными жилами. Змеевик продвигается наружу по спирали, напоминающей спираль штопора.

Сердечник трансформатора

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

В трансформаторах большей мощности и распределительных трансформаторов проводники изолированы друг от друга с помощью пропитанной маслом бумаги или ткани. Весь сердечник и обмотки погружены и запечатаны в защитном баке, содержащем трансформаторное масло. Трансформаторное масло действует как изолятор, а также как хладагент.

Трансформатор с ориентацией точек

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

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

Конструкция трансформатора с точечной ориентацией

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

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

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

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

Изменение первичного ответвления трансформатора

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

Потери в сердечнике трансформатора

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

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

Гистерезис потерь

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

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

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

Вихретоковые потери

С другой стороны, потери на вихревые токи трансформатора

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

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

Ламинирование железного сердечника

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

Пластины, используемые в конструкции трансформатора, представляют собой очень тонкие полосы изолированного металла, соединенные вместе для получения твердого, но многослойного сердечника, как мы видели выше. Эти листы изолированы друг от друга слоем лака или бумаги для увеличения эффективного удельного сопротивления сердечника, тем самым увеличивая общее сопротивление для ограничения протекания вихревых токов.

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

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

Потери меди

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

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

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

Тогда мы можем определить идеальный трансформатор как имеющий:

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

В следующем уроке о трансформатора мы рассмотрим нагрузку трансформатора вторичной обмотки по отношению к электрической нагрузке и увидим влияние подключенного трансформатора «без нагрузки» и «под нагрузкой» на ток первичной обмотки.

Оборудование для испытаний трансформаторов | Сердечник трансформатора

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

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

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

Диагностика сердечника

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

Важнейшие вещи, которые вы должны знать

Сердечник трансформатора всегда создает путь в каналы сердечника навстречу магнитному потоку. Правильное использование высокопроницаемого материала помогает достичь очень низкого сопротивления, чтобы оставаться в сердечнике на пути магнитного потока. Обычно он состоит из нескольких тонких листов электротехнической стали, известных как ламинированные листы.

Благодаря очень тонкому слою изоляционных покрытий они по существу изолированы друг от друга, что очень важно для предотвращения выбросов вихревых токов в сердечник трансформатора.Они являются одним из основных источников тепловыделения, что в конечном итоге приводит к короткому замыканию и перегреву активной зоны. Это требует использования охлаждающих каналов для предотвращения катастрофического отказа.

Принцип работы трансформаторов основан на взаимной индукции между двумя обмотками магнитной пары. Для правильной взаимной индукции всегда требуется мощный магнитный поток через магнитную цепь между двумя обмотками. Это требует гораздо меньшего сопротивления, чтобы увидеть поток между витками магнитного тракта.

Стандартный сердечник трансформатора

Обычно они изготавливаются из высокопроницаемых материалов, таких как сталь CRGO, которые обеспечивают простой поток без препятствий прохождению магнитного потока. Поскольку ориентация зерна параллельна потоку, по которому текут магнитные потоки.

Какова роль сердечника трансформатора?

Сердечник трансформатора отвечает за минимизацию потерь гистерезиса любого типа, которые возникают при работе в состоянии переменного тока.

Минимизация потерь от вихревых токов в сердечнике трансформатора, возникающих во время работы.Но этот индуцированный вихревой ток смещается в соответствии с создаваемым магнитным потоком. Хотя эти вихревые токи приведут к повышению температуры, их сопротивление будет улучшено для магнитных сердечников на основе кремния в процессе, уменьшая потери, вызванные вихревыми токами, когда они производятся ведущим производителем магнитных сердечников в Индии.

Типы сердечников трансформатора

Любой сердечник трансформатора, имеющий как основную, так и вторичную обмотки, можно легко разделить на категории в зависимости от конструкции. Это может быть далее определено как тип сердечника и тип оболочки.

Намотка трансформатора типа Shell

Назначение сердечника трансформатора — обеспечить замкнутый магнитный путь к сердечнику, через который магнитный поток течет между обмотками.

Обычно используются два типа: сердечник и оболочка.

