Индуктивности обмоток трансформатора и электромагнитное рассеяние

Дата публикации: 29 июля 2013.
Категория: Трансформаторы.

Индуктивности обмоток

В трансформаторах со стальным магнитопроводом магнитная проницаемость стали µ во время цикла перемагничивания непостоянна. Поэтому в течение этого цикла непостоянны также собственные L и взаимные М индуктивности обмоток трансформатора. В результате такого непостоянства µ при подключении трансформатора к сети с синусоидальным напряжем в его намагничивающем токе i₀ возникают высшие гармоники (смотрите статью «Явления, возникающие при намагничивании магнитопроводов трансформаторов»).

Рисунок 1. Магнитные потоки трансформатора при одностороннем намагничивании (i1 ≠ 0, i2 = 0)

При работе трансформатора на ток i₀ накладывается ток нагрузки, по отношению к которому ток i₀ и, в особенности, его высшие гармоники малы. Поэтому при исследовании режимов работы трансформатора указанными гармониками можно пренебречь и учитывать только основную гармонику тока i₀. Это равносильно допущению, что во время цикла перемагничивания µ, L и M постоянны. Влияние насыщения магнитопровода при этом можно учесть, принимая в расчет при разных режимах работы трансформатора, при разных амплитудах потока магнитопровода, значения µ, L и M для данного режима работы. В соответствии с изложенным будем полагать, что µ, L и M постоянны.

Рассмотрим индуктивности и индуктивные сопротивления обмоток, обусловленные магнитным потоком магнитопровода Ф_с, все силовые линии которого полностью замыкаются по замкнутому магнитопроводу и поэтому сцепляются со всеми витками первичной и вторичной обмоток (рисунок 1).

Пусть поток Ф_с создается током первичной обмотки i₁, когда ток вторичной обмотки i₂ = 0. Значения Ф_с и i₁ могут быть известны, например, из данных расчета магнитной цепи или из опыта. Тогда собственная индуктивность первичной обмотки от потока в магнитопроводе

Lс1 = w1 × Фс / i1.

(1)

Величину L_с1 можно выразить также через магнитное сопротивление магнитопровода

(2)

где l_k, S_k и µ_k соответственно означают длину, площадь сечения и магнитную проницаемость k-го участка магнитной цепи. При этом

Фc = F1 / Rµc = w1× i1 / Rµc.

(3)

и после подстановки этого значения Ф_с в выражение (1) получим

Отметим, что значение R_µc также может быть определено по данным расчета магнитной цепи или из данных опыта по соотношению (3).

Аналогично индуктивность вторичной обмотки от потока магнитопровода

а взаимная индуктивность первичной и вторичной обмоток от потока магнитопровода

Mс = w1 × w2 / Rµс

(6)

Картина магнитного поля, замыкающегося целиком по магнитопроводу, одинакова независимо от того, какой из обмоток это поле создается. Поэтому и магнитное сопротивление потоку Ф_с одинаково для поля обеих обмоток и в равенства (4), (5) и (6) входит одинаковая величина R_µс. Вследствие этого также

(7)

Кроме потока Ф_с, ток первичной обмотки i₁ создает также поток Ф_в1 (рисунок 1), силовые линии которого замыкаются частично по воздуху или через трансформаторное масло. Потокосцеплениям Ψ_в1 и Ψ_в12 этого потока с первичной и вторичной обмотками соответствует собственная индуктивность первичной обмотки

L_в1 = Ψ_в1 / i₁

и взаимная индуктивность двух обмоток

M_в12 = Ψ_в12 / i₁.

Точно так же при питании вторичной обмотки током i₂ создается поток Ф_в2, замыкающийся частично по воздуху. Потокосцеплениям Ψ_в2 и Ψ_в21 этого потока с вторичной и первичной обмотками соответствует собственная индуктивность вторичной обмотки

L_в2 = Ψ_в2 / i₂

и взаимная индуктивность двух обмоток

M_в21 = Ψ_в21 / i₂.

При этом, согласно принципу взаимности,

M_в12 = M_в21 = M_в

Поля потоков Ф_в1 и Ф_в2 имеют гораздо более сложный характер, чем поле потока Ф_с. Отдельные магнитные линии этих потоков сцепляются с неполными и разными числами витков первичной и вторичной обмоток. Поэтому в отличие от L_с2 [смотрите соотношение (7)]

(8)

Полные собственные индуктивности первичной и вторичной обмоток

L11 = Lс1 + Lв1;   L22 = Lс2 + Lв2,

(9)

и полная взаимная индуктивность

Первые слагаемые равенств (9) и (10) значительно больше вторых, так как потоки через воздух относительно малы.

