Почему сердечник трансформатора собирают из отдельных пластин

Магнитопровод

Магнитопровода (сердечники) для производства трансформа­торов по современной и экономически выгодной технологии UNICORE по Вашим техническим характеристикам (эта технология магнитопроводов разработана и запатентована Австралийской компанией А.Е.М Cores).

Магнитопровод, или сердечник, представляет собой систему однофазного или трехфазного трансформатора, которая замыкает магнитный поток под действием электрического тока. Данная деталь применяется в качестве основы при установке обмоток, переключателей или других элементов. Конструкция обеспечивает более эффективное преобразование напряжения тока при уменьшении потерь.

Магнитопроводы широко используются в различных устройствах бытового назначения, статорах, якорях электродвигателей, генераторах, сглаживающих, помехоподавляющих, ограничивающих и коммутирующих дросселях, силовых трансформаторах.

Особенности конструкции и типы магнитопроводов

В целях уменьшения индуктивного сопротивления тока сердечники изготавливают из специальной электротехнической стали с улучшенными магнитными свойствами материала. Устройство собирают из отдельных тонких пластин, а затем изолируют друг от друга жаростойким покрытием.

Составляющими элементами в конструкции выступают стержни и ярмо. На стержни наматываются обмотки, а ярма обеспечивают соединение устройства а одну замкнутую систему. Переменный ток катушки возбуждает в системе магнитный поток.

В зависимости от назначения трансформатора, условий эксплуатации и способов изготовления устройства делятся на стержневые и броневые. Эти виды изготавливаются и выглядят по-разному:

• Наиболее популярны в использовании стержневые, которые имеют вид буквы П. В них обмотки нанизывают на стержни, которые потом соединяются ярмом. Данные магнитопроводы просты в обслуживании, их легко ремонтировать. Устанавливаются различных трансформаторных устройствах с высоким напряжением.
• Броневые устройства имеют вид буквы Ш, а обмотки накручиваются на средний центральный стержень. Более сложны в сборке и уходе.
• Троидальные конструкции изготовлены в виде кольца с прямоугольным сечением, где обмотки насаживаются на кольцо. Данный тип — самый энергетически энергоэффективным.

Бывают также ленточные разрезные, пластинчатые и несколько других видов. Перед тем, как заказывать, обязательно уточняйте характеристики у специалистов.

Преимущества магнитопровода

На действии сердечника основана работа преобразования напряжения в трансформаторе, поэтому деталь должна иметь высокие характеристики. Основные преимущественные показатели:

• минимум потерь электроэнергии при максимуме напряжения;
• невысокая себестоимость и розничная цена;
• высокая магнитопроводящая способность;
• несложное производство, простая сборка;
• возможность выполнения деталей любой формы;
• наличие нескольких разновидностей конструкций;
• прочность и долгий срок службы по сравнению с другими подобными деталями.

Псковский завод силовых трансформаторов производит сердечник по инновационной технологии Unicore. Все изделия проходят обязательное тестирование в специализированных центрах. Продукция изготавливается в строгом соответствии с ГОСТами, есть сертификаты.

Остались вопросы? Звоните или заказывайте обратный звонок, пишите в чат или на почту sales_trans@pzst.ru.

