Технические характеристики, типы и формулы для броневого трансформатора

Основным элементов трансформатора является магнитопровод. Это такая система, по которой замыкается магнитный поток, служащая основанием для крепления обмоток и других элементов аппарата. Пластины из тонкой электротехнической стали служат конструктивными элементами для сборки трансформаторов. Их изолируют с помощью жаростойкого покрытия, которое наносится заводом-изготовителем, или лака, применяемого после штамповки пластин.

Конструкция и особенности

Основное конструктивное отличие броневого трансформатора (БТ) от остальных однофазных легко проследить по рисунку 1, б.

Рис. 1 – Схемы однофазных трансформаторов

На рисунках 1а и 1в изображены стержневой (СТ) и тороидальный (ТТ) соответственно. Схема конструкции СТ противоположна схеме БТ в плане расположения главных элементов друг относительно друга, и в первом наоборот – сердечник охвачен обмотками. У БТ в сравнении с СТ выходит меньше выводов на аналогичное число обмоток, так как первичную обмотку СТ нужно распределить двумя равными частями между магнитопроводными стержнями.

В связи с этим в определенных случаях с СТ возникают трудности при размещении выводов, однако, если сердечник разъемный ленточный, тогда СТ даже будет обладать преимуществом, проявляющимся в возможности обеспечения малого зазора в сердечнике и стягивания двух его половинок.

Характеристика

Само по себе присутствие таких деталей ведет к увеличению веса и объема. Броневая конструкция в некоторой степени уменьшает габариты БТ, при этом боковые ярма выполняют функцию защиты от механического воздействия для обмоток. Это крайне важно, при малых габаритах, отсутствии кожуха и расположении вместе с другим оборудованием на схеме, а не отдельно. В ТТ наименьшее количество элементов, значит его габариты меньше всего подвержены разрастанию, но при этом он является и конструктивно наименее технологичным.

Технологические недостатки выражены, во-первых, в необходимости последовательного выполнения сердечника и катушек (удлинение цикла производства), во-вторых, в низкой производительности во время наматывания последних.

В дополнение к этому, станок тороидальной намотки существенно более сложен и дорогостоящий, по сравнению с обычными станками рядовой намотки, и не может быть использован в целях наматывания провода, диаметр которого превышает 2 мм. Это сужает область применения ТТ на высоких мощностях, в то же время на очень малых окна сердечника может не хватать для прохождения челнока. Особенно затруднительно наматывание ТТ при заданной частоте 50 Гц, когда витков нужно очень много.

На фоне вышеописанного проявляется еще один значительный плюс БТ – он выступает наиболее технологичным решением в условиях малой мощности, со штампованными сердечниками. При чем его перевес в отношении СТ тоже весом – требуется только одна катушка, а не две. Вообще, разница между двумя катушками и одной всегда выходит на первые роли, когда требуются трансформаторы небольших размеров.

Разновидности

Есть много видов ТТ, но в наиболее общем виде выбор трансформаторов тока учитывает, что изделия подразделяются на измерительные (ТТИ) и для защиты.

Фактор разделенияВиды

Токовый трансформатор может выполняться с возможностью открывать его, устанавливать и запирать, без отключения, в онлайн режиме.

Защитные ТТ

Трансформаторы защитные обычно релейного типа, «следят», чтобы проводящий манипуляции, влезающий в электросети электростанции, не получил смертельный удар. Внутри электросистем, создающих, транспортирующих, распределяющих энергию, для корректной работы присутствуют опасные значения. Но любое оборудование требует проверки, починки, обслуживания, поэтому оставляют «окно» безопасности в виде ТТ для специалистов-ремонтников.

Измерительные ТТ

Задача измерительного трансформатора тока ТТИ — преобразовывать величины, создавая возможность подсоединять вольтметр, амперметр, другой измеритель, не боясь, что он перегорит от чрезмерной нагрузки. При этом получают максимально точные, достоверные данные измерений. Другими словами, ТТ изолирует подключаемый девайс, не только для замеров, но и любой другой по потребности, от высоких мощностей.

