Магнитные сердечники для трансформаторов, проектирование. Магнитный сердечник с пластинчатым (или слоистым) сердечником

Производство устройств основано на трех основных концепциях намотки:

Типы магнитных сердечников: Назначение магнитных сердечников

Назначение магнитного сердечника является создание замкнутого магнитного пути для магнитного потока, который имеет минимальное магнитное сопротивление. Поэтому магнитопроводы трансформаторов изготавливаются из материалов с высокой магнитной проницаемостью в сильных переменных магнитных полях. Эти материалы должны иметь низкие потери на вихревые токи, чтобы не перегревать магнитную цепь при достаточно высокой магнитной индукции, они должны быть относительно недорогими и не требовать сложной механической или термической обработки.

Магнитные материалыиспользуемые для магнитопроводов, поставляются в виде отдельных листов или длинных полос определенной толщины и ширины и называются электротехнические стали.
Стальные листы (ГОСТ 802-58) производятся путем горячей и холодной прокатки, текстурированные стальные полосы (ГОСТ 9925-61) – только путем холодной прокатки.

Также используются сплавы железа и никеля с высокой магнитной проницаемостью, например, пермаллой, перминдур и т.д. (ГОСТ 10160-62) и низкочастотные магнитомягкие ферриты.

Для производства различных относительно недорогих трансформаторов обычно используются следующие стали электротехнические сталиДля производства различных относительно недорогих трансформаторов чаще всего используются электротехнические стали, которые характеризуются низкой стоимостью и позволяют трансформатору работать как с постоянным намагничиванием магнитопровода, так и без него. Наиболее часто используются холоднокатаные стали, которые обладают лучшими свойствами, чем горячекатаные.

Магнитные сердечники из электротехнической стали

Сплавы с высокая проницаемость используются в импульсных трансформаторах и трансформаторах, работающих на высоких частотах и частотах в диапазоне 50-100 кГц.

Недостатком этих сплавов является их высокая стоимость. Например, пермаллой в 10-20 раз дороже электротехнической стали, а пермендюра – в 150 раз. Однако в некоторых случаях их использование может значительно снизить вес, объем и даже общую стоимость трансформатора.

Другим недостатком является сильное влияние на магнитную проницаемость постоянного подмагничивания, переменных магнитных полей, а также низкая устойчивость к механическим воздействиям – ударам, давлению и т.д.

Магнитные сердечники из сплавов с высокой магнитной проницаемостью

С другой стороны магнитно-мягкие ферриты с низкой частотой ферриты с высокой начальной проницаемостью используются для производства прессованные жилыферриты, которые используются в импульсных трансформаторах и трансформаторах, работающих на высоких частотах 50 – 100 кГц. Ферриты имеют преимущество низкой стоимости, но недостаток низкой индукции насыщения (0,4 – 0,5 Т) и сильной температурной и амплитудной нестабильности магнитной проницаемости. Поэтому они используются только для слабых полей.

Магнитные сердечники из мягкого экструдированного феррита

Выбор магнитных материалов осуществляется на основе электромагнитных характеристик, с учетом условий эксплуатации и назначения трансформатора.

Магнитные сердечники можно разделить на три группы:

Магнитные сердечники

  • Магнитный канал – это часть или узел оборудования, предназначенный для передачи, с некоторыми потерями, магнитного потока, индуцированного электрическим током, протекающим в обмотках оборудования, содержащего магнитный канал.

Магнитопроводы являются компонентами цепей релейной защиты: трансформаторов, катушек, реле, пускателей, контакторов, а также магнитных головок, запоминающих устройств, электрических машин: генераторов, электродвигателей.

Магнитные катушки можно разделить на три группы:

Также с точки зрения конструкции магнитопроводы делятся на 2 группы:

Серрейторные магнитопроводы – это магнитопроводы с ярко выраженными зазубринами. Эти магнитопроводы характеризуются значительным влиянием формы паза на магнитную проницаемость паза. Для того чтобы получить определенную форму магнитного поля, зубьям придают специальную форму.

Магнитопроводы изготавливаются из материала с высокой проницаемостью (обычно из электротехнической стали).