У них есть свои фирменные блюда. Их легко отремонтировать на месте. В то время как снаряды имеют более прочную конструкцию, что затрудняет их ремонт. Для этого необходимо, чтобы они были доставлены на сайт для оказания услуг.

Трансформаторы корпусные:

Они специально выбраны для трансформаторов меньшего размера. В зависимости от конструкции они имеют одну катушку в центре, несущую первичную обмотку и вторичную обмотку.

Эти отрезанные листы укладываются друг за другом с разным размером ветвей в зависимости от намотки бобины в зависимости от необходимого номинального напряжения-ампер. Сердечник трансформатора с ламинированием EI обычно используется в профильных сердечниках трансформатора.

Трансформатор с сердечником:

Они специально выбраны для больших трансформаторов.Обмотка считается первичной и вторичной как отдельные пары на каждом плече.

Большая часть участков обмотки из-за своей конструкции подвержена внешнему охлаждению. Что по мере увеличения размера полностью зависит от размера ножек сердечника.

Трансформатор с сердечником и корпусом

Магнитные сердечники, 400 Гц:

Для аэрокосмической промышленности используются сердечники трансформаторов средней частоты 400 Гц. Поскольку обычно используется кремнистая сталь, она становится неудобной для среднего диапазона 50 Гц.Чтобы компенсировать потребности материала с низким гистерезисом.

В

от 50 до 60 Гц используются сердечники из многослойной электротехнической стали с высочайшей проницаемостью, перфорированные из стали толщиной от 0,6 до 1,5 мм. Чтобы уменьшить вихревые токи на весь сердечник трансформатора и повысить КПД, они дополнительно покрываются лаком.

Из-за своих некристаллических свойств аморфный сердечник используется в трансформаторах для приложений от 50 до 60 Гц в такой ситуации. Которая по сравнению со сталью CRGO имеет сравнительно меньшие потери.

Но прежде чем мы узнаем, почему сердечник трансформатора ламинирован

Они разрабатываются в соответствии со спецификациями, чтобы через них не протекал ток. Однако все еще существует магнитный поток, заключенный в форму круговой петли, которую можно изменить, изменив силу магнитного поля, используемого для протекания тока, называемого вихревым током.

Ламинированные сердечники используются для эффективной передачи энергии от вторичной к первичной с целью предотвращения значительных потерь.

Вихревые токи устраняются за счет их уменьшения за счет ламинированного сердечника, что приводит к нагреву и потере гистерезиса.

Магнитный поток с ламинированным сердечником

Таким образом, они намного более эффективны в эксплуатации, поскольку сам ламинат представляет собой стопки листов электротехнической стали. Это делает ламинат немного более устойчивым к вихревым токам, чем другие. Это предотвращает перегрев и делает его конструктивно более эффективным.

Материал сердечника трансформатора

Сердечник трансформатора должен иметь высокое электрическое сопротивление и очень низкие потери гистерезиса.В производстве широко используется сталь CRGO. Благодаря улучшенным электрическим свойствам они используются в большинстве электрических приложений из-за свойств материала.

Следующие материалы используются в трансформаторах в порядке возрастания их популярности.

Аморфная сталь:

Поскольку это металлические ленты толщиной с бумагу и очень хрупкие, они изготовлены из аморфной стали, называемой металлическим стеклом. Аморфная сталь чаще всего используется в трансформаторах с высокими рабочими характеристиками.

Кремниевая сталь:

У них более высокое электрическое сопротивление. Поскольку они обладают более высоким насыщением магнитного потока и меньшим сопротивлением, они подходят для изготовления раненых и многослойных сердечников.

Ферритовая керамика:

Керамические компаунды из оксида металла — это определенный вид керамики. В высокочастотных трансформаторах используются такие ферритовые сердечники, но проводимость оставляет желать лучшего.

Какие факторы следует учитывать при изготовлении сердечника трансформатора?

При производстве учитываются следующие важные факторы:

• Источник материалов более высокого качества.
• Снижение возможных потерь.
• Доступность материалов и меньшие затраты на рабочую силу.
• Показатели качества
• Требуется контроль качества на каждом этапе производства, чтобы свести к минимуму потери производительности и обеспечить максимально гладкие пути прохождения тока намагничивания.

