Обзор типов магнитопроводов, и конструктивных и технологических особенностей

Усилитель магнитного поля

Электромагнитное поле неразрывно взаимосвязано с током. Его свойства используются во всех электрических машинах, устройствах электроники и автоматики. Предназначение магнитопроводов состоит в том, чтобы передавать и усиливать магнитное поле.

Усилитель магнитного поля – это сердечник, охваченный витками катушек (обмоток). В зависимости от вида применяемого материала, добиваются определённых характеристик МП.

Усилители по принципу действия бывают двух типов:

• амплистаты – УМП статической конструкции;
• трансдукторы – устройство с подвижными элементами.

Зачем нужен магнитопровод

Чтобы понять, что такое магнитопровод, надо рассмотреть устройство простого трансформатора. Две индукционные катушки намотаны на сердечники, объединённые в единую конструкцию. Именно они являются магнитопроводами (МП).

Что является источником магнитного поля

Первичная катушка под напряжением наводит магнитное поле на сердечник, который наводит магнитный поток на вторичную обмотку. В результате МП индуцирует ток во второй катушке, но уже с другими характеристиками.

Важно! Сердечники изготавливают из особой трансформаторной стали – ферритов. Это сплав железа с оксидами других металлов.

Схемы соединения обмоток трехфазных трансформаторов

В большинстве случаев обмотки трехфазных трансформаторов соединяются либо в звезду (Y), либо в треугольник (Δ).

Выбор схемы соединения обмоток зависит от ряда причин. Например, для сетей с напряжением 35 кВ и более выгодно соединить обмотку трансформатора в звезду и заземлить нулевую точку, так как при этом напряжение выводов трансформатора и проводов линии передачи относительно земли будет всегда в √3 раза меньше линейного, что приводит к снижению стоимости изоляции. Осветительные лампы накаливания более низкого напряжения имеют большую световую отдачу, а осветительные сети выгодно строить на более высокое напряжение. Поэтому вторичные обмотки трансформаторов, питающих осветительные сети, соединяются обычно в звезду и осветительные лампы включаются на фазное напряжение – между линейными и нулевыми проводниками. В ряде случаев, когда ток обмотки невелик, при соединении в звезду обмотки получаются более дешевыми, так как число витков при этом уменьшается в √3 раза, а сечение проводов увеличивается также в √3 раза, вследствие чего трудоемкость изготовления обмотки и стоимость обмоточного провода уменьшаются. С другой стороны, с точки зрения влияния высших гармоник и поведения трансформатора при несимметричных нагрузках целесообразно соединять одну из обмоток трансформатора в треугольник.

В некоторых случаях применяется также соединение обмоток по схеме зигзага (рисунок 1), когда фаза обмотки разделяется на две части, которые располагаются на разных стержнях и соединяются последовательно. При этом вторая половина обмотки подключается по отношению к первой встречно (рисунок 1, а), так как в этом случае электродвижущая сила (э. д. с.) фазы будет в √3 раза больше (рисунок 1, б), чем при согласном включении (рисунок 1, в). Однако при встречном включении половин обмотки ее э. д. с. (√3 E1) будет все же в 2 / √3 = 1,15 раза меньше, чем при расположении обеих половин на одном стержне (2 E1). Поэтому расход обмоточного провода при соединении зигзагом увеличивается на 15%. Вследствие этого соединение зигзагом используется только в специальных случаях, когда возможна неравномерная нагрузка фаз с наличием токов нулевой последовательности.

Бак с арматурой

Бак трансформатора выполняет много функций. Это, во-первых, механическая основа, на ней внутри и снаружи крепятся все элементы трансформатора; это также и элемент охлаждения, передающий в окружающий воздух тепловые потери, и резервуар для масла, обладающий достаточной маслоплотностью. Ранее изготовлялись волнистые и трубчатые баки. Теперь все баки гладкие, овальной или прямоугольной формы. Бак состоит из обечайки 3, дна 4, рамы 2 и крышки 1 (см. рис. 17) с отверстиями для крепления болтами к раме.

Рис. 17 — Основные части бака трансформатора

Крышка закрывает бак и одновременно является основанием для установки расширителя, вводов, приводов переключающих устройств, подъемных колец и других устройств (см. рис.18). Место разъема крышки с баком соединяют уплотнительной резиной, укладываемой на раму в уступ между выступающим торцом обечайки и отверстиями в раме. Для перемещения трансформаторов под днищем установлены катки; для подъема трансформатора на стенках бака установлены крюки; для крепления радиаторов и фильтров – патрубки с фланцами; для заполнения трансформаторов маслом имеются вентили.