Важно отметить особенности материалов, из которых изготовлены магнитопроводы. Например, в оборудовании переменного тока используется специальная тонкостенная сталь с легирующими добавками. Он поставляется в листах или рулонах. В зависимости от метода производства, цена стали варьируется; сталь, произведенная методом холодной прокатки, дороже (но следует отметить, что она также имеет более низкие индукционные потери).

Типы магнитопроводов и их применение

Давайте немного подробнее рассмотрим характеристики магнитных сердечников для различных устройств.

В трансформаторах используются однофазные или трехфазные магнитопроводы. Однофазные жилы включают стержневые и бронированные блоки. Магнитопроводы состоят из двух сердечников, на которых установлены две катушки с обмотками. Бронированные катушки состоят из сердечника, на который намотаны катушки, и витков. От сердечника магнитный поток распадается на 2 части. Этот тип магнитопровода используется в трансформаторах малой мощности. Причина в том, что он не подходит для высоких тепловых нагрузок. Тип сердечника, имеющий большую площадь для охлаждения обмотки, больше подходит для силовых трансформаторов.

Для трехфазных устройств используется либо 3-фазная конструкция, либо устанавливается общая обмотка с отдельными ячейками.

Наиболее распространенной конструкцией в этом случае является расположение обмоток на отдельном сердечнике.
Если производство небольшое, магнитопровод часто собирают на месте из полос заготовок. То есть полоски железа наматываются на готовую катушку проволоки – магнитопровод.

Если используются полосы, их толщина должна составлять 0,2 или 0,35 мм, или 0,35 или 0,5 мм при использовании полос. Это связано с тем, что лента должна быть намотана очень плотно, что невозможно при слишком большой толщине материала.

В случае с реле и пускателями конструкция магнитной цепи в основном не меняется. Разница лишь в том, что он состоит из двух частей – подвижной и неподвижной. При наличии магнитного потока подвижная часть с контактом притягивается как магнит, а при отсутствии магнитного потока возвращается в прежнее положение.
Сердечники постоянных магнитов изготавливаются методом литья из цельного куска, для них не используются тонкие пластины. Их сердцевина имеет круглую форму, а корпус и ярмо – прямоугольную.
Магнитный провод для электрической машины имеет несколько иную конструкцию. Это происходит из-за движущегося ротора. В этом случае в магнитной катушке делаются пустоты для размещения проводов, так как внутри есть обмотки, по которым течет ток, чтобы обеспечить минимальные размеры.

На вопрос, как работает трансформатор в базовом режиме, отвечает основной закон ЭДС индукции. Принцип работы заключается в следующем: при подаче нагрузки на вторичную обмотку во вторичном контуре возникает магнитный поток, который индуцирует ток нагрузки в сердечнике. Этот ток течет в направлении, противоположном току, производимому первичной обмоткой. В первичной цепи паритет электродвижущей силы поставщика электроэнергии и индукции не соблюдается, первичная обмотка увеличивает электрический ток до тех пор, пока магнитный поток не вернется к своему первоначальному значению.

Классификация по типам

Мощность

Силовой трансформатор переменного тока – это устройство, используемое для преобразования электрической энергии в сетях электроснабжения и электроустановках значительной мощности.

Необходимость в электроустановках возникает из-за серьезных различий в рабочих напряжениях основных линий электропередач и муниципальных сетей, доходящих до конечных потребителей, необходимых для работы машин и механизмов, работающих на электричестве.

Автотрансформаторы

Конструкция и принцип работы трансформаторов данной конструкции основаны на непосредственном соединении первичной и вторичной обмоток, так что они связаны как электромагнитно, так и электрически. Обмотки устройств имеют как минимум три клеммы, на которых изменяется напряжение.

Автомобильный трансформатор 220 кВ

Основным преимуществом этих устройств является их хорошая эффективность, поскольку не вся мощность преобразуется, что важно, когда входное и выходное напряжения незначительно отличаются. Недостатком является то, что цепи трансформатора не изолированы (нет разделения) друг от друга.

Трансформаторы тока

Этот термин обычно используется для описания устройства, получающего питание непосредственно от поставщика энергии для снижения первичного электрического тока до значений, пригодных для использования в цепях учета, защиты, сигнализации и связи.

