Конструктивные особенности трансформатора

В устройствах электропитания трансформатор чаще всего применяется для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины. По мощности трансформаторы бывают силовыми (от единиц кВА до сотен кВА) и маломощными (от единиц ВА до единиц кВА). Маломощные трансформаторы применяются в аппаратуре связи и радиоаппаратуре в качестве согласующих или разделительных трансформаторов или для преобразования напряжения или тока. Силовые трансформаторы применяются в цепях питания радиопредприятий и предприятий проводной связи.

Трансформатор - это аппарат переменного тока и на постоянном токе не работает!

По схемному исполнению (т.е. по числу обмоток) трансформаторы бывают одно-, двух- и многообмоточные. Обмотка, включённая в сеть источника электрической энергии, называется первичной, а обмотка, включённая в сеть приёмника энергии (потребителя), называется вторичной. Первичная обмотку трансформатора есть только одна, а вторичных может быть несколько. Однообмоточный трансформатор называется автотрансформатором (пример - бытовой трансформатор в стабилизаторе для ТВ). У него вторичной обмоткой служат отпайки от первичной обмотки. В нём между первичной и вторичной сторонами есть и магнитная и электрическая связь. Двухобмоточный трансформатор имеет одну первичную и одну вторичную обмотки. Они электрически изолированы друг от друга. Многообмоточный трансформатор имеет одну первичную и несколько вторичных обмоток, причём все обмотки электрически не связаны между собой.

По рабочей частоте трансформаторы условно можно разделить на трансформаторы:

- пониженной частоты (ниже 50 Гц);

- промышленной частоты (50 Гц);

- повышенной частоты (100 Гц - 10 кГц);

- высокой частоты (выше 10 кГц).

По числу фаз трансформаторы бывают однофазные (рис. 1.3) и многофазные (трёхфазные, шестифазные и т.д.). Число фаз первичной обмотки определяется числом фаз источника электрической энергии, а число фаз вторичной обмотки определяется назначением трансформатора в схеме. По напряжению трансформаторы бывают низковольтные (напряжение любой его обмотки меньше 1000 В) и высоковольтные (напряжение хотя бы одной выше 1000 В).

Любой трансформатор состоит из двух основных элементов - замкнутого стального сердечника и обмоток, намотанных медным проводом. Сердечник трансформатора изготавливается из пластин специальной электротехнической стали. Толщина этих пластин зависит от рабочей частоты трансформатора, чем больше частота, тем тоньше пластины.

Рисунок 1.3 Классификация сердечников трансформатора по форме сердечника и способу расположения на нём обмоток

По форме сердечника и способу расположения на нём обмоток трансформаторы бывают стержневые, броневые (Ш-образные) и тороидальные.

Броневые сердечники используются при мощности менее 150В×А и частоте до 8 кГц, стрежневые - при мощности от 150 до 800 [В×А] и частоте до 8 кГц, тороидальные – при мощности до 250 [В×А] и частоте свыше 8 кГц. В броневом сердечнике трансформатора основной магнитный поток раздваивается, что приводит к увеличению потока рассеяния. Расположение обмоток на одном (среднем) стержне трансформатора защищает обмотки от механических воздействий и электромагнитных помех. Такая конструкция обладает наибольшим рассеиванием основного потока ( ), поэтому используется при малых мощностях. В стержневом сердечнике трансформатора для улучшения сцепления обмоток первичную и вторичную обмотки разводят по двум стержням и при намотке чередуют послойно. В такой конструкции поток рассеяния меньше, чем в броневом трансформаторе. Тороидальная конструкция сердечника трансформатора обладает наименьшим потоком рассеяния, благодаря круговому движению силовой линии основного магнитного потока Ф₀ и хорошему сцеплению обмоток (из- за намотки по всему тороиду). Ограничение по мощности связано с плохим охлаждением сердечника и технологическими трудностями изготовления. Поперечное сечение тороида и стержней приближают к округлой форме, что позволяет экономить материал сердечника. Сердечники магнитопроводов изготавливаются в виде лент, пластин или прессуют из ферромагнитного порошка с добавлением кремния. Низкочастотные трансформаторы выполняются из холоднокатанной (анизотропной или изотропной) стали, а также горячекатаной стали.