При максимальной плотности потока 1,9 Тесла CRGO насыщается поперечным сечением. Для достижения оптимальных характеристик магнитным потоком можно управлять с помощью площади поперечного сечения сердечника в зависимости от конкретного применения.

Потери в сердечнике трансформатора

Сталь

обладает свойствами минимизировать сопротивление магнитного пути и эффективно облегчать прохождение магнитного потока через него. Но помимо этого, это часто увеличивает определенные потери. Обе потери — это потеря на вихревые токи и потеря на гистерезис. Мы называем эти две потери вместе потерями в сердечнике трансформатора.

По каким параметрам определяется сердечник трансформатора?

Определяется на основании параметров ранжирования трансформаторов.Для нижнего трансформатора часто указывается квадрат формы этого центра. Обмотка рассчитывается соответственно. Они также имеют чрезвычайно низкую допустимую нагрузку по току и очень экономичны в масштабах.

Также на основе рейтинга трансформаторов. Сердечники прямоугольной формы используются для понижения тока трансформатора с меньшим номиналом, а проводник можно легко намотать в квадратную или прямоугольную форму. Для людей с меньшим рейтингом экономичнее квадратное или прямоугольное ядро.

Что касается трансформаторов с более высокими номиналами, обмотка цилиндрической формы определяется в зависимости от конструкции и использования.В некоторой степени уменьшите расстояние между сердечником и его обмоткой. Чтобы создать круглое поперечное сечение сердечника, различные этапы ламинирования разреза складываются друг с другом. Они могут быть одноступенчатыми или многоступенчатыми в зависимости от размера и потерь.

В то время как тяжелые трансформаторы имеют больший сердечник трансформатора, по которому проходит большее количество тока. Когда дело доходит до формы проводника, обмотка цилиндрической формы используется с медным проводником, в отличие от квадрата, который не может быть сформирован или изогнут.

После намотки, заполненной ступенчатым поперечным сечением, осталось большое количество огромных зазоров. Этот тип поперечного сечения может иметь один или несколько многоступенчатых многослойных сердечников.

Вот видео на YouTube, в котором описаны типы сердечников трансформаторов.

Трансформаторы

Трансформаторы

следующий: Согласование импеданса
вверх: индуктивность
Предыдущая: Схема

Трансформатор — это устройство для повышения или понижения напряжения
переменный электрический
сигнал.Без эффективных трансформаторов трансмиссия и
распределение переменного тока
электричество на большие расстояния было бы невозможно. Рисунок 51
показана принципиальная схема типичного трансформатора.
Есть две схемы. А именно, первичная цепь и вторичная цепь .
Между двумя цепями нет прямого электрического соединения, но
каждая цепь содержит катушку, которая соединяет ее индуктивно, , с другой цепью.
В реальных трансформаторах две катушки намотаны на один и тот же железный сердечник.Назначение железного сердечника — направлять магнитный поток, генерируемый
ток, протекающий вокруг первичной обмотки, так что
насколько это возможно, также связывает
вторичная обмотка. Общий магнитный поток, связывающий две катушки, обычно
обозначается на принципиальных схемах рядом параллельных прямых линий, проведенных между катушками.

Рисунок 51:
Принципиальная схема трансформатора.

Рассмотрим особенно простой трансформатор, в котором первичная и вторичная
катушки соленоидов , разделяющие тот же заполненный воздухом сердечник.Предположим, что
— длина сердечника; — площадь его поперечного сечения. Пусть будет
общее количество витков в первичной катушке, и пусть будет
общее количество витков
во вторичной обмотке. Предположим, что переменное напряжение

(281)

подается в первичную цепь от некоторого внешнего источника переменного тока. Здесь,
— пиковое напряжение в первичной цепи, а —
частота чередования (в радианах в секунду).Течение вокруг
первичная цепь написана

(282)

где — пиковый ток. Этот ток генерирует
изменение магнитного потока,
в сердечнике соленоида, который связывает вторичную катушку, и, таким образом,
индуктивно генерирует переменную ЭДС

(283)

во вторичной цепи, где — пиковое напряжение. Предположим, что это
ЭДС управляет переменным током

(284)

вокруг вторичной цепи, где — пиковый ток.