Первичная обмотка электрических трансформаторов, конструкция которых не допускает гальванической связи, подключается к определяемой цепи переменного тока, а измерительные приборы подключаются к вторичной обмотке. Ток, протекающий во вторичной обмотке, приблизительно соответствует току первичной обмотки, деленному на коэффициент трансформации.

Трансформаторы напряжения

Назначение этих устройств – снижение напряжения в цепях измерения, автоматики и релейной защиты. В различных приложениях эти цепи защиты и измерения отделены от высоковольтных цепей.

Импульс

Трансформаторы этого типа необходимы для модификации видеоимпульсов малой длительности, обычно имеющих повторение в течение периода времени со значительным изменением шага, с минимальным изменением их формы. Цель приложения – передать ортогональный электрический импульс с наиболее крутыми спадающим и нарастающим склонами и с неизменным значением амплитуды.

Основным требованием к устройствам этого типа является отсутствие искажений при передаче формы преобразованных импульсов напряжения. Когда на вход подается напряжение любой формы, импульс выходного напряжения имеет идентичную форму, но, возможно, другой диапазон или полярность.

Разделение

Разделительный трансформатор – это устройство, имеющее первичную обмотку, которая электрически не связана (т.е. изолирована) со вторичной обмоткой.

Существует два типа таких устройств:

  • мощность;
  • сигнал.

Сигнальные устройства используются для повышения надежности электросетей в случае случайного синхронного соединения с землей и токоведущими частями или с нетоковедущими частями, оказавшимися под напряжением из-за нарушения изоляции.

Сигнализация используется для обеспечения гальванической развязки электрических цепей.

Примирение

То, как работает этот тип трансформатора, также следует из его названия. Согласующие трансформаторы – это устройства, используемые для согласования сопротивления отдельных элементов электрических цепей при минимальном изменении формы сигнала. Они также используются для устранения гальванических взаимодействий между различными частями цепей.

Пиковые трансформаторы

Принцип работы пиковых трансформаторов основан на изменении характера напряжения, от входного синусоидального напряжения до пульсирующего напряжения. Полярность меняется после перехода полупериода.

Двойной индуктор

Его функция, конструкция и принцип работы, как трансформатора, полностью идентичны функции, конструкции и принципу работы пары таких обмоток, которые в данном случае являются абсолютно одинаковыми, намотанными противоположным или согласованным образом.

Это устройство также принято называть антииндукционным фильтром. Это указывает на область применения устройства – фильтрация входного напряжения в источниках питания, аудиоаппаратуре, цифровых устройствах.

Рис. 8 Формы поперечных сечений стержней трансформатора, Рис. 9 Формы поперечных сечений вилок трансформатора

Влияние дефектной сборки на свойства продукции

Наиболее распространенным дефектом в собранной конструкции может быть слабое соединение между ярмом и пластинами сердечника. Следовательно, возникающие зазоры будут увеличивать ток холостого хода (Ixx) трансформатора. Магнитный поток также будет ухудшаться.

Если при сборке количество пластин ярма меньше, чем требуется, площадь поперечного сечения уменьшится, что приведет к увеличению магнитной индукции и потерь холостого хода. Любое механическое повреждение листов магнитной катушки во время формовки также приведет к ухудшению технических характеристик трансформатора.

Магнитопровод изготовлен из отдельных тонких пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга слоем специального термостойкого покрытия или лака. Термостойкое покрытие обычно наносится непосредственно на металлургическом заводе, производящем сталь; лаковое покрытие наносится на трансформаторном заводе после резки (штамповки) листов.

Магнитная катушка трансформатора

Магнитопровод – это магнитная цепь трансформатора, через которую проходит основной магнитный поток. В то же время магнитная катушка служит основанием для установки и крепления обмоток, ответвителей, переключателей и других компонентов активной части трансформатора.

Магнитопровод изготавливается из отдельных листов электротехнической стали, которые изолированы друг от друга специальным термостойким покрытием или краской. Термостойкое покрытие обычно наносится непосредственно на металлургическом заводе, производящем сталь, а лакокрасочное покрытие наносится на трансформаторном заводе после резки (штамповки) листов.

Существует два типа магнитопроводов: стержневые и броневые.

Магнитопроводы стержневого типа (рис. 1, а) имеют вертикальные стержни 1 ступенчатого сечения, вписанные в круг. Они имеют цилиндрические обмотки 2. Части магнитопровода, которые не имеют обмоток и служат для образования замкнутого контура, называются ярмами.