Принцип работы

Любой однофазный трансформатор функционирует по принципу передачи со входа (первичной обмотки) на выход (выходные контакты вторичной обмотки) полного повторения входного напряжения в пересчете на соотношение витков во вторичной и в первичной обмотках. Подавая на первичную напряжение U1 и соединив вторичную с нагрузкой, получаем соответственно токи I1 и I2 в каждой. Эти токи сгенерируют магнитные потоки Ф1 и Ф2, направленные друг на друга. Общий магнитный поток в магнитопроводе снизится, вследствие чего индуктированные им ЭДС E1 и E2 уменьшатся.

Показатель U1 останется прежним, и понижение E1 вызовет повышение I1. С увеличением I1 будет происходить увеличение Ф1 до тех пор, пока не скомпенсируется размагничивающее действие Ф2. Равновесие восстанавливается при достижении прежнего значения общего потока.

Основные характеристики

Холостой режим применяется при разомкнутом вторичном контуре трансформатора, в нем отсутствует напряжение. Ток проходит по первичной обвивке, возникает реактивное намагничивание. При помощи холостой работы определяют КПД, показатель трансформации и потери в сердечнике.

Функционирование под нагрузкой подразумевает подключение источника питания к первичной цепи, где протекает суммарный ток функционирования и холостого хода. Нагрузка подсоединяется к вторичному контуру трансформатора. Этот режим является распространенным.

Фаза короткого замыкания возникает, если сопротивление вторичной спирали составляет единственную нагрузку. В этом режиме определяются потери на нагревание катушки в цепи. Параметры трансформаторов учитываются в системе замещения прибора с помощью установки сопротивления.

Отношением потребляемой и отдаваемой мощности определяется коэффициент полезного действия трансформатора.

Типы

В рабочем состоянии сердечник трансформатора постоянно испытывает воздействие переменного магнитного поля, которое вызывает образование вихревых токов вокруг него. Это приводит к нагреванию магнитопровода, а, значит, затрачивается полезная энергия. Процент потерь зависит от:

• материала сердечника;
• частотной характеристики перемагничивания;
• максимального показателя магнитной индукции.

Чем легче намагнитить металл, тем он проще перемагничивается со взаимным уменьшением потерь. Поэтому сердечники производят из стали с выраженными магнитными свойствами. Явление вихревых токов в монолитных проводниках набирает максимальные обороты, так как материал наделен небольшим сопротивлением. Для уменьшения потерь, связанных этим, данное сопротивление увеличивают путем сборки магнитопровода из стальных листов, не превышающих по толщине 0,5 мм, с изоляцией в виде лака и окалины. Изоляционная прослойка не позволяет вихревым токам оказывать влияние на магнитный поток в сердечнике, что положительно сказывается на потерях. Сборку осуществляют по одной из двух технологий:

• встык – собирают собственно сердечник, затем на него насаживают обмотки, на завершающем этапе все скрепляют ярмом воедино (более простой способ, но потери выше);
• впереплет (шихтование) – пластины каждого следующего ряда перекрывают стыки предыдущего (больший спрос в связи с меньшими потерями).

Геометрия и тип магнитопровода определяют типовые различия трансформаторов. По типу магнитопровод может быть ленточным или пластинчатым. В свою очередь, его форма дает наименование и обозначение: броневые магнитопроводы выполняют Ш-образными и обозначают буквой Ш, стержневые – П-образными и П, кольцевые – О-образными и О, трехфазные магнитопроводы создают Е-образной формы, а ортогональные обозначают тремя буквами ОПЛ. К ленточным магнитопроводам в обозначение добавляется буква Л, к примеру, ШЛ, ПЛ, ОЛ, ЕЛ.

Таким образом броневой трансформатор может быть типа Ш или ШЛ.

Ш

Самый распространенный тип БТ. Средний стержень с проходящим по нему общим потоком замыкается двумя крайними стержнями. Сечение крайних стержней равно половине сечения среднего.

ШЛ

Ленточные (витые) броневые магнитопроводы ШЛ имеют также следующие подтипы:

• ШЛМ – с пониженным соотношением I1/I;
• ШЛО – с расширенным окном;
• ШЛП – с повышенным соотношением B/l;

Зачем это нужно?