Рисунок 1.4 Виды сердечников магнитопровода

Основные виды магнитопроводов представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 Основные виды магнитопроводов

Внешний вид магнитопровода	Название	Шифр изделия	Основные размеры
	Кольцевой сердечник	К	D*d*h
	Стержень прямоугольного сечения	С	b*s*L
	Стержень круглого сечения	С	D*L
	Ш-образный сердечник	Ш	l 0*S
	Чашка броневого сердечника	Б	D

Для улучшения магнитной связи между обмотками. Сердечник изготавливают из сталь­ного магнитопровода собранного из пластин специальной электротехни­ческой стали марок 1511, 1512, 3411, 3412, 3413 и др. В этом обозначе­нии первая цифра показывает класс стали по структурному состоянию и виду проката: 1 — горячекатанная, изотропная, 2 — холоднокатанная изотропная, 3 — холоднокатанная анизотропная. Вторая цифра показывает процентное содержание кремния, присадка которого делает сталь более хрупкой и увеличивает элек­трическое сопротивление. Третья цифра указывает удельные потери (Вт/кг). Четвертая цифра — порядковый номер разработки. Холоднокатанная сталь обладает высокой магнитной проницаемостью и малыми удельными потерями, но является дорогостоящим материалом. В анизотропной холоднокатанной стали направление проката диктует направление силовой линии магнитного потока ( ) потому, что в перпендикулярном направлении ухудшаются магнитные свойства стали. Горячекатанная сталь более экономична, но имеет более высокие удельные потери и низкую магнитную проницаемость (m_д).

В высокочастотных трансформаторах в качестве материала сердечников используют: феррит, пермаллой и альсифер. Альсифер(магнитодиэлектрик) используется для дросселей сглаживающих фильтров, т.к. имеется запас по намагниченности, пермаллой механически непрочен и дорог в изготовлении. Феррит обладает широким диапазоном рабочих частот, поэтому широко используется в импульсных трансформаторах.

Ферриты – это поликристаллические многокомпонентные соединения, изготавливаемыe по особой технологии, общая химическая формула которых MeFe₂О₃ (где Me – какой-либо ферромагнетик, например, Мn, Zn, Ni). Ферриты обладают высокими значениями собственного омического сопротивления, превышающего сопротивление сталей в 50 и более раз. Именно это обстоятельство позволяет применять ферриты в индуктивных элементах, работающих на высоких частотах, без опасения, что могут повыситься потери на вихревые токи. Наибольшее распространение в силовой технике получили марганец-цинковые ферриты марок НМ и никель-цинковые ферриты марок НН. При выборе между ними предпочтение, конечно, следует отдать ферритам марок НМ, поскольку они имеют более высокую температуру, при которой ферромагнетики теряют свои ферромагнитные свойства (температуру Кюри). Это обстоятельство позволяет эксплуатировать их при более высоких температурах перегрева. Потери на гистерезис у марганец-цинковых ферритов на порядок меньше, чем у никель-цинковых. Ферриты марок НМ обладают высокой стабильностью к воздействию механических нагрузок. Однако, омическое сопротивление ферритов марок НМ меньше, чем ферритов марок НН, поэтому последние могут применяться для работы на более высоких частотах.

Отметим из наиболее часто встречающихся никель-цинковые ферриты марок 2000НН, 1000НН, 600НН, 200НН, 100НН. Верхней границей рабочей области частот для них является 5-7 МГц. Марганцево-цинковые высокопроницаемые ферриты марок 6000НМ,4000НМ, З000НМ, 2000НМ, I500HM, 1000НМ используются в частотном диапазоне до нескольких сот килогерц в интервале температур -60...+100 °С, когда термостабильность не является определяю­щим параметром. В противном случае следует использовать термостабильные ферриты 2000НМ3, 2000НМ1, 1500НМ3, 1500НМ1, 1000HM3, 700НМ. Они обладают меньшими потерями на вихревые токи и большим диапазо­ном частот (0,3...1,5 МГц). Для импульсных источников термостабильность, конечно, важна, но не является определяющим фактором. На рисунке 1.5 ниже показана зависимость В(Н) для феррита 1500НМ3 при различных температурах и частотах: 1 – 20 кГц; 2 – 50 кГц; 3 – 100 кГц.