1 — фланец для соединения с расширителем, 2 — рым, 3 — ввод ВН, 4 — переключатель, 5 — кран, 6 — термометр, 7 — пробивной предохранитель, 8 — ввод нейтрали НН, 9 — линейный ввод НН, 10 — крышка, 11 — место установки расширителя

Рис. 18 — Крышка трансформатора (вид сверху)

Расширитель служит для локализации (компенсации) колебаний уровня масла в трансформаторе при изменении температуры (см. рис.19). Кроме того, он уменьшает площадь соприкосновения воздуха с маслом, и, следовательно, защищает масло от преждевременного окисления. Объем расширителя выбирают таким образом, чтобы при всех режимах работы трансформатора от отключенного состояния до номинальной нагрузки и при колебаниях температуры окружающего воздуха от – 45С до + 45С в нем было масло (обычно 8-10% объема масла, находящегося в трансформаторе). На рисунке 19 видно, что при нагревании масло из бака трансформатора по трубе, соединяющей его с патрубком 7, вытесняется в расширитель; при снижении температуры оно обратно поступает в бак. На торцевой стенке корпуса 2 расширителя установлен маслоуказатель 1, на котором нанесены 3 деления с контрольными цифрами: -45, +15, +45. Это означает, что в неработающем трансформаторе уровни масла, отмеченные делениями, должны соответствовать указанным температурам окружающего воздуха. Для сбора и удаления осадков и влаги со дна расширителя предназначен отстойник 10 с отверстием, закрываемым пробкой 9 и служащим также для слива масла из расширителя. Изменение в расширителе уровня масла, а следовательно, его объема, компенсируется атмосферным воздухом, поступающим в расширитель из окружающей среды через осушитель, подсоединяемый к патрубку 6. Отверстие с пробкой 5 предназначено для заполнения расширителя маслом, кольца 3 — для подъема, патрубок 4 — для соединения с предохранительной трубой. Чтобы осадки не попадали в трансформатор со дна расширителя, конец патрубка 7 выступает внутри расширителя на 50-60 мм. Расширитель устанавливают немного выше уровня крышки 8 бака трансформатора с помощью опорных пластин 12, которые приварены к кронштейнам 11, закрепленным на крышке болтами.

Рис. 19 — Устройство расширителя

Термосифонный фильтр (рис.20) служит для непрерывной регенерации масла в процессе работы трансформатора и представляет собой металлический сосуд 4, заполненный силикагелем 3, и присоединенный трубами 6 и 7 к верхнему и нижнему патрубку бака. Силикагель загружают в него через бункер 5, а отработанный высыпают через бункер 1. В бункерах установлены металлические решетки с сетками, предотвращающие попадание силикагеля в бак трансформатора. Циркуляция масла через фильтр основана на конвекции за счет разности температур верхнего и нижнего слоев масла. Об увлажнении и необходимости замены сорбента или его восстановления свидетельствует изменение цвета с голубого на розовый индикаторного силикагеля, засыпанного в прозрачный колпак воздухоосушителя. У современных трансформаторов воздухоосушитель встраивают в расширитель.

Рис. 20 — Термосифонный фильтр

При работе трансформаторов теплота, выделяемая магнитной системой, обмотками и другими частями, подверженными нагреву, передается маслу. Масло конвекцией передает теплоту стенкам бака, а стенки – окружающему воздуху. Каждый квадратный метр поверхности бака при естественной циркуляции масла способен отвести 400-450 Вт. Если тепловая нагрузка поверхности бака будет больше, то температура активной части и трансформатора может превысить допустимую. В трансформаторах небольшой мощности (25-40 кВА) потери энергии сравнительно невелики, для ее отвода достаточно гладкой поверхности бака. В трансформаторах мощностью более 40 кВА применяют навесные радиаторы с трубами овальных и круглых форм (см.рис.21). Их крепят болтами к патрубкам бака, уплотняя резиновыми прокладками. Радиаторы могут быть съемными или вваренными. Съемные радиаторы легче ремонтировать, но от вибрации в их уплотнениях часто возникает течь масла.

1 — патрубок с фланцем, 2 — коробка (коллектор), 3 — овальная труба, А — расстояние между центрами патрубков (основной монтажный размер радиаторов)

Рис. 21 — Прямотрубный двухрядный радиатор

Характеристики и принцип действия

Принцип действия МП заключается в том, чтобы увеличивать магнитное поле, направленное на вторичную обмотку электроустройства. Характеризующие величины МП напрямую зависят от состава сплава, применяемого для изготовления сердечников. Самыми эффективными усилителями считаются ферромагнетики.