Трансформатор служит для повышения или понижения подаваемой электроэнергии. Зачем нужно преобразовывать ток? Смысл в том, что согласно закону Джоуля-Ленца тепло, которое выделяет проводник при прохождении по нему электрического тока выделяется в зависимости от силы тока. Причем зависимость эта квадратичная, так как сила тока в формуле имеет вторую степень.

На практике это означает, что увеличение силы тока в 2 раза приведет к увеличению тепловыделений в 4 раза. Все бы ничего, но закон сохранения энергии пока никто не отменял. На нагрев проводника расходуется электроэнергия, которую с таким трудом добывает человечество. Единственный выход: повысить напряжение до максимум.

Согласно закону Ома всегда сохраняется некое равенство: произведение силы тока на сопротивление равняется напряжению в сети. Предположим, что сопротивление не изменяется, так как оно зависит от свойств проводящего материала. Тогда единственным выходом будет максимально задрать напряжение, чтобы уменьшить силу тока в сети.

Высоковольтные линии придумали не ради развлечения. Единственная цель столь сложной системы с трансформаторами: максимальное сокращение потерь.

Источники

• https://odinelectric.ru/equipment/chto-takoe-transformator
• https://ProFazu.ru/elektrosnabzhenie/elektroset/transformator-toka-printsip-raboty.html
• https://lightika.com/osveshhenie/ustroystvo-i-princip-raboty-transformatora.html
• https://www.kipiavp.ru/pribori/transformator.html
• https://www.techcult.ru/science/5124-princip-dejstviya-transformatora
• https://www.RusElectronic.com/ustrojstvo-transformatora/
• https://principraboty.ru/princip-raboty-silovogo-transformatora/

Назначение и применение

Броневые трансформаторы – не трудоемкие и дешевые в изготовлении, и для сигнальных малых/средних по мощности (до 100 Вт) трансформаторов обычно выбирают именно броневой тип. БТ, однако, и самые чувствительные к наводкам, к тому же им свойственна большая индуктивность рассеяния. Серии ШЛ и ШЛМ применяют, когда нужны наименьший вес, номинальные мощности не больше 100 Вт и частота 400 Гц (ШЛ) или 50 Гц (ШЛМ). Серию ШЛО используют в условиях низких напряжений на частотах от 1-го до 5-ти кГц и высоких – на частотах от 50-ти Гц до 5-ти кГц.

Советский ленточный малогабаритный маломощный трансформатор – ТПП – выделяется низкими напряжениями на вторичных обмотках. ТПП отлично проявляют себя в схемах бытовых приборов, в радиоэлектронных и коммуникационных приспособлениях, компьютерных системах, питающихся от промышленных и специальных сетей с переменным током под напряжениями 40, 115, 127 и 220 В и частотой 50 или 400 Гц. Им свойственен обширный спектр напряжений и токов при мощности до 500 ВА.

Самостоятельная сборка ТТ

Создание ТТ своими руками — отдельная тема, так как для процедуры потребуются широкое описание расчетов с формулами, но упрощенно процесс выглядит как наматывание рассчитанного количества витков медной проволоки на стержень (железо, сталь).

В основе лежит известный принцип. Токи на первичке и вторичке обозначают соотношением. Например, 100/5: величина на первой в 20 раз превышает таковую на второй, то есть, когда на ней есть 100 А, то на другой будет 5 А. Изделие 500/5 понижает 500 А до 5 А (на вторичных витках). Указанные величины зависят от соотношения количества витков.

Как рассчитать

Практически любые расчеты нужно начинать с замеров сердечника. На рисунках 2, в и 3 показаны величины, которые нужно измерить у БТ в схематическом и визуальном отображении соответственно.

Рис. 2 – Измерение габаритов сердечника по схеме.

Рис. 3 – Измерение габаритов сердечника по внешнему виду.

Мощность вторичной обмотки

P2 = 2 * Pгаб – P1,

где Pгаб – габаритная мощность (Вт), P1 – мощность первичной обмотки (Вт).

Габаритную мощность

Pгаб = (n * Sс * Sо * 4,44 * f * B * j * Kм * Kс) / ((1 + n) * 100),

где n – табличный КПД трансформатора, Sс – площадь сечения магнитопровода (см²), Sо – площадь поперечного сечения окошка (см²), f – частота (равная 50 Гц), B – магнитная индукция (T), j – табличный показатель плотности тока в проводах катушек (A/мм2), Kм – коэффициент заполнения окна магнитопровода медью, Kс – …сталью.