В бронированной катушке (рис. 1, б) жилы расположены горизонтально и имеют прямоугольное сечение. Соответственно, витки бронированной катушки имеют прямоугольную форму. Из-за очень сложной технологии производства только в некоторых специальных трансформаторах используется броневая конструкция, а во всех силовых трансформаторах отечественной промышленности используется стержневая конструкция.

Конструкции сердечников трансформаторов

а – стержень; б – броня; 1 – стержень; 2 – обмотки; 3 – ярмо
Рисунок 1 – Основные типы магнитопроводов

По способу соединения сердечников с вилками различают конструкции магнитопроводов типа “Butt-joint” и “Coil”.

Стержни и вилки собираются отдельно путем надвигания катушек на стержни, а затем накладывается верхняя вилка. Чтобы избежать короткого замыкания пластин, между соединительными частями магнитопровода помещаются картонные прокладки. После установки верхнего ярма вся конструкция прижимается и стягивается вертикальными штифтами.

Комбинированная конструкция значительно облегчает установку, так как для монтажа обмоток необходимо снять только верхнее ярмо. Однако необходимость громоздких сухожилий, а также механическая обработка соединительных поверхностей сухожилий и вилок (необходимая для снижения магнитного сопротивления) привела к тому, что стыковая конструкция магнитопроводов не используется в силовых трансформаторах. Чаще всего он используется в токоограничивающих или шунтирующих реакторах.

В стыковой конструкции стержни и ярма собираются в связку, т.е. разделяются по толщине на слои (обычно по два-три листа), состоящие из отдельных пластин, так что в каждом слое часть пластин стержня вставляется в ярмо. Таким образом, плиты одного слоя перекрывают стыки плит соседнего слоя. Преимуществами спеченной конструкции по сравнению со стыковой являются меньший вес и большая механическая прочность, меньший зазор в стыках и меньший ток холостого хода трансформаторов.

Сборка трансформатора, однако, сложнее при паяной конструкции: чтобы установить обмотки на сердечники, верхнее ярмо должно быть сначала покрыто одним слоем, а затем снова покрыто после установки обмоток. Эта работа отнимает много времени и является очень ответственной, поскольку при недостаточно тщательном выполнении работы могут резко ухудшиться эксплуатационные характеристики трансформатора.

Если зазоры между верхней и стержневой пластинами после покрытия будут больше, это ухудшит условия протекания магнитного потока и увеличит ток холостого хода трансформатора. Если по какой-либо причине в ярмо помещается меньше пластин, чем необходимо, площадь поперечного сечения ярма уменьшается, поэтому плотность магнитного поля (магнитная индукция) увеличивается, потери и ток холостого хода возрастают. Если во время усадки или отскока листов с ними обращаются небрежно (удары, механические повреждения, повреждение изоляции), это также приведет к ухудшению экономических характеристик трансформатора.

В последние годы произошли значительные изменения в конструкции магнитопроводов. Изменилась форма пластин, из которых собираются магнитопроводы: вместо прямоугольных пластин часто используются пластины с одной или двумя узкими сторонами, срезанными под углом (обычно 45°). Использование “косого стыка” в конструкции магнитопроводов позволяет заметно снизить потери холостого хода за счет некоторой сложности изготовления. На рис. 2, a, b показаны скошенные листы и магнитопровод однофазного трансформатора со скошенными листами после верхнего шпаклевания, а на рис. 3 – часть верхнего шпаклевания (во время формования) над крайними и центральными стержнями трехфазного трансформатора мощностью 1000 кВА.

Канальные плиты

1 – магнитопровод; 2 – коромысло; 3 – нижнее коромысло
Рисунок 2 – Магнитосферные пластины с диагональным соединением (a) и однофазный трансформатор с диагональным соединением пластин после верхнего ярма (b)

Магнитный сердечник трехфазного трансформатора

a – над крайним сердечником; b – над центральным сердечником; 1 – пластины крайнего сердечника; 2 – верхнее ярмо; 3 – прижимное кольцо; 4 – пластины центрального сердечника; 5 – подъемное устройство; 6 – обмотка WN
Рисунок 3 – Магнитный проводник трехфазного трансформатора с диагональным соединением пластин

Обмотка магнитопровода имеет круглое горизонтальное сечение. Чтобы лучше использовать круглую площадь, поперечное сечение стержней магнитопровода также стремится быть круглым. Однако круглое сечение сердечника потребовало бы использования большого количества стальных листов разной ширины, что значительно усложнило бы процесс изготовления. Поэтому сечение жил является многоступенчатым.

