Как собрать трансформатор своими руками

Как разобрать и собрать трансформатор?

Наиболее удобными для перемотки являются трансформаторы на витых броневых и стержневых магнитопроводах, так как их сборка и разборка занимает считанные минуты.

Однако при сборке требуется точное сопряжение отдельных частей магнитопровода. Поэтому при разборке, обязательно пометьте сопрягаемые части магнитопровода, чтобы в последствие их можно было правильно собрать.

При производстве витых броневых и стержневых магнитопроводов, лента наматывается на шаблон, а затем весь пакет разрезается. Половинки сердечника маркируются так, чтобы при сборке можно было восстановить положение сердечника имевшее место до разрезания.

Чтобы предотвратить вибрации и гудение, можно во время сборки склеить половинки магнитопровода клеем на основе эпоксидной смолой. Небольшое количество клея нужно нанести на зеркальные сопрягающиеся части магнитопровода.

Если после разборки магнитопровода, на нём остались остатки старой эпоксидной смолы, то их можно удалить при помощи самой мелкой наждачной шкурки (нулёвки).

При промышленной сборке, в смолу добавляют в качестве наполнителя ферромагнитный порошок.

При нескольких сборках и разборках трансформатора на витых броневых сердечниках, могут переломиться лапки стягивающего хомута.

Чтобы этого не произошло во время тестирования, можно стянуть магнитопровод 8-10-тью слоями изоляционной ленты.

Стержневые витые и штампованные магнитопроводы могут иметь как один каркас поз.2, так и два каркаса поз.1 с обмотками расположенными симметрично.

Первичные и вторичные обмотки двухкаркасных трансформаторов следует распределять равномерно на оба каркаса.

От взаимного положения каркасов, зависит относительная фазировка обмоток.

1. Самодельный кольцевой трансформатор.
2. Промышленный неразборный кольцевой трансформатор.
3. Кольцевой витой магнитопровод.

Кольцевые магнитопроводы не требуют сборки-разборки, так как сами и являются каркасом для обмоток.

1. Ш-образная пластина.
2. Замыкатель.
3. Трансформатор.

Броневые штампованные магнитопроводы, с так называемым Ш-образным железом, тоже можно перематывать, но их разборка может занять намного больше времени, чем все остальные операции. Дело в том, что при сборке таких трансформаторов, последние пластины набора часто вбиваются молотком. Если же трансформатор ещё и прошёл пропитку вместе с магнитопроводом, то разборка может превратиться в сущий ад.

Пластины пропитанного парафином магнитопровода после разборки можно сварить в воде, чтобы отделить от парафина. Парафин же легко удалить с поверхности воды после того, как он застынет.

Если магнитопровод пропитан лаком, то после разборки, пластины нужно хорошо прожечь в бензине, но это имеет смысл только при ремонте какой-нибудь дорогостоящей аппаратуры.

Чтобы было легче разобрать трансформатор, следует сначала удалить все замыкатели, а затем попытаться выбить несколько Ш-образных пластин с какого-нибудь края или середины, если в середине есть пластины установленные не в перекрест.

Пример разборки и сборки штампованного броневого магнитопровода.

Это выходной трансформатор лампового однотактного УНЧ, поэтому Ш-образные пластины и замыкатели собраны с магнитным зазором. Мне нужно превратить его в силовой трансформатор, для чего я должен собрать Ш-образные пластины в перекрест.

Чтобы быстро собрать трансформатор, можно сразу вставлять и Ш-образные пластины и замыкатели.

Очень часто у радиолюбителя после перемотки таких трансформаторов, остаются лишние пластины. Это снижает габаритную мощность трансформатора.

Для того чтобы все пластины вошли в каркас, вставляйте Ш-образные пластины и замыкатели заусенцами вниз.

Когда половина пластин будет вставлена, установите однообразно (не в перекрест) две Ш-образные пластины без замыкателей. Не вставляёте эти пластины до конца. Затем продолжите вставлять пластины до 2/3 всех пластин. Вставьте оставшуюся 1/3 часть Ш-образных пластин без замыкателей. Вот, что у Вас должно получиться. Обычно остаётся несколько пластин, которые невозможно всунуть в каркас и два десятка замыкателй.

Теперь нужно вставить оставшиеся пластины промеж двух заложенных ранее пластин и вбить их при помощи текстолитового или деревянного бруска и молотка. В завершение сборки магнитопровода, нужно вставить все замыкатели.

На картинке пластина броневого штампованного магнитопровода и трансформатор собранный из таких пластин. Это одна из самых неудачных конструкций магнитопровода. Во-первых, эти пластины не имеют отдельного замыкателя, что сильно затрудняет сборку-разборку, а во-вторых, они снабжены крепёжными отверстиями, проходящими через тело магнитопровода, что снижает габаритную мощность. От использования подобных трансформаторов лучше воздержаться.

Вернуться наверх к меню

Как подобрать предохранитель для трансформатора

Рассчитываем ток предохранителя обычным способом:

I = P / U

I – ток, на который рассчитан предохранитель (Ампер), P – габаритная мощность трансформатора (Ватт), U – напряжение сети (~220 Вольт).

Пример:

35 / 220 = 0,16 Ампер

Ближайшее значение – 0,25 Ампер.

определение первичного напряжения трансформатора

Схема измерения тока Холостого Хода (ХХ) трансформатора. Ток ХХ трансформатора обычно замеряют, чтобы исключить наличие короткозамкнутых витков или убедится в правильности подключения первичной обмотки.

При замере тока ХХ, нужно плавно поднимать напряжение питания. При этом ток должен плавно возрастать. Когда напряжение превысит 230 Вольт, ток обычно начинает возрастать более резко. Если ток начинает резко возрастать при напряжении значительно меньшем, чем 220 Вольт, значит, либо Вы неправильно выбрали первичную обмотку, либо она неисправна.

Мощность (Вт)	Ток ХХ (мА)
5 — 10	10 — 200
10 -50	20 — 100
50 — 150	50 — 300
150 — 300	100 — 500
300 — 1000	200 — 1000

Ориентировочные токи ХХ трансформаторов в зависимости от мощности. Нужно добавить, что токи ХХ трансформаторов даже одной и той же габаритной мощности могут очень сильно отличаться. Чем более высокие значения индукции заложены в расчёт, тем больше ток ХХ.

Схема подключения, при определения количества витков на вольт.

Можно подобрать готовый трансформатор из числа унифицированных типа ТН, ТА, ТНА, ТПП и других. А если Вам необходимо намотать или перемотать трансформатор под нужное напряжение, что тогда делать?

Тогда необходимо подобрать подходящий по мощности силовой трансформатор от старого телевизора, к примеру, трансформатор ТС-200 и ему подобные.

Надо четко понимать, что чем больше количества витков в первичной обмотке тем больше её сопротивление и поэтому меньше нагрев и второе, чем толще провод, тем больше можно получить силу тока, но это зависит от размеров сердечника — сможете ли разместить обмотку.

Что делаем далее, если неизвестно количество витков на вольт?

Для этого необходим ЛАТР, мультиметр (тестер) и прибор измеряющий переменный ток — амперметр. Наматываем по вашему усмотрению обмотку поверх имеющейся, диаметр провода любой, для удобства можем намотать и просто монтажным проводом в изоляции.

Как намотать трансформатор?

В современных броневых и стержневых трансформаторах обмотки наматываются на жёсткий каркас. Поэтому, для закрепления каркаса, можно воспользоваться вот такими щёчками. Одну из щёчек нужно жёстко закрепить на шпильке двумя гайками, чтобы каркас вместе со щёчками при намотке не прокручивался относительно шпильки.

Вторая щёчка будет просто удерживать каркас.

Если же Вам попадётся какой-нибудь старинный трансформатор с картонным каркасом, то придётся выпилить деревянную бобышку размером чуть шире сечения магнитопровода, чтобы при намотке каркас не деформировался вместе с обмотками.

Длина бобышки должна быть равной или чуть больше высоты каркаса.

Каркас вместе с бобышкой можно прикрутить к шпильке подобным образом.

Я использую для перемотки трансформаторов вот такое нехитрое приспособление, которое с натяжкой можно назвать намоточным станком. В одни тиски зажимаю ручную дрель, а в другие счётчик оборотов.

Катушку с проводом закрепляю вот на таком мобильном устройстве, которое обычно стоит на полу, как раз под тем местом, где находится каркас.

Обмотки кольцевых трансформаторов можно намотать при помощи челнока. При мощности более 100 Ватт, число витков вторичной обмотки понижающего трансформатора столь мало, что намотка не вызывает серьёзных затруднений даже в отсутствие челнока.

Быстро изготовить челнок под любые размеры сердечника и диаметр провода можно из медной проволоки подходящего диаметра. Чем толще обмоточный провод, тем соответственно толще нужно выбирать и проволоку для челнока.

Вернуться наверх к меню

Как проверить трансформатор

Как разобраться с обмотками трансформатора, как его правильно подключить к сети и не «спалить» и как определить максимальные токи вторичных обмоток??? Такие и подобные вопросы задают себе многие начинающие радиолюбители. В этой статье я постараюсь ответить на подобные вопросы и на примере нескольких трансформаторов (фото в начале статьи), разобраться с каждым из них..Надеюсь, эта статья будет полезной многим радиолюбителям.

Для начала запомните общие особенности для броневых трансформаторов

— Сетевая обмотка, как правило мотается первой (ближе всех к сердечнику) и имеет наибольшее активное сопротивление (если только это не повышающий трансформатор, или трансформатор имеющий анодные обмотки).

— Сетевая обмотка может иметь отводы, или состоять например из двух частей с отводами.

— Последовательное соединение обмоток (частей обмоток) у броневых трансформаторов производится как обычно, начало с концом или выводы 2 и 3 (если например имеются две обмотки с выводами 1-2 и 3-4).

— Параллельное соединение обмоток (только для обмоток с одинаковым количеством витков), производится как обычно начало с началом одной обмотки, и конец с концом другой обмотки (н-н и к-к, или выводы 1-3 и 2-4 — если например имеются одинаковые обмотки с выводами 1-2 и 3-4).

Общие правила соединения вторичных обмоток для всех типов трансформаторов.

Для получения различных выходных напряжений и нагрузочных токов обмоток для личных нужд, отличных от имеющихся на трансформаторе, можно получать путём различных соединений имеющихся обмоток между собой. Рассмотрим все возможные варианты.
— Обмотки можно соединять последовательно, в том числе обмотки намотанные разным по диаметру проводом, тогда выходное напряжение такой обмотки будет равно сумме напряжений соединённых обмоток (Uобщ. = U1 + U2… + Un). Нагрузочный ток такой обмотки, будет равен наименьшему нагрузочному току из имеющихся обмоток. Например: имеются две обмотки с напряжениями 6 и 12 вольт и токами нагрузки 4 и 2 ампера — в итоге получим общую обмотку с напряжением 18 вольт и током нагрузки — 2 ампера.

— Обмотки можно соединять параллельно, только если они содержат одинаковое количество витков, в том числе намотанные разным по диаметру проводом. Правильность соединения проверяется так. Соединяем вместе два провода от обмоток и на оставшихся двух измеряем напряжение. Если напряжение будет равно удвоенному, то соединение произведено не правильно, в этом случае меняем концы любой из обмоток. Если напряжение на оставшихся концах равно нулю, или около того (перепад более чем в пол-вольта не желателен, обмотки в этом случае будут греться на ХХ), смело соединяем вместе оставшиеся концы. Общее напряжение такой обмотки не изменяется, а нагрузочный ток будет равен сумме нагрузочных токов, всех соединённых параллельно обмоток. (Iобщ. = I1 + I2… + In) . Например: имеются три обмотки с выходным напряжением 24 вольта и токами нагрузки по 1 амперу. В итоге получим обмотку с напряжением 24 вольта и током нагрузки — 3 ампера.

— Обмотки можно соединять параллельно-последовательно (особенности для параллельного соединения см. пунктом выше). Общее напряжение и ток будет, как при последовательном соединении. Например: имеем две последовательно и три параллельно соединённые обмотки (примеры, описанные выше). Соединяем эти две составные обмотки последовательно. В итоге получаем общую обмотку с напряжением 42 вольта (18+24) и током нагрузки по наименьшей обмотке, то есть — 2 ампера.

— Обмотки можно соединять встречно, в том числе намотанные разным по диаметру проводом (так же параллельно и последовательно соединённые обмотки). Общее напряжение такой обмотки будет равно разности напряжений, включённых встречно обмоток, общий ток будет равен наименьшей по току нагрузки обмотки. Такое соединение применяется в том случае, когда необходимо понизить выходное напряжение имеющейся обмотки. Так же, что бы понизить выходное напряжение какой либо обмотки, можно домотать поверх всех обмоток дополнительную обмотку проводом, желательно не меньшего диаметра той обмотки, напряжение которой необходимо понизить, что бы не уменьшился нагрузочный ток. Обмотку можно намотать, даже не разбирая трансформатор, если есть зазор между обмотками и сердечником , и включить её встречно с нужной обмоткой. Например: имеем на трансформаторе две обмотки, одна 24 вольта 3 ампера, вторая 18 вольт 2 ампера. Включаем их встречно и в итоге получим обмотку с выходным напряжением в 6 вольт (24-18) и током нагрузки 2 ампера.

Как закрепить выводы обмоток трансформатора?

Если при намотке трансформаторов на броневых и стрежневых магнитопроводах, выводы катушки можно закрепить на контактах встроенных в каркас, то при намотке трансформатора на кольцевом магнитопроводе, такая возможность отсутствует.

Одним из способов решения этой проблемы является вывод концов обмоток гибким многожильным проводом. Особенно это полезно делать, если обмотка намотана сравнительно тонким приводом.

Припаиваем к началу катушки отрезок многожильного провода. Лучше, если это будет провод во фторопластовой изоляции (МГТФ), но можно использовать и любой другой.

Затем помещаем место пайки в небольшой кусочек электрокартона или бумаги сложенной пополам. Толщина электрокартона – 0,1мм.

Закрепляем электрокартон вместе с местом пайки на внешней стороне магнитопровода при помощи витков катушки.

К концу катушки так же, как и к началу, припаиваем отрезок многожильного провода и изолируем кусочком электрокартона. Закрепляем соединение при помощи толстых швейных ниток. Чтобы при завязывании узла нить не ослабла, можно закрепить её расплавленной канифолью или клеем.

Вернуться наверх к меню

Капитальный срочный ремонт трансформатора

Трансформатор имеет достаточно больной запас прочности, но после нескольких лет работы требуется проведение его капитального ремонта, где особое внимание должно уделяться подпрессовке обмоток.

Сотрудники при капитальном ремонте в обязательном порядке проводят все необходимые для качественного ремонта операции маслонаполненных, сухих, сварочных и печных трансформаторов:

• вскрытие трансформатора, подъем сердечника;
• ремонт магнитопровода, подпрессовки, отводов и переключателей;
• восстановление охлаждающих устройств;
• чистка и покраски баков;
• проверка работы контрольно-измерительных приборов, защитных и сигнальных устройств;
• очистка или смена масла;
• при необходимости сушка активных частей;
• сборка трансформатора;
• проведение контрольных измерений и необходимых испытаний.

Все манипуляции соответствуют стандартам ГОСТ и выполняются на высокоточном оборудовании. Специализированные цеха, предназначенные для ремонтных работ, надежно защищают трансформаторы от пыли и атмосферных осадков, что позволяет гарантировать дальнейшую бесперебойную работу починенного нами оборудования. Для доставки агрегатов на ремонтную площадку привлекаются самые опытные такелажники, осуществляющие ввод, подъем и перемещение отдельных узлов с соблюдением всех требований техники безопасности.

Как изменить напряжение на вторичной обмотке не разбирая трансформатор?

Иногда возникает ситуация, когда необходимо скорректировать напряжение на вторичной обмотке понижающего трансформатора всего на 10 – 15%, но очень не хочется разбирать трансформатор.

Если на каркасе есть свободное место, то можно домотать дополнительную катушку не разбирая магнитопровод, а затем включить её в фазе или противофазе, в зависимости от того, нужно ли увеличить или уменьшить выходное напряжение. На картинке слева напряжение дополнительной катушки «II» складывается с напряжением основной катушки «III», а справа вычитается.

Вернуться наверх к меню

Обмотки трансформатора

Эти самые катушки с проводом в трансформаторе называются обмотками. В основном обмотки состоят из медного лакированного провода. Такой провод находится в лаковой изоляции, поэтому, провод в обмотке не коротит друг с другом. Выглядит такой обмоточный трансформаторный провод примерно вот так.

Он может быть разного диаметра. Все зависит от того, на какую нагрузку рассчитан тот или иной трансформатор.

У самого простого однофазного трансформатора можно увидеть две такие обмотки.

Обмотка, на которую подают напряжение называется первичной. В народе ее еще называют “первичка”. Обмотка, с которой уже снимают напряжение называется вторичной или “вторичка”.

Для того, чтобы узнать, где первичная обмотка, а где вторичная, достаточно посмотреть на шильдик трансформатора.

I/P: 220М50Hz (RED-RED) – это говорит нам о том, что два красных провода – это первичная обмотка трансформатора, на которую мы подаем сетевое напряжение 220 Вольт. Почему я думаю, что это первичка? I/P – значит InPut, что в переводе “входной”.

O/P: 12V 0,4A (BLACK, BLACK) – вторичная обмотка трансформатора с выходным напряжением в 12 Вольт (OutPut). Максимальная сила тока, которую может выдать в нагрузку этот трансформатор – это 0,4 Ампера или 400 мА.

