Магнитопровод трансформатора выполняется из электротехнической стали для

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.

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.

Применение постоянных магнитов

Немаловажное значение имеют ПМ в различных областях деятельности человека. В зависимости от сферы применения, ПМ обладают различными характеристиками

В последнее время активно применяемый основной магнитный сплав NdFeB состоит из следующих химических элементов:

• «Nd» – ниодия,
• «Fe» – железа,
• «B» – бора.

Сферы, где применяют постоянные магниты:

1. Экология;
2. Гальваника;
3. Медицина;
4. Транспорт;
5. Компьютерные технологии;
6. Бытовые приспособления;
7. Электротехника.

Экология

Разработаны и действуют различные системы очистки отходов промышленного производства. Магнитные системы очищают жидкости во время производства аммиака, метанола и других веществ. Магнитные улавливатели «выбирают» из потока все железосодержащие частицы.

Кольцевидные ПМ устанавливают внутри газоходов, которые избавляют газообразные выхлопы от ферромагнитных включений.

Сепараторные магнитные ловушки активно отбирают металлосодержащий мусор на конвейерных линиях переработки техногенных отходов.

Гальваника

Гальваническое производство основано на движении заряженных ионов металла к противоположным полюсам электродов постоянного тока. ПМ играют роль держателей изделий в гальваническом бассейне. В промышленных установках с гальваническими процессами устанавливают магниты только из сплава NdFeB.

Медицина

В последнее время производителями медицинского оборудования широко рекламируются приборы и устройства на основе постоянных магнитов. Постоянное интенсивное поле обеспечивается характеристикой сплава NdFeB.

Свойство постоянных магнитов используют для нормализации кровеносной системы, погашения воспалительных процессов, восстановления хрящевых тканей и прочее.

Транспорт

Транспортные системы на производстве оснащены установками с ПМ. При конвейерном перемещении сырья магниты удаляют из массива ненужные металлические включения. С помощью магнитов направляют различные изделия в разные плоскости.

Обратите внимание! Постоянные магниты используют для сепарации таких материалов, где присутствие людей может пагубно сказаться на их здоровье. Автомобильный транспорт оснащают массой приборов, узлов и устройств, где основную роль играют ПМ

Это электронное зажигание, автоматические стеклоподъёмники, управление холостым ходом, бензиновые, дизельные насосы, приборы передней панели и многое другое

Автомобильный транспорт оснащают массой приборов, узлов и устройств, где основную роль играют ПМ. Это электронное зажигание, автоматические стеклоподъёмники, управление холостым ходом, бензиновые, дизельные насосы, приборы передней панели и многое другое.

Компьютерные технологии

Все подвижные приборы и устройства в компьютерной технике оснащены магнитными элементами. Перечень включает в себя принтеры, движки драйверов, моторчики дисководов и другие устройства.

Бытовые приспособления

В основном это держатели небольших предметов быта. Полки с магнитными держателями, крепления штор и занавесок, держатели набора кухонных ножей и ещё масса приборов домашнего обихода.

Электротехника

Электротехника, построенная на ПМ, касается таких сфер, как радиотехнические устройства, генераторы и электродвигатели.

Генераторы

Генераторы на ПМ решают проблему подвижных контактов – колец со щётками. В традиционных устройствах промышленного назначения остро стоят вопросы, связанные со сложным обслуживанием оборудования, быстрым износом деталей, значительной потерей энергии в цепях возбуждения.

Единственным препятствием на пути создания таких генераторов является проблема крепления ПМ на вращающемся роторе. В последнее время магниты располагают в продольных пазах ротора, заливая их легкоплавким материалом.

Ротор и статор генератора

Электродвигатели

В бытовой технике и в некотором промышленном оборудовании получили распространение синхронные электрические двигатели на постоянных магнитах – это вентильные моторы постоянного тока.

Как и в вышеописанных генераторах, ПМ устанавливают на роторах, вращающихся внутри статоров с неподвижной обмоткой. Главное преимущество электродвигателя заключается в отсутствии недолговечных токопроводящих контактов на коллекторе ротора.