Электромагнит

Чтобы в сердечнике постоянно возрастала сила магнитного потока, нужно повышать силу тока и количество витков в катушке.

Следует понимать! Величина магнитного поля ограничивается характеристиками материала, из которого изготовлен сердечник.

Чтобы чётко выразить характеристики магнитопровода, их отображают графически на осях координат. Изменение величин выглядит в виде замкнутой кривой линии, называемой петлёй гистерезиса.

Конструкция

Устройство трансформатора предполагает наличие одной либо большего числа отдельных катушек (ленточных или проволочных), находящихся под единым магнитным потоком, накрученных на сердечник, изготовленный из ферромагнетика.

Важнейшие конструктивные части следующие:

В приборах чаще всего можно увидеть обмотку двух типов: первичную, получающую электроток от стороннего питающего источника, и вторичную, с которой напряжение снимается.

Сердечник обеспечивает улучшенный обратный контакт обмоток, обладает пониженным сопротивлением магнитному потоку.

Некоторые виды приборов, работающие на сверхвысокой и высокой частоте, производятся без сердечника.

Производство приборов налажено в трех базовых концепциях обмоток:

Устройство трансформаторов стержневых подразумевает накручивание обмотки на сердечник строго горизонтальное. В приборах броневого типа она заключена в магнитопроводе, размещается горизонтально либо вертикально.

Надежность, эксплуатационные особенности, устройство и принцип действия трансформатора принимаются без какого-либо влияния принципа его изготовления.

Петля гистерезиса

Гистерезис по-гречески означает запаздывание. Графическое изображение петли гистерезиса отражает степень намагничивания тела, находящегося во внешнем магнитном поле. Гистерезис – это зависимость векторов намагничивания и напряжённости магнитного поля в какой-либо среде от приложенного внешнего МП. Состояние тела на данный момент времени сравнивается с его предыдущим состоянием. При этом наблюдается отставание реакции тела на воздействие внешнего МП. Физическое действие отлично проявляется в ферромагнетиках: это железо, кобальт, никель и сплавы из них. Петля гистерезиса даёт объяснение существования постоянных магнитов.

Петля гистерезиса

Обратите внимание! Магнитным гистерезисом ферромагнетика называют отставание изменения степени намагничивания тела от изменения внешнего магнитного поля. То есть петля показывает зависимость степени намагничивания от предыстории образца

Магнитная проницаемость ферромагнетика – непостоянная величина, она тесно связана с индукцией внешнего поля. Кривая намагничивания сердечника представляет собой изогнутую петлю, при определённой степени насыщения поля ферромагнетика. В дальнейшем эта величина не растёт. Если внешнюю индукцию уменьшить до нуля, то ферромагнетик сохранит остаточное намагничивание. При смене направления внешнего поля ферромагнетик перемагничивается в обратную сторону.

Виды магнитопроводов

Магнитопроводы изготавливают стержневой, броневой и кольцевой конструкций.

Стержневой тип

Вертикальные сердечники ступенчатого сечения образуют с горизонтальными ярмами окружность. Обмотки расположены только на вертикальных элементах. Вся система магнитопровода устроена в виде замкнутой цепи.

Пластинчатые наборные магнитопроводы

Броневой тип

Сердечники в сечении имеют прямоугольную форму. Они занимают горизонтальное положение. Обмотки тоже выполнены в прямоугольном виде. Для того чтобы исполнить такую конфигурацию оборудования, требуется довольно сложная производственная технология. Поэтому такой тип МП используется только в специальных видах трансформаторов.

Кольцевой – тороидальный тип

Кольцевые ленточные магнитопроводы применяют в сборке силовых однофазных трансформаторов. МП изготавливают из холоднокатаной электротехнической стали толщиной 0.08, 0,3 и 0,35 мм. Тороидальные сердечники изготавливают из феррита или карбонильного железа. Их широко применяют в радиоэлектронике.

Кольцевые тороидальные МП

Пластинчатый (шихтованный) магнитопровод

Магнитопровод электротехнического изделия (устройства), согласно ГОСТ 18311-80, это магнитная система электротехнического изделия (устройства) или совокупность нескольких ее частей в виде отдельной конструктивной единицы
Пластинчатый магнитопровод – это деталь или комплект деталей, предназначенных для прохождения основной части магнитного потока, возбуждаемого электрическим током. Магнитопровод является неотъемлемой частью трансформаторов, катушек индуктивности, реле и т.п.

