Зачем сердечник трансформатора выполняют из электротехнической стали

Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказывал об определении габаритной мощности трансформатора РГ и об определении коэффициента заполнении окна kок трансформатора. Для выбора трансформатора этих данных недостаточно. Существенное влияние на его параметры оказывают заданные величины, например, напряжение, частота, режим и условия работы. Часто тип трансформатора, его сердечник и обмотки известны изначально, в противном случае их следует выбирать исходя из заданных условий.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Особенности строения сердечника трансформатора

Трансформатор служит для преобразования напряжения переменного тока. Он состоит из сердечника с двумя или несколькими обмотками. На одну из катушек подаётся переменное напряжение. Проходящий при этом через неё ток, вызывает изменение во времени магнитного потока в сердечнике.
Этот поток пронизывает все обмотки и по закону электромагнитной индукции наводит в них ЭДС. В зависимости от соотношения числа витков в катушках исходное напряжение во вторичной обмотке повышается или понижается в сравнении с поданным.

Сердечник необходим для более эффективной трансформации напряжения уменьшения потерь на рассеянии.

Сердечник трансформатора испытывает значительное воздействие переменного магнитного поля. Это приводит к возникновению вихревых токов. В результате происходит нагревание магнитопровода что приводит к потерям энергии.

Изготавливаются сердечники из стали, перемагничивание которой также приводит к бесполезному расходованию электроэнергии.

Основные размеры трансформатора

Геометрические размеры трансформатора в большинстве случаев являются определяющими для его технико-экономических показателей. Основными размерами катушки трансформатора являются её высота и ширина (толщина), ограниченные размерами сердечника. Для сердечника основными размерами будут: ширина стержня, несущего катушку а; толщина стержня b; ширина окна с и высота окна h.

В технических характеристиках на сердечники и литературе единицей измерения размеров, как правило, является миллиметры мм (mm).

Для упрощения расчётов и некоторой унификации сердечников в отечественной литературе и методиках расчёта был введен так называемый базовый размер. В качестве базового может быть взят один из основных размеров трансформатора. В большинстве случаев в качестве базового размера берётся ширина стержня а. Тогда геометрия сердечника описывается следующими соотношениями

Используя базовый размер а и безразмерные коэффициенты x, y, z можно выразить все геометрические характеристики трансформатора: длины, сечения, поверхности и объёмы. Например, сечение сердечника Sc = ab, а с учетом базового размера Sc = ya2. Объём броневого трансформатора БТ

а с учетом базового размера

то есть геометрические параметры трансформатора с учётом базового размера выражаются формулами типа

где k – может иметь значение от 1 до 3, в зависимости от типа величины (1 – длины; 2 – площади, поверхности, сечения; 3 – объёмы);

φi – функция геометрической характеристики трансформатора, индекс «i» указывает конкретную характеристику.

Геометрические характеристики трансформатора и их функции.

Функции геометрии не имеют размерности, поэтому с их помощью проще проводить анализ различных типов трансформаторов.

Как уменьшить потери

Величина потерь на перемагничивание зависит от нескольких факторов:

• свойств вещества из которого изготовлен сердечник. Материалы плохо поддающиеся намагничиванию, так же с трудом перемагничиваются. И тем большая энергия расходуется, что выражается в нагревании;
• частоты перемагничивания;
• наибольшего значения магнитной индукции.

Потери уменьшают за счёт использования специальной трансформаторной стали. Она требует меньшую энергию на перемагничивание в сравнении с другими веществами.

Вихревые токи достигают наибольших значений в массивных проводниках из-за их малого сопротивления. Для их уменьшения необходимо увеличить электрическое сопротивление. Этого достигают за счёт набора сердечника из отдельных листов. Толщина стальных пластин выбирается не более 0,5 мм.

Чтобы при нагревании листы между собой не сплавились, для снижения потерь на вихревые токи пластины изолируют друг от друга. В качестве разделителя используют лак, окалину. Существуют химические способы изоляции стальных листов. Прослойки оказывают вихревым токам сильное сопротивление, купируют их действие, что значительно снижает энергопотери.

Выбор материала сердечника

На данный момент разработано большое количество магнитных материалов, из которых изготавливают сердечники трансформаторов. Основными из них являются:

1. Электротехнические стали используются на частотах до десятков кГц и имеют индукцию насыщения BS ≤ 2 Тл. На частоте 50 Гц применяется сталь толщиной 0,35 – 0,5 мм, а выше – толщиной 0,05 – 0,15 мм. Например, 3411, 3412, 3421, 3422 и т.д.
2. Электротехнические сплавы используются на частотах до 100 кГц с индукцией насыщения до 1,5 Тл. Изготавливаются в виде ленты толщиной 0,05 – 0,1 мм. Например, 79НМ, 34НКМП и т.д.
3. Ферриты применяются в широком диапазоне частот от единиц кГц до единиц МГц с индукцией насыщения до 0,5 Тл. Изготавливаются в виде сердечников различных типов. Например, 1500НМ3, 700НМ, N72, М33 и т.д.
4. Магнитодиэлектрики имеют незначительную магнитную проницаемость до сотен единиц, а индукцию насыщения и рабочую частоту в широком диапазоне в зависимости от типа:

— карбонильное железо (BS < 2,18 Тл, частота до 100 МГц), например, МР-20, МР-100 и т.д.;

— альсиферы (BS = 0,2 – 0,5 Тл, максимальная частота 20 – 700 кГц), например, ТЧ-90, ВЧ-32 и т.д.;

— пресспермы (BS = 0,5 – 0,8 Тл, частота до 100 кГц), например, МП-60, МП-140, МП-250 и т.д.