Фактическое сечение стали

Sс = а * b,

где a – ширина стержня, b – толщина магнитопровода по рисунку 2 или 3.

Фактическая площадь сечения окна сердечника

Sо = h * c,

где h – высота окна, c – ширина окна по рисунку 2 или 3.

Величина номинального тока первичной обмотки

P1 = U1 * I1

где I1 – ток в первичной обмотке (А).

Номинальный показатель тока в обмотках

I = Sпр * j,

где Sпр – сечение провода (мм²).

Сечение проводов обмоток

Sпр = 3.14 * R²,

где I – ток в обмотке (A), R – радиус провода (мм).

Диаметр проводов обмоток без изоляции

d = 2 * √ (I / (3.14 * j))

Число витков каждой обмотки

W1 = U1 / u1

W2 = U2 / u2,

где W1 – число витков первичной, W2 – …вторичной, U1 – значение входного напряжения на первичной (В), U2 – выходного на вторичной (В), u1 – значение напряжения на одном витке первичной (В), u2 – …вторичной (В).

Количество витков, приходящихся на каждый вольт

w1 = W1 / U1

w2 = W2 / U2

Для одного и того же провода имеем одинаковые значения в обеих обмотках, то есть:

w1=w2

Максимальную мощность, которую способен дать магнитопровод

Pmax = Sc²

Монтаж, подключение, опасные факторы

При пробое изоляции обмоток возникает возможность поражения током, но риск предотвращается заземлением вывода (обозначается на корпусе) вторички.

На выводы вторичной катушки И1 и И2 токи полярные, они обязательно постоянно подсоединены на нагрузку. Идущая по первичной цепи энергия со значительным потенциалом (S=UI). В другой происходит трансформация, и при обрыве в ней там падает напряжение. Потенциал разомкнутых концов при протекании энергии большой, что представляет значительную опасность.

По описанным выше причинам все вторичные цепи ТТ собирают особо тщательно и надежно, на них и кернах, выведенных из функционирования, всегда ставят шунтирующие закоротки.

Как подключается ТТ

Есть несколько схем для изделий защитного типа. Рассмотрим подключение ТТ на трехфазное напряжение.

Полная звезда:

• самая распространенная, защита одно- и многофазных систем от КЗ;
• три ТТ соединяются в звезду.

Если ток ниже настроек на реле КА1–КА3, то это нормальная ситуация, защита не активируется. Ток на К0 — это сумма всех 3 фаз. При возрастании величин в одной из них растет ток и в ТТ. Произойдет сработка реле при КЗ и при превышении нагрузок.

Неполная звезда:

• защита от межфазных замыканий для создания цепей с нейтралью с заземлением;
• для маломощных приемников с другими вариантами защиты.

Схема «треугольник и звезда» — для дифференциальной защиты.

Схема без обесточивания при КЗ на землю используется, но редко по этой же причине. Для защиты от замыканий между фазами и всплесков в одной из них.

ТТИ подсоединяются простым последовательным подключением первичных витков изделия.

Монтаж

Монтаж трансформаторов тока:

1. Ревизия устройства, проверка изоляции (должно быть выше 1 кОм на 1 В);
2. Отключают ЭУ;
3. Убедится в обесточивании, зафиксировать заземления.
4. Разметка, установка креплений. Запрещено размещать трансформатор вплотную к ЭУ (минимальный зазор — 10 см).
5. Выставляются таблички, ограждения.
6. Первичные витки подсоединяются последовательно, но с нагрузкой на вторичных. Если нет возможности подключить измеритель, то ее контакты замыкают, чтобы не было высоких мощностей на ней, которые приведут его повреждению.

ТТ не допускает холостого функционирования, его режим близок к КЗ: вторичные витки при подключении прибора к измеряемому току обязательно замыкаются. Иначе происходит перегревание, повреждающее изоляцию. Перед отсоединением измерителей сначала закорачивают катушки. У некоторых моделей для этого есть узлы клеммы, перемычки.