Как работает трансформатор

Чтобы разобраться с принципом работы, давайте рассмотрим рисунок.

Здесь мы видим простую модель трансформатора. Подавая на вход переменное напряжение U1 в первичной обмотке возникает ток I1 .

Так как первичная обмотка намотана на замкнутый магнитопровод, то в нем начинает возникать магнитный поток, который возбуждает во вторичной обмотке напряжение U2 и ток I2 .

Как вы можете заметить, между первичной и вторичной обмотками трансформатора нет электрического контакта. В электронике это называется гальванически развязаны.

Формула трансформатора

1. Главная формула трансформатора выглядит так.
2. где
3. U2 – напряжение на вторичной обмотке
4. U1 – напряжение на первичной обмотке
5. N1 – количество витков первичной обмотки
6. N2 – количество витков вторичной обмотки
7. k – коэффициент трансформации
8. В трансформаторе соблюдается также закон сохранения энергии, то есть какая мощность заходит в трансформатор, такая мощность выходит из трансформатора:

Эта формула справедлива для идеального трансформатора. Реальный же трансформатор будет выдавать на выходе чуть меньше мощности, чем на его входе. КПД трансформаторов очень высок и порой составляет даже 98%.

Типы трансформаторов по конструкции

Однофазные трансформаторы

Это трансформаторы, которые преобразуют однофазное переменное напряжение одного значения в однофазное переменное напряжение другого значения.

В основном однофазные трансформаторы имеют две обмотки, первичную и вторичную. На первичную обмотку подают одно значение напряжения, а со вторичной снимают нужное нам напряжение. Чаще всего в повседневной жизни можно увидеть так называемые сетевые трансформаторы, у которых первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение, то есть 220 В.

• На схемах однофазный трансформатор обозначается так:
• Первичная обмотка слева, а вторичная – справа.

Иногда требуется множество различных напряжений для питания различных приборов.

Зачем ставить на каждый прибор свой трансформатор, если можно с одного трансформатора получить сразу несколько напряжений? Поэтому, иногда вторичных обмоток бывает несколько пар, а иногда даже некоторые обмотки выводят прямо из имеющихся вторичных обмоток. Такой трансформатор называется трансформатором со множеством вторичных обмоток. На схемах можно увидеть что-то подобное:

Трехфазные трансформаторы

Эти трансформаторы в основном используются в промышленности и чаще всего превосходят по габаритам простые однофазные трансформаторы. Почти все трехфазные трансформаторы считаются силовыми. То есть они используются в цепях, где нужно питать мощные нагрузки. Это могут быть станки ЧПУ и другое промышленное оборудование.

1. На схемах трехфазные трансформаторы обозначаются вот так:
2. Первичные обмотки обозначаются заглавными буквами, а вторичные обмотки – маленькими буквами.
3. Здесь мы видим три типа соединения обмоток (слева-направо)

• звезда-звезда
• звезда-треугольник
• треугольник-звезда

В 90% случаев используется именно звезда-звезда.

Типы трансформаторов по напряжению

Понижающий трансформатор

Это трансформатор, которые понижает напряжение. Допустим, на первичную обмотку мы подаем 220 Вольт, а снимаем 12 Вольт. В этом случае коэффициент трансформации (k) будет больше 1.

Повышающий трансформатор

Это трансформатор, который повышает напряжение. Допустим, на первичную обмотку мы подаем 10 Вольт, а со вторичной снимаем уже 110 В. То есть мы повысили наше напряжение 11 раз. У повышающих трансформаторов коэффициент трансформации меньше 1.

Разделительный или развязывающий трансформатор

Такой трансформатор используется в целях электробезопасности. В основном это трансформатор с одинаковым числом обмоток на входе и выходе, то есть его напряжение на первичной обмотке будет равняться напряжению на вторичной обмотке.

Нулевой вывод вторичной обмотки такого трансформатора не заземлен. Поэтому, при касании фазы на таком трансформаторе вас не ударит электрическим током. Про его использование можете прочесть в статье про ЛАТР.

У развязывающих трансформаторов коэффициент трансформации равен 1.

Согласующий трансформатор

Такой трансформатор используется для согласования входного и выходного сопротивления между каскадами схем.

Работа понижающего трансформатора на практике

Понижающий трансформатор – это такой трансформатор, который выдает на выходе напряжение меньше, чем на входе. Коэффициент трансформации (k) у таких трансформаторов больше 1 . Понижающие трансформаторы – это самый распространенный класс трансформаторов в электротехнике и электронике. Давайте же рассмотрим, как он работает на примере трансформатора 220 В —> 12 В .

• Итак, имеем простой однофазный понижающий трансформатор.
• Именно на нем мы будем проводить различные опыты.

Подключаем красную первичную обмотку к сети 220 Вольт и замеряем напряжение на вторичной обмотке трансформатора без нагрузки. 13, 21 Вольт, хотя на трансформаторе написано, что он должен выдавать 12 Вольт.

1. Теперь подключаем нагрузку на вторичную обмотку и видим, что напряжение просело.

Интересно, какую силу тока кушает наша лампа накаливания? Вставляем мультиметр в разрыв цепи и замеряем.

Программы для расчёта силовых трансформаторов.

Существует много разных программ для расчёта силовых трансформаторов. Их недостаток в том, что при вводе одних и тех же данных, результаты могут отличаться на 40-50%. И это не удивительно, так как вводимых данных явно недостаточно для точных расчётов. Кроме этого, не всегда понятно, что происходит в череве программы и какие коэффициенты она использует.

В общем, мне не удалось найти простую бесплатную программу, которая бы удовлетворяла моим требованиям. Если Вам известна такая программа, оставьте комментарий.

Если же всё-таки Вы желаете автоматизировать вычисления, можете скачать несколько программ, не требующих инсталляции (portable version), из «Дополнительных материалов».

Вернуться наверх к меню

Мощный трансформатор из трех маломощных

Как-то раз понадобился мощный трансформатор с двуполярным питанием для усилителя мощности низкой частоты. Поискав в закромах ничего подобного не нашел. В продаже по месту жительства, к сожалению, тоже ничего подобного не было. Тут на глаза попались 3 одинаковых трансформатора от старых музыкальных центров. И в голову пришла отличная идея: сделать один мощный трансформатор из трех небольших.

Изготовление мощного трансформатора из трех небольших

Разбираем магнитопровод всех трансформаторов. Для этого выбиваем сначала все «I» — образные элементы расположенные в шахматном порядке, а затем все «Ш» — образные пластины.

Снимаем слои изоляции и обмотки с каркасов.

Отпиливаем у двух каркасов торец только с одной стороны. А у третьего оба торца, чтобы остались только боковые пластины.

При помощи супер клея склеиваем каркас воедино.

Обматываем первым изоляционным слоем для должной фиксации. Возможные растекания клея убираем напильником после затвердевания. Вся поверхность внутри должна быть обязательно гладкой и твердой, иначе сердечник не встанет плотно.

Замеряем внутреннее сечения будущего магнитопровода и при помощи специальных формул рассчитываем рассчитываем количество витков для первичной и вторичной обмоток.

Наматываем первую обмотку, она составляет 268 витков по расчетам (для 230 В питания). Но я догнал ее до 300, чтобы сделать некий запас и снизить ток холостого хода.

Матаем виток к витку послойно. Изолируем каждый слой.

Первичная обмотка готова. Выводы делаем через изоляционные трубки.

Изолируем в два слоя, чтобы создать надежную гальваническую развязку.

Наматываем вторичную обмотку. Для выхода «35 В-0-35 В» общее напряжение 70 Вольт, необходимо намотать 84 витка, с отводом от середину.

Делаем отвод от середины, от 42 витка.

Получилась вторичная обмотка, намотанная проводом 1,2 мм.

Собираем сердечник трансформатора. Сначала в шахматном порядке устанавливаем «Ш» — образные пластины.

А в самом конце «I» — образные.

Проверяем трансформатор. Для этого включаем для безопасности первичную обмотку в сеть через лампу накаливания.

Все работает. Замеряем напряжение на выходе вторичной обмотки. Получилось примерно 32 Вольта на каждое плече.

Вообщем идея годная, трансформатор работает, не греется, мощности хватает.

Смотрите видео

Подробности смотрите в видеоролике.

Трансформаторы, помехи и толстые книжки

  Часть 1.
  Давняя история. Валялся у меня на столе трансформатор на ферритовом сердечнике из электропастуха, причём половинки сердечника у него не склеены и всё легко разбирается. Решил я измерить у него «проходную» индуктивность рассеяния.
  Ш-образный сердечник 42x42x14, тест-сигнал 10кГц. Измеритель иммитанса подключался к самым «индуктивным» выводам транса, чтобы эта обмотка занимала максимальный объём. Какую «вторичку» я закорачивал – точно уже не вспомню:

Рисунок 1

  В таблицах ниже «зазор 27мм» – это когда катушка своими краями висит на концах сердечника, и если ещё чуть раздвинуть половинки – каркас вывалится.
  Без сердечника – это без сердечника.
  1 половинка – это одна половинка сердечника полностью вставлена в каркас, а второй половинки нет:
 

Зазор, мм	L1хх, мГн	Qхх	L1кз, мГн	Qкз
0	4000	50	8,1	5,4
1	120	230	7,9	5,5
10	26	45	6,9	5,6
27	13,7	24	6,1	4,8
без серд.	11,6	21	5,8	4,8
1 полов.	24,3	42	5,9	5,5

Если пересчитать в схему замещения

Рисунок 2

где индуктивность намагничивания L0, а индуктивности рассеяния «слева» и «справа» равны (Lp=Ls), и посчитать коэффициент магнитной связи K для обмоток трансформатора, то получится следующее:
 

Зазор, мм	L0, мГн	Lp=Ls, мГн	1-K	K
0	4000	4,1	0,001	0,999
1	116	4,0	0,033	0,967
10	22,3	3,7	0,286	0,714
27	10,2	3,5	0,400	0,600
без серд.	8,2	3,4	0,412	0,588
1 полов.	21,1	3,2	0,185	0,815

Неожиданный результат: при изменении конфигурации магнитопровода трансформатора ухудшается связь между обмотками (падает коэффициент связи K), но абсолютное значение «проходной» индуктивности рассеяния Ls изменяется очень незначительно и почти не зависит от зазоров в магнитопроводе и вообще от его наличия или отсутствия.
  Чуть-чуть выделяется из общей тенденции только ситуация с несимметричным по длине катушки магнитным полем, когда удалена одна половинка сердечника – «проходная» индуктивность рассеяния при этом минимальна, а индуктивность намагничивания примерно соответствует зазору 10 мм между двумя половинками магнитопровода.
 
  То есть зависимость абсолютной величины индуктивности рассеяния от конфигурации сердечника пренебрежимо мала. А тот факт, что при этом меняется индуктивность намагничивания и, как следствие, «коэффициент связи», практически не влияет на прохождение энергии от первички к вторичке, потому что Lp+Ls остаётся весьма стабильным хоть с зазором в сердечнике, хоть без него, хоть перевёрнутое.
  Получается, что в случае трансформатора с соосными обмотками на общем каркасе «коэффициент магнитной связи» – это эфемерный параметр, который зависит от нестабильной инд. намагничивания, тогда как практически важным для прохождения энергии через транс является стабильная индуктивность рассеяния Lp и Ls в Т-образной схеме замещения, и улучшение магнитных свойств сердечника практически никак не уменьшает величину Ls. Единственная польза от сердечника – он увеличивает L0 (сопротивление ветви намагничивания) и резко уменьшает по сути бесполезный магнитный поток и уменьшает ослабляющее влияние делителя Lp-L0. Всё это наводит на странную мысль, что магнитопровод трансформатора (как минимум, в случае с плотно расположенными обмотками) не участвует в процессе передачи энергии. Если вспомнить «бэкграунд» с проблемами описания трансформатора в современной электродинамике (тут и тут), то всё станет ещё интереснее.
 
  Часть 2.
  Если уж взялся за трансформатор, то можно заодно поковыряться в чужих текстах «по теме». Давно хотел про это написать, но не доходили руки.
  Есть такая бесспорно интересная и хорошая по замыслу книга «Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. – М.: Техносфера, 2005. – 632 с.». Но я не понимаю, на какую же целевую аудиторию ориентировался автор? Если на тех, кто ещё не знает, то в книге много недосказанного, и есть такие места, что если не знать всё заранее, то невозможно уловить мысль. В таком случае из книги надо убрать множество отвлекающих промежуточных выкладок и заменить их внятным изложением необходимого недостающего «бэкграунда». Если же книга ориентирована на тех, кто уже всё знает, то зачем писать так много и тоже зачем промежуточные выкладки? В результате отличный замысел портится «мутным» изложением.
  Коль уж тема про трасформатор, то я обращу свой вредный взгляд на несколько фрагментов из этой книги в главе 26 «подавление радиопомех».
  Первый фрагмент – на страницах 558-559 про экранирование транса снаружи:

 
Рисунок 3

  У человека, который будет в первый раз читать про этот короткозамкнутый виток вокруг трансформатора, однозначно возникнет впечатление, что это экран по электрическому полю E, потому что три строки в конце «красного» абзаца (про соединение экрана с общей точкой) наводят именно на такую мысль.
  Возникают два вопроса:
  – что же на самом деле хотел сказать автор?
  – насколько автор осознаёт предметную область?
 
  В середине абзаца есть очень хорошая мысль, но автор почему-то не сделал на нёй акцент и не развил её дальше: «В этом экране могут наводиться токи только от потоков рассеяния, окружающих сердечник».
 
  На фото ниже показан такой трансформатор с охватывающим его КЗ-витком из медной ленты (в 1992 году мы ещё делали такие трансы сами, а не наклеивали позорные бумажки со своей маркировкой на китайские изделия).
  Электромагнитные процессы можно рассмотреть в такой последовательности:
  1 – из магнитопровода трансформатора «вылазит» наружу «синий» поток рассеяния;
  2 – в медной фольге этот поток наводит напряжение и в КЗ-витке возникает «красный» ток U/R;
  3 – ток КЗ-витка возбуждает «жёлтый» поток, который направлен навстречу исходному «синему» и компенсирует его, как бы «заталкивая» магнитное поле обратно в трансформатор:

Рисунок 4

  Снаружи ситуация напоминает трансформатор тока, у которого вторичная обмотка работает почти а режиме КЗ – в обмотках есть токи, но суммарный магнитный поток скомпенсирован и очень мал.
  В результате этот виток медной ленты выполняет в первую очередь магнитное экранирование по полю H, то есть препятствует выходу магнитного потока из магнитопровода наружу. На этом фоне экранирование по электрическому полю E здесь является побочным и далеко не главным эффектом.
  И разве можно сделать такой вывод из «красного» абзаца в процитированном выше пункте 26.5.2 из книги Мелешина? Да никогда, если только не знать об этом заранее. И что же тогда хотел сказать автор, что он имел в виду и как он сам представляет этот процесс?
  После этого очень странно читать на обложке, что автор – д.т.н., профессор, автор более 100 научных публикаций. Я понимаю, что это невежливо с моей стороны, но похоже, что совершенствование в научных публикациях приводит учёных не к улучшению ясности изложения своих мыслей, а к освоению Эзопова языка.
 
  Второй фрагмент – про экранировании транса внутри. Находится в абзаце под рис. 26.11 на стр. 559, и тоже сказана ровно половина от необходимого (говорится про экраны между обмотками):
 

 И что можно понять из текста? Ясно, что экран экранирует, но что, от чего, насколько эффективно и какие процессы там происходят?
  Если отвернуть в книге три листа назад, появится замечательный рис. 26.6, подходящий к этой теме, но тоже немного недоделанный:

Рисунок 6

  Говорится об этой схеме в подразделе 26.4 «Прохождение симметричной и несимметричной составляющих радиопомех от преобразователя к ИРП». Текст в стиле «бронебойным прямой наводкой в голову!» (страницы 552-553):

Повествование «не ходите, дети, в Африку гулять, там много крокодилов конденсаторов, и не дано вам понять их тайну». Можно было так сразу и сказать.
 