Общие сведения о трансформаторах — Магнитная система трансформатора

Магнитопровод трансформатора изготовляют из специальной листовой электротехнической стали с толщиной листов 0,5 или 0,35 мм. При частотах выше 100 гц используют более тонкую сталь. Трансформаторная сталь должна иметь низкие потери, не возрастающие с течением времени (старение стали). Этим требованиям отвечает электротехническая сталь с присадкой кремния от 0,5 до 4,5% (легированная), по способу обработки —- горячекатаная. С увеличением содержания кремния возрастает хрупкость стали. Вместе с тем присадка кремния придает пластичность материалу, полностью устраняет старение стали, снижает потери на гистерезис и вихревые токи, повышает магнитную проницаемость в слабых магнитных полях. С увеличением содержания кремния удельное электрическое сопротивление листовой электротехнической стали возрастает.
Присутствие углерода в стальной полосе увеличивает потери энергии, снижает марку стали. Содержание углерода в листовой электротехнической стали должно быть порядка сотых долей процента. Для уменьшения потерь нужна изоляция между слоями листовой электротехнической стали. Изоляционный слой должен обладать необходимой механической прочностью, химическая стойкость изоляционного слоя при воздействии влаги, охлаждающей среды и нагрева должна быть достаточной. Листы электротехнической стали изолируют специальной тонкой бумагой (редко), оксидированием, специальными лаками, жидким стеклом, окисью хрома. Толщина лаковой пленки бывает от 6 до 8 мкм, изоляционной бумаги — 13—20 мкм. Толщина слоя изоляции влияет на коэффициент теплопроводности через сталь и изоляцию листовой стали, ухудшая отвод тепла.
В таблице 1 приведены значения удельных потерь р (потерь в одном килограмме металла) наиболее распространенных марок электротехнической стали (ГОСТ 802—58). В индексе буквы р числитель означает индукцию В в тесла, а знаменатель — частоту f перемагничивания в герцах, при которых даны эти потери. Буква Э означает — сталь электротехническая; первая за буквой цифра означает степень легированности стали кремнием; 1— слаболегированная, 2 — среднелегированная; 3 — повышеннолегированная, 4 — высоколегированная. Вторая цифра характеризует качество стали в отношении удельных потерь: 1 — потери нормальные, 2 — пониженные, 3 — низкие.
Потери на вихревые токи зависят от квадрата индукции, а потери на гистерезис — от индукции в степени, близкой к двум. Поэтому обобщенно потери в стали с достаточной для практических целей точностью можно считать зависящими от квадрата индукции.
В зависимости от частоты потери на вихревые токи изменяются пропорционально ее квадрату, а потери на гистерезис — пропорционально ее первой степени.

Удельные потери в электротехнической стали (сталь горячекатаная)

Толщина листа, мм

Удельные потери, вт/кг

Толщина листа, мм

Удельные потери, вт/кг

При частоте 50 гц и толщине листов 0,35—0,5 мм потери на гистерезис превышают потери на вихревые токи в несколько раз; вследствие этого зависимость потерь в стали от частоты ближе к первой степени. Поэтому удельные потери для значений В и f, отличных от указанных в таблице 1, можно вычислять по следующим формулам:

где значение В подставляется в теслах (тл).
Прогресс в конструировании трансформаторов связан с применением новых материалов. В этой связи большое значение имеет использование для магнитопровода холоднокатаной текстурованной стали вместо горячекатаной. Холоднокатаная сталь с 3-процентным содержанием кремния впервые получена в 1932 г. К настоящему времени удается довести число граней куба кристаллов, ориентированных вдоль прокатки, до 95%; магнитные свойства такой стали при намагничивании вдоль направления прокатки значительно выше, чем у обычной горячекатаной стали. В таблице 2 третья за буквой цифра 0 указывает на способ обработки стали — холоднокатаная текстурованная. В поперечном к прокату направлении магнитные свойства холоднокатаной стали значительно хуже, другими словами, эта сталь обладает резкой анизотропией, поэтому ее используют главным образом при изготовлении трансформаторов.
Применение в трансформаторах холоднокатаной стали направленной структуры позволяет либо уменьшить потери при сохранении прежних размеров и индукции, либо повысить индукцию и обеспечить экономию стали и меди.
ТАБЛИЦА 2
Удельные потери в холоднокатаной электротехнической стали

Основными частями магнитопровода трансформатора, называемого также сердечником, являются стержни и ярма. Стержни — это часть сердечника, на которой размещены обмотки, ярма — часть сердечника, не охваченная обмотками, но необходимая для того, чтобы на всех участках магнитопровода магнитная цепь была замкнутой (рис. 11). Форму сечения стержня определяют, исходя из следующих соображений. На стержне, как правило, размещают катушки обмоток круглой формы. Если для максимального заполнения сталью сечения внутри катушки форму сечения стержня принять также круглой, то, поскольку стержень набирают из отдельных листов, все листы должны были бы быть разных размеров, что практически неприемлемо. Поэтому принята ступенчатая форма сечения стержня — многоугольник, вписанный в окружность (рис. 13). Число ступеней растет с увеличением диаметра окружности и в мощных трансформаторах доходит до 10.

Рис. 13. Форма сечения стержней.

Рис. 14. Форма сечения ярем трансформатора.

Размеры ступени по высоте и ширине при принятом числе ступеней определяются решением геометрической задачи о максимальной площади многоугольника, вписанного в заданную окружность. Коэффициент заполнения сталью сечения внутри обмоток получается достаточно большим, составляя 0,786 при двух и 0,92 при девяти ступенях.
В трансформаторах средней и выше мощности в сечении стержня для улучшения охлаждения предусматриваются каналы, как бы разбивающие стержень на отдельные пакеты, омываемые циркулирующим маслом или воздухом.