Основными параметрами магнитных материалов являются: индукция насыщения BS, остаточная индукция Br, абсолютная магнитная проницаемость μa, удельные потери Руд на единицу объема или массы, коэрцитивная сила Нс, прямоугольность петли гистерезиса Br/BS.

Материал сердечника должен позволять изготавливать сердечники наименьшего объема (высокое значение μa) и обладать минимальными потерями мощности (низкое значение Руд). Но зачастую данные требования противоречивы, поэтому необходимый выбор материала должен основываться на достижении наилучшего значения наиболее важного для изделия параметра. Чаще всего разработчики в качестве основного ограничения выбирают массогабаритные характеристики материала с приемлемыми потерями мощности.

С выбором материала сердечника необходимо определить коэффициент заполнения сердечника kc зависит от вида сердечника. Для прессованных (ферриты, магнитодиэлектрики) kс = 1, а для ленточных и шихтованных зависит от толщины магнитного материала

Для приблизительных расчётов в случае ленточных и шихтованных сердечников можно принимать kс = 0,9.

Основные виды сердечников

Трансформаторы имеют различные сферы применения, технические характеристики, габариты. Они отличаются и по типу магнитопроводов. Конструктивно сердечники разделены на три основных вида:
Стержневой сердечник сконструирован в виде буквы П и состоит из двух стержней, соединённых ярмом. При необходимости защитить обмотки от внешних воздействий используют броневые магнитопроводы. Ярмо находится с внешней части и полностью закрывает, расположенный внутри стержень с обмоткой.

Сердечники классифицируют так же по способу сборки пластин:

• наборка из штампованных пластин. К преимуществам магнитопроводов из листов относят возможность их изготовление из не очень прочных материалов;
• навитые металлические ленты. Такие сердечники более полно используют магнитную энергию, но при этом имеют повышенный уровень потерь. Тороидальная намотка лент самая сложная, но энергетически наиболее выгодная.

Имеются различия в соединении стержней с ярмом. Их собирают двумя способами:

• встык, когда все элементы собираются из пластин отдельно. Соединяются в единый сердечник на последнем этапе сборки трансформатора: после того, как уложены обмотки;
• впереплёт. Такие магнитопроводы называют шихтованными. Они почти не имеют потерь в местах соединения.

Особенности импульсных нагрузок

Для приборов несущих импульсную нагрузку применяют специальные трансформаторы. Они способны преобразовать напряжение и силу тока при импульсных нагрузках и выдержать их разрушающее действие. Типы сердечников импульсных трансформаторов по форме не отличаются от других видов приборов.

Наиболее часто магнитопровод изготавливают в виде тора из феррита. На него наматываются обмотки особым способом: в первичной витку укладываются против часовой стрелки, а во вторичной – по часовой.

Такой трансформатор можно изготовить самостоятельно, необходимо только учесть требования сохранения импульса.

Расчёт мощности преобразователя

Каждый трансформатор имеет технические характеристики, указанные в паспорте. Бывает необходимо провести самостоятельные расчёты обмотки и мощности если данные утеряны. Значение мощности важно для определения возможности использования конкретного преобразователя.

Перед тем как определить мощность трансформатора по сечению сердечника, изучают тип магнитопровода. Если сердечник имеет Ш форму выполняют такие вычисления:

• измеряют толщину набора пластин;
• делают замер центральной части;
• перемножаются полученные результаты.

Что такое магнитопровод в трансформаторе.Зачем нужен зазор и другое

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

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.

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.

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.

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).

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.

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.

Состав трансформаторной стали

Материал выполняют не только из кремния, а создают сплав с железом. Добавление этого элемента приводит к тому, что коэффициент силы увеличивается, а удельное сопротивление электрической мощности повышается, если сравнить с марками без кремния.

Если добавить в состав определенное количество кремния, это приведет к снижению отдельного веса оксидов железа.

По химическому составу этот материал можно отнести к легированным металлам за счет наличия кремния в количестве до 0,5%.

В трансформаторном железе добавление посторонних примесей в пределах 3-4,5%.

Немного истории

Благодаря английскому физику Майклу Фарадею в 1831 году человечество познакомилось с электромагнитной индукцией. Великому учёному не суждено было стать изобретателем трансформатора, поскольку в его опытах фигурировал постоянный ток. Прообразом устройства можно считать необычную индукционную катушку француза Г. Румкорфа, которая была представлена учёному миру в 1848-м.

В 1876 году русский электротехник П. Н. Яблочков запатентовал трансформатор переменного тока с разомкнутым сердечником. Современному виду устройство обязано англичанам братьям Гопкинсон, а также румынами К. Циперановскому и О. Блати. С их помощью конструкция приобрела замкнутый магнитопровод и сохранила схему до наших дней.