Понятие об электромагнитном рассеянии

Полнота электромагнитной связи двух индуктивно связанных цепей характеризуется коэффициентом связи этих цепей

(11)

Как известно из курса теоретических основ электротехники, в реальных условиях всегда c < 1.

Если бы в трансформаторе отсутствовали потоки Ф_в1 и Ф_в2, замыкающиеся по воздуху, то L₁₁ = L_c1, L₂₂ = L_c2, M = M_c, и в этом случае в соответствии с равенствами (4), (5), (6) и (11)

Таким образом, неполнота электромагнитной связи в трансформаторе, выражаемая неравенством c < 1, обусловлена наличием потоков Ф_в1 и Ф_в2 или, точнее, неодинаковым их сцеплением с обеими обмотками. Условие c = 1 было бы достигнуто только в том случае, если бы удалось полностью совместить первичную и вторичную обмотки, что фактически невозможно.
Явление неполной электромагнитной связи называется электромагнитным рассеянием.

Наряду с соотношением (11) целесообразно ввести в рассмотрение коэффициент электромагнитного рассеяния

(12)

Чем меньше c и чем больше σ, тем больше рассеяние.

Ввиду того что явление рассеяния обусловлено неодинаковостью или неполнотой сцепления потоков Ф_в1 и Ф_в2, проходящих по воздуху, с обеими обмотками, эти потоки называют часто также потоками рассеяния, однако это название до некоторой степени условно, так как потоки Ф_в1 и Ф_в2 обусловливают также явление взаимной индукции, поскольку M_в ≠ 0. Степень неполноты электромагнитной связи, или величина электромагнитного рассеяния, оказывает большое влияние на многие технические показатели и характеристики трансформаторов и вращающихся электрических машин.

В трансформаторах с ферромагнитным магнитопроводом потоки Ф_в1 и Ф_в2 относительно малы.

Поэтому электромагнитная связь в трансформаторах чрезвычайно высока, а рассеяние мало.

В силовых трансформаторах, например, c = 0,998 – 0,9995 и соответственно σ = 0,001 –  0,004.

Вследствие этого значение σ, определяемое по формуле (12), представляет собой разность весьма близких величин и вычисление σ по этой формуле связано с очень большими погрешностями, так как L₁₁, L₂₂ и M в практических устройствах не могут быть рассчитаны или определены из опыта с достаточной степенью точности. Поэтому возникает необходимость в непосредственном определении параметров, характеризующих электромагнитное рассеяние.

Источник: Вольдек А. И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.

Трансформатор со стальным сердечником

Трансформатор со стальным сердечником

Трансформатор представляет собой статическое устройство, служащее для преобразования уровней напряжения и тока, а в некоторых случаях просто для гальванической развязки электрических цепей.

Трансформатор обычно состоит из двух обмоток и магнитопровода. Последний служит для увеличения магнитного потока, что соответствует усилению магнитной связи между обмотками. Та обмотка, которая подсоединяется к источнику, называется первичной, та которая к потребителю – вторичной. Чаще всего обмотки располагаются на одной стороне магнитопровода. На рис. 4.34 изображена схема трансформатора, на которой для наглядности обмотки расположены на разных сторонах (стержнях).

Так же как в катушке со стальным сердечником ток первичной обмотки создает магнитное поле в сердечнике (основной магнитный поток Ф₀) и поток рассеяния

Ф_S. Основной магнитный поток пронизывает вторичную обмотку и наводит в ней э.д.с. Если вторичную обмотку замкнуть на сопротивление нагрузки, то по ней потечет ток. Этот ток в свою очередь создает свой магнитный поток, который суммируется с основным магнитным потоком, а также свой поток рассеяния. Независимо от действия вторичной обмотки суммарный основной магнитный поток остается неизменным, так как он напрямую зависит от напряжения источника.

Активные сопротивления обмоток и их индуктивные сопротивления можно вынести за пределы магнитопровода ввиду их линейного характера. Тогда получается схема для составления основных уравнений трансформатора со стальным сердечником (рис. 4.35).

, ( 4.42)

. ( 4.43)

У правильно сконструированного трансформатора первые два слагаемых достаточно малы, и ими можно пренебречь:

, ( 4.44)

. ( 4.45)

Поделив первое уравнение на второе, получим для действующих значений

, ( 4.46)

где К – коэффициент трансформации.