Сердечники трансформаторов типоразмеров I-III, выпускаемые отечественными заводами, до недавнего времени имели прямоугольное или Т-образное сечение со ступенькой, обращенной к “окну” магнитопровода. В новых конструкциях форма справедливого сечения (для лучшего распределения магнитного потока) повторяет форму сечения стержня, а сами стержни стали “полнее”: увеличилось количество ступеней (пучков листов разной ширины), а значит, увеличилось и активное сечение стали в зоне круга. На рисунке 4 показаны поперечные сечения сердечников Т-образных и многоступенчатых трансформаторов типоразмеров I-III.

Форма магнитопровода трансформатора - сечение ярма

a – Т-образный, b – многоступенчатый; 1 – верхнее ярмо, 2 – верхнее ярмо, 3 – нижнее ярмо, 4 – нижнее ярмо
Рисунок 4 – Форма поперечного сечения магнитопроводов для трансформаторов типоразмеров I-III

Готовый магнитопровод должен обладать достаточной жесткостью. Неравномерное и недостаточное сжатие, недостаточное или избыточное давление пластин в одной из планок или в коромысле вызывает повышенные вибрации, которые могут привести к механическому разрушению элементов крепления магнитопровода. Повышенные вибрации сопровождаются шумом. Поэтому при сборке магнитопровода пластины сердечника и ярма должны быть запрессованы и соединены вместе, как если бы они были единым целым.

Существуют различные методы прессования. В небольших силовых трансформаторах стержни прижимаются деревянными планками, которые загоняются между внутренним цилиндром обмотки и магнитопроводом во время сборки активной части трансформатора. Эти полоски прижимают стержни к обмоткам и прижимают их на место.

Стяжки с металлическими штырями обычно используются для прижатия магнитопроводов больших трансформаторов.

До недавнего времени в трансформаторостроении обычно использовались конструкции магнитопроводов с отверстиями в стали сердечника. Эти стержни были стянуты горизонтальными штифтами через отверстия, пробитые в каждой пластине. Штыри должны были быть надежно изолированы от стали, чтобы избежать короткого замыкания пластин, что могло привести к увеличению вихревых токов, локальному нагреву и “возгоранию стали”.

Однако конструкции магнитопроводов с отверстиями в сердечнике и ярмом из активной стали имеют существенные недостатки. Отверстия штампуются на специальных прессах (одна из самых трудоемких операций в производстве магнитопроводов); вокруг каждого отверстия образуется область механически деформированной стали (для устранения образовавшегося пригара необходим отжиг пластин); отверстия уменьшают площадь поперечного сечения и вызывают локальное увеличение потерь холостого хода. Наконец, даже самая надежная изоляция шпилек, которые прижимаются к стержням и вилкам магнитопровода, со временем может выйти из строя, что приведет к серьезным последствиям для трансформатора. По этой причине в последние годы широкое распространение получили так называемые безшиповые конструкции магнитопроводов. Существует несколько конструкций магнитопроводов без сердечника, которые отличаются способом сжатия сердечника и ярма. Для трансформаторов 250-630 кВА, например, шины затягиваются временными хомутами, пока они находятся в горизонтальном положении, сразу после сборки. После наложения обмотки (обычно намотанной на бумажно-бакелитовый цилиндр) зажимы снимаются, и между цилиндром и магнитопроводом вставляются деревянные планки и клинья, чтобы жестко прижать пластины сердечника друг к другу.

В трансформаторах большей мощности сердечники прижимаются друг к другу стальными бандажами или бандажами из стекловолоконной ленты. Чтобы избежать образования замкнутой петли, стальные стяжки изготавливаются с изолирующей пряжкой. Лента наматывается с помощью специального устройства, которое обеспечивает равномерное расположение ленты с натяжением, достаточным для сжатия сердечника.