  Чтобы отделить «мух от котлет» и разобраться, где же причина синфазной помехи, а где её последствия, надо убрать всю лишнюю пыль, пущенную в глаза.
  Для начала можно определить, где в схеме «холодные» ветви, а где «горячие». «Холодные» – те, на которых нет явных импульсов напряжения и которые соединены с чем-то массивным или с внешним миром, на рисунке ниже такие показаны синим цветом. «Горячие» – цепи с импульсами напряжения и без большой ёмкости, на рисунке они красные.
  Правда автора в том, что практически все паразитные ёмкости оказываются между «холодными» и «горячими» ветвями и в них возникает ток. Но сразу видно, что есть контуры тока, которые замыкаются локально и никуда наружу не выходят, и такие ёмкости можно будет убрать из рассмотрения, поскольку они к синфазной помехе напрямую не относятся:

Рисунок 7

  Также я пока уберу ёмкость Cп1, чтобы сконцентрировать внимание на трансформаторе. Схема невероятно упрощается и становится видно, что явной причиной кондуктивной синфазной помехи, которая проходит через весь преобразователь «насквозь» и выходит наружу, является паразитная ёмкость между обмотками трансформатора:
 

Рисунок 8

  Понимание влияния этих ёмкостей находится на уровне техникума и даже не требует высшего образования.
  Может показаться странным, но в такой схеме замещения ток помехи возбуждается «горячим» концом вторичной обмотки, а не первичной. И это вполне может быть в реальности при конфигурации обмоток, показанной на следующем рисунке (вид с торца на каркас с обмотками):

Рисунок 9

  При наличии помех возможны два варианта борьбы: или с причинами, или с их последствиями.
  Фильтры, которые ставятся на входе и выходе преобразователя – это «броня», которая запирает помеху внутри преобразователя. Но это борьба с последствиями, и чем мощнее причина помехи, тем большее подавление требуется от этих фильтров, а децибелы и мегагерцы в их характеристиках стоят денег.
  Как давным-давно кто-то сказал в SU.HARDW.SCHEMES.DESIGN про помеху, «пуля дырочку найдёт», и поэтому для неё лучше прокладывать специальный путь, чтобы она никому не мешала.
  Это более изящный подход, который позволяет также изолировать источники помех от внешнего мира. И экран между обмотками, о котором упоминается на стр. 559 – как раз такое изящное решение, но надо знать, с чем его соединять.
  Если на рис. 9 в слой изоляции между обмотками ввести экран, то он может «перехватывать» воздействие как со стороны вывода 2 первички (К1), так и со стороны «горячего» вывода 3 вторички (Н2), который как раз и создаёт головную боль. Чтобы ток помехи, создаваемой выводом 3, не выходил наружу, его можно просто замкнуть локально на его же источник, соединив экран с «холодным» выводом вторички. На рис. 10 новый локальный путь тока помехи через экран показан коричневой стрелкой, и выходящая «наружу» помеха iсп2 значительно уменьшится:

Рисунок 10

  Но в книге у Мелешина межобмоточная ёмкость показана не очень удачно. Если преобразователь понижающий, то выводы вторички гораздо «холоднее», чем высоковольтная первичная обмотка, и более эффектно (в педагогическом смысле) было бы показать ситуацию, когда ток в межобмоточной ёмкости возбуждается «горячим» выводом первички, как на рис. 11:

Рисунок 11

  Для этого на принципиальной схеме надо «перевернуть» трансформатор, чтобы у обмоток поменялись начало и конец и вывод 2 стал «горячим». В этом случае ток помехи в паразитной ёмкости будет возбуждаться цепями высоковольтной первичной обмотки, и, чтобы его перехватить и локально замкнуть, экран надо соединять с «холодными» цепями на стороне первички – или с выводом 1, как на рис. 12, или с истоком транзистора Т1 (но тогда придётся делать лишний вывод у транса):

Рисунок 12

  После таких схем с экраном неподготовленный читатель смог бы понять, что и как делает этот экран в трансформаторе. Неплохо бы ещё показать трансформатор с экраном между обмотками в изометрии с вырезом четверти с указанием паразитных ёмкостей, тогда всё бы стало окончательно ясно любому. Но то, как Мелешин «объяснил» возникновение синфазной помехи на схеме рис. 26.6 и как намекнул на экран между обмотками на стр. 559, только запутает читателей и наведёт на них страх и ужас.
 
  Если отойти от темы экрана, то могут быть ещё варианты с трансформатором. Например, можно намотать вторичную обмотку «против шерсти», чтобы она начиналась с «холодного» электрического конца (стрелками показано, что обмотки намотаны в противоположных направлениях):

Рисунок 13

  И тогда получится, что межобмоточная ёмкость трансформатора Cтр находится между «холодными» выводами 2 и 4, что устранит возникновение тока синфазной помехи именно в этом месте. Но есть и другие паразитные ёмкости, подключённые к «горячим» ветвям – например, Cп1, в котором будет возникать ток синфазной помехи:

Рисунок 14

  Но такой трансформатор с вторичной обмоткой «задом наперёд» не очень технологичен. Тогда есть ещё один вариант, как можно обойти межобмоточную ёмкость без экрана: можно «охладить» вывод 3, просто переместив диод выпрямителя к выводу 4 в «минусовую» цепь, и межобмоточная ёмкость не будет источником помехи (но нельзя забывать про остальные источники помех):

Рисунок 15

  Если посмотреть на структуру обмоток и их выводы, то картина будет такой (стрелки показывают, что обмотки намотаны в одну сторону):

Рисунок 16

  Это, конечно, «детский» пример, в котором показана только одна межобмоточная ёмкость, да и трансформаторы в реале делают гораздо сложнее – с вложенными или секционированными обмотками с чередованием (чтобы уменьшить индуктивность рассеяния). Кроме того, в схеме ещё есть паразитные индуктивности, учёт которых не позволит так просто выбросить все «лишние» ёмкости из рассмотрения. Но зато этот простой пример показывает, насколько важна топологическая составляющая любой электрической схемы, и борьба с источниками помех является процессом гораздо более изящным и «sophisticated», нежели борьба с последствиями плохо сделанной схемы. Хорошо сделанная схема позволит применить простые и дешёвые фильтры в местах соединения её с «внешним миром», а вот плохой схеме могут не помочь даже хорошие фильтры – они позволят избавиться от кондуктивных помех (по проводам), но «запертая» внутри помеха может «вылезти» наружу как излучение, и придётся ещё делать электрически герметичный корпус, что также будет стоить денег. Одним словом, чтобы сделать экономически эффективный девайс, нужен хороший инженер, который понимает, что творит (или хотя бы не тот, что согласен работать «за бутылку»).Трансформатор

— Энциклопедия Нового Света

Трехфазный понижающий трансформатор, установленный на опоре.

Трансформатор — это устройство, которое передает электрическую энергию от одной цепи к другой посредством магнитной связи, не требуя относительного движения между ее частями. Обычно он состоит из двух или более связанных обмоток и, в большинстве случаев, сердечника для концентрации магнитного потока.

Переменное напряжение, приложенное к одной обмотке, создает изменяющийся во времени магнитный поток в сердечнике, который индуцирует напряжение в других обмотках.Изменение относительного количества витков между первичной и вторичной обмотками определяет соотношение входного и выходного напряжений, таким образом, преобразует напряжения, повышая или понижая его между цепями.

Принцип трансформатора был продемонстрирован в 1831 году Фарадеем, хотя практические разработки не появлялись до 1880-х годов. ^[1] Менее чем за десять лет трансформатор сыграл важную роль во время «Войны токов», когда системы переменного тока одержали победу над своими аналогами постоянного тока, и в этой позиции они остались доминирующими.С тех пор трансформатор сформировал отрасль электроснабжения, позволяя экономично передавать электроэнергию на большие расстояния. Вся электроэнергия в мире, за исключением небольшой, проходит через серию трансформаторов к тому времени, когда достигает потребителя.

Среди самых простых электрических машин, трансформатор также является одним из самых эффективных, ^[2] с большими блоками, производительность которых превышает 99,75%. ^[3] Трансформаторы бывают разных размеров: от миниатюрного трансформатора связи, скрытого внутри сценического микрофона, до огромных блоков с номинальной мощностью гига ВА, используемых для соединения частей национальных электрических сетей.Все они работают с одними и теми же основными принципами и имеют много общего в своих частях, хотя существуют различные конструкции трансформаторов, которые выполняют специализированные функции в доме и в промышленности.

История

Майкл Фарадей построил первый трансформатор в 1831 году, хотя он использовал его только для демонстрации принципа электромагнитной индукции и не предвидел его практического использования. ^[1] Русский инженер Павел Яблочков в 1876 году изобрел систему освещения на основе набора индукционных катушек, в которой первичные обмотки были подключены к источнику переменного тока, а вторичные обмотки могли быть подключены к нескольким «электрическим свечам».В патенте утверждалось, что система может «обеспечивать раздельное питание нескольких осветительных приборов с разной силой света от одного источника электроэнергии». Очевидно, индукционная катушка в этой системе работала как трансформатор.

Люсьен Голар и Джон Диксон Гиббс, которые впервые представили устройство с открытым железным сердечником, названное «вторичным генератором», в Лондоне в 1882 году. ^[4] , а затем продали идею американской компании Westinghouse. Возможно, это был первый практический силовой трансформатор.Они также выставили изобретение в Турине в 1884 году, где оно было применено для системы электрического освещения.

Исторический трансформатор Стэнли.

Уильям Стэнли, инженер Westinghouse, построил первое коммерческое устройство в 1885 году после того, как Джордж Вестингауз купил патенты Голларда и Гиббса. Ядро было сделано из соединенных друг с другом железных пластин Е-образной формы. Эта конструкция впервые была использована в коммерческих целях в 1886 году. ^[1] Венгерские инженеры Зиперновски, Блати и Дери из компании Ganz в Будапеште создали эффективную модель с закрытым сердечником «ZBD» в 1885 году на основе конструкции Голара и Гиббса.В их заявке на патент впервые было использовано слово «трансформатор». ^[4] Русский инженер Михаил Доливо-Добровольский разработал первый трехфазный трансформатор в 1889 году. В 1891 году Никола Тесла изобрел катушку Тесла, двухканальный резонансный трансформатор с воздушным сердечником для генерации очень высоких напряжений на высокой частоте.

Преобразователи звуковой частоты (в то время называемые повторяющимися катушками) использовались первыми экспериментаторами при разработке телефона. В то время как новые технологии сделали трансформаторы в некоторых электронных устройствах устаревшими, трансформаторы все еще используются во многих электронных устройствах.Трансформаторы необходимы для передачи электроэнергии высокого напряжения, что делает передачу на большие расстояния экономически целесообразной. Это преимущество было основным фактором при выборе передачи переменного тока в «Войне токов» в конце 1880-х годов.

[1] Многие другие имеют патенты на трансформаторы.

Основные принципы

Муфта взаимоиндукционная

Идеальный понижающий трансформатор, показывающий магнитный поток в сердечнике

Принципы трансформатора иллюстрируются рассмотрением гипотетического идеального трансформатора, состоящего из двух обмоток с нулевым сопротивлением вокруг сердечника с незначительным сопротивлением. ^[5] Напряжение, приложенное к первичной обмотке, вызывает ток, который развивает магнитодвижущую силу (МДС) в сердечнике. Ток, необходимый для создания MMF, называется током намагничивания; в идеальном трансформаторе он считается незначительным. MMF управляет потоком вокруг магнитной цепи сердечника.

[5]

На каждую обмотку наводится электродвижущая сила (ЭДС), эффект, известный как взаимная индуктивность. ^[6] Обмотки в идеальном трансформаторе не имеют сопротивления, поэтому ЭДС равны по величине измеренным напряжениям на клеммах.В соответствии с законом индукции Фарадея они пропорциональны скорости изменения потока:

vP = NPdΦPdt {\ displaystyle {v_ {P}} = {N_ {P}} {\ frac {d \ Phi _ {P}} {dt}}} и vS = NSdΦSdt {\ displaystyle {v_ {S} } = {N_ {S}} {\ frac {d \ Phi _ {S}} {dt}}}

где:

В идеальном трансформаторе весь поток, создаваемый первичной обмоткой, также связывает вторичную, ^[7]

и, следовательно, ΦP = ΦS {\ displaystyle \ Phi _ {P} = \ Phi _ {S} \,}, откуда хорошо известное уравнение трансформатора:

vPvS = NPNS {\ displaystyle {\ frac {v_ {P}} {v_ {S}}} = {\ frac {N_ {P}} {N_ {S}}} \, \!}

отношение первичного напряжения к вторичному, следовательно, такое же, как отношение количества витков; ^[5] в качестве альтернативы, что вольты на виток одинаковы в обеих обмотках.

Под нагрузкой

Идеальный трансформатор как элемент схемы

Если сопротивление нагрузки подключено к вторичной обмотке, ток будет течь во вторичной цепи, созданной таким образом. Ток создает MMF по вторичной обмотке в противоположность первичной обмотке, таким образом подавляя магнитный поток в сердечнике.

[7] Теперь уменьшенный поток уменьшает первичную ЭДС, заставляя ток в первичной цепи увеличиваться, чтобы точно компенсировать влияние вторичной MMF, и возвращая магнитный поток к его прежнему значению. ^[8] Таким образом, магнитный поток в сердечнике остается неизменным независимо от вторичного тока, при условии, что первичное напряжение поддерживается. ^[7] Таким образом, электрическая энергия, подаваемая в первичный контур, передается во вторичный контур.

Первичный и вторичный MMF отличаются только величиной пренебрежимо малого тока намагничивания и могут быть приравнены друг к другу, так что: iPNP = iSNS {\ displaystyle {i_ {P}} {N_ {P}} = {i_ {S}} {N_ {S}} \!}, Из которого вытекает соотношение тока трансформатора:

iSiP = NPNS {\ displaystyle {\ frac {i_ {S}} {i_ {P}}} = {\ frac {N_ {P}} {N_ {S}}}}

С учетом напряжения и текущих соотношений, можно легко показать, что импеданс в одной цепи преобразуется квадратом отношения витков, ^[7] вторичным импедансом ZS {\ displaystyle Z_ {S} \!}, таким образом проявляясь для первичного схема должна иметь значение ZS (NPNS) 2 {\ displaystyle Z_ {S} \! \ left (\! {\ tfrac {N_ {P}} {N_ {S}}} \! \ right) ^ {2} \! \!}.

Практические соображения

Утечка потока

Утечка потока в двухобмоточном трансформаторе

Идеальная модель трансформатора предполагает, что весь поток, генерируемый первичной обмоткой, связывает все витки каждой обмотки, включая ее самого. На практике некоторый поток проходит по путям, выводящим его за пределы обмоток. Такой поток называется , поток рассеяния и проявляется как самоиндукция последовательно с взаимно соединенными обмотками трансформатора. ^[9] Утечка сама по себе не является прямым источником потери мощности, но приводит к ухудшению регулирования напряжения, в результате чего вторичное напряжение не может быть прямо пропорционально первичному, особенно при большой нагрузке. ^[9] Распределительные трансформаторы обычно имеют очень низкую индуктивность рассеяния.

Однако в некоторых приложениях утечка может быть желательным свойством, и длинные магнитные пути, воздушные зазоры или магнитные байпасные шунты могут быть намеренно введены в конструкцию трансформатора для ограничения подаваемого им тока короткого замыкания. Негерметичные трансформаторы могут использоваться для питания нагрузок с отрицательным сопротивлением, таких как электрические дуги, ртутные лампы и неоновые вывески; или для безопасного обращения с грузами, которые периодически замыкаются накоротко, например, с электродуговыми сварочными аппаратами.Воздушные зазоры также используются для предотвращения насыщения трансформатора, особенно трансформаторов звуковой частоты, в которые добавлен компонент постоянного тока.

Влияние частоты

Член с производной по времени в законе Фарадея означает, что поток в сердечнике является интегралом приложенного напряжения. Идеальный трансформатор, по крайней мере, гипотетически, работал бы при возбуждении постоянным током, при этом магнитный поток в сердечнике линейно увеличивался со временем. На практике магнитный поток очень быстро возрастет до точки, где произойдет магнитное насыщение сердечника, и трансформатор перестанет функционировать как таковой.Поэтому все применяемые трансформаторы должны работать в условиях переменного (или импульсного) тока.

Трансформатор универсальный уравнение ЭДС

Если поток в сердечнике синусоидальный, соотношение для любой из обмоток между его среднеквадратичной ЭДС E и частотой питания f , числом витков N , площадью поперечного сечения сердечника a и пиковым магнитным потоком плотность B определяется универсальным уравнением ЭДС: ^[5]

E = 2πfNaB2 = 4.44fNaB {\ displaystyle E = {\ frac {2 \ pi fNaB} {\ sqrt {2}}} \! = 4.44fNaB}

ЭДС трансформатора при данной плотности магнитного потока увеличивается с частотой, эффект, предсказываемый универсальным уравнением ЭДС трансформатора. ^[5] Работая на более высоких частотах, трансформаторы могут быть физически более компактными, не достигая насыщения, и данный сердечник может передавать больше мощности. Однако эффективность снижается из-за того, что такие свойства, как потери в сердечнике и скин-эффект в проводнике, также увеличиваются с увеличением частоты.В самолетах и ​​военной технике традиционно используются источники питания 400 Гц, поскольку снижение эффективности более чем компенсируется уменьшением веса сердечника и обмотки.

Как правило, работа трансформатора с расчетным напряжением, но с более высокой частотой, чем предполагалось, приведет к уменьшению тока намагничивания. На частоте ниже проектного значения при приложенном номинальном напряжении ток намагничивания может возрасти до чрезмерного уровня. Эксплуатация трансформатора на частоте, отличной от его проектной, может потребовать оценки напряжений, потерь и охлаждения, чтобы установить, является ли безопасная работа практичной.Например, трансформаторы могут нуждаться в оборудовании реле перенапряжения «вольт на герц» для защиты трансформатора от перенапряжения с частотой выше номинальной.

Энергетические потери

Идеальный трансформатор не будет иметь потерь энергии и, следовательно, будет иметь 100-процентный КПД. Несмотря на то, что трансформатор является одним из самых эффективных электрических машин, а экспериментальные модели с использованием сверхпроводящих обмоток достигают КПД 99,85%, энергия ^[10] рассеивается в обмотках, сердечнике и окружающих конструкциях.Более крупные трансформаторы, как правило, более эффективны, а трансформаторы, рассчитанные на распределение электроэнергии, обычно работают лучше, чем 95 процентов. ^[11] Небольшой трансформатор, такой как подключаемый «силовой блок», используемый для маломощных [[потребитель электроника]] может быть менее 85 процентов.

Потери в трансформаторе обусловлены несколькими причинами и могут различаться между потерями в обмотках, иногда называемыми потерями в меди , и потерями в магнитной цепи, иногда называемыми потерями в стали , Потери меняются в зависимости от тока нагрузки, и кроме того, могут быть выражены как потери «без нагрузки», «при полной нагрузке» или при промежуточной нагрузке.Сопротивление обмотки преобладает над потерями нагрузки, тогда как потери на гистерезис и вихревые токи составляют более 99 процентов потерь холостого хода.