Записывается уравнение первичной цепи.

(285)

предполагая, что в этой цепи пренебрежимо малое сопротивление. Первый срок
в приведенном выше уравнении — это ЭДС, генерируемая извне. Второй член
обратная ЭДС из-за самоиндукции первичной катушки. В
последний член — ЭДС из-за взаимной индуктивности первичной
и вторичные катушки. При отсутствии значительного сопротивления в первичной обмотке
В цепи эти три ЭДС должны в сумме равняться нулю.Уравнения (281), (282),
(284) и (285) можно объединить, чтобы получить

(286)

поскольку

(287)

Возникающая во вторичном контуре переменная ЭДС состоит из
ЭДС, генерируемая самоиндукцией вторичной катушки, плюс
ЭДС, создаваемая взаимной индуктивностью первичной и вторичной катушек.Таким образом,

(288)

Уравнения (282), (283),
(284), (287) и (288) дают

(289)

Теперь мгновенная выходная мощность внешнего источника переменного тока, который управляет
первичный контур

(290)

Точно так же мгновенная электрическая энергия в единицу времени индуктивно передается от
первичный к вторичному контуру

(291)

Если резистивные потери в первичной обмотке
и вторичные цепи пренебрежимо малы, как предполагается, тогда,
за счет сохранения энергии эти
две силы должны всегда равняться друг другу.Таким образом,

(292)

что легко сводится к

(293)

Уравнения (286), (289) и (293) дают

(294)

который дает

(295)

и, следовательно,

(296)

Уравнения (293) и (296) можно объединить, чтобы получить

(297)

Обратите внимание, что, хотя взаимная индуктивность двух катушек равна
несет полную ответственность за передачу
энергия между первичной и вторичной цепями, это собственная индуктивность
двух катушек, которые определяют соотношение пиковых напряжений и
пиковые токи в этих цепях.

Теперь из Разд. 10.2, собственные индуктивности первичной и
вторичные катушки представлены

и
, соответственно. Следует
тот

(298)

и, следовательно, что

(299)

Другими словами, соотношение пиковых напряжений и пиковых токов
в первичном и вторичном контурах определяется соотношением
количество витков в первичной и вторичной обмотках.Это последнее соотношение
обычно называют передаточным числом трансформатора. Если
вторичная обмотка содержит на витков больше, чем первичная обмотка, на витков больше, чем
пиковое напряжение во вторичной цепи превышает , что в первичной цепи.
Этот тип трансформатора называется повышающим трансформатором , потому что
он увеличивает напряжение сигнала переменного тока. Обратите внимание, что в повышении
трансформатор пиковый ток во вторичной обмотке
цепь на меньше, чем на пиковый ток в первичной цепи (как и должно быть, если необходимо сохранить энергию).Таким образом,
повышающий трансформатор фактически понижает ток. Так же,
если вторичная обмотка содержит на витков меньше витков, чем первичная обмотка
тогда пиковое напряжение во вторичной цепи на меньше, чем на
в первичном контуре. Этот тип трансформатора называется понижающим .
трансформатор . Обратите внимание, что понижающий трансформатор фактически увеличивает
ток ( то есть , пиковый ток во вторичной цепи
превышает значение в первичном контуре).