Из последнего уравнения следует, что напряжения на обмотках пропорциональны числам витков.

Основной магнитный поток создается под суммарным воздействием обеих обмоток и остается неизменным. Поэтому

, ( 4.47)

где I₀– намагничивающий ток, если I₂ = 0, то I₀

– ток холостого хода.

Поделим последнее уравнение на w₁ :

. ( 4.48)

Откуда появляется понятие приведенного тока

. ( 4.48)

У правильно сконструированного трансформатора намагничивающий ток достаточно мал, и в режиме нагрузки им можно пренебречь. Тогда для действующих значений

, ( 4.49)

. ( 4.50)

Токи в трансформаторе обратно пропорциональны числам витков.

Для удобства расчетов используется так называемый приведенный трансформатор, у которого вторичное напряжение приводится к уровню первичной обмотки с учетом коэффициента трансформации. При этом

, , .

Расчетная схема замещения приведенного трансформатора представлена на рис. 4.36.

Векторная диаграмма (рис. 4.37) строится в соответствии с выбранными направлениями токов на схеме замещения. Вектора первичной стороны строятся так же как для катушки со стальным сердечником. Вектор тока I₂отстает от вектора напряжения нагрузки на угол φ₂ . Величина вектора Е складывается из векторов падений напряжений на параметрах вторичной обмотки нагрузки. Ток первичной обмотки складывается из тока холостого тока (намагничивающего тока) и тока вторичной обмотки, взятой с обратным знаком.

---

Дата добавления: 2015-07-24; просмотров: 678 | Нарушение авторских прав

---

Читайте в этой же книге: Нелинейные цепи переменного тока | Форма кривой тока и напряжения | Катушка со стальным сердечником. Схема замещения |

---

mybiblioteka.su — 2015-2020 год. (0.016 сек.)

Обмотка трансформатора со стальным сердечником имеет индуктивность

Ответ или решение 1

Данные задачи: L (индуктивность обмотки) = 0,6 Гн; W (необходимая энергия магнитного поля взятого трансформатора) = 90 Дж.

Силу тока для достижения энергии магнитного поля в 90 Дж определим при помощи формулы: W = L * I 2 / 2, откуда I = √(2W / L).

Выполним расчет: I = √(2 * 90 / 0,6) = 17,32 А.

Ответ: Сила тока в обмотке взятого трансформатора должна быть равна 17,32 А.

Трансформатор со стальным магнитопроводом

Когда используется трансформатор с магнитопроводом из электротехнической стали, нелинейность характеристики магнитопровода влияет на форму тока вторичной обмотки. Чтобы показать это, рассмотрим схему (рис. 13.6), на которой представлен трансформатор, к первичной обмотке которого подключен источник тока. Параллельно источнику тока подключен резистор R 1, поскольку трансформатор нельзя подключать к идеальному источнику тока.

Рис. 13.6. Схема замещения трансформатора со стальным магнитопроводом

Первичная и вторичная обмотки содержат по 150 витков. Входной файл:

i 0 1 sin (0 1А 60Hz)

L1 1 0 150 ; число витков первичной обмотки = 150

L2 2 0 150 ; число витков вторичной обмотки = 150

K1 L1 L2 0.9999 KT

.model KT core ;- используется модель магнитопровода по умолчанию

.options ITL5 = 0

.tran 1ms 16.67ms

Проведите анализ и получите в Probe графики i(R2) и i(L1). Убедитесь в том, что хотя первичный ток имеет форму синусоиды, вторичный ток сильно искажен. Эти графики приведены на рис. 13.7.

Рис. 13.7. Искажения формы тока вторичной обмотки трансформатора при сильном насыщении магнитопровода

Измените значение R 2 и/или число витков каждой обмотки и сравните результаты с полученными ранее. Чтобы показать, что получается при меньшей степени насыщения, используйте следующий входной файл:

Iron-Core Transformer with Less Saturation

I 0 1 sin (0 1A 60Hz)

L1 1 0 10; 10 витков первичной обмотки

L2 2 0 150; 150 витков вторичной обмотки

K1 L1 L2 0.9999 KT

.options ITL5 = 0

.tran 1ms 16.67ms

Выполните анализ и получите в Probe графики i(R 2) и i(L 1)/20. Последний график масштабирован, чтобы облегчить сравнение двух кривых. Из рис. 13.8, где представлен результат моделирования, можно видеть, что обе кривые — почти синусоидальны. Однако вторичный ток по-прежнему несколько искажен.