Расчет

Расчет трансформатора тока можно провести по онлайн-калькуляторам, подобрать по номиналу (например, для 10 кВ). Но это слишком упрощенные инструменты. Исчисления и параметры для выбора — чрезвычайно обширная тема, поэтому опишем основы.

Точность чрезвычайно важная, поэтому потребуются тщательные исчисления специалистами. Необходимо знать множество специфических нюансов, например:

• при разных схемах подсоединения, видах КЗ, есть разные формулы определения сопротивления;
• проверяют первичный ток на термо- и электродинамическую стойкость;
• есть свои нюансы для ТТ, для релейной защиты и для учетных целей, измерений.

Правила, как выбрать трансформатор тока в общих чертах:

• номинальное рабочее напряжение ТТ должно превышать или сравниваться с номиналом ЭУ (стандартные значения 0.66, 3, 6, 10, 15, 20, 24, 27, 35, 110, 150, 220, 330, 750 кВ). Если обслуживаемое оборудование имеет 10 кВ, то изделие должно быть рассчитано на этот показатель;
• первичный ток ТТ — больше номинального тока у ЭУ, но учитывая перегрузочную способность;
• оценивают ТТ по номинальной мощности вторичной нагрузки, которая должны превышать расчетное ее значение. (Sном>=Sнагр);
• оценивают размеры и расположение для установки, номинальные нагрузки (есть таблица), наработка до отказа, срок службы, класс точности.

Проверка после расчета

Правила:

• после расчета ТТ проверяют по загрузке при макс. и мин. значениях, протекающих через него нагрузок;
• по п. 1.5. 17 ПУЭ при макс. подключенной нагрузке ток во вторичной катушке — не менее 40 % номинала счетчика, при мин. — не менее 5 %;
• макс. загрузка должна быть от 40 %, а мин. — от 5 %, и в любом случае она не должна превышать 100 %, иначе возникнет перегрузка трансформатора;
• если рассчитанные величины макс./мин. загрузок меньше 40 % и 5 % соответственно, то надо подбирать изделие с меньшим номиналом, а если этого нельзя сделать по параметрам макс. нагрузки, надо предусмотреть монтаж двух счетчиков — для макс. и мин. нагрузки.

Проверка понижающего трансформатора мультиметром

Допустим, трансформатор 4-контактный – два провода с первичной обмотки и два со вторичной. Его проверка сводится к выявлению повреждений в обмотках. Чтобы установить, имеются ли таковые, для начала переведем мультиметр в режим тестирования диодов либо переставим переключатель на шкалу сопротивления. Затем проверяем одну катушку, не уделяя внимания полярности подключения щупов, так как она в данном случае абсолютно не важна. То же самое проделываем и со второй.

Низкие показания омметра укажут на исправность обмоток, отсутствие реакции тестера – на обратное.

Если принадлежность того или иного контакта к какой-либо из обмоток не известна, тогда она устанавливается в процессе проверки – сопротивление в первичной у понижающего трансформатора должно быть несколько больше.

Классификация установок

Деление оборудования на классы зависит от различных параметров.

Оно может осуществляться по:

1. Назначению;
2. Способу установки;
3. Числу ступеней;
4. Типу изоляции;
5. Номинальному напряжению.

Исходя из особенностей использования приборы бывают:

• Измерительными;
• Защитными;
• Промежуточными.

Причем первые подразделяются на трансформаторы тока и напряжения.

Смотрим видео, принцип работы и виды трансформаторов:

Что касается установки, то такое оборудование может быть расположено не только в закрытых помещениях, но и на улице. Поэтому исходя из этого параметра различают приборы следующих типов:

1. Наружные;
2. Внутренние;
3. Стационарные;
4. Переносные.

Изоляция обмоток у трансформаторов может быть, как сухой, так и бумажно-масляной или компаундной. Имеются отличия и в числе ступеней. В зависимости от этого параметра устройства делятся на:

• Одноступенчатые;
• Каскадные.

Еще одной отличительной чертой различных моделей может быть номинальное напряжение. Согласно его значению, трансформаторы классифицируются на низко- и высоковольтные.

Кроме того, силовые устройства могут подключаться к одно или трехфазным электросетям.