Электроэнергия переменного тока вырабатывается на электростанциях при довольно низком пиковом напряжении.
( и.е. , что-то вроде 440 В), и потребляется внутренним
пользователем при пиковом напряжении 110 В (в США). Однако электричество переменного тока
передается от электростанции к месту потребления
при очень высоком пиковом напряжении (обычно 50 кВ). Фактически, как только сигнал переменного тока
выходит из генератора на электростанции, подается на повышающий
трансформатор, повышающий пиковое напряжение с нескольких сотен вольт до многих десятков
киловольт. Выход повышающего трансформатора подается на
линия электропередачи высокого напряжения, которая обычно транспортирует электроэнергию по
многие десятки километров, и, как только электричество достигнет своего
точка потребления, он питается через серию понижающих трансформаторов
до тех пор, пока к моменту выхода из домашней розетки его пиковое напряжение не станет равным
только 110В.Но если электричество переменного тока генерируется и потребляется на
сравнительно низкие пиковые напряжения, зачем возиться с
повышение пикового напряжения до очень высокого значения на
электростанции, а затем снова понизить напряжение, когда электричество
дошел до своей точки потребления? Почему бы не создавать, передавать и
распределять электричество при пиковом напряжении 110В?
Что ж, рассмотрим электрический
линия электропередачи, по которой передается пиковая электрическая мощность между электростанциями
и город. Мы можем думать о том, что
зависит от количества потребителей в городе и характера
электрические устройства, с которыми они работают, как по существу фиксированное количество.Предположим, что и — пиковое напряжение и пиковый ток
сигнала переменного тока, передаваемого по линии,
соответственно. Мы можем рассматривать эти числа как переменные, поскольку мы можем изменять
их с помощью трансформатора. Однако, поскольку произведение пика
напряжение и пиковый ток должны оставаться постоянными. Предположим, что сопротивление
линии есть. Пиковая скорость потери электроэнергии из-за
к омическому нагреву в строке есть, что можно записать

(300)

Таким образом, если мощность, передаваемая по линии, является фиксированной величиной,
как и сопротивление линии, тогда
мощность, потерянная в линии из-за омического нагрева, изменяется как обратный квадрат
из
пиковое напряжение в линии.Оказывается, даже при очень высоких напряжениях
например, 50 кВ, омические потери мощности в
линии электропередачи протяженностью десятки километров
может составлять до 20% передаваемой мощности. Это легко может быть
оценил, что если была сделана попытка передать электрическую мощность переменного тока
при пиковом напряжении 110 В омические потери будут настолько значительными, что практически ни один из
сила достигнет своей цели. Таким образом, можно только генерировать
электроэнергию в центральном месте, передавайте ее на большие расстояния,
а затем распределить его в точке потребления, если передача
выполняется при очень высоких пиковых напряжениях (чем выше, тем лучше).Трансформеры
играют жизненно важную роль в этом процессе, потому что они позволяют нам активизировать
и понизить напряжение электрического сигнала переменного тока
очень эффективно (хорошо продуманный
трансформатор обычно имеет потери мощности, которые составляют всего несколько процентов от
полная мощность, протекающая через него).

Конечно, трансформаторы не работают на электричестве постоянного тока, потому что
магнитный поток, создаваемый первичной катушкой, не меняется во времени,
и, следовательно, не вызывает ЭДС во вторичной обмотке.
На самом деле не существует эффективного метода повышения или
понижение напряжения электрического сигнала постоянного тока.Таким образом, это
невозможно эффективно передавать электроэнергию постоянного тока на большие расстояния.
Это основная причина, почему
коммерчески производимая электроэнергия — это переменный ток, а не постоянный.

---

следующий: Согласование импеданса
вверх: индуктивность
Предыдущая: Схема

Ричард Фицпатрик
2007-07-14

3 основных типа магнитных сердечников, используемых в трансформаторах

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

Три основных типа стальных сердечников, используемых в магнитных трансформаторах

Магнитные трансформаторы

имеют сердечники, изготовленные из следующих материалов:

• Твердый чугун / сталь: Раньше твердое отожженное железо или сталь были популярным материалом для сердечника, поскольку они допускали сильные магнитные поля.В последнее время он стал непопулярным из-за того, что производит вихревые токи, которые делают трансформатор неэффективным. Они также выделяют большое количество тепла, которое влияет на общую производительность трансформатора.

• Многослойный кремниевый сплав / Кремниевая сталь: Пластины из кремниевого сплава, которые в основном представляют собой тонкие полоски кремниевого сплава, уложены вместе и используются в качестве сердечника. Эти сердечники обычно используются в электрических трансформаторах 50/60/400 Гц. Материал сердечника в этой форме обеспечивает эффективное распространение магнитного поля с уменьшенными вихревыми токами и рассеиванием тепла.

• Аморфная сталь: Сердечники, состоящие из очень тонких полос из аморфной стали, могут использоваться в трансформаторах, работающих от средних до высоких частот. При использовании этого материала на этих частотах поток вихревых токов значительно снижается. Следовательно, это предпочтительный материал, если вы хотите сделать ваш трансформатор средней частоты чрезвычайно эффективным.