Рис. 13.8. Искажения формы тока вторичной обмотки трансформатора при допустимом насыщении магнитопровода

Вы можете попробовать несколько других сочетаний сопротивления и числа витков, чтобы лучше понять, как работает основная модель. Вы обнаружите, что для некоторых сочетаний процесс моделирования в PSpice не сходится.

обмотка трансформатора со стальным сердечником имеет индуктивность, равную 0,6 Гн. при какой силе тока энергия магнитного поля трансформатора будет равна 90 Дж?

Ответы:

W=LI^2/2 I= sqrt(2W/L)=sqrt 2*90Дж/0,6гн=sqrt300=17.3 А

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.

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.

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.

После этого проводится расчёт по формуле:

где Sплощадь сечения, 1,33 коэффициент. Полученное значение покажет возможность установки данного трансформатора в прибор известной мощности. Если расчёты дали показатель меньше чем у аппаратуры, значит трансформатор использовать нельзя.

Идёт приём заявок

Подать заявку

Для учеников 1-11 классов и дошкольников

1. В катушке, индуктивность которой равна 0,4 Гн, возникла ЭДС самоиндукции, равная 20 В. Рассчитайте изменение силы тока и энергии магнитного поля катушки, если это произошло за 0,2 с .

2. Под каким углом к силовым линиям магнитного поля с индукцией 0,5 Тл должен двигаться медный проводник сечением 0,85 мм 2 и сопротивлением 0,04 Ом, чтобы при скорости 0,5 м/с на его концах возбуждалась ЭДС индукции, равная 0,35 В? ( удельное сопротивление меди ρ= 0,017 Ом∙мм 2 /м)

3. Обмотка трансформатора со стальным сердечником имеет индуктивность, равную 0, 6 Гн. При какой силе тока энергия магнитного поля трансформатора будет равной 90 Дж?

4.В результате изменения силы тока с 4 до 20А поток магнитной индукции через площадь поперечного сечения катушки, имеющей 1000 витков, изменился на 0, 002 Вб. Найдите индуктивность катушки.

5. В катушке индуктивностью L = 13,9 Гн запасена энергия магнитного поля W =25 мДж. Найдите силу тока, протекающего через катушку

1. В катушке, состоящей из 75 витков, магнитный поток равен 4,8∙10 -3 Вб. За какое время должен исчезнуть этот поток, чтобы в катушке возникла средняя ЭДС индукции 0,74 В?

2. Энергия магнитного поля, запасенная в катушке индуктивности при силе тока 60мА, составляет 25мДж. Найдите индуктивность катушки.

3. В катушке индуктивностью 0, 005 Гн проходит ток силой 20 А. Определите ЭДС самоиндукции, которая возникает в катушке при исчезновении в ней тока за 0, 009 с.

4. Замкнутый проводник сопротивлением R = 3 Ом находится в магнитном поле. В результате изменения индукции магнитного поля В магнит ный поток Ф через контур возрос от Ф ₁ = 0,0002 Вб до Ф ₂ = 0,0005 Вб. Какой заряд Δq прошел через поперечное сечение проводника?

5. Сила тока в катушке уменьшилась с 12 до 8 А. При этом энергия магнитного поля катушки уменьшилась на 2 Дж. Какова индуктивность ка тушки?

Виды магнитопроводов, сердечников трансформаторов

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

магнитопроводы трансформаторов

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

Виды магнитопроводов трансформаторов бывают:

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

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

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

Стыковая конструкция

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

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

Шихтованная конструкция

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

Преимуществом такого вида сборки являются:

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

Из недостатков можно выделить фактор более сложной сборки трансформатора.

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

Влияние некачественной сборки на характеристики изделия

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

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

Конструкция магнитопроводов силовых трансформаторов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Видео: Трансформатор. Ликбез по магнитопроводу

Сегодня поговорим о такой теме как сердечник трансформатора.

Сердечник трансформатора: характеристики основных видов

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.

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.

Основные виды сердечников

Трансформаторы имеют различные сферы применения, технические характеристики, габариты. Они отличаются и по типу магнитопроводов. Конструктивно сердечники разделены на три основных вида:

• стержневые;
• броневые;
• тороидальные.

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.

После этого проводится расчёт по формуле:

где Sплощадь сечения, 1,33 коэффициент. Полученное значение покажет возможность установки данного трансформатора в прибор известной мощности. Если расчёты дали показатель меньше чем у аппаратуры, значит трансформатор использовать нельзя.

Статья была полезной? Оцени и поделись ей в соц. сетях:
 Loading …

Советуем почитать по теме:

обмотки трансформатора | Электрознайка. Домашний Электромастер.