Электродвигатель с постоянными магнитами

Двигатели такого типа – это маломощные устройства. Однако это нисколько не преуменьшает их полезность применения в области электротехники.

Автор надеется, что по прочтении данной статьи у читателя сложится понятное представление о том, что такое постоянный магнит. Активное внедрение постоянных магнитов в сферу деятельности человека стимулирует изобретения и создание новых ферромагнитных сплавов, имеющих повышенные магнетические характеристики.

Преимущества использования электромагнитов

Главным преимуществом электрического магнита перед постоянным источником магнитного поля заключается в том, что он приводится в рабочее состояние под воздействием электрического тока. То есть, когда нужно оказать магнитное влияние на определённую часть пространства, ток включают. Это позволяет обеспечивать ритмичную работу ЭМ, что с успехом применяется в разных видах электро оборудования, приборов и устройств.

Электромагнит можно обнаружить в электрических счётчиках, сепараторных установках, трансформаторах, теле,- и аудиотехнике и других устройствах.

Мощные магниты установлены на мостовых кранах в цехах металлургических заводов и лебёдках предприятий по сбору металлолома.

Грузоподъёмные электромагниты

Одно из первых применений ЭМ – это динамики. Звуковое устройство в своей основе имеет электромагнит, который заставляет колебаться мембрану в звуковом диапазоне.

ЭМ используются в металлоискателях для обнаружения металлосодержащих предметов под землёй, в воде и различных массивах.

Основные производители электротехнической стали

Если рассматривать выпуск данного вида металла в мировом масштабе, то основными игроками выступаю восточные страны: Китай и Япония. Их долевой вклад в производстве и потребление электротехнической стали составляет до 50%. Дисбаланс между странами состоит в том, что Китай – основной производитель, тогда как Япония преимущественно экспортирует этот сортамент стали.

Готовая продукция – рулоны электротехнической стали

Россия относится к числу тех государств, где объемы производства металла превышают внутреннее потребление сортамента электротехническая сталь. Цена этого вида продукции на отечественном рынке составляет от 80 до 180 рублей за килограмм. На сегодня РФ сумела выйти на объемы производства данного сортамента металла, которые составляют 10% от общего мирового импорта электротехнической стали. Основными производителями металла на российском рынке выступают:

• Северсталь;

• ВИЗ-Сталь;

• Новолипецкий металлургический комбинат.

Объемы, производимой ими продукции троекратно превосходят потребности внутреннего рынка, что позволять импортировать электротехническую сталь как на Запад: Италия, Швейцария, так и в сторону Востока – Индия. Что касается долю конкретного вида стали в общем объеме, то две трети производственных мощностей ориентированы на выпуск динамного сортамента металла. И только 30% производства – это трансформаторная сталь, цена которой составляет 120 – 180 руб/кг.

Источник

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.

Измерительные трансформаторы

В этом классе работают два вида устройств, обеспечивающих в целях измерения параметров сети преобразования:

Измерительные трансформаторы создаются с высоким классом точности. Во время эксплуатации их метрологические характеристики периодически подвергают поверке на правильность измерения как величин, так и углов отклонения векторов тока и напряжения.

Трансформаторы тока

Главная особенность их устройства заключается в том, что они постоянно эксплуатируются в режиме короткого замыкания. У них вторичная обмотка полностью закорочена на маленькое сопротивление, а остальная конструкция приспособлена для такой работы.

Чтобы исключить аварийный режим входная мощность ограничивается специальным устройством первичной обмотки: в ней создается всего один виток, который не может создать при протекании по нему тока большого падения напряжения на обмотке и, соответственно, передать в магнитопровод высокую мощность.

Этот виток врезается непосредственно в силовую цепь, обеспечивая его последовательное подключение. У отдельных конструкций просто создается сквозное отверстие в сердечнике, через которое пропускают провод с первичным током.

Нагрузку вторичных цепей трансформатора тока, находящегося под напряжением, нельзя разрывать. Все провода и соединительные клеммы по этой причине изготавливаются с повышенной механической прочностью. В противном случае на разорванных концах сразу возникает высоковольтное напряжение, способное повредить вторичные цепи.