Рисунок 1.5 Зависимость В(Н) для феррита 1500НМ3 при различных температурах и частотах

В средних и, особенно, сильных полях хорошо приме­нять ферриты марок 4000НMC, 3000HMC, 2500НМС1, 2500НМС2. Результаты исследований показывают, что луч­шими представителями в этой группе являются ферриты 2500НМС1 и 2500НМС2. Зависимость В(Н) для феррита 2500НМС1 при частоте 20 кГц показана ниже.

Рисунок 1.6 Зависимость В(Н) для феррита 2500НМС1 при частоте 20 кГц показана ниже.

Параметры ферритов марок 2500НМС1 и 2500НМС2 сведены в таблицу1.2.

Таблица1.2 Параметры ферритов марок 2500НМС1 и 2500НМС2

Приведём параметры наиболее часто встречающихся ферритов марок НМ и НН.

Таблица 1.3 параметры наиболее часто встречающихся ферритов марок НМ и НН.

Магнитодиэлектрики состоят из мелкозернистого ферромагнитного порошка и связующего диэлектрического материала на основе полистирола. Частицы ферромагнетика изолированы друг от друга диэлектрической средой, являющейся одновременно и механической связкой всей системы. Магнитная проницаемость магнитодиэлектриков невелика (от нескольких единиц до сотен) поэтому параметры магнитодиэлектриков мало зависят от внешних полей.

Распространены три основные группы магнитодиэлектриков: альсиферы, карбонильное железо и пресспермы.

Карбонильное железо применяют в основном для индуктивных катушек малой энергоемкости, поэтому мы не будем рассматривать этот вид ферромагнитного материала.

Основу магнитного наполнителя альсиферов составляет тройной сплав Al-Si-Fe. Выпускается несколько марок альсиферов с проницаемостью от 22 до 90, предназначенных для работы в интервале температур от -60 до +120 °С. Буквы в названии марок означают:

-ТЧ — тональная частота:

- ВЧ — высокая частота;

- К — с компенсированным температурным коэффициентом магнитной проницаемости.

Таблица 1.4 Параметры альсиферов

δ_п – коэффициент потерь на гистерезис.

Кривые намагничения альсиферов: 1 – ТЧ-60; 2 – ТЧ-32; 3 – ВЧ-22:

Рисунок 1.7 Кривые намагничения альсиферов

Коэффициент потерь на гистерезис остается постоянным лишь при слабых полях. При повышении напряженности поля он уменьшается и в полях порядка 1500 – 2000 А/м снижается до 0,1 своего начального значения. Такая зависимость объясняется тем, что в слабых полях площадь петли гистерезиса альсифера растет пропорционально Н³, а в сильных - медленнее.

Пресспермы — магнитодиэлектрики на основе Mo-пермаллоя. Изготовляются из мелкого порошка высоконикелевого пермаллоя, легированного молибденом. Пресспермы обладают повышенноной магнитной проницаемостью и низким уровнем потерь на гистерезис. В обозначении термокомпенсированных пресспермов добавляется буква «К». Цифра в маркировке означает номинальную магнитную проницаемость. Кривые намагничивания пресспермов: 1 – МП-250; 2 – МП-140; 3 – МП-100; 4 – МП-60:

Рисунок 1.8 Кривые намагничивания пресспермов

Таблица 1.5 Параметры некоторых пресспермов

Обмотки трансформатора изолируются друг от друга. Обычно обмотки размещаются на каркасе с использованием межвитковой и межслойной изоляции (лак, волокно, х/б нитки и.т.д.). Тип изоляции зависит от рабочей температуры. Провода для обмоток имеют прямоугольное или круглое сечение. Прямоугольные провода используются для повышенных токов нагрузки. При проектировании трансформаторов вводиться понятие плотности тока.

(1.9)

Выбор плотности тока зависят от расположения обмотки на магнитопроводе, мощности и типа сердечника.