Этапы производства магнитопроводов пластинчатых, особенности сборки пластинчатых магнитопроводов

По своей конструкции и свойствам пластинчатые (шихтованные) магнитопроводы значительно отличаются от витых магнитопроводов ленточных и кольцевых (тороидальных). Изготовление сердечников этого типа регулируется ГОСТ 20249-80 и выполняется по следующей схеме:

1. Резка материалов. Производится на агрегатах продольной резки, оборудованных дисковыми ножами. Материал раскраивается на ленты нужных размеров.
2. Рубка пластин. Производится рубка деталей на гильотинах и агрегатах поперечной резки (в том числе пробивка отверстий в пластинах).
3. Сборка магнитопроводов. Производится по технологии сборки стыковых или шихтованных магнитопроводов.
4. Контроль качества. Измерение основных характеристик полученных изделий и их соответствия техническому заданию

Процедура представляет собой набор пластин в пакет и их скрепление (стягивание) между собой. Соединение деталей выполняется несколькими способами:

• шпильками и болтами;
• обжимными скобами;
• металлической обоймой.

Важное условие сборки – изоляция крепежных деталей от магнитопровода. В некоторых случаях пакет подвергается сжатию. В этом случае происходит изменение магнитной проницаемости и показателей электрического сопротивления. Процедура выполняется при давлении 2-5 МПа, усилие сжатия подбирается в зависимости от материалов и конструкции пластин.

После проведения сжатия обязательно осуществляется контроль качества изготовления. С его помощью удается узнать полученную магнитную индукцию и проницаемость, а также ток холостого тока пластинчатого магнитопровода.

Соблюдение точного технологического процесса позволяет получить надежные и прочные конструкции, которые выдерживают большие нагрузки и готовы к эксплуатации практически в любых условиях.

Магнитопроводы трансформаторов

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

магнитопроводы трансформаторов

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

Виды магнитопроводов трансформаторов бывают:

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

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

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

Стыковая конструкция

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

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

Шихтованная конструкция

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

Преимуществом такого вида сборки являются:

Из недостатков можно выделить фактор более сложной сборки трансформатора.

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

Конструкция магнитопроводов силовых трансформаторов

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

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

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

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

Стержни магнитопроводов во избежание распушения спрессовывают (скрепляют). Делают это обычно наложением на стержень бандажа из стеклоленты или стальной проволоки. Стальной бандаж выполняют с изолирующей пряжкой, что исключает создание замкнутых стальных витков на стержнях. Бандаж накладывают равномерно, с определенным натягом. Для опрессовки ярм 3 и мест их сочленения со стержнями 1 используют ярмовые балки 2, которые в местах, выходящих за крайние стержни (рис. 18), стягивают шпильками. Во избежание возникновения разности потенциалов между металлическими частями во время работы трансформатора, что может вызвать пробой изоляционных промежутков, разделяющих эти части, магнитопровод и детали его крепления обязательно заземляют. Заземление осуществляют медными лентами, вставляемыми между стальными пластинами магнитопровода одними концами и прикрепляемыми к ярмовым балкам другими концами. Магнитопроводы трансформаторов малой мощности (обычно мощностью не более 1 кВ·А) чаще всего изготовляют из узкой ленты электротехнической холоднокатаной стали путем навивки. Такие магнитопроводы делают разрезными (рис. 1.9), а после насадки обмоток собирают встык и стягивают специальными хомутами.

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

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

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

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

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

СТЫКОВЫЕ И ШИХТОВАННЫЕ МАГНИТОПРОВОДЫ

Магнитопроводы силовых трансформаторов собираются из отдельных пластин. Наиболее простым конструктивным решением для магнитопровода и последующей первой сборки трансформатора, т. е. насадки обмоток на стержни, были бы отдельная сборка стержней и ярм, из которых составляется магнитопровод. Схема устройства стыкового магнитопровода показана на рис. 11.6, а.

Однако стыковая конструкция страдает рядом серьезных недостатков. Во избежание замыкания пластин стержня и ярма в месте стыка (рис. 11.7, а) необходимо закладывать прокладку из изолирующего ма

териала (рис. 11.7, б).

Но эта прокладка увеличивает магнитное сопротивление магнитопровода, что ведет к увеличению намагничивающего тока. В случае повреждения изоляционной прокладки замыкание пластин стержня и ярма может привести к так называемому пожару в стали, т. е. к аварии трансформатора.