Благодаря работе трансформаторов тока создается возможность обеспечения постоянного контроля и анализа нагрузок, протекающих в электрической системе. Особенно это актуально на высоковольтном оборудовании.

Измерительные трансформаторы тока 110 кВ

Номинальные значения вторичных токов измерительных трансформаторов энергетики принимают в 5 ампер для оборудования до 110 кВ включительно и 1 А — выше.

Широкое применение трансформаторы тока нашли в измерительных приборах. За счет использования конструкции раздвижного магнитопровода удается быстро выполнять различные замеры без разрыва электрической цепи, что необходимо делать при использовании обычных амперметров.

Токовые клещи с раздвижным магнитопроводом трансформатора тока позволяют обхватить любой проводник с напряжением и замерить величину и угол вектора тока.

Трансформаторы напряжения

Отличительная особенность этих конструкций заключается в том, что они работают в режиме, близком к состоянию холостого хода, когда величина их выходной нагрузки невысокая. Они подключается к той системе напряжений, величина которой будет измеряться.

Измерительный трансформатор напряжения 110 кВ

Измерительные трансформаторы напряжения обеспечивают гальваническую развязку оборудования первичных и вторичных цепей, работают в каждой фазе высоковольтного оборудования.

Из них создают целые комплексы систем измерения, позволяющие фильтровать и выделять различные составляющие векторов напряжения, учет которых необходим для точной работы защит, блокировок, систем сигнализации.

За счет работы трансформаторов тока и напряжения снимают вектора вторичных величин, пропорциональные первичным в реальном масштабе времени. Это позволяет не только создавать цепи измерения и защит по току и напряжению, но и за счет математических преобразований векторов анализировать состояние мощностей и сопротивлений в действующей электрической системе.

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%.

Способы сборки магнитной системы

Стыковая магнитная система

В этой конструкции ярмо и стержни соединяются в систему после монтажа обмоток. Сборка аппарата такого типа производится двумя способами в зависимости от конструкции:

• в аппаратах, в которых магнитопровод изготовлен из полос электротехнической стали состоит из 4 (в трёхфазных из С-образных деталей они соединяются меду собой при помощи стального корпуса;
• в устройствах, в которых детали магнитопровода изготовлены из колец, состоящих из цельной полосы, все детали соединяются при помощи электросварки.

Достоинством этого соединения является в простоте сборки, а недостаток в увеличенном сопротивлении магнитному потоку и повышенных потерях на вихревые токи.

Шихтованные магнитопроводы

В шихтованных магнитопроводах его конструкция состоит из отдельных пластин прямоугольной и (или) Ш-образной формы. Эти пластины укладываются впереплет (шихтуются) в катушках электротрансформатора после намотки обмоток.

Магнитная система с шихтованным способом соединения отличается бОльшей трудоемкостью при сборке, но меньшими потерями во время работы.

Ярмо — это одна из составных частей электротрансформатора, не менее важная, чем другие элементы. Поэтому для конструирования аппаратов необходимо знать, что такое ярмо и какую функцию оно выполняет в трансформаторе.

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.

Основные размеры сердечников трансформаторов разных типов.

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.

Электромагниты и их применение

Вот некоторые из примеров, где они используются:

• Моторы и генераторы. Благодаря электромагнитам стало возможным производство электродвигателей и генераторов, которые работают по принципу электромагнитной индукции. Это явление было открыто ученым Майклом Фарадеем. Он доказал, что электрический ток создает магнитноее поле. Генератор использует внешнюю силу ветра, движущейся воды или пара, вращает вал, который заставляет двигаться набор магнитов вокруг спирального провода, чтобы создать электрический ток. Таким образом, электромагниты преобразуют в электрическую другие виды энергии.
• Практика промышленного использования. Только материалы, сделанные из железа, никеля, кобальта или их сплавов, а также некоторые природные минералы реагируют на магнитное поле. Где используют электромагниты? Одной из сфер практического применения является сортировка металлов. Поскольку упомянутые элементы используются в производстве, с помощью электромагнита эффективно сортируют железосодержащие сплавы.
• Где применяют электромагниты? С их помощью можно также поднимать и перемещать массивные объекты, например, автомобили перед утилизацией. Они также используются в транспортировке. Поезда в Азии и Европе используют электромагниты для перевозки автомобилей. Это помогает им двигаться на феноменальных скоростях.