Конструкция и принцип работы

Обязательными элементами практически любого устройства преобразования напряжения являются изолированные обмотки, формированные из проволоки или ленты. Они располагаются на магнитопроводе, представленном сердечником из ферромагнитного материала. Связь между катушками осуществляется при помощи магнитного потока. В случае работы с высокочастотными токами (100 и более кГц) сердечник отсутствует.

В принципе работы трансформатора сочетаются основные постулаты электромагнетизма и электромагнитной индукции. Его можно рассмотреть на примере простейшего прибора с двумя катушками и стальным сердечником. Подача переменного напряжения на первичную обмотку приводит к возникновение магнитного потока в магнитопроводе, после чего во вторичной и первичной обмотке возникает ЭДС индукции, если подключить нагрузку ко вторичной обмотке то потечёт ток. Частота напряжения на выходе остаётся неизменной, а его величина зависит от соотношения витков катушек.

Трансформаторы бывают повышающие и понижающие, что бы это определить нужно узнать коэффициент трансформации, с его помощью можно узнать какой трансформатор. Если коэффициент меньше 1 то трансформатор повышающий(также это можно определить по значениям если во вторичной обмотке больше чем в первичной то такой повышающий) и наоборот если К>1, то понижающий(если в первичной обмотке меньше витков чем во вторичной).

• U1 и U2 – напряжение в первичной и вторичной обмотки,
• N1 и N2 – количество витков в первичной и вторичной обмотке,
• I1 и I2 – ток в первичной и вторичной обмотки.

Свойства кремния

Кремнием называют основной материал полупроводниковой электроники. С его помощью изготовляют интегральные схемы, диоды, транзисторы, солнечные батареи, фотоприемники и другие приборы.

Это полупроводник, электрические свойства которого зависят от примесей. Он прозрачен для инфракрасных лучей. При низкой температуре проявляет химическую инертность, на воздухе образовывается тонкая пленка оксида. Окисление кремния происходит при нагревании до 400 градусов. Растворим во многих расплавленных металлах.

Режимы работы

Характеристики трансформаторов определяются условиями работы, где ключевая роль отводится сопротивлению нагрузки. За основу берутся следующие режимы:

1. Холостого хода. Выводы вторичной цепи находятся в разомкнутом состоянии, сопротивление нагрузки приравнивается бесконечности. Измерения тока намагничивания, протекающего в первичной обмотке, даёт возможность подсчитать КПД трансформатора. При помощи этого режима вычисляется коэффициент трансформации, а также потери в сердечнике;
2. Под нагрузкой (рабочий). Вторичная цепь нагружается определённым сопротивлением. Параметры протекающего по ней тока напрямую связаны с соотношением витков катушек.

3. Короткого замыкания. Концы вторичной обмотки закорочены, сопротивление нагрузки равно нулю. Режим информирует о потерях, которые вызываются нагревом обмоток, что на профессиональном языке значится «потерями в меди».

Меню

Импульсные источники питания могут быть выполнен как с гальванической развязкой, так и без нее. Первые, как правило, содержат регулируемый или нерегулируемый инвертор или конвертор, наиболее важным моточным узлом которых является трансформатор. Исполнение трансформатора зависит от вида и режима работы инвертора или конвертора. Рассмотрим некоторые виды моточных изделий для различных видов таких преобразователей.

Нерегулируемые и регулируемые двухтактные инверторы (преобразователи постоянного напряжения в переменное) и конверторы (преобразователи постоянного напряжения в постоянное) могут быть выполнены по схеме со средней точкой (рис. 1а), по полумостовой (рис. 1б) и мостовой (рис. 1в) схемам. В полумостовой схеме инвертора первичная обмотка трансформатора подключается через конденсаторы, поэтому постоянная составляющая тока (ток подмагничивания) полностью отсутствует. В двух других схемах, а также в полумостовом конверторе, в котором трансформатор нагружен на выпрямитель, подмагничивание сердечника полностью отсутствует только в идеальном случае — при полной симметрии схемы, при равенстве падения напряжения на открытых ключах и выпрямительных диодах и при одинаковом времени включения, выключения, восстановления обратного сопротивления ключевых элементов и диодов обоих плеч. При невыполнении этих условий возможно появление некоторой постоянной составляющей, что приведет к несимметричному режиму работы сердечника трансформатора, и это обстоятельство в ряде случаев необходимо учитывать.

Рис. 1

Поскольку сердечник трансформатора работает в сильных полях при большом размахе магнитной индукции, целесообразно выбирать так называемые «силовые» марки марганцево-цинковых ферритов, например, N87 или N97 производства фирмы Epcos до частоты 500 кГц или N49 фирмы Epcos до 1 МГц или их аналоги производства других фирм. При частоте преобразования до 30 кГц можно использовать отечественный материал М2500НМС2, а также аморфные магнитные сплавы. Применять порошковые магнитные материалы (мо-пермаллой и т. п.) нецелесообразно, так как они имеют низкое значение магнитной проницаемости и многие из них дороже ферритов. При выборе материала сердечника необходимо учитывать величину потерь в сердечнике, которая зависит от частоты и магнитной индукции и растет с увеличением обоих параметров. Сравнительные зависимости величины удельных потерь от частоты для некоторых магнитомягких материалов при магнитной индукции 0,1 Тл приведены на рис. 2.