Рис. 11.6. Конструкция магнитопроводов:

а — стыковая; б — шихтованная

Рис. 11.7. Стыковое соединение ярма и стержня:

я — без изолирующей прокладки; б — с изолирующей прокладкой: 1 — пластина ярма; 2—изоляция пластин; 3—изолирующая прокладка в стыке между ярмом и стержнем; 4 — путь замыкания вихревых токов; 5— пластины стержня

Из-за указанных недостатков стыковая конструкция не нашла широкого применения. В отечественном трансформаторостроении принята шихтованная конструкция магнитопроводов для силовых трансформаторов всех мощностей. Она обеспечивает большую жесткость магнитопровода, требует меньшего количества крепежных деталей и более надежна в эксплуатации.

Все четные слои имеют положение пластин, а все — обратное (зеркальное) расчетом, чтобы пластины одного слоя перекрывали стыки в соседних слоях.

Таким образом, пластины соседних слоев как бы переплетены друг с другом (рис. 11.6, б).

Магнитопровод шихтованной конструкции собирают из отдельных слоев, каждый из которых состоит из нескольких пластин, расположенных определенным образом.

СХЕМЫ ШИХТОВКИ ОДНО- И ТРЕХФАЗНЫХ МАГНИТОПРОВОДОВ

Схема шихтовки одно- и трехфазного стержневых магнитопроводов показана на рис. 11.8 и 11.9.

При шихтовке магнитопровода ярма и стержни образуют как быодно целое. Но для насадки обмоток на стержни, т. е. для операции первой сборки трансформатора, после изготовления магнитопровода необходимо расшихтовать верхнее ярмо, т. е. вынуть все листы ярма, а после насадки обмоток — вновь его зашихтовать.

Для сокращения излишних операций по двукратной шихтовке верхнего ярма для трансформаторов габарита I на некоторых заводах

Рис. 11.8. Схема шихтовки однофазного стержневого магнитопровода:

а — первое положение пластин (нечетных слоев); б — второе, обратное первому, положение пластин (четных слоев); в — перекрытие стыков

Рис. 11.9. Схема шихтовки трехфазного магнитопровода: а — первое положение пластин (нечетных слоев); б—второе, обратное первому, положение пластин (четных слоев)

стали совмещать операции по сборке шихтованного магнитопровода и первой сборке в одну операцию, при которой шихтовка магнитопровода производится непосредственно в обмотках, положенных горизонтально (рис. 11.10).

Рис. 11.10 Сборка (шихтовка) магнитопровода непосредственно в обмотках

Кроме того, на некоторых заводах шихтовку верхнего ярма в малых трансформаторах также не делают при сборке магнитопровода, а для его подъема ярмовые балки ставят на стержни ниже будущей зашихтовки.

Дата добавления: 2019-02-12 ; ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Применение трансформаторов

При передаче электроэнергии на большие расстояния могут возникать довольно большие потери из-за нагрева проводов. Во избежание столь негативного явления многократно применяют трансформаторы. Изначально на электростанции повышают напряжение соответственно со значительным уменьшением силы тока. После прохода энергии через линии электропередач перед доставкой тока потребителю с помощью трансформаторов снижают напряжение до приемлемого уровня (220 в).

Поскольку в сетях электролиний проходит трёхфазный ток, то для его преобразования применяются группы из 3 однофазных трансформаторов, соединённых в звёздную или треугольную схему. Также используются трёхфазные трансформаторы с единым магнитопроводом. Оборудование обладает высоким КПД. В связи с этим происходит выделение большого количества тепла. Поэтому мощные трансформаторы помещают в ёмкости, заполненные специальным маслом.

Мощный силовой трансформатор

Различные электроприборы нуждаются в питании током определённой величины напряжения. Для этого в их корпуса встраивают трансформаторы с нужными характеристиками. Для питания современных радиотехнических и электронных приборов используют высокочастотные импульсные трансформаторы.

Трансформаторы являются основой контрольно-измерительных устройств. Смысл использования таких приборов заключается в безопасной передаче формы импульсов напряжения исследуемой электроцепи. Например, измерительные трансформаторы применяют в системах дизельных генераторов с токами средней мощности (до 1 мегаватта).

Согласующие трансформаторы применяют при подключении устройств с низкоомным сопротивлением к каскадам электроники с высокими входными или выходными показателями сопротивления. Примером может служить соединение усилителя звуковой частоты с динамиками, которые имеют очень низкое сопротивление.

Дополнительная информация. Величина энергетических потерь в трансформаторе напрямую зависит от качества электротехнической стали сердечника. Минимальные потери на нагрев, гистерезис и вихревые токи происходят там, где сердечники собраны из большого количества секций.