Основные марки

Существуют две основные марки.

Сернистая

Марка 2212. Для промышленного производства используют тонкие листы, подверженные холодной прокатке.

Нелегированная

Она отличается от углеродистой стали наличием в составе менее 5% легирующих элементов.

Оба вида используют в производстве трансформаторной стали.

Магнитный сердечник и его предназначение?

С помощью магнитопровода происходит преобразование напряжения с уменьшением потерь. В производстве сердечников применяют специальную ферромагнитную сталь.

Какие бывают сердечники трансформаторов?

По типу сердечники бывают:

• стержневыми;
• броневыми;
• тороидальными.

Стержневые сердечники изготавливают в виде буквы П. Обмотки находятся на стержнях, а стержни соединены при помощи ярма. Магнитопроводы подобной конструкции просто осматривать. И обмотки доступны для ремонта. Как правило, с такими сердечниками выпускают среднемощные и мощные трансформаторы.

Броневые сердечники изготавливают в форме буквы Ш. Обмотки намотаны на центральную часть сердечника. Броневой трансформатор более сложные в производстве. И обмотки в таком трансформаторе ремонтировать сложнее, чем в стержневом.

Тороидальные сердечники изготавливают в форме кольца. Обмотки наматываются прямо на магнитопровод. Считается, что в таких сердечниках происходят самые минимальные потери.

а – схема стержневого сердечника, б – схема броневого сердечника, в – схема тороидального сердечника.

Как уменьшить потери в сердечнике трансформатора?

При включенной нагрузке сердечник трансформатора находится под воздействием переменного магнитного поля. Оно провоцирует возникновение за пределами сердечника вихревых токов. Они тратятся на нагревание магнитопровода – то есть эта энергия не идет в полезную мощность оборудования.

Потери вследствие перемагничивания зависят от:

• свойств материала магнитопровода. Чем легче намагнитить металл, тем легче он и перемагничивается. Соответственно и потери на перемагничивание в таком случае будут меньше;
• частоты перемагничивания;
• максимального значения магнитной индукции.

Для уменьшения потерь сердечники трансформаторов изготавливают из металла с ярко выраженными магнитными свойствами. Такой сердечник гораздо легче перемагнитить.

Следующий момент, это монолитность сердечника. В цельном магнитопроводе низкое сопротивление, поэтому ток в них достигает максимума. Чтобы нивелировать это, производители увеличивают сопротивление сердечника. Для этого его собирают из отдельных пластин, которые изолируют друг от друга.

Формируют сердечник по-разному:

• встык – сначала собирают сердечник, потом наматывают обмотки и закрепляют конструкцию ярмом;
• впереплет (шихтованием) – при этом каждый новый ряд перекрывает стыки на предшествующем ряду.

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

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.

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.

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).

Петля гистерезиса

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.

Магнетизм и электричество

Словарные определения электричества и магнетизма отличаются, хотя они являются проявлениями одной и той же силы. Когда электрические заряды движутся, они создают магнитное поле. Его изменение, в свою очередь, приводит к возникновению электрического тока.

Изобретатели используют электромагнитные силы для создания электродвигателей, генераторов, аппаратов МРТ, левитирующих игрушек, бытовой электроники и множества других бесценных устройств, без которых невозможно представить повседневную жизнь современного человека. Электромагниты неразрывно связаны с электричеством, они просто не смогут работать без внешнего источника питания.

Зачем кремний в стали?

Легирование производится не чистым элементом кремнием, а ферросилицием. Это вещество представляет собой сплав FeSi с железом. Легирование стали Si позволяет вывести из металла кислород, элемент – оказывающий наибольшее негативное воздействие на магнитные свойства Fe. Происходит реакция восстановления железа из его окислов, с результирующим образованием оксида кремния, частичного переходящего в шлак.