Рис. 2

Конфигурация сердечника для двухтактных преобразователей может быть любая. Наиболее часто применяются кольцевые (тороидальные) сердечники (особенно для устройств малой и средней мощности). Трансформаторы на них при прочих равных условиях обладают минимальной индуктивностью рассеяния, что уменьшает выбросы напряжения на силовых ключах, излучение помех, снижает выходное сопротивление трансформатора. Кроме того, кольцевые сердечники дешевы. Недостатками тороидальных катушек является более высокая трудоемкость намотки, необходимость изоляции сердечника (отечественные сердечники выпускаются без покрытия, импортные — как без покрытия, так и с изоляционным покрытием, рассчитанным на определенное значение испытательного напряжения). Возможно также применение разъемных сердечников броневой и стержневой конструкции. Широко применяются отечественные сердечники типа КВ (импортные аналоги RM), а также Ш-образные сердечники и их модификации (отечественные Ш, импортные EE, EI, EFD, ER, ETD и т. п.). Сердечники КВ (RM) вписываются в квадрат в плане, что удобно для размещения их на плате. Они имеют круглую катушку как с одной секцией, так и с двумя и более, удобную и технологичную в намотке. Однако из-за большей индуктивности рассеяния в некоторых случаях необходимо применять технологические усложнения в намотке, а также увеличивать демпфирующие цепи в схеме преобразователя, что в свою очередь несколько снижает КПД. Сердечники типа Б (импортные аналоги P) подобны КВ, но круглые в плане, менее удобны при размещении на плате и применяются реже.

Достаточно удобны сердечники EP, которые вписываются в прямоугольник (почти квадрат), имеют удобную в намотке катушку, которую сердечник закрывает со всех сторон, кроме одной, обращенной к плате. Сердечники типа EFD расположены горизонтально и имеют уменьшенную высоту. Низкопрофильные сердечники с индексами LP применяются в тех случаях, когда требуется особо маленькая высота изделия. При этом часто применяются печатные обмотки в виде многослойных печатных плат. Для трансформаторов повышенной мощности и высоковольтных трансформаторов могут использоваться П-образные сердечники. Повышенная индуктивность рассеяния при высоких выходных напряжениях и маленьких токах не является большим недостатком, но зато такая конструкция с большим окном позволяет разместить высоковольтную обмотку, в которой много места занимает изоляция.

Рис. 3

Однотактные прямоходовые конверторы выполняются в основном по одной из трех схем: с размагничивающей обмоткой (рис. 3а), без размагничивающей обмотки с рекуперацией энергии в емкость, в том числе паразитную (рис. 3б), и на двух транзисторах и двух диодах по так называемой однотактной полумостовой схеме (рис. 3в). В любом из этих случаев энергия от источника питания передается в нагрузку на прямом ходе, без накопления энергии в трансформаторе, в котором накапливается лишь небольшая энергия за счет тока намагничивания первичной обмотки. Рекуперация (возврат) этой энергии, при которой происходит размагничивание трансформатора, в каждой из схем происходит по-разному.

В первом случае для этого служит размагничивающая обмотка, и при разработке трансформатора необходимо обеспечить максимально возможную связь между нею и первичной обмоткой, учитывая при этом рабочее напряжение. Во втором — рекуперация происходит в емкость, и на обмотке во время обратного хода возникает выброс значительной величины, который необходимо учитывать при выборе элементов схемы и при проектировании трансформатора. В третьем случае рекуперация энергии происходит в источник питания через открывающиеся рекуперационные диоды, причем через ту же самую первичную обмотку, что обеспечивает отсутствие выброса на ней и наиболее надежное размагничивание трансформатора. В любом случае имеется постоянная составляющая тока первичной обмотки, а сердечник трансформатора перемагничивается по частному циклу петли гистерезиса от максимальной индукции Bm до остаточной индукции Br. При этом, чем больше разность Bs–Br, где Bs —индукция насыщения материала, тем лучше. Для данного применения также предпочтительно использовать марки ферритов, предназначенные для работы в сильных полях. Конфигурация сердечника может быть любой. Могут быть использованы как кольцевые сердечники, так и любые другие, упомянутые ранее.

Рис. 4

Однотактные обратноходовые конверторы (рис. 4). Трансформатор работает с накоплением энергии на прямом ходе и передачей энергии в нагрузку на обратном ходе. Режим работы трансформатора аналогичен режиму работы дросселя, т. е. имеется постоянная составляющая тока обмоток и подмагничивающее поле. Намагничивание происходит посредством первичной обмотки, а размагничивание — при передаче энергии в нагрузку через вторичную обмотку. Возможны три режима работы трансформатора по аналогии с дросселем: режим непрерывных токов, при котором энергия, запасенная в магнитном поле трансформатора, не уменьшается до нуля за время обратного хода; режим прерывистых токов, когда энергия передается в нагрузку полностью за часть длительности обратного хода, и граничный режим между первыми двумя. Наиболее часто используется граничный режим и режим прерывистых токов. Иногда выбирается непрерывный режим, однако он возможен только при определенной нагрузке, а при снижении тока нагрузки режим работы трансформатора неизбежно становится прерывистым.