Потери в трансформаторе возникают из-за:

Сопротивление обмотки

Ток, протекающий по обмоткам, вызывает резистивный нагрев проводников. На более высоких частотах скин-эффект и эффект близости создают дополнительное сопротивление обмотки и потери.

Вихревые токи

Ферромагнитные материалы также являются хорошими проводниками, и сплошной сердечник, сделанный из такого материала, также представляет собой один короткозамкнутый виток по всей своей длине.Таким образом, индуцированные вихревые токи циркулируют внутри сердечника в плоскости, перпендикулярной потоку, и ответственны за резистивный нагрев материала сердечника.

Гистерезисные потери

Каждый раз, когда магнитное поле меняется на противоположное, небольшое количество энергии теряется на гистерезис внутри магнитного сердечника, причем количество зависит от конкретного материала сердечника.

Магнитострикция

Магнитный поток в сердечнике заставляет его физически расширяться и немного сжиматься под действием переменного магнитного поля — эффект, известный как магнитострикция.Это производит знакомый жужжащий звук и, в свою очередь, вызывает потери из-за нагрева от трения в чувствительных сердечниках.

Механические потери

Помимо магнитострикции, переменное магнитное поле вызывает колебания электромагнитных сил между первичной и вторичной обмотками. Они вызывают вибрацию в ближайших металлических конструкциях, усиливают гудение и потребляют небольшое количество энергии.

Случайные потери

Не все магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой, перехватывается вторичной обмоткой.Часть потока рассеяния может индуцировать вихревые токи в соседних проводящих объектах, таких как опорная конструкция трансформатора, и преобразовываться в тепло.

Система охлаждения

Силовые трансформаторы большой мощности могут быть оборудованы охлаждающими вентиляторами, масляными насосами или теплообменниками с водяным охлаждением, предназначенными для отвода тепла. Мощность, используемая для работы системы охлаждения, обычно считается частью потерь трансформатора.

Эквивалентная схема

Физические ограничения практического трансформатора могут быть сведены воедино в виде модели эквивалентной схемы, построенной на идеальном трансформаторе без потерь. ^[12] Потери мощности в обмотках зависят от тока и легко представлены в виде последовательно соединенных сопротивлений R _P и R _S . Рассеивание магнитного потока приводит к падению части приложенного напряжения, не влияя на взаимную связь, и, таким образом, может быть смоделировано как самоиндуктивности X _P и X _S последовательно с идеально связанной областью. Потери в стали вызваны в основном гистерезисом и эффектами вихревых токов в сердечнике и, как правило, пропорциональны квадрату потока сердечника для работы на данной частоте. ^[13] Поскольку магнитный поток в сердечнике пропорционален приложенному напряжению, потери в стали могут быть представлены сопротивлением R _C , подключенным параллельно идеальному трансформатору.

Сердечник с конечной магнитной проницаемостью требует тока намагничивания I _M для поддержания взаимного потока в сердечнике. Ток намагничивания находится в фазе с потоком; Эффекты насыщения делают отношения между ними нелинейными, но для простоты этот эффект имеет тенденцию игнорироваться в большинстве эквивалентов схем. ^[13] При синусоидальном питании поток сердечника отстает от наведенной ЭДС на 90 °, и этот эффект можно смоделировать как намагничивающее реактивное сопротивление X _M параллельно с составляющей потерь в сердечнике. R _C и X _M иногда вместе называют намагничивающей ветвью модели. Если вторичная обмотка разомкнута, ток, потребляемый ветвью намагничивания, представляет собой ток холостого хода трансформатора.{2} \! \!}.

Полученную модель иногда называют «точной эквивалентной схемой», хотя она сохраняет ряд приближений, таких как предположение о линейности. ^[12] Анализ можно упростить, переместив ветвь намагничивания влево от первичного импеданса, неявно предположив, что ток намагничивания низкий, а затем суммируя первичный и приведенный вторичный импедансы.

Типы и применение трансформаторов

Для определенных инженерных приложений было создано множество специализированных конструкций трансформаторов.Многочисленные области применения трансформаторов позволяют классифицировать их по многим параметрам:

• По уровню мощности : от долей вольт-ампера (ВА) до более тысячи МВА;
• По диапазону частот : мощность, аудио или радиочастота;
• По классу напряжения : от нескольких вольт до сотен киловольт;
• По типу охлаждения : с воздушным, масляным, вентиляторным или водяным охлаждением;
• С помощью прикладной функции : например, источник питания, согласование импеданса или изоляция цепи;
• По конечному назначению : распределительное устройство, выпрямитель, дуговая печь, выход усилителя;
• По соотношению витков обмотки : повышающее, понижающее, изолирующее (почти равное соотношение), переменное.

Строительство

Ядра

Трансформатор с ламинированным сердечником, показывающий край пластин в верхней части блока.

Стальной стержень

Трансформаторы

для использования на мощных или звуковых частотах обычно имеют сердечники из высокопроницаемой кремнистой стали. ^[14] За счет концентрации магнитного потока большая его часть связывает как первичную, так и вторичную обмотки, и ток намагничивания значительно снижается. Первые разработчики трансформаторов вскоре поняли, что сердечники, изготовленные из твердого железа, приводят к недопустимым потерям на вихревые токи, и их конструкции смягчали этот эффект с помощью сердечников, состоящих из пучков изолированных железных проводов. ^[4] Более поздние конструкции сконструировали сердечник путем наложения слоев тонких стальных пластин, принцип, который используется до сих пор. Каждая пластина изолирована от соседей слоем непроводящей краски. Уравнение универсального трансформатора указывает минимальную площадь поперечного сечения сердечника, чтобы избежать насыщения.

Эффект расслоения заключается в ограничении вихревых токов высокоэллиптическими путями, которые ограничивают небольшой поток, и, таким образом, уменьшают их величину. Более тонкие листы уменьшают потери, ^[14] , но их строительство более трудоемко и дорого. ^[15] Тонкие пластинки обычно используются в высокочастотных трансформаторах, при этом некоторые типы очень тонких стальных пластин могут работать на частотах до 10 кГц.

Конструкция сердечника E-I без обмоток

Одна общая конструкция ламинированного сердечника состоит из чередующихся стопок стальных листов Е-образной формы, покрытых I-образными деталями, что и привело к названию «трансформатор E-I». ^[15] Резаный сердечник или С-образный сердечник получают путем наматывания стальной полосы вокруг прямоугольной формы и последующего соединения слоев.Затем его разрезают на две части, образуя две С-образные формы, и сердцевину собирают, связывая две С-половинки вместе стальной лентой. ^[15] Их преимущество в том, что поток всегда направлен параллельно металлическим зернам, что снижает сопротивление.

Остаточная намагниченность стального сердечника означает, что он сохраняет статическое магнитное поле при отключении питания. Когда затем снова подается питание, остаточное поле вызовет высокий пусковой ток до тех пор, пока эффект остаточного магнетизма не уменьшится, обычно после нескольких циклов приложенного переменного тока.Устройства защиты от сверхтоков, такие как предохранители, должны быть выбраны так, чтобы обеспечить прохождение этого безвредного броска тока. На трансформаторах, подключенных к длинным воздушным линиям электропередачи, индуцированные токи из-за геомагнитных возмущений во время солнечных бурь могут вызвать насыщение сердечника и ложное срабатывание устройств защиты трансформатора.

Распределительные трансформаторы могут обеспечить низкие потери без нагрузки за счет использования сердечников, сделанных из кремнистой стали с низкими потерями, высокой проницаемости и аморфной (некристаллической) стали, так называемого «металлического стекла».«Высокая начальная стоимость материала сердечника компенсируется в течение срока службы трансформатора более низкими потерями при малой нагрузке.

Твердые сердечники

Сердечники из порошкового железа используются в схемах (например, импульсных источниках питания), работающих на частотах выше сетевых и до нескольких десятков килогерц. Эти материалы сочетают высокую магнитную проницаемость с высоким удельным объемным электрическим сопротивлением. Для частот, выходящих за пределы диапазона VHF, распространены сердечники, изготовленные из непроводящих магнитных керамических материалов, называемых ферритами. ^[15] Некоторые радиочастотные трансформаторы также имеют подвижные сердечники (иногда называемые «заглушками»), которые позволяют регулировать коэффициент связи (и полосу пропускания) настроенных радиочастотных цепей.

Сердечники воздушные

В высокочастотных трансформаторах также могут использоваться воздушные сердечники. Это устраняет потери из-за гистерезиса в материале сердечника. Такие трансформаторы поддерживают высокую эффективность связи (низкие потери поля рассеяния) за счет перекрытия первичной и вторичной обмоток.

Сердечники тороидальные

Различные трансформаторы.Верхний правый тороидальный. Внизу справа — источник питания от настенных бородавок на 12 В переменного тока.

Тороидальные трансформаторы построены вокруг кольцевого сердечника, который изготовлен из длинной полосы кремнистой стали или пермаллоя, намотанной в катушку, из порошкового железа или феррита, в зависимости от рабочей частоты. Ленточная конструкция обеспечивает оптимальное выравнивание границ зерен, повышая эффективность трансформатора за счет уменьшения сопротивления сердечника. Форма замкнутого кольца устраняет воздушные зазоры, присущие конструкции сердечника E-I.Поперечное сечение кольца обычно квадратное или прямоугольное, но доступны и более дорогие сердечники с круглым поперечным сечением. Первичная и вторичная обмотки часто наматываются концентрически, чтобы покрыть всю поверхность сердечника. Это минимизирует необходимую длину провода, а также обеспечивает экранирование, чтобы минимизировать магнитное поле сердечника от создания электромагнитных помех.

Ферритовые тороидальные сердечники используются на более высоких частотах, обычно от нескольких десятков килогерц до мегагерц, для уменьшения потерь, физических размеров и веса импульсных источников питания.

Тороидальные трансформаторы более эффективны, чем более дешевые ламинированные E-I типы аналогичного уровня мощности. Другие преимущества по сравнению с типами EI включают меньший размер (около половины), меньший вес (около половины), меньший механический гул (что делает их лучше в усилителях звука), более низкое внешнее магнитное поле (около одной десятой), низкие потери без нагрузки. (что делает их более эффективными в резервных цепях), монтаж на одном болте и больший выбор форм. Этот последний пункт означает, что для заданной выходной мощности может быть выбран широкий плоский тороид или высокий узкий тороид с одинаковыми электрическими свойствами, в зависимости от доступного пространства.Основные недостатки — более высокая стоимость и ограниченный размер.

Недостатком конструкции тороидального трансформатора является более высокая стоимость обмоток. Как следствие, редко встречаются тороидальные трансформаторы мощностью выше нескольких кВА. Небольшие распределительные трансформаторы могут достичь некоторых преимуществ тороидального сердечника, разделив его и заставив открыть, а затем вставив катушку, содержащую первичную и вторичную обмотки.

При установке тороидального трансформатора важно избегать непреднамеренного короткого замыкания сердечника.Это может произойти, если стальной крепежный болт в середине сердечника коснется металлоконструкций с обоих концов, образуя петлю из проводящего материала, которая проходит через отверстие в тороиде. Такая петля может привести к протеканию в болте опасно большого тока.

Обмотки

Условные обозначения

	Трансформатор с двумя обмотками и железным сердечником.
	Понижающий или повышающий трансформатор.Символ показывает, какая обмотка имеет больше витков, но обычно не указывает точное соотношение.
	Трансформатор с тремя обмотками. Точки показывают относительную конфигурацию обмоток.
	Трансформатор с электростатическим экраном, предотвращающим емкостную связь между обмотками.

Проводящий материал, используемый для обмоток, зависит от области применения, но во всех случаях отдельные витки должны быть электрически изолированы друг от друга и от других обмоток. ^[16] Для малых силовых и сигнальных трансформаторов катушки часто наматываются из эмалированной магнитной проволоки, такой как проволока Formvar. Большие силовые трансформаторы, работающие при высоком напряжении, могут быть намотаны проволочными, медными или алюминиевыми прямоугольными проводниками, изолированными пропитанной маслом бумагой. ^[17] Ленточные проводники используются для очень сильных токов. Обмотки высокочастотных трансформаторов, работающих в диапазоне от десятков до сотен килогерц, будут сделаны из лицевого провода, чтобы минимизировать потери на скин-эффект в проводниках. ^[16] В больших силовых трансформаторах также используются многожильные проводники, поскольку даже при низких частотах мощности в противном случае в сильноточных обмотках могло бы существовать неравномерное распределение тока. ^[17] Каждая жила изолирована по отдельности, и жилы расположены так, что в определенных точках обмотки или по всей обмотке каждая часть занимает разные относительные положения в проводнике в целом. Это перемещение выравнивает ток, протекающий в каждой жилке проводника, и снижает потери на вихревые токи в самой обмотке.Многожильный провод также более гибкий, чем сплошной провод аналогичного размера, что облегчает производство. ^[17]

Для сигнальных трансформаторов обмотки могут быть расположены таким образом, чтобы минимизировать индуктивность рассеяния и паразитную емкость для улучшения высокочастотной характеристики. Это можно сделать, разделив каждую катушку на секции, и эти секции будут размещены слоями между секциями другой обмотки. Это известно как многослойная обмотка или перемежающаяся обмотка.

Как первичная, так и вторичная обмотки силовых трансформаторов могут иметь внешние соединения, называемые ответвлениями, с промежуточными точками на обмотке, чтобы обеспечить возможность выбора соотношения напряжений.Отводы могут быть подключены к автоматическому переключателю ответвлений под нагрузкой для регулирования напряжения в распределительных цепях. Преобразователи звуковой частоты, используемые для передачи звука на громкоговорители громкоговорителей, имеют ответвители, позволяющие регулировать импеданс каждого динамика. Трансформатор с центральным отводом часто используется в выходном каскаде усилителя мощности звука в двухтактной схеме. Трансформаторы модуляции в передатчиках AM очень похожи.

Изоляция обмотки

Витки обмоток должны быть изолированы друг от друга, чтобы ток проходил по всей обмотке.Разность потенциалов между соседними витками обычно невелика, поэтому для трансформаторов малой мощности может хватить эмалевой изоляции. Дополнительная листовая или ленточная изоляция обычно используется между слоями обмотки в более крупных трансформаторах.

Трансформатор также можно погружать в трансформаторное масло, которое обеспечивает дополнительную изоляцию. Хотя масло в основном используется для охлаждения трансформатора, оно также помогает уменьшить образование коронного разряда внутри высоковольтных трансформаторов. При охлаждении обмоток изоляция не так легко разрушается из-за тепла.Чтобы предотвратить ухудшение изоляционных свойств трансформаторного масла, корпус трансформатора полностью изолирован от проникновения влаги. Таким образом, масло служит как охлаждающей средой для отвода тепла от сердечника и змеевика, так и частью системы изоляции.

Обмотки некоторых силовых трансформаторов защищены эпоксидной смолой. Пропитывая трансформатор эпоксидной смолой в вакууме, воздушные пространства внутри обмоток заменяются эпоксидной смолой, тем самым герметизируя обмотки и помогая предотвратить возможное образование короны и поглощение грязи или воды.Таким образом производятся трансформаторы, подходящие для влажной или грязной среды, но с повышенными производственными затратами.

Базовый уровень импульсной изоляции (BIL)

Наружные электрические распределительные системы подвержены ударам молнии. Даже если молния ударяет в линию на некотором расстоянии от трансформатора, скачки напряжения могут распространяться по линии и попадать в трансформатор. Выключатели высокого напряжения и автоматические выключатели также могут создавать аналогичные скачки напряжения при размыкании и замыкании. Оба типа скачков имеют крутые волновые фронты и могут нанести серьезный ущерб электрическому оборудованию.Чтобы свести к минимуму влияние этих скачков, электрическая система защищена осветительными разрядниками, но они не полностью исключают попадание скачка на трансформатор. Базовый уровень импульсов (BIL) трансформатора измеряет его способность выдерживать эти скачки. Все трансформаторы на 600 В и ниже рассчитаны на 10 кВ BIL. Трансформаторы на 2400 и 4160 вольт рассчитаны на 25 кВ BIL.

Экранирование

Если трансформаторы предназначены для минимальной электростатической связи между первичной и вторичной цепями, между обмотками может быть помещен электростатический экран для уменьшения емкости между первичной и вторичной обмотками.Экран может быть однослойной металлической фольгой, изолированной там, где он перекрывается, чтобы предотвратить его действие как закороченный виток, или однослойной обмоткой между первичной и вторичной обмотками. Экран подключен к заземлению.

Трансформаторы также могут быть заключены в магнитные экраны, электростатические экраны или и то, и другое, чтобы предотвратить влияние внешних помех на работу трансформатора или предотвратить влияние трансформатора на работу близлежащих устройств, которые могут быть чувствительны к полям рассеяния, таким как ЭЛТ. .

Охлаждающая жидкость

Сухой трехфазный трансформатор со снятой крышкой; номинальная мощность около 200 кВА, 480 В.

Малосигнальные трансформаторы не выделяют значительного количества тепла. Силовые трансформаторы мощностью до нескольких киловатт используют естественное конвективное воздушное охлаждение. Особые меры должны быть предусмотрены для охлаждения трансформаторов большой мощности. Трансформаторы, работающие с большей мощностью или имеющие большой рабочий цикл, могут охлаждаться вентилятором.

Некоторые сухие трансформаторы заключены в герметичные резервуары и охлаждаются азотом или газообразным гексафторидом серы.