Вводы трансформатора

Вводы служат для подключения трансформатора к сети. Вводы устанавливают в отверстиях на крышке или реже на боковой стенке бака. Существуют разные конструкции вводов, они зависят от электрических параметров (класса напряжения и величины тока), рода установки (внутренней или наружной) и от способа присоединения к обмоткам трансформатора. Токоведущий стержень или провод изолируют от крышки фарфоровыми изоляторами. Фарфор и металл крышки имеют разное объемное расширение при колебаниях температуры и поэтому жесткое крепление между ними не может обеспечить необходимой маслоплотности. Ранее применяли соединение изоляторов с металлическими деталями через специальную армировочную замазку. На рисунке 14 показан ввод ВН. Изолятор армирован в круглый фланец. Вводы НН рассчитаны на большие токи порядка сотен и тысяч ампер, и во избежание нагрева фланцев возникающими в них вихревыми токами, все три изолятора вводов НН (рисунок 15) армируют в обойму, которая крепится в общем отверстии крышки шпильками и гайками на уплотнении.

1 — фарфоровый изолятор; 2 — токоведущая шпилька: 3 — резиновая шайба: 4 — колпак; 5 — фланец; б — прокладка; 7 — электрокартонная шайба; 8— стальная шайба; 9— крышка трансформатора; 10 — армировочная замазка

Рис. 14 — Армированный ввод ВН

Рис. 15 — Установка вводов НН в обойме

Теперь все трансформаторные заводы перешли на изготовление съемных вводов, которые более технологичны в ремонте: для замены поврежденного фарфорового изолятора не требуется разборка трансформатора и отсоединение отводов внутри бака. Изолятор (рисунок 16) ввода ВН крепится к крышке через кулачки из алюминиевого сплава. Их фиксирует в строгом положении стальной фланец.

1 — контактный наконечник; 2 — болт с гайками и шайбами; 3 — болт наконечника; 4 — специальная гайка; 5 — латунная втулка; 6 — резиновое кольцо; 7 — латунный колпак; 8 — винт для выпуска воздуха; 9 — резиновая шайба; 10 — выступ шпильки: 11 — электрокартонная шайба; 12 — буртик шпильки; 13 — фарфоровый изолятор; 14 — токоведущая шпилька; 15 — установочная шпилька; 16 — гайка; 17 — фланец; 18 — кулачок; 19 — резиновая прокладка; 20 — крышка трансформатора; 21 — гетинаксовая втулка; 22 —медная шайба; 23 — гайка

Рис. 16 — Съемный ввод ВН

Отверстия в крышке для вводов НН соединяются прорезью, заваренной немагнитным металлом.

Как устроены магнитные цепи?

Магнитную цепь, на самом деле, не так сложно представить, как может показаться человеку, который о них впервые слышит. Обычно . Пожалуй, один из самых простых примеров с одним источником, который можно взять на вооружение, проиллюстрирован ниже:

Перед продолжением обусловимся, что среди электротехников сердечник называют магнитопроводом. Часть магнитопровода, на которой отсутствуют обмотки и которая служит для замыкания магнитной цепи, называется «ярмо».

Начнем с тороидального сердечника. Такой тороидальный сердечник может служить формой для катушки, как бы странно это не звучало. Но что за катушка? Ну, первое что приходит в голову — провод, образующий витки. Хорошо, но какого его предназначение? Вернемся к электрическим цепям и вспомним, что существуют источники тока / напряжения, так называемые . Так вот, в магнитных цепях

Вспомним теперь про ферромагнитные материалы. Почему именно они? Дело в том, что благодаря высокому значению магнитной проницаемости, что сигнализирует о хорошей намагниченности ферромагнетика, силовые линии магнитного поля практически не выходят за пределы сердечника, либо не выходят вовсе. Однако это будет справедливо лишь тогда, когда наш сердечник замкнутый, либо имеет небольшие зазоры. То есть, ферромагнетики обладают сильно выраженными магнитными свойствами, когда как у парамагнетиков и диамагнетиков они значительно слабее, что можно наблюдать на следующем графике зависимости намагниченности от напряженности магнитного поля:

Зачем шихтуются магнитопроводы

При шихтовке магнитопровода, пластины стержня и ярма набираются в перехлест, воздушный зазор в месте стыка стержней и ярем может быть минимальным, что снизит магнитное сопротивление и уменьшит потери ХХ. Механическая прочность шихтованного магнитопровода намного выше, чем стыкового.