Поскольку такой трансформатор всегда работает с подмагничиванием, он может быть выполнен либо на разъемном сердечнике из феррита «силовых» марок с немагнитным зазором, либо на кольцевом или разъемном сердечнике из магнитодиэлектрика без зазора. Конфигурация ферритовых сердечников может быть любой, но зазор должен быть обязательно. Различия в зависимости от конфигурации будут состоять в разной индуктивности рассеяния, разных габаритах, технологичности и стоимости.

Трансформаторы на ферритовых сердечниках с зазором имеют более стабильную индуктивность при изменении тока, но затем при достижении насыщения сердечника их индуктивность резко падает. У трансформаторов с сердечниками из магнитодиэлектриков при изменении тока индуктивность изменяется плавно, но в большей степени, и резкого насыщения не наблюдается. Последняя характеристика предпочтительнее, хотя для обратноходовых конверторов подходит и та и другая. Преимущество ферритов в более высокой магнитной проницаемости в данном применении теряется, так как величина эквивалентной проницаемости невелика и определяется в основном величиной немагнитного зазора.

Поскольку трансформатор работает в сильных полях, важное значение имеет величина потерь в сердечнике. Среди магнитодиэлектриков наилучшими техническими параметрами обладает мо-пермаллой, но этот материал относительно дорогой. Если требуется снизить цену, то используется Sendust или Cool Mµ, но при этом могут возрасти габариты изделия, так как для снижения потерь до той же величины, что и у мо-пермаллоя, придется снизить магнитную индукцию в сердечнике. В крайнем случае можно использовать сердечники из распыленного железа, но при этом габариты трансформатора могут еще больше возрасти, зато цена будет меньше. Трансформаторы на кольцевых сердечниках из магнитодиэлектриков обладают минимальной индуктивностью рассеяния по сравнению с разъемными сердечниками и обеспечивают минимальную величину паразитных выбросов напряжения.

Дроссели прямоходовых двухтактных и однотактных конверторов с гальванической развязкой (L1 на рис. 1 и 3) работают примерно в одинаковых режимах. В двухтактных схемах режим более легкий, так как дроссель работает на удвоенной частоте преобразования и с меньшей длительностью паузы (как правило). Дроссель работает с накоплением энергии, как и трансформатор обратноходового преобразователя, но имеет, в общем случае, одну обмотку, посредством которой осуществляется и накопление энергии, и передача ее в нагрузку. В сходном режиме работают дроссели конверторов без гальванической развязки и дроссели корректоров коэффициента мощности. Сердечник дросселя работает в сильных полях при большой постоянной составляющей тока. Поэтому, как и в предыдущем случае, подходят любые разъемные сердечники из ферритов с зазором либо сердечники из магнитодиэлектриков без зазора с учетом всех соображений, высказанных ранее.

Дроссели фильтров питания, которые используются обычно во втором и последующих звеньях фильтрации (второе звено выходного фильтра источника питания, развязывающие фильтры питания на платах функциональной аппаратуры и т. п.) — L2 на рис. 1, 3 и 4— работают при большом уровне тока подмагничивания, но при маленьком уровне переменной составляющей. При этом рабочий размах магнитной индукции в сердечнике невелик и потери в дросселе определяются больше потерями в меди, чем потерями в сердечнике. Для этого случая могут использоваться ферритовые незамкнутые сердечники (стержни, гантели), ферритовые сердечники с зазорами, а также ферритовые кольца, бусины, трубочки (в основном для одновитковых дросселей). В последнем случае, несмотря на то, что сердечник работает с подмагничиванием, оставшейся магнитной проницаемости вполне достаточно для снижения уровня пульсаций, шумов и помех в несколько раз, а стабильность индуктивности при изменении тока не имеет принципиального значения. С успехом могут применяться также дроссели на сердечниках из магнитодиэлектриков, причем наиболее подходящим материалом в данном случае будет распыленное железо, так как при маленькой переменной составляющей нет никакого смысла применять дорогие материалы, например мо-пермаллой.

Повышенная величина потерь в сердечнике будет даже играть положительную роль и способствовать переводу энергии шумов и помех в тепло. Все сказанное выше относится также и к дросселям входных фильтров DC/DC-конверторов и DC/AC-инверторов (рис. 5а), так как они имеют сходный режим работы.