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

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

О gt stepp

GT Stepp — Инженер-электрик с более чем 20-летним опытом работы, специалист в области исследований, оценки, испытаний и поддержка различных технологий.Посвящен успеху; с сильными аналитическими, организационными и техническими навыками. В настоящее время работает менеджером по продажам и операциям в Custom Coils, разрабатывая стратегии продаж и маркетинга, которые увеличивают продажи, чтобы сделать Custom Coils более узнаваемыми и уважаемыми на рынке.

Как работают сердечники трансформатора

Как и многие электронные устройства, трансформаторы состоят из множества частей, каждая из которых работает вместе с другими, чтобы обеспечить безопасную и эффективную передачу энергии.Чтобы лучше понять различные типы трансформаторов и понять, почему они могут подходить для определенных приложений, полезно изучить различные компоненты в работе. Сердечник составляет основную часть трансформатора, поэтому неудивительно, что выбор правильного материала играет важную роль в общей функции трансформатора. Существует ряд сердечников, таких как стальные многослойные, сплошные, тороидальные и воздушные сердечники, а также варианты каждого в пределах их соответствующих категорий.

Стальные ламинированные сердечники

Стальные многослойные сердечники известны своим высоким уровнем проницаемости, что делает их хорошим выбором для передачи напряжения на уровне звуковой частоты, поскольку проницаемый сердечник снижает ток намагничивания.Однако стальные сердечники без покрытия имеют высокий уровень потерь на вихревые токи, которые возникают, когда проводящий материал сталкивается с изменяющимся магнитным полем, и могут привести к нагреву сердечника. Благодаря наличию нескольких стальных пластин, защищенных непроводящим изоляционным материалом между слоями, эти вихревые токи сдерживаются, и эффекты намагничивания уменьшаются. Хотя тонкие листы сложнее в производстве и дороже, они эффективны в высокочастотных трансформаторах.

Доступны несколько конструкций трансформаторов с ламинированной сталью, каждая из которых имеет свои преимущества.Сердечник Е-образной формы доступен в производстве, но имеет тенденцию демонстрировать большие потери энергии. Сердечник типа C, с другой стороны, обеспечивает пониженное сопротивление, поскольку металлические зерна движутся параллельно потоку энергии.

Твердые сердечники

Твердые сердечники, особенно сердечники из порошкового железа, используемые в схемах, обладают высокой магнитной проницаемостью, а также электрическим сопротивлением. При использовании в цепях они, как правило, лучше всего работают для уровней передачи выше основных частот. Для частот, которые имеют тенденцию к еще более высокому диапазону, например, за пределами диапазона VHF (очень высоких частот), порошковое железо заменяется ферритами, которые являются непроводящими магнитными керамическими материалами.

Тороидальные сердечники

Для использования в тороидальных сердечниках доступен ряд материалов, включая сталь, пермаллои в рулонах, порошковое железо или ферриты. Эти сердечники могут иметь круглую структуру, а остальная часть трансформатора построена вокруг сердечника — отсутствие отверстия в сердечнике означает отсутствие воздушных зазоров — или они могут быть длинной полосой материала. Преимущество использования полосы заключается в снижении сопротивления в результате правильно выровненных границ зерен. В случае круглого сердечника обмотки обычно наматываются на сердечник, полностью покрывая поверхность.

Тороидальные сердечники более эффективны при обработке того же вида энергетической нагрузки, чем стальные ламинированные сердечники E-образной формы, и их можно сделать меньше, легче и с меньшим магнитным полем. Однако для тороидальных сердечников обмотки обычно дороже.

Сердечники воздушные

В некоторых приложениях можно вообще обойтись без сердечника, просто разместив обмотки в соответствующем диапазоне. Воздух, заполняющий пространство, где должен был находиться сердечник, становится первичной магнитной цепью, которая не страдает от потерь.Однако утечка велика, что делает воздушные сердечники плохим выбором для передачи или распределения энергии. Они часто встречаются в радиочастотных приложениях.

Прочие электротехнические изделия

Больше от компании Electric & Power Generation

.