Вихревые токи создают свой магнитный поток, стремящийся, в соответствии с правилом Ленца, ослабить изменение основного потока. Поэтому они действуют размагничивающим образом, уменьшая основной поток.

Потери на вихревые токи можно определить, воспользовавшись понятием активной мощности переменного тока.

В соответствии с законом Джоуля — Ленца вихревые токи нагревают проводники, в которых они возникли. Поэтому вихревые токи приводят к потерям энергии (потери на вихревые токи) в магнитопроводах (в сердечниках трансформаторов и катушек переменного тока, в магнитных цепях машин).

Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи (и вредного нагрева магнитопроводов) и уменьшения эффекта «вытеснения» магнитного потока из ферромагнетиков магнитопроводы машин и аппаратов переменного тока делают не из сплошного куска ферромагнетика (электротехнической стали), а из отдельных пластин, изолированных друг от друга (например, специальным лаком). Такое деление на пластины, расположенные перпендикулярно направлению вихревых токов, ограничивает возможные контуры путей вихревых токов, что сильно уменьшает величину этих токов.

Дата добавления: 2015-04-18 ; ; Нарушение авторских прав

Источник

Специальные виды трансформаторов

К этой группе относят:

Разделительные трансформаторы

Размещение двух обмоток совершенно одинаковой конструкции на общем магнитопроводе позволяет из 220 вольт 50 герц на входе получать такое же напряжение на выходе.

Напрашивается вопрос: зачем делать такое преобразование? Ответ прост: в целях обеспечения электрической безопасности.

При пробое изоляционного слоя провода первичной схемы, на корпусе прибора появляется опасный потенциал, который по случайно сформированной цепи через землю способен поразить человека электрическим током, нанести ему электротравму.

Гальваническое разделение схемы позволяет оптимально использовать питание электрооборудования и в то же время исключает получение травм при пробоях изоляции вторичной схемы на корпус.

Поэтому разделительные трансформаторы широко используются там, где проведение работ с электроинструментом требует принятия дополнительных мер безопасности. Также они широко используются в медицинском оборудовании, допускающем непосредственный контакт с телом человека.

Высокочастотные трансформаторы

Отличаются от обычных материалом магнитопровода, который способен, в отличие от обычного трансформаторного железа, хорошо, без искажений передавать высокочастотные сигналы.

Используется в электротермии, в частности при индукционном нагреве в электротермических установках для высокочастотной сварки металлов, плавки, пайки, закалки и т.д.

Согласующие трансформаторы

Основное назначение — согласование сопротивлений разных частей в электронных схемах. Согласующие трансформаторы нашли широкое применение в антенных устройствах и конструкциях усилителей на электронных лампах звуковых частот.

Сварочные трансформаторы

Первичная обмотка создается с большим число витков, позволяющих нормально обрабатывать электрическую энергию с входным напряжением 220 или 380 вольт. Во вторичной обмотке число витков значительно меньше, а ток протекающий по ним высокий. Он может достигать тысяч ампер.

Поэтому толщина провода этой цепи выбирается повышенного поперечного сечения. Для управления сварочным током существует много различных способов.

Сварочные трансформаторы массово работают в промышленных установках и пользуются популярностью у любителей изготавливать различные самоделки своими руками.

Рассмотренные виды трансформаторов являются наиболее распространёнными. В электрических схемах работают и другие подобные устройства, выполняющие специальные задачи технологических процессов.

Сверхпроводящий электромагнит

Сверхпроводимостью считают свойство материалов с сопротивлением, близким к нулю. Электромагниты с практически нулевым показателем сопротивления обладают сверхмощным магнитным полем. Сила магнитного воздействия может заставить парить в пространстве такие диамагнетики, как кусочки свинца и органические объекты.

Как было замечено физиками, металлы приобретают свойство сверхпроводимости при сверхнизкой температуре. Чтобы получить эффект сверхпроводимости, обмотки ЭМ помещают в сосуд Дьюара с жидким гелием, который снабжён клапаном для сброса паров вещества. Сверхпроводящие магниты применяют в медицинском оборудовании – аппаратах МРТ (магнитный резонансный томограф). В экспериментальных поездах на воздушной подушке применяются сверхпроводящие магниты.

Сверхпроводящий магнит

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.

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.

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.

Технические характеристики

Важной характеристикой являются коэффициенты трансформации. Они показывают зависимость выходного напряжения от соотношения витков в обмотках. Коэффициент трансформации является базовым параметром при расчете.