Рис. 4

Дроссели сетевых фильтров AC/DC-источников питания применяются в трех вариантах:

Тококомпенсированные дроссели, предназначенные для подавления синфазных составляющих помех (L1 на рис. 5б, в), содержат две одинаковые обмотки, связанные между собою через магнитное поле сердечника. Подмагничивания сердечника током частоты 50 Гц в них не происходит, так как токи в обеих обмотках создают поля, направленные навстречу и компенсирующие друг друга. Для такого дросселя могут быть применены ферритовые сердечники без зазора, причем предпочтительны высокопроницаемые марки ферритов, так как сердечник работает в слабых полях, создаваемых токами помех, и для получения максимально возможной резонансной частоты дросселя желательно получить заданную индуктивность с минимальным числом витков. Применение магнитодиэлектриков нецелесообразно ввиду низкой магнитной проницаемости и отсутствия подмагничивания, а также невысокой стоимости ферритов. Конструктивно дроссель часто выполняется на двухсекционном каркасе с П-образным или Ш-образным сердечником или на кольцевом сердечнике с намоткой обмоток на разных сторонах кольца.

Одно- и двухобмоточные дроссели (L2 на рис. 5б и L2 и L3 рис. 5в), в которых обмотки для токов низкой частоты (50 Гц) включаются согласно, предназначены для подавления дифференциальных (противофазных) составляющих помех в проводах питающей сети. Здесь, при небольшом уровне напряжения помех, имеет место подмагничивание большим током потребления источника питания, действующим с частотой 50 Гц, что в данной ситуации эквивалентно подмагничиванию постоянным током. Поэтому для таких дросселей необходимо применять ферритовые сердечники с зазором или сердечники из магнитодиэлектриков. Проницаемость ферритовых сердечников не имеет принципиального значения, так как коэффициент индуктивности конкретного сердечника определяется в основном его геометрией и величиной немагнитного зазора. Сердечники по переменной составляющей высокой частоты работают в слабых полях, и потери в материале сердечника не имеют большого значения и даже играют положительную роль. Из магнитодиэлектриков целесообразно использовать кольцевые сердечники или Ш-образные без зазора из распыленного железа (Iron Powder), как наиболее дешевые и хорошо удовлетворяющие предъявляемым требованиям.

Таким образом, для каждого моточного изделия, работающего в составе импульсного источника питания, можно подобрать наиболее подходящую конфигурацию и материал сердечника.

Классификации

Трансформаторы классифицируются по ряду параметров, таким как:

• Назначение. Применяются: для изменения напряжения, измерения тока, защиты электрических цепей, как лабораторные и промежуточные устройства.
• Способ установки. В зависимости от размещения и мобильности трансформатор может быть: стационарным, переносным, внутренним, внешним, опорным, шинным.
• Число ступеней. Устройства подразделяются на одноступенчатые и каскадные.
• Номинальное напряжение. Бывают низко- и высоковольтными.
• Изоляция обмоток. Наиболее часто используется бумажно-масляная, сухая, компаундная.

Помимо этого, преобразовательные устройства разнятся типами, каждому из которых присуща своя система классификации.

Силовой

Наибольшее распространение получил силовой трансформатор. Приборы с непосредственным преобразованием переменного напряжения, рассчитанные на большую мощность, востребованы различными областями электроэнергетики. Они применяются на линиях электропередач с напряжениями 35–1150 кВ, в городских электросетях, работающих с напряжением 6 и 10 кВ, в обеспечении конечных потребителей напряжением 220/380В. С помощью устройств осуществляется питание всевозможных электроустановок и приборов в диапазоне от долей до сотен тысяч вольт.

Измерительные

Трансформаторы тока (ТА) понижают ток до необходимых показателей. Схема их работы отличается последовательным включением первичной обмотки и нагрузки. В то же время вторичная обмотка, находящаяся в состоянии, близком к короткому замыканию, используется для подключения измерительных приборов, исполнительных и индикаторных устройств. С помощью ТА осуществляется гальваническая развязка, что позволяет при измерениях отказаться от шунтов.

С помощью трансформаторов напряжения (ТН), тоже самое что и ТА только по напряжению. Помимо преобразования входных параметров, электроаппаратура и её отдельные элементы получают защиту от высокого вольтажа.

Импульсный

При необходимости преобразования сигналов импульсного характера применяются импульсные трансформаторы (ИТ). Изменяя амплитуду и полярность импульсов, устройства сохраняют их длительность и практически не затрагивают форму.

Автотрансформатор

В автотрансформаторах обмотки составляют одну цепь и взаимодействуют посредством электромагнитной и электрической связи. В отличие от других типов преобразователей, устройства могут содержать всего 3 вывода, позволяющих оперировать с различными напряжениями. Приборы выделяются высоким коэффициентом полезного действия, что особо сказывается при незначительном перепаде входного и выходного напряжения.

Не имея гальванической развязки, представители данного типа повышают риск высоковольтного удара по нагрузке. Обязательным условием работы устройств являются надёжное заземление и низкий коэффициент трансформации. Недостаток компенсируется меньшим расходом материалов при изготовлении, компактностью и весом, стоимостью.

Разделительный

Для разделительных трансформаторов взаимодействие между обмотками исключено. Устройства повышают безопасность электрооборудования при повреждённой изоляции.

Согласующий

Согласующие трансформаторы применяются для выравнивания сопротивлений между каскадами схем электроники. Сохраняя форму сигнала, они играют роль гальванической развязки.

Пик-трансформатор

С помощью пик-трансформатора синусоидальное напряжение преобразуется в импульсное. При этом импульсы меняют полярность с каждым полупериодом.