Обмотки мощных или высоковольтных трансформаторов погружены в трансформаторное масло — минеральное масло высокой степени очистки, устойчивое при высоких температурах. В больших трансформаторах, используемых в помещении, должна использоваться негорючая жидкость. Раньше использовался полихлорированный бифенил (ПХБ), поскольку он не представлял опасности возгорания в силовых трансформаторах внутри помещений и очень стабилен. Из-за стабильности и токсического воздействия побочных продуктов ПХБ, а также их накопления в окружающей среде, это больше не допускается в новом оборудовании.Старые трансформаторы, которые все еще содержат ПХБ, следует еженедельно проверять на предмет утечек. В случае обнаружения утечки ее следует заменить и профессионально обеззаразить или утилизировать экологически безопасным способом. Сегодня можно использовать нетоксичные, стабильные масла на основе силикона или фторированные углеводороды, если стоимость огнестойкой жидкости компенсирует дополнительные затраты на строительство хранилища трансформатора. Могут использоваться и другие менее воспламеняющиеся жидкости, такие как масло канолы, но все огнестойкие жидкости имеют некоторые недостатки в производительности, стоимости или токсичности по сравнению с минеральным маслом.

Масло охлаждает трансформатор и обеспечивает часть электрической изоляции между внутренними частями, находящимися под напряжением. Он должен быть стабильным при высоких температурах, чтобы небольшое короткое замыкание или дуга не привели к пробою или возгоранию. Бак, заполненный маслом, может иметь радиаторы, через которые масло циркулирует за счет естественной конвекции. Очень большие или мощные трансформаторы (мощностью в миллионы ватт) могут иметь охлаждающие вентиляторы, масляные насосы и даже масляные теплообменники. Масляные трансформаторы подвергаются длительным процессам сушки с использованием парофазной теплопередачи, электрического самонагрева, создания вакуума или их комбинации, чтобы гарантировать полное отсутствие водяного пара в трансформаторе перед подачей охлаждающего масла.Это помогает предотвратить электрический пробой под нагрузкой.

Масляные силовые трансформаторы могут быть оснащены реле Бухгольца, которые являются предохранительными устройствами, которые обнаруживают скопление газа внутри трансформатора (побочный эффект электрической дуги внутри обмоток) и, таким образом, отключают трансформатор.

Экспериментальные силовые трансформаторы в диапазоне 2 МВА были построены со сверхпроводящими обмотками, которые исключают потери в меди, но не потери в стали сердечника. Они охлаждаются жидким азотом или гелием.

Клеммы

Очень маленькие трансформаторы будут иметь провода, подключенные непосредственно к концам катушек и выведенные к основанию блока для подключения цепей. Более крупные трансформаторы могут иметь тяжелые болтовые клеммы, шины или высоковольтные изолированные вводы из полимеров или фарфора. Большой ввод может иметь сложную конструкцию, поскольку он должен обеспечивать электрическую изоляцию, не допуская утечки масла из трансформатора.

Корпус

Небольшие трансформаторы часто не имеют корпуса.Трансформаторы могут иметь защитный кожух, как описано выше. Более крупные блоки могут быть закрыты для предотвращения контакта с токоведущими частями и для содержания охлаждающей среды (масла или сжатого газа).

См. Также

Банкноты

1. ↑ ^{1,0 1,1 1,2 1,3} J.W. Колтман, «Трансформатор» Scientific American 1 (январь 1988 г.): 86-95
2. ↑ Уильям Фланаган. 1993. Справочник по проектированию и применению трансформаторов. (Нью-Йорк, Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. ISBN 0070212910).
3. ↑ ENERGIE. Возможности энергосбережения в ЕС за счет использования энергоэффективных распределительных трансформаторов 1999 г. [1]. Проверено 25 июня 2007 года.
4. ↑ ^{4,0 4,1 4,2} D.J. Аллан, «Силовые трансформаторы — второй век» Power Engineering Journal IEE (1991)
5. ↑ ^{5,0 5,1 5,2 5,3 5,4} M.Г. Сэй. 1983. Машины переменного тока, 5 изд. (Лондон, Великобритания: Pitman), 13-14.
6. ↑ Нейв, C.R. HyperPhysics Государственный университет Джорджии, 2005; Проверено 25 июня 2007 года.
7. ↑ ^{7,0 7,1 7,2 7,3} Уильям Фланаган. 1993. Справочник по проектированию и применению трансформаторов. (Нью-Йорк, Нью-Йорк: Макгроу-Хилл), 2
8. ↑ Джон Хиндмарш. 1977. Электрические машины и их применение, 4-е изд.(Эксетер, Великобритания: Пергаммон), 142-143.
9. ↑ ^{9,0 9,1} Питер Макларен. 1984. Элементарная электроэнергетика и машины. (Западный Сассекс, Великобритания: Эллис Хорвуд), 68-74
10. ↑ H. Riemersma, et al. 1981. Применение сверхпроводящей технологии в силовых трансформаторах. Транзакции IEEE в силовых аппаратах и ​​системах PAS-100 (7): 3398-3407 [2] дата обращения 25 июня 2007 г.
11. ↑ Т. Кубо, Х. Sachs, S. Nadel. 2001. Возможности внедрения новых стандартов эффективности бытовой техники и оборудования. Американский совет по энергоэффективной экономике [3], 39. Дата доступа 25 июня 2007 г.
12. ↑ ^{12,0 12,1 12,2} A.R. Дэниелс, 1985. Введение в электрические машины. (Лондон, Великобритания: Macmillan. ISBN 0333196279)
13. ↑ ^{13,0 13,1} M.G. Сказать. 1983. Машины переменного тока, 5 изд. . (Лондон, Великобритания: Pitman), 142-143.
14. ↑ ^{14,0 14,1} Джон Хиндмарш.1977. Электрические машины и их применение. (Сент-Луис, Миссури: Пергамон. ISBN 0080305733), 29-31.
15. ↑ ^{15,0 15,1 15,2 15,3} Полковник Уильям Маклайман. 2004. Справочник по проектированию трансформаторов и индукторов. (Уорминстер, Пенсильвания: CRC. ISBN 0824753933), 3.9–3.14.
16. ↑ ^{16,0 16,1} Ллойд Диксон, Вихретоковые потери в обмотках трансформатора и проводке. Техасские инструменты .Проверено 25 июня 2007 года.
17. ↑ ^{17,0 17,1 17,2} Центральное электрическое генерирующее управление. 1982. Практика современной электростанции. (Сент-Луис, Миссури: Пергамон. ISBN 0080164366).

Список литературы

• Центральная электрогенерирующая дирекция. 1982. Практика современной электростанции. Оксфорд, Великобритания: Пергамон. ISBN 0080164366.
• Дэниэлс, А. 1985. Введение в электрические машины | издатель. Саут-Ярра, Виктория, Австралия: Макмиллан.ISBN 0333196279.
• Fitzgerald, A. 1983. Electric Machinery, 4-е изд. Колумбус, Огайо: Макгроу-Хилл. ISBN 0070211450.
• Фланаган, Уильям. 1993. Справочник по проектированию и применению трансформаторов. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. ISBN 0070212910.
• Хиткот, MJ. 1998. J&P Transformer Book, 12-е изд. Оксфод, Великобритания: Newnes. ISBN 0750611588.
• Хиндмарш, Дж. 1984. Электрические машины и их приложения, 4-е изд.Оксфорд, Великобритания: Пергамон. ISBN 0080305725.
• Макларен, Питер. 1984. Элементарная электроэнергетика и машины. Западный Сассекс, Великобритания: Эллис Хорвуд. ISBN 047020057X.
• Маклайман, полковник Уильям. 2004. Справочник по проектированию трансформаторов и индукторов. Уорминстер, Пенсильвания: CRC. ISBN 0824753933.
• Нил, Дж. П. 1960. Основы электротехники. Колумбус, Огайо: Макгроу-Хилл. ASIN B000BSOZ66. (Раздел 7-9 о взаимной индуктивности, 301).
• Сэй, М.1983. Машины переменного тока, 5-е изд. Лондон, Великобритания: Питман. ISBN 0273019694.
• Шеперд, Мортон Дж. И А. Х. Спенс. 1970. Высшая электротехника. Nominet, Великобритания: Pitman Publishing. ISBN 0273400258.

Внешние ссылки

Все ссылки получены 25 марта 2020 г.

Кредиты

Энциклопедия Нового Света писателей и редакторов переписали и завершили статью Википедия в соответствии со стандартами New World Encyclopedia .Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников New World Encyclopedia , так и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних публикаций википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в Энциклопедия Нового Света :

Примечание. Некоторые ограничения могут применяться к использованию отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

(PDF) Тороидальный сверхпроводящий трансформатор с холодным магнитным сердечником — результаты анализа и измерений

Тороидальный сверхпроводящий трансформатор с холодным магнитным сердечником

сердечник — результаты анализа и измерений

B Grzesik и M Stepien

Силезский технологический университет, факультет электротехники

B. Krzywoustego 2, 44-100 Gliwice, Poland

[email protected]

Реферат. Работа посвящена тороидальному сверхпроводящему трансформатору с холодным магнитным сердечником

.Трансформатор был разработан с целью найти решение, в котором магнитопровод

может работать, погруженный в LN2, не имея гораздо более высоких потерь мощности, чем сердечник, работающий при температуре помещения

. Вторая цель касается перпендикулярной составляющей магнитного потока

. Предполагалось, что его следует минимизировать. Третья цель — максимальный коэффициент связи

между обмотками. Магнитный материал METGLAS 2605 SA1 (Metglas Ltd) был выбран

как лучший с учетом электрических и механических свойств.Численный анализ трансформатора

был проведен с использованием программы ANSYS. Предполагалось, что магнитный сердечник

можно размещать внутри обмотки и / или вне ее. Анализ и измерения дают

, что лучшим решением является трансформатор с магнитным сердечником, вставленным внутри обмоток. Такая конструкция

значительно снижает перпендикулярную составляющую магнитного поля в ВТСП проводе.

Поскольку внешняя обмотка надевается на внутреннюю, это дает максимально возможный коэффициент связи.

Первичная и вторичная обмотки имеют одинаковое количество витков. Это означает бифилярный способ намотки

. Описываемый трансформатор имеет следующие конструктивные характеристики: i) диаметр главного круга

: 144 мм, ii) максимальный диаметр: 208 мм, iii) диаметр малого сечения трансформатора

(без внешнего магнитопровода) : 50 мм, что дает следующие параметры

: выходная мощность 1,59 кВА, удельная мощность 700 ВА / кг, КПД: 99.5, коэффициент связи

0,99 при 100 ARMS входного тока и максимальной плотности потока 1,2 T.

1. Введение

Трансформатор является одним из наиболее важных элементов в системе электроснабжения. КПД трансформатора

влияет на КПД всей энергосистемы. Применение новых материалов

(ВТСП-проводники, аморфные магнитные материалы) увеличивает КПД трансформатора. В документе

представлены результаты моделирования и лабораторных испытаний ВТСП трансформатора с аморфным магнитопроводом

, хранящимся в LN2 [1, 2, 3].

Идея анализируемого тороидального ВТСП трансформатора представлена ​​на рис.1. Обмотки трансформатора

равномерно распределены по всей окружности тора с межвитковым отношением 1: 1. Обмотки

выполнены из ВТСП ленты Би-2223. Холодный магнитопровод (в LN2) изготовлен из аморфного магнитного материала

METGLAS 2605SA1. Обмотки имеют форму спирали с углом

, который может изменяться от почти нуля до прямого. Внутрь вставлен магнитопровод (на рис.1), а также вне

обмоток. Представленный ВТСП трансформатор был теоретически проанализирован методом FEM для различных вариантов конструкции

(только внутренний магнитопровод, только внешний магнитопровод и оба типа магнитопровода

для различных углов намотки). Трансформатор с внутренним сердечником, аналогичный классическому тороидальному трансформатору

, был исследован в лаборатории. Результаты представлены в этой статье.

11-я Европейская конференция по прикладной сверхпроводимости (EUCAS2013) IOP Publishing

Journal of Physics: Conference Series 507 (2014) 032043 doi: 10.1088 / 1742-6596 / 507/3/032043

Содержимое этой работы может использоваться в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution 3.0. Любое дальнейшее распространение

этой работы должно содержать указание на автора (авторов) и название работы, цитирование журнала и DOI.

Опубликовано по лицензии IOP Publishing Ltd 1

Идеальный трансформатор — обзор

13.3.2 Трансформаторы

Трансформатор — это устройство, которое позволяет передавать электрическую энергию в виде переменного тока от одной цепи к другой через магнитное поле.Это также позволяет преобразовывать эту энергию из одного уровня напряжения и тока в другой с минимальными потерями. Электрическая энергия наиболее эффективно передается на большие расстояния при очень высоких напряжениях, в сотни киловольт и, соответственно, умеренных уровнях тока. Распределение на месте при 230 В (или 115 В в США) безопасно и удобно. Преобразование высокого напряжения, используемого для передачи, в гораздо более низкое, используемое для распределения, выполняется трансформаторами. Они играют ключевую роль в системе электроснабжения.В дополнение к их использованию в распределении энергии и источниках питания, трансформаторы также используются во многих электронных системах, особенно в радиочастотной беспроводной связи. Трансформаторы могут быть размером с железнодорожный локомотив или меньше, чем пуговица на рубашке. Они могут работать на низких частотах (50 Гц и менее) или на радиочастотах (порядка гигагерц). Их можно сравнить с механическими коробками передач (которые используются в автомобилях, велосипедах и т. Д.), Которые преобразуют механическую энергию, передаваемую им, скажем, на высокой скорости и с низким крутящим моментом, в более низкую скорость, но с более высоким крутящим моментом, или наоборот.

На рисунке 13.5 (a) показана катушка или обмотка из N ₁ витков, намотанных на магнитопровод. Катушка подключена к источнику постоянного тока. источник напряжения В ₁ . Ток I ₁ определяется сопротивлением катушки R ₁ , как показано эквивалентной схемой, показанной на рисунке 13.5 (b). Магнитный поток, наведенный током I ₁ , определяется следующим образом (см. Также Hughes, 1995; R.Дж. Смит, 1984; Slemon и Straughen, 1980).

Рис. 13.5. Простая магнитная цепь, возбуждаемая постоянным током. источник: (а) магнитная цепь; (б) электрическая эквивалентная схема.

Ток I ₁ создает магнитодвижущую силу (ммс), F , Н ₁ I ₁ ампер (иногда используемую единицу измерения называют ампер-витками).

(13,1) F = N1I1

соответствующая напряженность магнитного поля H (измеряется в ампер / метр или ампер-виток / метр) составляет

(13.2) H = Fl

, где l — длина магнитного пути.

Связь между напряженностью поля H и плотностью потока B (измеряется в теслах) является свойством рассматриваемого материала. Для свободного пространства (и воздуха) эти две величины линейно пропорциональны соотношению (называемому проницаемостью) μ ₀ = 4π × 10 ^-7 (измеряется в генри / метр). Для ферромагнитных материалов, таких как железо, сталь или ферриты, зависимость сильно нелинейна, как описано в хорошо известной петле B – H .При заданной напряженности поля H в этих материалах создается более высокая плотность потока B , чем в воздухе. Относительная магнитная проницаемость μ _r описывает, насколько больше плотность потока для данной напряженности поля. Он может иметь значение от нескольких сотен и более. Обратите внимание, что поскольку взаимосвязь между B и H является нелинейной, μ _r не является константой для конкретного материала; это зависит от значения H или B.

(13.3) B = μ0μrH

Магнитный поток Φ (измеренный в веберах) рассчитывается из плотности потока как

(13,4) ϕ = BA

, где A — площадь поперечного сечения материала, перпендикулярного потоку. .

На рисунке 13.6 (а) показана та же магнитная цепь, что и на рисунке 13.5 (а), но возбуждение изменено на переменное. источник напряжения (вида v = V _p sin ω t ). В этом случае поток также является синусоидальным (без учета влияния нелинейности петли B – H).Однако, согласно закону Фарадея, напряжение v индуцируется в проводнике, если он находится в изменяющемся магнитном поле, где

Рис. 13.6. Простая магнитная цепь, возбуждаемая переменным током. источник: (а) магнитная цепь; (б) электрическая эквивалентная схема.

(13,5) ν = Ndϕdt

Это индуцированное напряжение противостоит приложенному, в дополнение к резистивному падению напряжения i ₁ R ₁ . Он представлен в эквивалентной схеме на Рисунке 13.6 (б) индуктором L _M . Катушка индуктивности используется, поскольку i находится в фазе с Φ, но v не совпадают по фазе на 90 ° (из-за производной). Следовательно, ток в этом случае определяется как сопротивлением катушки, так и ее индуктивностью. Последнее зависит от магнитных свойств сердечника. Подстановка соотношений из (13.1) — (13.4) в (13.5) приводит к

(13.6) ν = N1dϕdt = μ0μrAlN12didi

Поскольку напряжение v представляет собой напряжение на катушке индуктивности, можно сравнить уравнение (13.6) с соотношением для катушки индуктивности v = L d i / d t . Следовательно, индуктивность с точки зрения магнитных свойств выражается как

(13,7) L = μ0μrAlN12

Предполагая, что поток синусоидален, его можно выразить как Φ = Φ _пик sin ω t . Тогда из (13.5)

(13.8) ν1 = N1dϕdt = N1ωϕpeakcosωt

Среднеквадратичное значение v ₁ ( V ₁ ) равно

(13.9) V1 = N1ωϕpeak2 = 2π2N1fϕpeak = 4⋅44N1fϕpeak

Это важное соотношение показывает выбор, доступный проектировщикам. Например, на высоких частотах и ​​количество витков, и / или магнитный поток (и, следовательно, площадь поперечного сечения сердечника) могут быть уменьшены для данного входного напряжения.