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

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

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

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

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

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

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

Силовой трансформатор – что же это?

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

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

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

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

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

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

w = 50 / S.

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

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

k = Uс / Uн = Iн / Iс.

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

ТОЭ Лекции — №35 Трансформатор без стального сердечника

Простейший трансформатор представляет собой совокупность двух обмоток, размещенных на общем магнитопроводе (рис. 35.1, а).

К его первичной обмотке подводится напряжение источника питания, а ко вторичной – подключается нагрузка. Одноименными зажимами обмоток являются их верхние выводы. Ток первичной обмотки I1 создает в магнитопроводе магнитный поток Ф1, который в свою очередь во вторичной обмотке вызывает появление тока I2. Создаваемый им магнитный поток Ф2 в соответствии с принципом Ленца препятствует потоку Ф1, т.е. направлен ему навстречу. Направление тока I2, соответствующее показанному на схеме потоку Ф2, определяем по правилу правой руки.

Мы будем рассматривать трансформатор, не имеющий ферромагнитного сердечника. Такие трансформаторы применяются при высоких частотах и в специальных электроизмерительных устройствах. Катушки с ферромагнитными сердечниками имеют нелинейные характеристики и здесь не рассматриваются.

Электрическая схема замещения трансформатора изображена на рис. 35.1, б. На схеме указаны: R1, X1, R2, X2 и – сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора, RН и XH – сопротивления нагрузки. Введем обозначения: R22=R2+RH и X22=X2+XH – суммарные активное и реактивное сопротивления вторичной цепи трансформатора, Z1=R1+jX1, Z2=R2+jX2, ZH=RH+jXH, Z22=R22+jX22 – комплексные сопротивления соответствующих участков.

Запишем уравнения второго закона Кирхгофа для первичной и вторичной цепей трансформатора, учитывая, что его обмотки имеют встречное включение:

или

Обозначив I1jXM=E2M, второе уравнение системы (35.1) можно записать так:

E2M=I2Z2+I2Z=

Физически E2M – это ЭДС, которая наводится во вторичной обмотке переменным магнитным полем первичной обмотки. С учетом этого уравнение можно прочитать так: ЭДС, наведенная во вторичной обмотке трансформатора, равна сумме падений напряжений на всех элементах его вторичного контура. Подставляя I2ZH=U2 , получим: U2=E2M-I2Z2 . Смысл последнего уравнения заключается в следующем: напряжение на вторичных зажимах трансформатора меньше эдс, наведенной во вторичной обмотке, на величину падения напряжения на ее сопротивлении.

На рис. 35.2 изображена векторная диаграмма трансформатора. Ее построение начинаем со вторичного тока I2. Ориентируясь на его направление, проводим векторы напряжений на всех элементах вторичной цепи. Их сумма равна ЭДС E2M. Так как в формуле, определяющей ее величину, присутствует множитель j, поворачивающий вектор на четверть оборота, то ток проводим под углом 90° к E2M в сторону отставания. Определив направление I1, строим векторы I1R1 и I1jX1 , которые в сумме с I2jXM – дают U1.

Для анализа работы трансформатора применяют различные эквивалентные схемы. Рассмотрим некоторые из них.

Соединив между собой два нижних зажима трансформатора (режим его работы при этом не изменится) и произведя развязку индуктивных связей, придём к Т-образной эквивалентной схеме (рис. 35.3).

Из второго уравнения системы выразим ток I2 и подставим в первое уравнение той же системы:

Последнему выражению соответствует схема, изображенная на рис. 35.3. Соединенное последовательно с Z1 сопротивление ZBH называется вносимым (из вторичной цепи трансформатора в первичную).

Как следует из формулы, оно равно:

Его активная и реактивная составляющие соответственно равны:

Появление в первичном контуре активного сопротивления, вносимого из первичного контура, физически означает следующее. Энергия, подводимая к трансформатору, потребляется не только сопротивлением R1, но и сопротивлениями вторичной цепи R2 и RH, куда она передается через переменное магнитное поле между обмотками.

Из-за минуса в формуле вносимого реактивного сопротивления общее реактивное сопротивление всей цепи, равное сумме X1 и XBH, оказывается меньше индуктивного сопротивления первичной обмотки.

Это хорошо согласуется со сказанным ранее. При встречном соединении обмоток трансформатора поток Ф2, направленный противоположно потоку Ф1, уменьшает последний, что приводит к уменьшению общего индуктивного сопротивления.