Так выглядит ферросилициий – марка ФС45

Второй положительный эффект от внедрения кремния в сталь связан с выделением цеменита (Fе3С) из металла, который замещается образующимся графитом. Оба соединения, оксид железа и цеменит увеличивают коэрцитивной силы в металле, что приводит к росту потерь на гистерезис. Более того, легирование кремнием железа с концентрацией Si выше 4% способствует также снижению потерь на вихревые токи, что обусловлено повышением удельного электрического сопротивления электротехнической стали относительно ее марок, нелегированных кремнием.

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

Конструктивные особенности

Наибольшая индуктивность получается, когда сердечник замкнут. Такой магнитопровод может быть тороидальным если он имеет вид бублика (тороида). Они используются для получения минимальной индуктивности рассеяния, то есть магнитного поля находящегося вне магнитопровода. Но поскольку они сложны в изготовлении, чаще применяются магнитопроводы из двух зеркально — симметричных частей вставляемых внутрь цилиндрической катушки, удобной в изготовлении.

В материале магнитопровода можно условно выделить множество короткозамкнутых обмоток. Переменный ток в обмотке вызывает в них токи потерь. Чтобы потери уменьшились, он делается многослойным с надёжной изоляцией слоёв друг от друга. Обычно для этого используются пластины необходимой формы. Из них изготовлены в большинстве своём все трансформаторы и дроссели, используемые в сетях централизованного электроснабжения. Реже используется конструкция в виде ленты в рулоне. Её сложнее состыковать с остальными деталями магнитопровода, если таковые имеются.

Конструктивно сердечники бывают стержневыми и броневыми. Они широко используются в трансформаторах и дросселях как показано на изображениях ниже:

Металлические сердечники из сплавов на основе железа используются во всех электрических машинах, работающих на напряжении с частотой 50 Гц. На изображении показан магнитопровод электродвигателя. Пазы предназначены для расположения витков обмотки.

Увеличение частоты заметно уменьшает массу и габариты сердечников. Очень наглядным примером этого являются цокольные люминесцентные лампы. Но в высокочастотных устройствах приходится применять другие материалы для изготовления магнитопроводов. Даже самые тонкие пластины из сплава на основе железа нагреваются на высоких частотах неприемлемо сильно.

С увеличением частоты более 50 Гц для сердечников применяется сплав пермаллой на основе никеля, а на частотах более 1 кГц – сердечники из спекаемого порошка. Сердечники из пермаллоя конструктивно такие же, как и те, что изготовлены на основе железа – стержневые и броневые, только поменьше размером при равных мощностях трансформаторов и электродвигателей. А вот сердечники из порошка весьма разнообразны по своему составу. Они имеют небольшие размеры и технологичны в изготовлении не только для стержневых и броневых конструкций, но и для чашек, как видно на изображении слева.

Эти сердечники применяются в импульсных источниках электропитания, электронных балластах люминесцентных ламп и в различных радиоэлектронных устройствах в колебательных контурах, трансформаторах и фильтрах. В качестве материала сердечника наиболее широко используются различные марки ферритов.

Словом, современные материалы позволяют изготавливать магнитопроводы для решения большинства технических задач.

Технология и оборудование производства трансформаторов — Активная сталь магнитопроводов

Страница 7 из 92

ГЛАВА ПЯТАЯ ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ В ПРОИЗВОДСТВЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ

1. АКТИВНАЯ СТАЛЬ МАГНИТОПРОВОДОВ

Магнитная система (магнитопровод) обладает магнитным сопротивлением, зависящим от длины цепи, ее поперечного сечения и свойств материала, из которого она собрана,— его магнитной проницаемости. Для того чтобы при данном магнитном потоке, и следовательно, заданной плотности потока на единицу поперечного сечения (магнитной индукции) уменьшить намагничивающий ток, необходимо сделать возможно меньшим магнитное сопротивление активной части магнитопровода, следовательно, надо изготовить его из материала, обладающего высокой проницаемостью. Таким материалом является электротехническая сталь, обладающая магнитной проницаемостью на несколько порядков больше, чем воздух.