Для сжатия ярма за крайними брусьями используются либо штифты, стягивающие балки ярма (балки механически очень прочные), либо стальные полукольца, соединяющие верхнее и нижнее ярмо. В некоторых конструкциях вместо полураскосов используются стальные стойки, но это требует некоторого увеличения окна магнитопровода.

На рисунке 5 показано ярмо магнитного сердечника, спрессованное со стальными полукольцами. Полуполоса – это стальная полоса 1 шириной 40-60 мм и толщиной 4-6 мм (обычно две полосы толщиной 2-3 мм каждая). Стальные штыри 2 приварены к концам ленты и проходят через пластины 3 из прочного изоляционного материала (чаще всего для этой цели используется пластик, армированный стекловолокном). При затягивании гаек 4, накрученных на шпильки, создается необходимое усилие зажима вилки. Чтобы избежать блокировки стальных пластин полубрусом, под них подкладывается картонная коробка толщиной 2-3 мм.

Ярмо магнитного сердечника

1 – стальная полоса, 2 – оправка, 3 – стеклопластиковая пластина, 4 – прижимная гайка
Рис. 5 – Ярмо магнитопровода, спрессованное с полуполосками

Однако заготовки сами по себе не способны создать достаточное усилие для зажима коромысла. Для зажима вилок обязательно использование специальных зажимных устройств на концах магнитопровода, которые располагаются за стальным сердечником. В трансформаторах 4000-6300 кВА это могут быть простые стальные штыри, изолированные от возможных коротких замыканий бакелитовыми трубками, а в более крупных трансформаторах используются специальные “коробки”, опирающиеся на сталь сердечников внешних магнитопроводов.

Во многих трансформаторах обмотки прижимаются друг к другу с помощью прижимных колец. Причиной этого является постепенная усадка обмоток в процессе эксплуатации, особенно если обмотки и активная часть трансформатора не были достаточно высушены в процессе производства. Эта усадка приводит к уменьшению высоты обмотки и ослаблению витков, что резко снижает динамическую прочность трансформатора при коротком замыкании и может привести к его разрушению.

Зажимные кольца позволяют создать необходимое усилие зажима и, что очень важно, прижать обмотки друг к другу в случае, если при осмотре обнаружится осевой люфт в обмотках. До недавнего времени нажимные кольца изготавливались из стали. В настоящее время они часто изготавливаются из различных пластмасс, в основном из стекловолокна. На рисунке 6 показано прессование обмоток прижимными кольцами и конструкция прессующего устройства.

Штамповка обмоток трансформаторов

1 – верхнее коромысло, 2 – обмотка, 3 – нажимное кольцо, 4 – нажимной винт, 5 – шина коромысла
Рисунок 6 – Зажим обмоток с помощью зажимных колец и конструкции зажимной планки

Когда трансформатор работает, между обмотками и заземленными частями (например, ковшом) существует электрическое поле. Все металлические части трансформатора, находящиеся в этом поле, заряжаются, т.е. приобретают определенный потенциал. Между заряженными частями и заземленным резервуаром существует разность потенциалов. Хотя они и малы, их может быть достаточно, чтобы вызвать разрушение небольших изоляционных зазоров, разделяющих металлические части. Провалы нежелательны, поскольку приводят к разложению и деградации масла и всегда сопровождаются характерным потрескивающим звуком, вызывающим сомнения в целостности изоляции трансформатора. По этой причине магнитопровод и его крепежные детали должны быть заземлены, т.е. все они должны иметь одинаковый потенциал – потенциал резервуара (земли); в результате электрические заряды стекают с металлических частей трансформатора на землю.

Заземлите коромысла, все металлические крепления и детали, кроме горизонтальных тяг, потенциал которых всегда близок к потенциалу стали магнитопровода. Заземление осуществляется с помощью медных полосок, вставленных между стальными пластинами магнитопровода и закрепленных другим концом на ярмовой балке. Верхняя и нижняя балки соединены вертикальными связями и заземлены на бак трансформатора с помощью подъемного троса.

Возможны различные способы заземления металлических частей: они зависят от конструкции магнитопровода, крепления активной части в резервуаре, соединения между отдельными частями. В каждом случае инструкции по заземлению отдельных частей трансформатора являются обязательными.

Читайте далее:
Сохранить статью?