На рисунке 13.7 (a) показана та же магнитная цепь, что и раньше, с добавлением второй обмотки N ₂ витков. Две обмотки обычно называются первичной и вторичной .Выходное напряжение холостого хода этой второй (вторичной) обмотки v ₂ можно найти с помощью уравнения (13.5). Предполагая, что поток одинаков в обеих обмотках, v ₂ равно

Рис. 13.7. Трансформатор с разомкнутой вторичной обмоткой: а) магнитопровод; (б) электрическая эквивалентная схема.

(13.10) ν2 = N2dϕdt

Объединение уравнений (13.5) и (13.10) приводит к важному соотношению напряжений для идеального трансформатора.

(13.11) ν1ν2 = N1N2

Идеальным трансформатором в данном контексте является трансформатор, где

1.

Нет потерь мощности ни в обмотках, ни в сердечнике (механизмы потерь в трансформаторах описаны более подробно см. Slemon and Straughen, 1980).

2.

Поток в обеих обмотках одинаковый.

3.

Для создания магнитного потока в сердечнике требуется пренебрежимо малый ток (ток намагничивания).Другими словами, реактивное сопротивление L _M на рисунке 13.6 очень велико.

Эквивалентная схема практического сердечника с двумя обмотками показана на рисунке 13.7 (b). Здесь показан идеальный трансформатор, резистор R, , _{, 1} и катушка индуктивности L, , _M, . Резистор R ₁ представляет сопротивление первой обмотки и используется для учета того факта, что в практическом трансформаторе потери мощности в обмотках не пренебрежимо малы, как указано для идеального в предположении (1) выше. .В результате выходное напряжение холостого хода вторичной обмотки, v ₂ , немного меньше, чем было бы дано уравнением (13.11) с использованием входного напряжения v ₁ и отношения витков. В эквивалентной схеме это представлено падением напряжения на резисторе R ₁ , которое представляет собой разницу между реальным входным напряжением v ₁ и v ′ ₁ = v ₂ N ₁ / N ₂ .Точно так же в практическом трансформаторе током намагничивания не всегда можно пренебречь, как в предположении (3) выше. Это дроссель L _M .

На рисунке 13.8 (а) показан трансформатор с нагрузкой R _L , подключенной к вторичной обмотке. В результате напряжения v ₂ , индуцированного во вторичной обмотке, ток, i ₂ течет по вторичной цепи. Однако этот ток, протекающий во вторичной обмотке, создает МДС, которая, согласно закону Ленца, противодействует потоку в сердечнике, который в первую очередь индуцировал v ₂ .Таким образом, чистый mmf в магнитной цепи уменьшается, и это, в свою очередь, уменьшает магнитный поток Φ. Согласно уравнению (13.5), уменьшенный магнитный поток приводит к уменьшению напряжения, индуцированного в первичной обмотке, которое противодействует входному напряжению v ₁ . Увеличенная разница между ними приводит к увеличению текущего i ₁ до тех пор, пока не будет достигнуто новое состояние равновесия. Следовательно, увеличение тока во вторичной обмотке приводит к увеличению тока в первичной обмотке.

Рис. 13.8. Трансформатор с нагруженной вторичной обмоткой: а) магнитопровод, принципиальная схема трансформатора; (б) электрическая эквивалентная схема.

Первичный ток состоит из двух компонентов. Один из них — ток намагничивания i _M (ток, который течет в первичной обмотке, когда ток не течет во вторичной). Другой — i ′ ₁ компонент, возникающий в результате протекания тока во вторичной обмотке. Следовательно,

(13.12) i1 = i′1 + iM

Эквивалентная схема на Рисунке 13.8 (b) показывает это соотношение.

В идеальном трансформаторе магнитный поток одинаков в обеих обмотках (предположение (2) выше), и МДС, создаваемые двумя обмотками, можно считать равными и противоположными друг другу. Следовательно,

(13.13) N1i′1 = N2i2

или

(13.14) i′i2 = N1N2

Обратите внимание, что объединение уравнений (13.11) и (13.14) приводит к

ν1i′1 = ν2i2

As Можно ожидать, что потребляемая мощность идеального трансформатора такая же, как и выходная мощность, поскольку отсутствуют потери.

Аналогично, использование уравнений (13.11) и (13.14) приводит к соотношению

(13.15) RL = ν2i2 = ν1N2N1i′1N1N2 = ν1i′1 [N2N1] 2 = R′L [N2N1] 2

, где R ′ _L — это кажущееся сопротивление, «видимое при взгляде на первичную обмотку» в результате подключения R _L к вторичной обмотке. Это соотношение составляет основу использования трансформаторов для согласования импеданса . Возможно, более полезно выразить это как

(13.16) R′L = RL [N1N2] 2

На практике поток в двух обмотках не совсем одинаковый, и предположение (2) для идеального трансформатора не относится строго к практическому.Как показано на рисунке 13.9 (а), часть потока «утекает» из сердечника и связана только с одной из обмоток. В описании схемы на рис. 13.9 (а) показано, что эффект этого потока рассеяния должен индуцировать напряжение, которое противодействует входному напряжению. Этот эффект представлен в эквивалентной схеме катушкой индуктивности. Таким образом, пересмотренная эквивалентная схема трансформатора включает две катушки индуктивности L, , _1, и , L, , _{, 2,} , чтобы учесть индуктивность рассеяния двух обмоток.Эквивалентная схема показана на рисунке 13.9 (b). При проектировании и изготовлении трансформаторов уделяется большое внимание минимизации потока утечки с помощью таких мер, как наматывание двух обмоток друг на друга и использование сердечников тороидальной формы, если это возможно.

Рис. 13.9. Трансформатор с нагруженной вторичной обмоткой, показывающий поток рассеяния и результирующую индуктивность: (а) магнитная цепь, показывающая поток рассеяния; (б) электрическая эквивалентная схема.

Эквивалентная схема, показанная на рисунке 13.9 (б) чаще используется в упрощенном виде. Упрощение выполняется в два этапа. Во-первых, предположим, что падением напряжения в R ₁ и L ₁ из-за тока намагничивания i ′ _M можно пренебречь. Следовательно, L _M может быть подключен непосредственно к источнику на другой стороне R ₁ и L ₁ без внесения каких-либо ошибок. Компонент R _M добавлен, чтобы представить потерю энергии в сердечнике, вызванную переменным магнитным потоком.На втором этапе используется уравнение (13.16). Это позволяет объединить вторичное сопротивление и индуктивность рассеяния с первичными. Резистор R ₂ отображается на первичной обмотке как R ′ ₂ , и его можно комбинировать с R ₁ для образования R _W как

(13,17) RW = R1 + R2 [N2N1] 2

Аналогично,

(13.18) LW = L1 + L2 [N2N1] 2

Упрощенная эквивалентная схема показана на рисунке 13.10.

Рис. 13.10. Упрощенная схема замещения трансформатора.

Может использоваться для расчета регулирования трансформатора. Это мера изменения напряжения между током холостого хода и током полной нагрузки. Он определяется как

(13.19) Регулировка = Vout (без нагрузки) −Vout (полная нагрузка) Vout (полная нагрузка)

Эквивалентная схема на рисунке 13.10 обычно используется на низких частотах (50 и 60 Гц). На высоких частотах необходимо учитывать паразитную емкость обмоток.Это можно смоделировать как конденсатор на первичной обмотке. Этот конденсатор эффективно включен последовательно с катушкой индуктивности, представляющей индуктивность рассеяния, и поэтому цепь является резонансной. В некоторых схемах трансформатор спроектирован как часть настроенной нагрузки усилителя, как в разделе 9.2 (см. J. Smith, 1986). На высоких частотах влияние индуктивности намагничивания может быть меньше, но индуктивности рассеяния больше.

В следующих разделах будет видно, что форма волны тока, потребляемого выпрямителями, подключенными к накопительным конденсаторам (см. Рисунок 13.21) далека от синусоидальности. Об этом всегда нужно помнить при проектировании источников питания и используемых в них трансформаторов. Информацию о практическом проектировании трансформаторов можно найти в нескольких специализированных текстах. Уиттингтон, и др., . (1992) занимается проектированием трансформаторов для импульсных источников питания (см. Раздел 13.4).

Рис. 13.21. Входное напряжение и ток, а также осциллограммы напряжения нагрузки.

SAQ 13.1

Напряжение, ток и мощность были измерены на первичной стороне трансформатора вместе с вторичным напряжением с разомкнутой и короткозамкнутой вторичной обмоткой.Результаты измерений, выполненных на частоте 50 Гц, следующие:

	Первичное напряжение (В)	Ток (А)	Мощность (Вт)	Вторичное напряжение (В)
Обрыв	240	0,1	12	20
Короткое замыкание	10	1	8	0

9000 эквивалентная сторона Упрощенная сторонаТакже определите мощность, рассеиваемую в трансформаторе, и выходное напряжение вторичной обмотки, когда она выдает вторичный ток 8 А от первичного источника питания 240 В.

Уровень шума трансформатора, вызванный магнитострикцией сердечника и изменением смещения напряжения обмотки: AIP Advances : Том 7, № 5

Уровень звука, излучаемый трансформаторами, создается комбинацией магнитострикционной деформации сердечника и электромагнитных сил в обмотках, стенках резервуара и магнитных экранах.Из-за плотности магнитного потока в пластинах и магнитных свойств стали сердечника амплитуда колебаний сердечника вызывает звуковое излучение. На основании этого измеряются магнитные свойства магнитострикции сердечника. Из уравнений. Из (2) и (3) видно, что смещение обмотки не зависит от тока нагрузки. ⁷ 7. Ю.-Х. Чанг и др. , «Снижение слышимого шума для распределительного трансформатора с аморфным сердечником HB1», J. Appl. Phys. 109 , 07A318-1–07A318-3 (2011).https://doi.org/10.1063/1.3553939 На рисунке 2 показаны результаты моделирования трансформатора, включенного с основной частотой, равной удвоенной частоте 60 Гц, деформация обмотки и модальная форма произошли при 274 Гц, 378 Гц, 555 Гц и т. д. Рисунок 3 (a) и 3 (b) показывают, что магнитная индукция сердечника, работающего на холостом ходу и при полной нагрузке, различается. Более того, это указывает на то, что уровень звука зависит от магнитной индукции сердечника. В этом исследовании также моделировались результаты модальной формы сердечника при 116 Гц, 179 Гц и т. Д., как показано на рис. 3 (c) и 3 (d). Конструкция сердечника, а также использование более низких уровней индукции уменьшили количество звука, генерируемого в сердечнике, так что звук, вызванный электромагнитными силами, стал значительным. Сравнительные значения разработанных трансформаторов, результаты моделирования и экспериментальные результаты приведены в таблице I. Сила амплитуды колебаний пропорциональна квадрату тока, а излучаемая звуковая мощность пропорциональна квадрату амплитуды колебаний.Следовательно, излучаемая звуковая мощность сильно не зависит от тока нагрузки. Таблица I показывает, что более высокая магнитная индукция узла сердечника при более низкой плотности тока в обмотке в зависимости от уровня звука (случай 1) показала звуковую мощность при полной нагрузке, превышающую 5 дБА. Оба корпуса 2 и 3 имеют существенно разное смещение обмотки. В основном, когда расчетные значения магнитной индукции и тока становятся выше, значения для моделирования и расчетов для испытаний без нагрузки и при полной нагрузке по уровню звука практически совпадают.Интересно, что в случаях с 4 по 6 расчетные условия трансформатора, особенно с параметром полной нагрузки, уровень звука определяется не только магнитным сердечником, но и плотностью тока обмотки и эффектом смещения, уровень звука является значительным. Сравнительные результаты емкости, индукции сердечника и массы почти определяют звук при тестировании без нагрузки. Таблица I показывает, что противоположные результаты, такие как плотность тока и смещение обмотки, звуковые эффекты как без нагрузки, так и при полной нагрузке, являются значительными.Кроме того, уравнения. (4) и (5) представляют собой расчеты уровня звука для сердечника, работающего без нагрузки, и обмотки, работающей при полной нагрузке, соответственно. Результаты моделирования уровня шума трансформатора FEA показаны на рисунке 4. Для режима полной нагрузки ток обмотки примерно в 1,667 раз больше, чем в режиме холостого хода из-за преобразования энергии, спроектирован и смоделирован, как показано в таблице I. Рисунок 5 иллюстрирует экспериментальную среду и испытание уровня звука для трансформатора в соответствии со стандартом IEEE.Чтобы получить результаты испытаний на уровень шума в условиях холостого хода и полной нагрузки, сравниваются конструкция трансформатора, моделирование и результаты измерений. Хорошо известно, что уровни шума трансформатора почти пропорциональны массе сердечника и обмотки, как показано на рисунке 6. Это указывает на то, что параметр смещения обмотки и плотность тока обмоток совершенно разные. Контуры вибрационного смещения обмоток и сердечника получаются, как показано на рисунке 7. Это указывает на то, что контур вибрационного смещения асимметричен по сравнению с другим параметром, таким как плотность тока.Возможная причина суммарного смещения обмотки может заключаться в том, что на самом деле деформация высоковольтной обмотки больше для расчетного шума сердечника, чем для шума полной нагрузки, и поскольку смещение обмотки увеличивается в зависимости от уменьшения плотности тока. , уровень звука между холостым ходом и полной нагрузкой различается, поскольку изменяется изменение смещения обмотки. И наоборот, расчетные значения шума при испытаниях при полной нагрузке могут быть непропорциональны результатам измерений уровня звука из-за вариаций смещения обмоток и различного влияния электромеханической вибрации, вызванной протеканием тока, на обмотку трансформатора, а также между FEA и экспериментальный результат менее 3 дБА, как показано на рисунке 7.

Заявка на патент США на МАГНИТНЫЙ СЕРДЕЧНИК И ТРАНСФОРМАТОР Заявка на патент (Заявка № 20210327631 от 21 октября 2021 г.)

ОБЛАСТЬ

Настоящее изобретение относится к магнитному сердечнику и трансформатору.

ИСТОРИЯ ВОПРОСА

Магнитопровод используется в качестве сердечника трансформатора, реактора, шумового фильтра и т. Д. В трансформаторе в прошлом с точки зрения более высокого КПД снижение потерь в сердечнике было одним из важных цели.Снижение потерь в сердечнике изучается с различных точек зрения.

Например, в PTL 1 трансформатор, состоящий из прямоугольного кольцевого магнитопровода, состоящего из пакета листов электротехнической стали и имеющего соединенные части, обмотки, намотанной вокруг по крайней мере одной из столбчатых частей магнитопровода, a раскрывается прижимной элемент, прижимающий столбчатые части, имеющие соединенные части в направлении стопки листов электротехнической стали, и элемент, передающий натяжение, передающий натяжение в окружном направлении по меньшей мере одной столбчатой ​​части магнитопровода.

Кроме того, например, в PTL 2, магнитопровод с толщиной намотки 40 мм или более, изготовленный из множества листов текстурированной электротехнической стали кольцевой формы, если смотреть со стороны, уложенной в направлении толщины листа, который магнитный сердечник, содержащий внутренний сердечник, расположенный на стороне внутренней поверхности, и внешний сердечник, расположенный на стороне внешней поверхности внутреннего сердечника, при этом толщина намотки внутреннего сердечника имеет заданный размер, листы электротехнической стали с ориентированными зернами образуют внутренний сердечник среди листы электротехнической стали с ориентированной зеренной структурой, имеющие множество изогнутых частей изогнутой формы, если смотреть со стороны, которые образованы металлическими микроструктурами, включая двойниковые кристаллы, причем внешняя сердцевина имеет более высокую степень заполнения листов текстурированной электротехнической стали, чем листы электротехнической стали. внутри ядра, раскрывается.

Далее, например, в PTL 3 получение магнитных материалов в форме листов путем разрезания листа электротехнической стали на приблизительно трапециевидные формы, приблизительно неравные боковые четырехугольники, приблизительно пятиугольные формы и т. Д., Размещение этих листовых магнитных материалов на раскрыта плоскость, образующая верхнее, нижнее, левое и правое направления и соединяющая их друг с другом на их поверхностях в направлении толщины, посредством чего образуется один слой ламинированной сердцевины. Кроме того, в PTL 3 раскрыта конфигурация, в которой зазоры, имеющие определенную протяженность ширины, сформированы в местах соединения, а передние поверхности зазоров покрыты закрепляющими магнитными материалами в форме заплатки.

Кроме того, например, в PTL 4, конфигурация трансформатора раздельного типа, состоящего из неподвижного сердечника и подвижного сердечника, в котором утечка магнитного потока предотвращается путем закрепления зажимных пластин вокруг соединенных частей неподвижного сердечника и подвижного сердечника. раскрыт.

СПИСОК ЦИТАТОВ Патентная литература

[PTL 1] Публикация нерассмотренного патента Японии № 2018-32703

[PTL 2] Публикация нерассмотренного патента Японии № 2017-157806

[PTL 3] Публикация нерассмотренного патента Японии2017-22189

[PTL 4] Публикация нерассмотренного японского патента № 2005-38987

РЕЗЮМЕ Техническая проблема

Однако чем меньше потери в сердечнике, тем лучше. В традиционных магнитных сердечниках, таких как описанные в PTL 1 и PTL 2, все еще есть возможности для улучшения. С другой стороны, в технологиях, описанных в PTL 3 и PTL 4, пластинчатые элементы прикрепляются к местам соединения сердечников. чтобы предотвратить утечку магнитного потока. Однако при таком методе потери на вихревые токи возникают на пластинчатых элементах, поэтому возникает проблема, заключающаяся в том, что потери в сердечнике не могут быть подавлены.