Более 60 лет назад была получена листовая электротехническая сталь, легированная 1 — 4% кремния. В настоящее время высоколегированные горячекатаные электротехнические стали имеют содержание кремния 3,8— 4,8%. В 1935 г. была получена способом холодной прокатки кремнистой стали так называемая холоднокатаная электротехническая сталь [Л. 8]. Преимущества холоднокатаной стали перед горячекатаной столь значительны, что в настоящее время в трансформаторостроении применяется практически только холоднокатаная сталь. Лучшие образцы этой стали имеют удельные потери р10/50 для листов толщиной 0,35 мм менее 0,5 Вт/кг. Снижение удельных потерь позволило повысить индукцию в магнитопроводе до 1,6—1,7 Т против 1,4—1,5 Т для горячекатаной стали. Это дало возможность существенно уменьшить размеры магнитопроводов. В трансформаторостроении применяли следующие марки электротехнической стали по ГОСТ 802-58: а) горячекатаная электротехническая сталь марок Э22, Э41, Э42, Э43, Э43А; б) холоднокатаная текстурованная электротехническая сталь марок Э310, Э320, Э330 и Э33О-А, Э33О-АП. Преимущественное применение получили лучшие марки холоднокатаной стали — Э33О, Э33О-А и Э33О-АП. Буквенные и цифровые обозначения марки стали условно обозначают: Э — электротехническая сталь; первая цифра — степень легирования стали кремнием в процентах: 1 — слаболегированная (0,8—1,8% кремния); 2 — среднелегированная (1,8—2,8% кремния); 3 — повышенно-легированная (2,8—3,8% кремния); 4 — высоколегированная (3,8—4,8% кремния); вторая цифра — уровень удельных потерь: 1 — нормальные удельные потери; 2 — пониженные удельные потери; 3 — низкие удельные потери; третья цифра (0) обозначает, что сталь холоднокатаная, текстурованная; буква А указывает на особо низкие потери электротехнической стали, буква П — на повышенную точность проката и отделки. Электротехническая сталь выпускается как в листах, так и в рулонах. Размеры листов: 150X1 500, 1 000X2 000, 600×1 500 и 860 X 1 720 мм. Размеры рулона: ширина 800 и 950 мм, диаметр 500 мм. Толщина выпускаемой электротехнической стали составляет 0,5 и 0,35 мм. Допуски по толщине листов нормальной точности проката составляют для горячекатаной стали 0,5 ±0,05 и 0,35±0,04 мм; для холоднокатаной стали 0,5±0,04 и 0,35 ±0,03 мм. Допуски по толщине рулонной стали составляют ±0,03 мм. На поверхности электротехнической стали не допускаются значительная рябоватость, дефекты кромок и углов, коробоватость1 с высотой короба более 2— 4 мм на 1 м и волнистость *, ** с высотой волны более 4—6 мм на 1 м; длина волны или короба должна быть меньше 25-кратной их высоты.

* Коробоватость — это деформация листа в виде коробки с загнутыми концами листа.

** Волнистость — это деформация ленты стали по всей ширине и с равномерным шагом волны. Волна просматривается с торца (толщины) ленты стали.

В табл. 5-1 приведены электромагнитные характеристики различных марок стали согласно ГОСТ 802-58: значения магнитной индукции, удельных потерь при частоте 50 Гц и удельного электрического сопротивления. В связи с широким применением холоднокатаной текстурованной стали в трансформаторостроении рассмотрим некоторые ее характеристики [Л. 8]. Холоднокатаная сталь обладает особыми магнитными свойствами, когда в результате прокатки и термообработки отдельные кристаллы ориентируются, образуя оси преобладающего намагничивания в направлении прокатки листа и, наоборот, затрудненного намагничивания в поперечном направлении. Таким образом, сталь, которая по строению кристаллографической решетки имеет ориентацию кристаллов в определенном направлении, называется текстурованной. Различают сталь с ребровой текстурой, когда кристаллы ориентированы вдоль проката ребром куба, и сталь с кубической текстурой при ориентации кристаллов стороной куба. Электротехническая сталь с ребровой текстурой обладает ярко выраженной анизотропией, т. е. неодинаковостью всех или некоторых физических свойств по различным направлениям. Подобная структура обеспечивает наименьшее сопротивление магнитному потоку лишь вдоль направления прокатки и повышенное сопротивление магнитному потоку поперек или под каким-либо другим углом к направлению прокатки. Сталь с кубической текстурой имеет одинаково высокие магнитные свойства как вдоль, так и поперек прокатки, но эта сталь еще не выпускается в промышленном масштабе.