Другая важная характеристика трансформатора – его КПД. В некоторых аппаратах этот показатель составляет 0,9 – 0,98, что характеризует незначительные потери магнитных полей рассеяния. Мощность P зависит от площади S сечения магнитопровода. По значению S, при расчетах параметров трансформатора, определяют количество витков в катушках: W = 50 / S.

На практике мощность выбирают исходя из предполагаемой нагрузки, с учетом потерь в сердечнике. Мощность вторичной обмотки Pн= Uн× Iн, а мощность первичной катушки Pс= Uс× Iс. В идеале Pн = Pс (если пренебречь потерями в сердечнике). Тогда k = Uс / Uн = Iс / Iн , то есть, токи в каждой из обмоток имеют обратно пропорциональную зависимость от их напряжений, следовательно, и от количества витков.

для “Магнитопроводы трансформаторов”

1. Новичок
   :

   в

   Здравствуйте всем! Посоветуйте, пожалуйста, подходящий материал магнитопровода для трансформатора?

   Ответить

2. Admin

   :

   в

   Магнитопроводы выбирают в соответствии с целесообразностью для конкретного применения. Например, в аппаратуре широкого применения (бытовая радиоэлектроника) при производстве, критерием оптимальности может выступать минимальная стоимость магнитопровода и обмоточного провода, экономичность производства и некоторые другие специфические критерии (метеорологические зонды, самолеты и т.п.)

   Ответить

3. Демон

   :

   в

   Для чего нужен магнитопровод в трансформаторе?

   Ответить

   Admin

   :

   в

   Магнитопровод нужен для более эффективной передачи энергии из одной обмотки в другую через магнитное поле, почти полностью концентрирующегося в материале сердечника. Без сердечника бы огромная часть магнитного поля первичной обмотки впустую «развеялась» в пространстве, так и не приняв участия в индукции тока в другой обмотке.

   Ответить

4. Демон

   :

   в

   С чем связано то что первичная и вторичная обмотки силовых трансформаторов наматываются одна на другую?

   Ответить

Конструктивные особенности

Магнитопроводы изготавливают в стыковом и шихтованном исполнениях. Конструкции различаются способом соединения сердечников с ярмами (частью стержней без обмоток).

Стыковое исполнение

Собирают части МП раздельно. На вертикальные сердечники устанавливают обмотки. Потом их скрепляют горизонтальным верхним ярмом с помощью шпилек. После этого монтируют нижнее ярмо. Удобна эта конструкция тем, что, удалив шпильки, сняв горизонтальную секцию, можно всегда сменить обмотки. Стыковая конструкция используется в шунтирующих токоограничивающих устройствах реакторов.

Конструкция и материалы

Пластинчатые магнитопроводы собираются из плоских пластин и имеют Ш-образную или П-образную форму. Ш-образные пластины используются для создания изделий броневого типа, а П-образные детали – для стержневых конструкций.

В качестве исходных материалов применяются холоднокатаная анизотропная электротехническая сталь, либо магнитомягкие аморфные сплавы и композиционный (нанокристаллический) материал. Электротехническую сталь обычно служит основой для силовых трансформаторов, трансформаторов тока (защиты). Аморфные сплавы и композиционный (нанокристаллический) материал используется для измерительных трансформаторов, а также силовых трансформаторов с пониженными потерями холостого хода.

Магнитопроводы, создаваемые на основе пластин, могут собираться за счет отдельной подготовки стержней с ярмами. Т.е. части пластинчатого магнитопровода собирают отдельно, на стержни устанавливают обмотки, потом их скрепляют с верхним и нижним ярмом при помощи шпилек. Такой магнитопровод называется стыковым. Стыковая конструкция используется в шунтирующих токоограничивающих устройствах реакторов.

Для улучшения работы пластинчатых магнитопроводов 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. Они применяются в силовых трансформаторах.

Марки ферритов

Ферриты по своему составу подразделяются на две группы: марганцово-цинковые и никель-цинковые. Марганцово-цинковые ферриты обозначают буквами НМ, соответственно, никель-цинковые вещества маркируют литерами – НН. Число перед буквенным обозначением феррита означает величину начальной магнитной проницаемости в единицах µнач. Этот показатель даётся с корректировкой номинального значения. Например, феррит марки 4000НМ имеет магнитную проницаемость с отклонением в пределах от – 800 до + 500 µнач.

Магнитопроводы имеют исключительное значение в формировании таких приборов, как трансформаторы и другие электротехнические устройства. От их качественного состава во многом зависят исходные технические характеристики приборов.