Таким образом, настоящее изобретение было сделано с учетом вышеупомянутой проблемы. Целью настоящего изобретения является создание магнитного сердечника и трансформатора с уменьшенными потерями в сердечнике.

Решение проблемы

Чтобы решить указанную выше проблему, изобретатели провели интенсивные исследования и приняли во внимание потери в сердечнике из-за изогнутых частей магнитопровода. То есть на изогнутых частях магнитная проницаемость падает, а потери в сердечнике увеличиваются. Кроме того, в этих частях возникает поток утечки, и вихревой ток, вызванный этим потоком утечки, вызывает увеличение потерь в сердечнике.Изобретатели обнаружили, что, создавая новые магнитные пути на боковых поверхностях изогнутых частей или угловых частей в магнитопроводе с целью подавления потерь в сердечнике на таких изогнутых частях, подавляется поток утечки, и это за счет подавления вихревого тока, генерируемого при в других частях, кроме магнитных путей, потери в сердечнике снижаются. Они провели дальнейшие исследования и в результате достигли настоящего изобретения.

Суть настоящего изобретения, завершенного на основании вышеизложенных выводов, заключается в следующем:

(1) Магнитный сердечник, содержащий

сердечника, который образован намоткой первых листов электротехнической стали, которые имеют форму кольца, если смотреть сбоку. поверхность, и которая имеет одну или несколько изогнутых частей, если смотреть с боковой поверхности, и

одну или несколько стопок вторых листов электротехнической стали, уложенных вместе, причем каждая стопа

расположена по меньшей мере на одной из поверхностей, образованных боковыми поверхностями первой листы электротехнической стали в изогнутой части сердечника, так что поверхность, образованная боковыми поверхностями вторых листов электротехнической стали, проходит вдоль него.

(2) Магнитный сердечник в соответствии с (1), где направление уложенных друг на друга поверхностей вторых листов электротехнической стали в стопке проходит вдоль направления уложенных друг на друга поверхностей первых листов электротехнической стали сердечникового элемента.
(3) Магнитный сердечник в соответствии с (1) или (2), где угол уложенных друг на друга поверхностей вторых листов электротехнической стали к линии, соединяющей центральную точку внутренней периферийной части изогнутой части и центральную точку внешняя окружная часть изогнутой детали, по меньшей мере, на одной из боковых поверхностей, если смотреть на стержневой элемент с направления, проходящего вдоль поверхности первых листов электротехнической стали, составляет 45 градусов или больше и 90 градусов или меньше.
(4) Магнитный сердечник в соответствии с любым из (1) — (3), где элемент сердечника имеет угловую часть, если смотреть на элемент сердечника с боковой поверхности.
(5) Магнитный сердечник в соответствии с любым из (1) — (4), где форма сердечника при просмотре сердечника с боковой поверхности имеет восьмиугольную форму.
(6) Магнитопровод в соответствии с любым из (1) — (5), где толщина вторых листов электротехнической стали равна толщине первых листов электротехнической стали или меньше толщины первых листов электротехнической стали. стальные листы.
(7) Магнитопровод согласно (6), где, когда толщина первых листов электротехнической стали составляет Т ₁ , а толщина вторых листов электротехнической стали составляет Т ₂ , отношение Т ₂ / T ₁ составляет 0,5 или больше и 1,0 или меньше.
(8) Магнитопровод по любому из пунктов (1) — (7), где вторые листы электротехнической стали изолированы друг от друга.
(9) Трансформатор, содержащий

сердечника, который образован намоткой первых листов электротехнической стали, имеющий форму кольца при взгляде с боковой поверхности и имеющий одну или несколько изогнутых частей при взгляде с боковой поверхности и

одну или больше стопок вторых листов электротехнической стали, уложенных друг на друга, причем каждая стопа

размещена, по меньшей мере, на одной из поверхностей, образованных боковыми поверхностями первых листов электротехнической стали в изогнутой части сердечника, так что поверхность, образованная боковыми поверхностями по ней проходит второй лист электротехнической стали.

Преимущества изобретения

Согласно настоящему изобретению можно обеспечить магнитный сердечник и трансформатор, в которых уменьшены потери в сердечнике.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

РИС. 1 представляет собой вид в перспективе, показывающий один пример магнитного сердечника согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

РИС. 2 — вид сверху, показывающий элемент сердечника, в котором магнитопровод, показанный на фиг. 1 снабжен с боковой поверхности листами электротехнической стали.

РИС. 3 — частичный увеличенный вид сверху, показывающий часть боковой поверхности элемента сердечника для объяснения одного примера расположения элемента сердечника и пакета, в котором магнитопровод, показанный на фиг. 1 снабжен.

РИС. 4 — пояснительный вид, поясняющий расположение пакета, в котором магнитопровод, показанный на фиг. 1 снабжен.

РИС. 5 — вид в перспективе в разобранном виде, показывающий один пример способа крепления пакета, в котором магнитопровод, показанный на фиг.1 снабжен.

РИС. 6 — увеличенный вид сверху, показывающий часть боковой поверхности стержневого элемента для объяснения другого примера изогнутой части стержневого элемента согласно настоящему варианту осуществления.

РИС. 7 — увеличенный вид сверху, показывающий часть боковой поверхности стержневого элемента для объяснения другого примера изогнутой части стержневого элемента согласно настоящему варианту осуществления.

РИС. 8 — схематический вид, показывающий, как магнитный поток проходит через элемент сердечника в случае, когда не предусмотрен пакет.

РИС. 9 представляет собой схематический вид, показывающий состояние компоновки пакета таким образом, чтобы покрывать области деформации по сравнению с фиг. 8.

РИС. 10 — вид, показывающий поперечное сечение по линии I-I ‘цепи из одной точки, показанной на фиг. 9 и схематический вид, показывающий, как магнитный поток проходит через поперечное сечение по линии I-I ‘цепи из одной точки.

РИС. 11 — схематический вид, показывающий пример области на стороне боковой части прямоугольной стопки, показанной на фиг.3 отрежьте снаружи от угловой части.

РИС. 12 — схематический вид, показывающий пример вторых листов электротехнической стали, образующих стопку, преобразованную в дугообразные формы.

РИС. 13 представляет собой график, показывающий соотношение между отношением T ₂ / T ₁ толщины T ₂ вторых листов электротехнической стали к толщине T ₁ первого листа электротехнической стали и потерями в сердечнике основной член.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Ниже предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут подробно объяснены со ссылкой на прилагаемые чертежи.Следует отметить, что в этом описании и на чертежах элементам-компонентам, имеющим по существу одинаковые функции и конфигурации, будут присвоены одинаковые ссылочные обозначения, а перекрывающиеся пояснения будут опущены. Кроме того, соотношения и размеры составляющих элементов на фигурах не выражают фактические соотношения и размеры составляющих элементов.

1. Магнитный сердечник и трансформатор

Во-первых, как показано на фиг. 1 — фиг. 4 будут объяснены магнитный сердечник и трансформатор согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.ИНЖИР. 1 представляет собой вид в перспективе, показывающий один пример магнитного сердечника согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. ИНЖИР. 2 — вид сверху, показывающий элемент сердечника, в котором магнитопровод, показанный на фиг. 1 снабжен со стороны боковой поверхности листами электротехнической стали. ИНЖИР. 3 — частичный увеличенный вид сверху, показывающий часть боковой поверхности элемента сердечника для объяснения одного примера расположения элемента сердечника и пакета, в котором магнитопровод, показанный на фиг. 1 снабжен.ИНЖИР. 4 — пояснительный вид, поясняющий расположение пакета, в котором магнитопровод, показанный на фиг. 1 снабжен.

Магнитный сердечник 1 в соответствии с настоящими вариантами осуществления снабжен сердечником 2 , который сформирован путем наматывания первых листов электротехнической стали 20 , которые имеют форму кольца при взгляде с боковой поверхности и имеют одну или больше изогнутых частей 22 , видимых с боковой поверхности, и одна или несколько стопок 3 вторых листов электротехнической стали 30 , уложенных вместе.Пачка 3 размещена, по меньшей мере, на одной из боковых поверхностей первых листов электротехнической стали 20, на сердечнике 2 , так что поверхность, образованная боковой поверхностью второго листа электротехнической стали 30 в пачка 3 следует вдоль поверхности, образованной на боковой поверхности первых листов электротехнической стали 20 на изогнутой части 22 . Магнитопровод 1 , как показано на фиг. 2, имеет форму восьмиугольника.В настоящем варианте осуществления магнитный сердечник 1 снабжен сердечником 2 , стопками 3 и зажимами 4 .

Как показано на фиг. 2, сердечник 2 представляет собой намотанный элемент, образованный намоткой первых листов электротехнической стали 20 в форме полосы, и имеет одну или несколько изогнутых частей 22 . В частности, стержневой элемент 2 образует прямоугольную форму за счет боковых поверхностей первых листов электротехнической стали 20, , изогнутых с образованием четырех угловых частей 23 на самой внутренней окружности.Первые листы из электротехнической стали 20, по внешней окружности сгибаются в угловых частях 23, самых внутренних периферийных первых листов электротехнической стали 20, и наматываются так, что образуются две угловые части 24 . В результате, если смотреть со стороны боковой поверхности первых листов 20, электротехнической стали, сердечник 2 образует восьмиугольную форму, имеющую восемь угловых частей 24 на своей внешней окружности. С другой стороны, он образует прямоугольную форму с четырьмя угловыми частями 23 на своей внутренней окружности.Кроме того, стержневой элемент 2 состоит из боковых частей прямой формы 21 , идущих вдоль прямых частей самой внутренней окружности первых листов электротехнической стали 20 и четырех изогнутых частей 22 , каждая из которых имеет угловую часть 23 на его самая внутренняя окружность и две угловые части 24 образованы на внешней периферийной стороне угловой части 23 .

Толщина первых листов электротехнической стали 20 может быть, например, равна 0.20 мм или более и 0,40 мм или менее. При использовании листов электротехнической стали с тонкой толщиной в качестве первых листов электротехнической стали 20 становится труднее формироваться вихревым током внутри плоскости толщины листов первых листов электротехнической стали 20 и терять вихревые токи в потери в сердечнике могут быть уменьшены. В результате потери в сердечнике магнитопровода 1 могут быть уменьшены еще больше. Толщина первых листов электротехнической стали 20 предпочтительно равна 0.От 18 мм или более до 0,35 мм или менее, более предпочтительно от 0,18 мм или более до 0,27 мм или менее.

Для первых листов электротехнической стали 20 , например, могут использоваться существующие листы электротехнической стали с ориентированным зерном или существующие листы электротехнической стали с ориентированной структурой. Предпочтительно, первые листы из электротехнической стали 20, представляют собой листы из электротехнической стали с ориентированной зеренной структурой. Используя листы электротехнической стали с ориентированной зеренной структурой для элемента сердечника, становится возможным уменьшить гистерезисные потери в потерях в сердечнике и становится возможным еще больше уменьшить потери в сердечнике магнитного сердечника 1 .

Намотанные слои первых листов электротехнической стали 20 предпочтительно изолированы друг от друга. Например, поверхности первых листов электротехнической стали 20, предпочтительно обрабатываются, чтобы сделать их изоляционными. Благодаря изоляции слоев первых листов электротехнической стали 20, становится труднее формироваться вихревым током внутри плоскости толщины листов первых листов 20 электротехнической стали, и потери на вихревые токи могут быть уменьшены.В результате потери в сердечнике магнитопровода 1 могут быть уменьшены еще больше. Например, поверхности первых листов электротехнической стали 20, предпочтительно обрабатывают, чтобы сделать их изоляционными, с использованием раствора изоляционного покрытия, содержащего коллоидный диоксид кремния и фосфат.

Каждая стопка 3 формируется путем наложения множества листовых вторых листов электротехнической стали 30, . Пачка 3 расположена по меньшей мере на одной поверхности боковых поверхностей изогнутой части 22 так, что боковые поверхности вторых листов электротехнической стали 30, стопки 3 соприкасаются и проходят вдоль боковых поверхностей. из первых листов электротехнической стали 20 гнутой части 22 с сохранением изоляции.Магнитный поток, проходящий через элемент сердечника 2 , легко утекает из частей изогнутой части 22 , где изгибаются первые листы электротехнической стали 20 . Чем больше изгибаются первые листы электротехнической стали 20, , тем легче происходит утечка магнитного потока. В стержневом элементе 2 , показанном на фиг. 2, первые листы электротехнической стали 20, сильно изогнуты в прямой части, соединяющей угловую часть 23 и угловую часть 24 , поэтому магнитный поток, проходящий через элемент сердечника 2 , легко утекает в этой части.Однако стопка 3 расположена по меньшей мере на одной поверхности боковых поверхностей изогнутой части 22 так, что боковые поверхности вторых листов электротехнической стали 30 стопки 3 проходят вдоль боковых поверхностей. первых листов электротехнической стали 20 изогнутой части 22 , поэтому поток утечки, возникающий в изогнутой части 22 , может проходить от одной боковой части 21 через стопку 3 , а затем проходить через другую Боковая часть 21, соединена со стопкой 3 .В результате становится возможным уменьшить потери в сердечнике, возникающие в магнитопроводе 1 . В частности, за счет расположения стопки 3 с двух сторон изогнутой части 22 , как показано на фиг. 1, потери в сердечнике можно уменьшить гораздо больше.

Каждый пакет 3 и элемент сердечника 2 предпочтительно изолированы друг от друга. Например, изолирующий лист предпочтительно помещается между стопкой 3 и сердечником 2 .В качестве материала изоляционного листа можно использовать натуральный каучук, эпоксидную смолу, поливинилхлорид, полиуретановый изоляционный материал или другие различные известные изоляторы.

Магнитопровод 1 , как показано на РИС. 4, в настоящем варианте осуществления, расположен так, что угол θ уложенных друг на друга поверхностей вторых листов 30 электротехнической стали в стопке 3 по отношению к линии L, соединяющей центральную точку M _I внутреннего окружность боковой поверхности в изогнутой части 22 и центральной точке M _O внешней окружности боковой поверхности в изогнутой части 22 становится 45 градусов или больше и 90 градусов или меньше.Когда угол θ становится 45 градусов или более, и 90 градусов или менее, вторые листы электротехнической стали , 30, становятся магнитными путями для потока рассеяния, генерируемого в изогнутой части 22 , поэтому вихревой ток генерируется в других частях, кроме магнитных. путей подавляется гораздо больше. Более предпочтительно, чтобы угол уложенных друг на друга поверхностей листов электротехнической стали в стопке составлял 75 градусов или больше и 90 градусов или меньше.

Каждая стопка 3 , например, на ФИГ.3, расположен так, что уложенные друг на друга поверхности вторых листов 30, электротехнической стали становятся под углом 90 градусов относительно линии L. Благодаря этому вторые листы электротехнической стали 30 становятся магнитными путями для потока рассеяния, генерируемого при изогнутая часть 22 , поэтому вихревой ток, генерируемый в частях, отличных от магнитных путей, подавляется намного сильнее. В результате снижаются потери в сердечнике.

Толщина T ₂ вторых листов электротехнической стали 30 особо не ограничивается.Однако толщина T ₂ вторых листов электротехнической стали 30 может быть сделана такой же, как толщина T ₁ первых листов электротехнической стали 20 , или может быть меньше толщины T ₁ первых листов электротехнической стали 20 . За счет того, что толщина T ₂ вторых листов электротехнической стали 30 меньше толщины T ₁ первых листов электротехнической стали 20 , поток утечки возникает на изогнутой части 22 сердечника. 2 проходит через стек 3 намного эффективнее.Далее, сделав толщину T ₂ вторых листов электротехнической стали 30 стопки 3 такой же, как толщина T ₁ первых листов электротехнической стали 20 сердечника 2 или меньше, чем толщина T ₁ первых листов электротехнической стали 20 сердечника 2 , потери на вихревые токи становятся меньше, и потери в стопке 3 сохраняются. Благодаря этому становится возможным значительно уменьшить потери на вихревые токи, возникающие из-за потока утечки.В результате потери в сердечнике магнитопровода 1 могут быть уменьшены еще больше. Следовательно, предпочтительно отношение T ₂ / T ₁ толщины T ₂ вторых листов электротехнической стали 30 к толщине T ₁ первых листов электротехнической стали 20 равно 1,0 или меньше. . С другой стороны, если рассматривать диапазон толщины листа, который может быть изготовлен, нижний предел T ₂ / T ₁ становится равным 0,5 или около того.

РИС. 13 представляет собой график, показывающий соотношение между отношением T ₂ / T ₁ толщины T ₂ вторых листов электротехнической стали 30 к толщине T ₁ первых листов электротехнической стали. 20 и потери в сердечнике элемента сердечника 2 . На фиг. 13 показаны характеристики при использовании магнитного сердечника 1 согласно настоящему варианту осуществления для изготовления трансформаторов 25 кВА и 75 кВА.Как показано на фиг. 13, как для трансформаторов 25 кВА, так и для трансформаторов 75 кВА, были получены результаты, согласно которым чем меньше отношение T ₂ / T ₁ к толщине T ₂ вторых листов электротехнической стали 30 по отношению к При толщине T ₁ первых листов электротехнической стали 20 тем больше уменьшались потери в сердечнике. Следовательно, значение T ₂ / T ₁ предпочтительно делается как можно меньшим. Если T ₂ / T ₁ становится 1.0 или меньше, по сравнению с тем, когда T ₂ / T ₁ больше 1,0, коэффициент, на который падают потери в сердечнике вместе с падением T ₂ / T ₁ , становится больше. В трансформаторе 75 кВА эта тенденция проявляется более заметно. Следовательно, как объяснено выше, отношение T ₂ / T ₁ толщины T ₂ вторых листов электротехнической стали 30 по отношению к толщине T ₁ первых листов электротехнической стали 20 предпочтительно равно 1.0 или меньше.