Рис. 15. Остов трехфазного трансформатора.

Ярма трансформатора также набирают из отдельных листов. Для упрощения технологии изготовления ярма выбирают сечение в форме прямоугольника (в трансформаторах сравнительно малой мощности) или простой фигуры с небольшим числом ступеней (рис. 14). Для того чтобы в ярме распределение потока по сечению было таким же, как и в стержне, отношение площади сечения отдельной ступени ярма к площади сечения перекрываемой части стержня должно быть одинаковым для всех ступеней ярма. В противном случае поток при выходе из стержня в ярмо (или наоборот) будет соответственно перераспределяться, при этом силовые линии, вынужденные изменить свое направление, пойдут перпендикулярно плоскости пластин ярма, что приведет к возрастанию потерь от вихревых токов.

Рис. 16. Листы сердечника трехфазного трансформатора при сборке внахлестку.

При сборке стержней и ярем в единую конструкцию (сердечник) их соединяют встык или внахлестку (шихтовка).
При сборке встык стержни и ярма, собранные отдельно, соединяют при помощи крепежных частей, например накладок, стягиваемых болтами, вертикальными шпильками (рис. 15).

Рис. 18. Трансформатор с намотанным сердечником:
1 — обмотка; 2 — сердечник; 3 — изоляция между обмотками.
Рис. 17. Стяжка стальных листов стержня:
1 — изоляционный цилиндр: 2 — деревянная планка; 3 — деревянный стержень.

При сборке внахлестку стержни и ярма собирают из пластин, укладываемых в переплет (шихтовка) с чередованием двух видов слоев (рис. 16). После сборки сердечника листы верхнего ярма вынимают, на стержнях размещают обмотки и ярмо снова зашихтовывают.
Трансформаторы со стыковыми магнитопроводами гудят сильнее шихтованных из-за неравномерности зазоров между стержнями и ярма ми, и ток холостого хода в них больше (при индукциях в сердечнике порядка 1,4 тл относительная магнитная проницаемость стали — 600—800, поэтому каждый миллиметр стыкового зазора равноценен приблизительно 600—800 мм стальной части магнитной цепи сердечника).
При шихтовке любое место стыка в одном слое перекрывается с обеих сторон пластинами соседних слоев. Поэтому магнитное сопротивление в месте стыка заметно снижается. При этом способе сборки получается большая механическая прочность сердечника. Благодаря этим преимуществам, а также меньшему весу крепежных частей и отсутствию необходимости в прессовом оборудовании шихтовка стала практически единственным способом сборки сердечника силовых трансформаторов всех мощностей, несмотря на то, что это более длительный процесс сборки и при ремонте приходится расшихтовывать верхнее ярмо.
Стержни и ярма скрепляют шпильками, которые изолируют от листов трубками из бакелизированной бумаги или леатероидом (рис. 17,а).
Стянутые шпильками стержни применяют в трансформаторах мощностью от 2400 кВА (—1000 кВА на стержень). В трансформаторах малой и средней мощности стержни прессуют насадкой обмоток, применяя при этом деревянные планки, забиваемые между ступенями стержня и изоляционным цилиндром (рис. 17,6).
Применение холоднокатаной стали — одно из условий повышения технического уровня трансформаторостроения. Отечественными заводами освоено изготовление холоднокатаной электротехнической стали различных марок (Э310 и др.), и ее применение, в первую очередь для трансформаторов, все более расширяется. Из нее также выполняют однофазные трансформаторы (до 50 кВА) с магнитопроводом, намотанным из ленточной (рулонной) стали (рис. 18).

Ответы на вопросы о трансформаторах.

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

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

— На каком принципе основывается работа трансформатора?

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

— Что такое анцапфа?

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

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

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

— Зачем пластины сердечника трансформатора стягиваются шпильками?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

— От чего зависит межповерочный интервал трансформаторов тока?

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

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

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

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

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

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

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

Причины почему сердечники трансформатора собирают из отдельных пластин

Вопрос-ответ

Автор Andrey Ku На чтение 4 мин Опубликовано 27.12.2018

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

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

Характеристики сердечника: теория

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

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

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

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

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

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

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

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

Практика

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

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

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

Если бы использовался сплошной кусок металла, то:

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

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

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

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