Таблица 5-1

Горячекатаная сталь имеет слабо выраженную кристаллографическую текстуру, поэтому значения магнитной проницаемости в различных направлениях листа отличаются незначительно. Чем меньше содержит холоднокатаная сталь углерода, серы и газа, тем лучше ее магнитные свойства. При снижении содержания кристаллических включений заметно повышается пластичность стали. Это позволяет повышать содержание кремния в стали, что способствует дальнейшему уменьшению потерь. Установлено, что основные свойства электротехнической стали обусловлены наличием в ней кислорода, углерода и азота. Поэтому при производстве электротехнической стали необходимо обеспечить получение жидкой стали, содержащей не более 0,01 — 0,08% углерода, 0,003% кислорода и 0,004 % — азота. Исключительное значение для качества холоднокатаной стали имеет высокотемпературный отжиг в вакуумных печах на металлургических заводах и вакуумная обработка жидкого металла. При работе с холоднокатаной сталью особое значение приобретает технология производства магнитопроводов. Резка, штамповка, термообработка и сборка позиций имеют весьма важное значение для получения заданных характеристик трансформатора (потери и ток холостого хода, уровень шума, вибрации, к. п. д. и т. п.). При раскрое холоднокатаной стали следует строго следить за тем, чтобы направление магнитного потока на всем его протяжении совпадало с направлением прокатки стали, так как отклонение потока от направления прокатки приводит к увеличению потерь и тока холостого хода. Наличие отверстий в стержнях и ярмах магнитопроводов обусловливает уменьшение сечения и отклонение магнитного потока от направления прокатки, а следовательно, приводит к увеличению потерь и уменьшению магнитной проницаемости. Особенно большие потери получаются в местах перехода от стержня к ярму, поэтому изготавливают магнитопроводы с «косым стыком», многорамные и т. п. Холоднокатаная сталь весьма чувствительна ко всякого рода механическим воздействиям. При резке и штамповке пластин происходит ухудшение магнитных свойств стали за счет образования наклепа в зоне реза. Наклеп приводит к увеличению сопротивления магнитному потоку и увеличению удельных потерь стали. Удары по стали, перегибы пластин и т. п. легко нарушают ориентацию кристаллов в текстурованной стали; при этом удельные потери и удельная намагничивающая мощность в стали существенно увеличиваются. Восстановление магнитных характеристик электротехнической стали достигается ее отжигом, о чем будет сказано ниже. Широкое распространение в отечественном трансформаторостроении получила рулонная электротехническая сталь, имеющая жаростойкое изоляционное покрытие в виде оксидных пленок. Применение рулонной стали позволяет широко внедрять автоматизацию изготовления пластин магнитопроводов на полуавтоматических и автоматических линиях продольного и поперечного раскроя, а также отказаться в ряде случаев от дополнительной изолировки пластин. Удельные потери в активной стали изготовленного магнитопровода, как правило, несколько выше, чем у исходного материала, и характеризуются коэффициентом увеличения потерь. Коэффициент увеличения потерь — это отношение удельных потерь в изготовленном магнитопроводе к удельным потерям исходного материала, определенным на образцах в аппарате Эпштейна. Рис. 5-1. Схема лакировальной машины. 1 — пластина магнитопровода; 2 — резиновые валики; 3— трубка с отверстиями; 4 —расходный бачок с лаком; 5 — подземный резервуар с лаком; 6 — насос; 7 — холодный транспортер; 8 — горячий транспортер; 9 — газовые горелки; 10 — печь; 11, вытяжная вентиляция; 13 — холодный транспортер; 14 — приточная вентиляция; 15 стол приемный, 16 — самоходная тележка; 17 — валки резиновые (для отжима воды); 18 — форсунка для воды.