Сдвоенный дроссель

Особенностью сдвоенного дросселя является идентичность обмоток. Взаимная индукция катушек делает его более эффективным, по отношению стандартным дросселям. Устройства используются как входные фильтры в блоках питания, в звуко- и цифровой технике.

Сварочный

Помимо вышеперечисленных, существует понятие сварочные трансформаторы. Специализированные приборы для сварочных работ понижают напряжение бытовой сети при одновременном повышении тока, измеряемого тысячами ампер. Регулировка последнего осуществляется разделением обмоток на сектора, что отражается на индуктивном сопротивлении.

Магнитопровод трансформатора выполняется из электротехнической стали для

Конструкция трансформатора

Конструкция магнитопровода. Магнитопровод является конструктивной основой трансформатора. Он служит для проведения основного магнитного потока. Для уменьшения магнитного сопротивления по пути этого потока и, следовательно, уменьшения намагничивающего тока магнитопровод выполняется из специальной электротехнической стали. Так как магнитный поток в трансформаторе изменяется во времени, то для уменьшения потерь от вихревых токов в магнитопроводе он собирается из отдельных электрически изолированных друг от друга листов стали. Толщина листов выбирается тем меньше, чем выше частота питающего напряжения. При частоте 50 Гц толщина листов стали принимается равной 0,35 — 0,5 мм. Изоляция листов осуществляется чаще всего лаковой пленкой, которая наносится с двух сторон каждого листа.

В магнитопроводе различают стержни и ярма. Стержень — это та часть магнитопровода, на которой располагаются обмотки, а ярмо — часть, не несущая обмоток и служащая для замыкания магнитной цепи (рис. 1).

В зависимости от взаимного расположения стержней, ярм и обмоток магнитопроводы делятся на стержневые и броневые. В стержневых магнитопроводах ярма прилегают к торцевым поверхностям обмоток, не охватывая их боковых поверхностей. В броневых магнитопроводах ярма охватывают не только торцевые, но и боковые поверхности обмоток, как бы закрывая их броней.

Магнитопроводы однофазных трансформаторов показаны на рис. 2 и 3. В броневом магнитопроводе (рис. 2) имеются один стержень и два ярма, охватывающие обмотки.

По каждому ярму замыкается половина магнитного потока стержня, поэтому площадь поперечного сечения каждого ярма в 2 раза меньше площади сечения стержня. В стержневом магнитопроводе (рис. 3) имеются два стержня, на каждом из которых располагается по половине обмоток 1 и 2. Половины каждой из обмоток соединяются между собой последовательно или параллельно. При таком расположении обмоток уменьшаются магнитные потоки рассеяния и улучшаются характеристики трансформатора. В трехфазных цепях могут применяться три однофазных трансформатора, обмотки которых соединяются по трехфазной схеме (рис. 4). Такой трансформатор называется трехфазной группой однофазных трансформаторов.

Однако чаще применяются трехфазные трансформаторы с общей магнитной системой для всех фаз. Броневая конструкция магнитопровода трехфазного трансформатора показана на рис. 5. Ее можно рассматривать как три броневых магнитопровода для однофазных трансформаторов, поставленных друг на друга.

Трехфазные трансформаторы часто имеют три стержня и два ярма (рис. 6). Возможность применения такого магнитопровода для трансформации в трехфазных цепях видна из рис. 7.

Если расположить три однофазных трансформатора, как показано на рис. 7, а, то три стержня 1 — 3 можно конструктивно объединить в один. Но так как в симметричной трехфазной системе геометрическая сумма магнитных потоков трех фаз равна нулю, т. е. ФA+ФB+ФC=0, то этот стержень можно удалить и получить конструктивную схему 7, б. Если уменьшить длину ярм магнитопровода фазы В, то получим магнитопровод со стержнями, расположенными в одной плоскости (рис. 7, а). По сравнению со схемой на рис. 7, б магнитопровод, показанный на рис. 7, в, имеет некоторую магнитную несимметрию, так как магнитопровод в этом случае представляет собой магнитную цепь, имеющую два узла и три ветви, из которых средняя короче крайних. Как показывает практика, существенного значения такая несимметрия не имеет.

На каждом стержне трехфазного стержневого магнитопровода располагаются обе обмотки одной фазы. В стержневых магнитопроводах магнитный поток ярма равен магнитному потоку стержня и площадь поперечного сечения стали в ярме должна быть равна или несколько больше (для уменьшения магнитных потерь) площади сечения стали в стержне. Наибольшее распространение получили магнитопроводы стержневого типа (рис. 6). Иногда в трансформаторах большой мощности для уменьшения их габаритов по высоте до размеров, при которых возможна перевозка трансформаторов в собранном виде по железной дороге, применяют бронестержневые магнитопроводы (рис. 8 и 9).

Снижение высоты у этих трансформаторов происходит за счет ярм, которые по сравнению с ярмами стержневых магнитопроводов имеют высоту в 2 раза меньшую для однофазных трансформаторов и в √3 раза меньшую для трехфазных. На рис. 8 и 9 для сопоставления показаны высоты стержневого hС и бронестержневого hБС магнитопроводов. На этих рисунках обмотки показаны условно (без подразделения на обмотки НН и ВН).