Высоковольтные трансформаторы чаще всего имеют масляное охлаждение. Приборы этой серии отличаются высоким КПД и хорошими показателями защиты от перегрева. Они требуют минимального обслуживания в процессе эксплуатации.

По конструктивному исполнению силовые трансформаторы делятся на имеющие следующие типы вводов:

• С главной изоляцией фарфоровой покрышки;
• С маслобарьерной;
• С бумажно-масляной;
• С полимерной.
• Конденсаторные проходные;

Характеристики и расчет трансформатора

Обычно основные параметры прибора указываются в технической документации, входящей в его комплектацию. Для трансформаторов таковыми являются:

• Мощность и напряжение (номинальные);
• Максимальный ток обмотки;
• Габариты;
• Масса.

Рассмотрим более подробно, что они обозначают. Номинальная мощность устройства рассчитывается и указывается производителем. Она выражается в киловольт-амперах.

Номинальное напряжение состоит из первичного, на которое рассчитана соответствующая обмотка и вторичного, измеряемого на зажимах. Величина этого параметра может изменяться до 5% в сторону уменьшения или увеличения. Определить ее можно выполнив упрощенный расчет силового трансформатора.

Смотрим видео, делаем правильный расчет:

Номинальные мощность и ток прибора должны соответствовать существующим ГОСТам. Сегодня выпускаются сухие модели, у которых этот показатель может иметь следующее значение:

• 160;
• 250;
• 400;
• 630 кВА.

Мощность прибора обычно указывается в паспорте прибора, а зная ее можно вычислить номинальное значение тока. Для этого используется следующая формула:

I=S√3U, где величины S и U обозначают номинальную мощность и напряжение.

Исходя из того для какой из обмоток рассчитывается значение тока будут изменяться и входящие в формулу величины. Расчет мощности силового трансформатора по нагрузке лучше доверить специалистам. Это позволит избежать неприятных моментов в процессе эксплуатации.

Кроме этого номинальными напряжениями считают значение линейной величины при холостом ходе на обеих обмотках. Значения токов рассчитываются по мощности прибора. Выбирая оборудование следует учитывать, что расчет силового тороидального трансформатора будет несколько отличаться от приведенного выше. Найти информацию по этому вопросу можно в сети.

Особенности монтажа и эксплуатации

Большинство моделей силового оборудования имеют значительный вес. Поэтому на место установки они доставляются специальным транспортом. Причем поставка оборудования осуществляется в собранном виде и полностью готовым к включению.

Смотрим видео, запуск и диагностика оборудования:

Монтаж прибора осуществляется на заранее подготовленный фундамент или в специальное помещение. Чтобы при установке устройства не образовывались воздушные мешки под крышкой бака со стороны расширите под катки укладывают стальные пластинки. Их толщина должна быть такой, чтобы получился подъем в 1% по узкой и 1,5% по широкой стороне трансформатора. Длина прокладок начинает от 150 мм. Если вес прибора не превышает 2 тонн, то он устанавливается непосредственно на фундамент. Его корпус при этом обязательно присоединяется к сети заземления.

Однако, следует помнить, что перед установкой прибор проходит испытания в лабораторных условиях. В процессе проведения этих работ производят измерение коэффициента трансформации, проверку качественного выполнения соединений. А также испытывают устройство повышенным напряжением изоляции, проверяют соответствие трансформаторного масла.

После доставки на объект прибор подвергается внешнему осмотру. При этом обращают внимание на отсутствие протечки масла, посторонних шумов в процессе работы. Проверяется состояние проходных изоляторов и контактных соединений на предмет из нагрева.

После запуска трансформатора необходимо периодически осуществлять контроль температуры. Измерения выполняют при помощи стеклянных термометров. Они погружаются в специальную гильзу, расположенную на крышке прибора. Температура здесь не должна превышать 95°C.

Чтобы избежать аварийных ситуаций в работе трансформатора необходимо регулярно замерять нагрузки. Это позволит определить перекосы по фазам, ведущие к искажению напряжений. Осмотр оборудования без его отключения должен выполняться каждый полгода. Но в зависимости от состояния прибора сроки могут изменяться.

Марки ферритов

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

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

Немного истории

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

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

Виды магнитопроводов

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.

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

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

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.