Этот коэффициент является важнейшим показателем конструкторского и технологического уровня производства магнитопроводов и трансформаторов в целом. Задача современного трансформаторостроения состоит в том, чтобы достигнуть минимальной величины этого коэффициента. Для магнитопроводов отечественного производства коэффициент увеличения потерь составляет 1,2—1,5.

• Назад
• Вперед

Принцип действия

Чтобы понять, как работают электромагниты, надо рассмотреть их конструкцию. Простое устройство объясняет принцип действия электромагнита. При протекании электрического заряда в теле обмотки возникает излучение магнитного поля, пронизывающее магнитопровод.

Внутри металла или ферромагнита, в соответствии с законами физики, формируются микроскопические магнитные поля, именуемые доменами. Их поля под внешним воздействием обмотки выстраиваются в определённом порядке. В результате магнитные силы доменов суммируются, образуя сильное магнитное поле, сообщая магнитопроводу способность притягивать массивные металлические предметы.

Важно! Чтобы остановить электромагнитную индукцию, достаточно отключить ЭМ от источника тока. При этом сохранится частица магнитного поля

Такой эффект называют гистерезисом.

Усилитель магнитного поля

Если возникает потребность в его усилении, применяются магнитопроводы. Также они называются сердечниками. Их материал и конструкция зависят от назначения устройства

Материал сердечника является его самой важной составляющей. Свойства материала в основном определяют процессы, которые происходят в сердечнике

Эти процессы различны в случае его взаимодействия с постоянным и переменным током.

Простейший магнитопровод это стержень круглого или иного по форме сечения. Его охватывают витки катушки, которая в тех или иных устройствах называется обмоткой. Магнитными свойствами обладают различные материалы. Наиболее эффективными усилителями электромагнитного поля являются материалы, именуемые ферромагнетиками. Это сплавы на основе железа с добавлением некоторых других компонентов. Добавки определяются свойствами сплава, которые стремятся получить в результате.

Если из такого сплава изготовить монолитный цилиндр и поместить его внутрь катушки получится устройство, которым можно пользоваться для тех или иных целей. Если ток в обмотке будет постоянным, такое устройство будет создавать постоянное магнитное поле. Получится электромагнит. Для того чтобы в сердечнике увеличивалась сила магнитного поля надо увеличивать либо силу тока в обмотке, либо число витков в обмотке, либо и то и другое вместе.

Но увеличение силы магнитного поля в сердечнике ограничено свойствами сплава. Этот эффект называется магнитным гистерезисом, а состояние магнитопровода – насыщением. Графически процессы в магнитопроводе отображаются в виде петли гистерезиса:

Насыщение магнитопровода начинается вблизи горизонтального участка кривой при движении по ней от нуля.

Любая катушка обладает индуктивностью. Сердечник эту индуктивность существенно увеличивает. Поэтому такие катушки применяются в цепях переменного тока и называются дросселями. Индуктивность определяется в первую очередь массой сердечника. Расстояние между его концами является следующим параметром, который влияет на величину индуктивности и называется зазором.

Электротехническая сталь – марки

Маркировка данного вида металла представляет число, где его цифры указывают:

1. Первая – структурное состояние металла и класс его прокатки. Это может быть горячекатаная (1) или холоднокатаная (2) изотропная, а также холоднокатаная анизотропная разновидность стали.
2. Вторая – отображает процент вхождения кремния. Она принимает следующие допустимые значения от 0 до 5. Стартовая величина – менее 0.4% обозначается как 0. Вторая цифра 1 соответствуют содержанию Si 4 – 0.8 %. Последующие четыре значения отображают увеличение концентрации кремния на 1, вплоть до величины 4.8%.
3. Третья цифра характеризует электромагнитные характеристики: коэрцитивная сила, магнитна индукция и прочие.
4. Последние две цифры отображают количественное значение характеристики из третьего пункта.

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.

Типы магнитопроводов трансформатора

Различают стыковую конструкцию и шихтованное исполнение стержневых магнитопроводов. Они отличаются видом соединения основного элемента с ярмом.

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.