Расшифровка основных параметров

Разнообразие в конструкции и широкий диапазон параметров трансформаторов привели к необходимости их маркировки по специальному стандарту. Не имея под рукой технического описания, характеристики устройства можно выяснить по нанесённой на его поверхности информации, выраженной буквенно-цифровым кодом.

Маркировка силовых трансформаторов содержит 4 блока.

Скачать и посмотреть ГОСТ 15150 можно здесь(откроется в новой вкладе в PDF формате): Смотреть файл

Расшифруем первые три блока:

1. Первая буква «А» прикреплена за автотрансформаторами. При её отсутствии буквы «Т» и «О» соответствуют трёхфазным и однофазным трансформаторам.
2. Наличие далее буквы «Р» информирует об устройствах с расщеплённой обмоткой.
3. Третья буква означает охлаждение, масляной естественной системе охлаждения присвоена литера «М». Естественному воздушному охлаждению выделена буква «С», масляное с принудительным обдувом обозначается «Д», с принудительной циркуляцией масла – «Ц». Сочетание «ДЦ» указывает на наличие принудительной циркуляции масла с одновременным воздушным обдувом.
4. Литерой «Т» помечаются трёхобмоточные преобразователи.
5. Последний знак характеризует особенности трансформатора:

• «Н» – РПН(регулировка напряжения под нагрузкой);
• пробел – переключение без возбуждения;
• «Г» – грозозащищенный.

Цена трансформаторов

Цена трансформатора варьируется в широких пределах и зависит от множества факторов. Здесь учитывается тип и назначение, мощность и другие электрические параметры. На стоимости устройств отражается сложность производства и используемые материалы. Немаловажное значение играет защита и другие особенности.

Трансформатор известного производителя не может быть дешёвым. Однако покупатель может быть уверен, что приобретённое им устройство полностью соответствует указанным характеристикам, не выйдет из строя при первом включении и гарантированно отработает заложенный ресурс.

Высоковольтные трансформаторы можно оценивать по их мощности, то есть если мощность трансформатора 63 МВт(63000 кВА), то он стоит около 63 млн рублей, но это примерна оценка.

Видео: Как проверить исправность трансформатора

Что такое сердечник трансформатора: строение и виды магнитопроводов

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.

Отличительные особенности изотропной и анизотропной сталей

Какими свойствами будет обладать соединение зависит от того, сколько в него добавили кремния во время производственного процесса. Горячекатаная и холоднокатаная сталь имеют разные по размеру ячейки. Если материал отличается крупными кристаллами, то его магнитная проницаемость больше, но незначительная коэрцитивная сила, если сравнить с материалами с мелкими кристаллами. Размер зерен зависит от применяемой механической или термической обработки.

Во время отжига внутреннее напряжение в металле понижается, а одновременно с этим кристаллы увеличиваются, формируя структуру. Если сделать горячую прокатку, то не получится сформировать зерна устойчивыми в определенном положении, поэтому они размещаются хаотично. Это изотропная сталь. Она обладает магнитными свойствами, не зависящими от направления.

Чтобы была получить текстурированный материал второй раз прибегают к холодной прокатке стали, сопровождая ее отжигом в особых условиях. Это позволяет получить анизотропную сталь. Ребра в ней расположены так, как проходила прокатка. Расположение материала в правильном положении способствует повышению магнитной проницаемости и снижению коэрцитивной силы, улучшению работы устройств.

Электротехническую сталь производят и продают в рулонах или отдельных листах. Их длина от 720 до 1000 мм.

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.

Основные свойства и характеристики

Сталь для трансформаторов применяется нержавеющая, магнитная с достаточными показателями проницаемости. Она так популярна в производстве электрооборудования благодаря тому, что обладает высокими электромагнитными характеристиками и теряет минимальное количество энергии в результате нестериса.

Из металла делают различные элементы для трансформаторов и другого электрооборудования. Также он идеально подходит для создания магнитных проводов.

Без этого особого вида стали не обходятся сердечники трансформатора по той причине, что материал способствует более высокому удельному сопротивлению. Это позволяет терять меньше мощности от вихревых токов. Эта проблема обычно касается сердечников электрооборудования. Благодаря его использованию не происходит чрезмерное нагревание сердечника.

Для уменьшения потерь от вихревых потоков, уменьшают толщину пластины. Поэтому толщина стали должна быть 0,5 мм при частоте в 50Гц. Если устройство работает при большей частоте, то необходимо делать сердечник из листов 0,1-0,2 мм.

Металл помогает уменьшить потери на перемагничивание. Это еще одна причина популярности электротехнической стали для производства сердечника трансформатора.

Так как снизить потери и процесс циклического перемагничивания можно с помощью добавления кремния в металл, то сплавы с повышенным содержанием этого элемента получили название трансформаторная сталь. Благодаря применению удалось добиться уменьшения потерь на треть. Также это позволяет уменьшить массу трансформатора на 10%, а расход металла на 20%.

Электромагнитную сталь используют практически во всей электромеханической продукции за счет своих уникальных свойств.