Кроме того, вторые листы электротехнической стали 30, могут быть листами электротехнической стали, такими же или отличными от первых листов электротехнической стали 20 . В частности, в качестве вторых листов 30, электротехнической стали могут использоваться, например, существующие листы электротехнической стали с ориентированной зеренной структурой или существующие листы электротехнической стали с ориентированной структурой. Предпочтительно вторые листы из электротехнической стали , 30, представляют собой листы из электротехнической стали с ориентированной зеренной структурой. Используя листы электротехнической стали с ориентированной зеренной структурой для пакетов 3 , становится возможным уменьшить потери на гистерезис потерь в сердечнике и, как результат, становится возможным еще больше уменьшить потери в сердечнике магнитопровода 1 .

Вторые листы из электротехнической стали 30, предпочтительно изолированы. Например, поверхности листов электротехнической стали предпочтительно обрабатывать для изоляции. Благодаря изоляции слоев вторых листов 30, электротехнической стали, уложенных друг на друга, вихревые токи надежно труднее формировать внутри плоскости толщины листов вторых листов , 30, электротехнической стали, и потери на вихревые токи могут быть уменьшены еще больше. В результате потери в сердечнике магнитопровода 1 могут быть уменьшены еще больше.Например, поверхности вторых листов из электротехнической стали , 30, предпочтительно обрабатывают, чтобы сделать их изолирующими, с использованием раствора изоляционного покрытия, содержащего коллоидный диоксид кремния и фосфат.

Обратите внимание, что каждая стопка 3 может в соответствии с необходимостью иметь сквозные отверстия, проходящие через стопку 3 с боковой поверхности. В сквозные отверстия вставлены болты зажимного приспособления 4 или другие крепежные детали, чтобы прикрепить стопку 3 к сердечнику 2 .

Зажим 4 предусмотрен вокруг изогнутой части 22 и прикрепляет стопку 3 к сердечнику 2 . Здесь, как показано на фиг. 5 будет объяснен один пример зажимного приспособления 4 согласно настоящему варианту осуществления. ИНЖИР. 5 — вид в перспективе в разобранном виде, показывающий один пример способа крепления пакета, в котором магнитопровод, показанный на фиг. 1 снабжен. Приспособление 4 , как показано на фиг. 5, имеет опорные стойки 41 , крепежные пластины 42 , внешнюю пластину 43 , внутренние пластины 44 , болты 45 и гайки 46 .

Как показано на фиг. 5, на стороне внешней окружности и стороне внутренней окружности изогнутой части 22 расположены опоры 41 для поддержки стопки 3 . Кроме того, крепежные пластины 42 расположены так, чтобы зажимать изогнутую часть 22 и стопку 3 между ними, внешняя пластина 43 , расположенная на внешней периферийной стороне стержневого элемента 2 , и внутренняя пластина 44 , расположенная на внутренней периферийной стороне стержневого элемента 2 , используется для крепления стопки 3 к изогнутой части 22 .Пачка 3 имеет сквозные отверстия, в которые вставляются болты 45 . Опорные стойки , 41, и крепежные пластины , 42, , соответственно, имеют сквозные отверстия в положениях, соответствующих сквозным отверстиям стопки 3 . Болты 45 вставляются в сквозные отверстия штабеля 3 , сквозные отверстия опорных стоек 41 и сквозные отверстия крепежных пластин 42 , затем гайки 46 закрепляются на наконечники болтов 45 .Наружная пластина 43 и внутренние пластины 44 имеют соответственно множество сквозных отверстий в направлениях ширины пластины. Болты 45 вставляются в эти соответствующие сквозные отверстия, а гайки 46 прикрепляются к концам болтов 45 .

Обратите внимание, что для болтов 45 можно использовать болты, по крайней мере, поверхности которых обработаны для изоляции. Например, для болтов 45 можно использовать те, которые используют изоляторы, такие как керамика.Благодаря этому, благодаря болтам 45 , стопки 3 прикреплены к боковым поверхностям сердечника 2 без токопроводящего соединения сердечника 2 и стопки 3 .

Кроме того, материал болтов 45 предпочтительно немагнитен. Сделав материал болтов 45 немагнитным, можно предотвратить попадание потока рассеяния на болты 45 и образование вихревых токов.

Далее, согласно фиг. С 8 по фиг. 10 будет объяснено действие, вызванное предоставлением стопки 3 , состоящей из множества вторых листов электротехнической стали 30, в форме листа, уложенных вместе. ИНЖИР. 8 представляет собой схематический вид, показывающий способ, которым магнитный поток проходит через элемент сердечника 2 , когда не предоставляется стопка 3 .

Первые листы электротехнической стали 20 сердечника 2 согнуты в положениях угловых частей 24 .Деформация происходит в положениях уголков 24 . Следовательно, как показано на фиг. 8, области , 50, деформации сформированы на стержневом элементе 2 вдоль положений двух угловых частей 24 . Метка стрелки A 1 , метка стрелки A 2 и метка стрелки A 3 , показанные на фиг. 8 схематично показывают, каким образом происходит утечка магнитного потока, когда магнитный поток проходит через области деформации 50 . Кроме того, толщина метки стрелки A 1 , метки стрелки A 2 и метки стрелки A 3 показывает величины магнитного потока.Как показано на фиг. 8, когда магнитный поток проходит через области 50 деформации, происходит утечка магнитного потока, в результате чего магнитный поток становится меньше по величине и возникают потери в сердечнике.

РИС. 9 показано состояние, в котором стопка 3 размещена так, чтобы покрывать области деформации 50 по сравнению с фиг. 8. Далее, фиг. 10 — вид, показывающий поперечное сечение по линии I-I ‘цепи из одной точки, показанной на фиг. 9, и схематический вид, схематически показывающий способ, которым магнитный поток проходит через поперечное сечение по линии I-I ‘цепи из одной точки.На фиг. 10 поток магнитного потока показан стрелками. Как показано на фиг. 10, области деформации 50 , соответствующие угловым частям 24 , покрыты стопкой 3 , при этом в положениях угловых частей 24 магнитный поток проходит через стопку 3 в этих положениях .

В частности, как показано на фиг. 10, когда магнитный поток проходит через угловые части 24 , поток утечки возникает в положениях угловых частей 24 , но поток утечки проходит от одной боковой части 21 сердечника 2 через стопку 3 и проходит через другую боковую часть 21 , соединенную с этим стеком 3 .То есть, поток рассеяния, генерируемый, когда магнитный поток проходит через области деформации 50 угловых частей 24 , улавливается стопкой 3 , затем проходит через стопку 3 и возвращается к сердечнику 2 .

Кроме того, стопка 3 образована множеством вторых листов электротехнической стали 30, в форме листа, уложенных вместе. Предпочтительно, чтобы смежные вторые листы из электротехнической стали , 30, были изолированы друг от друга.Следовательно, потери на вихревые токи при прохождении магнитного потока через стопку 3 подавляются. Благодаря этому снижаются потери в сердечнике магнитопровода 1 . Обратите внимание, что на фиг. 10 показан пример, в котором стопки 3 были расположены на двух боковых поверхностях сердечникового элемента 2 , но стопка 3 также может быть расположена по крайней мере на одной из боковых поверхностей сердечникового элемента 2 .

С другой стороны, при использовании непрерывной цельной части металлического листа формы, аналогичной стопке 3 вместо этой стопки 3 , размещение металлического листа на боковой поверхности сердечника 2 приведет к короткому замыканию уложенных друг на друга поверхностей первых листов 20 электротехнической стали, и изоляция между первыми листами 20 электротехнической стали больше не будет поддерживаться.Следовательно, в поперечном сечении первых листов 20, электротехнической стали протекает большой вихревой ток, и потери (потери на вихревые токи) возрастают. Даже если металлические листы изолированы от сердечника 2 , магнитный поток будет проходить через большое поперечное сечение металлических листов, поэтому потери на вихревые токи в конечном итоге увеличатся.

Согласно настоящему варианту осуществления, стопка 3, образована множеством листовых вторых листов электротехнической стали 30, , уложенных вместе, магнитный поток проходит через меньшее поперечное сечение вторыми листами электротехнической стали 30 пакета 3 изолированы друг от друга, и потери на вихревые токи надежно снижаются.Следовательно, потери в сердечнике магнитопровода 1 уменьшаются.

Далее, согласно фиг. 11 и фиг. 12 поясняются варианты формы стопки 3 . На фиг. 3 показана стопка прямоугольной формы 3 , но стопка 3 также может иметь треугольную форму с угловой частью 23 первых листов электротехнической стали 20 в качестве вершины и имеющей угловые части 24 в качестве его сторон и по существу V-образной формы, покрывающей области, включая периферийные стороны.

РИС. 11 представляет собой схематический вид, показывающий пример областей боковой части 21, сторон стопки прямоугольной формы 3 , показанной на фиг. 3 вырежьте в местах с внешней стороны от угловых частей 24 . Концевые части двух боковых сторон 21 стопки 3 смещены от угловых частей 24 точно на заданные расстояния D. Поток утечки задерживается в областях заданных величин D сбоку. часть 21 стороны от уголка детали 24 .Следует отметить, что чем больше заданное количество D сделано, тем надежнее улавливается поток утечки, но площадь пакета 3 увеличивается, поэтому стоимость изготовления пакета 3 увеличивается.

Далее, фиг. 12 представляет собой схематический вид, показывающий пример изготовления вторых листов 30, электротехнической стали, образующих стопку 3 , в дугообразные формы. В примере, показанном на фиг. 12, также, концевые части двух боковых частей 21 стопки 3 смещены от угловых частей 24 на заданную величину D.Придавая вторым листам электротехнической стали 30 дугообразную форму, в областях боковой части 21 сторон от угловых частей 24 вторые листы электротехнической стали 30 проходят в направлениях вдоль первых листов электротехнической стали Еще 20 . Другими словами, по сравнению с фиг. 3 и фиг. 11, в конфигурации, показанной на фиг. 12, в областях боковой части 21, сторон от угловых частей 24 , направления вторых листов 30 электротехнической стали приближаются к направлениям первых листов 20 электротехнической стали.Следовательно, стопка 3 может более надежно улавливать поток утечки.

Благодаря вышесказанному, согласно настоящему варианту осуществления, становится возможным уменьшить потери в сердечнике, возникающие в магнитном сердечнике 1 . Кроме того, согласно магнитному сердечнику 1 согласно настоящему варианту осуществления становится возможным снизить шум трансформатора, изготовленного с использованием магнитного сердечника 1 . То есть стопка 3 расположена по меньшей мере на одной поверхности среди боковых поверхностей изогнутой части 22 , так что боковые поверхности вторых листов электротехнической стали 30 стопки 3 проходят вдоль стороны Поверхности первых листов электротехнической стали 20, гнутой части 22 .Следовательно, и поток утечки, генерируемый в изогнутой части 22 , может проходить от одной боковой части 21 через стопку 2 , а затем проходить через другую боковую часть 21 , соединенную с этой стопкой 3 . В результате становится возможным уменьшить шум, создаваемый магнитопроводом 1 .

Магнитный сердечник согласно настоящему варианту осуществления может быть применен к трансформатору. Трансформатор согласно настоящему варианту осуществления снабжен магнитным сердечником согласно настоящему варианту осуществления, первичной обмоткой и вторичной обмоткой.При приложении переменного напряжения к первичной обмотке магнитный поток создается в магнитном сердечнике согласно настоящему варианту осуществления. Из-за изменения генерируемого магнитного потока на вторичную обмотку подается напряжение. Пакет, который имеет магнитный сердечник, расположен по меньшей мере на одной из боковых поверхностей изогнутой части так, чтобы боковые поверхности вторых листов электротехнической стали пакета проходили вдоль боковых поверхностей первых листов электротехнической стали изогнутой части. , поэтому утечка магнитного потока, генерируемого в магнитопроводе согласно настоящему варианту осуществления, за пределы магнитного сердечника подавляется.В результате становится возможным уменьшить потери в сердечнике, возникающие в магнитном сердечнике, и дополнительно становится возможным подавление шума трансформатора.

2. Модификации

Выше был объяснен вариант осуществления настоящего изобретения. Ниже будут объяснены несколько модификаций вышеупомянутого варианта осуществления настоящего изобретения. Отметим, что модификации, описанные ниже, могут применяться к вышеуказанному варианту осуществления настоящего изобретения независимо или могут применяться к вышеуказанному варианту осуществления настоящего изобретения вместе.Кроме того, модификации могут применяться вместо конфигураций, объясненных в вышеупомянутом варианте осуществления настоящего изобретения, или могут применяться дополнительно к конфигурациям, объясненным в вышеупомянутом варианте осуществления настоящего изобретения.

В вышеупомянутом варианте осуществления был объяснен случай, когда внешняя окружность боковой поверхности стержневого элемента имела восьмиугольную форму, но настоящее изобретение этим не ограничивается. Наружная окружность боковой поверхности стержневого элемента может иметь многоугольную форму, округленно-квадратную форму, овальную форму, продолговатую форму и т. Д.В этом случае изогнутая часть расположена между одной боковой частью и другой боковой частью, примыкающей друг к другу, и является частью, где первые листы электротехнической стали уложены друг на друга, согнуты относительно направлений вытяжения первых листов электротехнической стали в одной боковой части и с другой стороны — первые листы электротехнической стали. Обращаясь к фиг. 6 и фиг. 7 поясняется внешняя окружность боковой поверхности стержневого элемента. ИНЖИР. 6 — увеличенный вид сверху, показывающий часть боковой поверхности стержневого элемента для объяснения другого примера изогнутой части стержневого элемента согласно настоящему варианту осуществления.ИНЖИР. 7 — увеличенный вид сверху, показывающий часть боковой поверхности стержневого элемента для объяснения другого примера изогнутой части стержневого элемента согласно настоящему варианту осуществления.

Например, первые листы электротехнической стали 20, на изогнутой части 22 A, показанной на ФИГ. 6 изогнуты относительно направлений вытяжки первых листов из электротехнической стали 20 на одной боковой части 21 A и первых листов электротехнической стали 20 на другой боковой части 21 A так, чтобы иметь три угловые части 24 A на их внешних окружностях, если смотреть со стороны боковой поверхности первых листов электротехнической стали 20 .В результате элемент сердечника 2 A образует двенадцатигранник, имеющий 12 угловых частей 24 A на его внешней окружности, если смотреть со стороны боковой поверхности первых листов 20 электротехнической стали. Например, в стержневом элементе 2 A, показанном на фиг. 6, первые листы электротехнической стали 20, согнуты в прямых частях, соединяющих угловую часть 23 A и угловые части 24 A, поэтому магнитный поток, проходящий через элемент сердечника 2 , легко утекает в эти части. .Однако стопка согласно настоящему варианту осуществления размещается, по меньшей мере, на одной поверхности боковых поверхностей изогнутой части 22, A, так что боковые поверхности вторых листов электротехнической стали , 30, стопки проходят вдоль боковых поверхностей. первых листов электротехнической стали 20 изогнутой части 22 A. По этой причине поток утечки, генерируемый в изогнутой части 22 A, может проходить от одной боковой части 21 A через стопку в соответствии с настоящего варианта осуществления, затем пройти через другую боковую часть 21, A, соединенную со стопкой.В результате становится возможным уменьшить потери в сердечнике, возникающие в магнитном сердечнике.

Кроме того, например, стержневой элемент 2 B, показанный на фиг. 7, состоит из первых листов электротехнической стали 20, , намотанных при изгибе, и сформирован с изогнутой частью 22 B, имеющей форму дуги. Изогнутая часть 22 B представляет собой область, в которой уложены в стопку первые листы 20 электротехнической стали дугообразной формы. Магнитный поток, проходящий через элемент сердечника 2 B, легко вытекает из изогнутой части 22 B.Однако стопка согласно настоящему варианту осуществления расположена, по меньшей мере, на одной из боковых поверхностей изогнутой части 22, B, так что боковые поверхности вторых листов электротехнической стали , 30, стопки проходят вдоль боковых поверхностей первые листы электротехнической стали 20 изогнутой части 22 B. По этой причине поток утечки, генерируемый в изогнутой части 22 B, может проходить от одной боковой части 21 B через штабель в соответствии с настоящим изобретением. вариант, затем пройти через другую боковую часть 21 B, соединенную со стопкой.В результате становится возможным уменьшить потери в сердечнике, возникающие в магнитном сердечнике.

Кроме того, в этом варианте осуществления был объяснен случай, когда внутренняя окружность боковой поверхности стержневого элемента имела прямоугольную форму, но настоящее изобретение этим не ограничивается. Внутренняя окружность боковой поверхности стержневого элемента может иметь многоугольную форму, округлую квадратную форму, овальную форму, продолговатую форму и т. Д. Например, внутренняя периферия боковой поверхности стержневого элемента может иметь форму, соответствующую к форме внешней окружности боковой поверхности.Например, когда внешняя окружность боковой поверхности стержневого элемента восьмиугольная, внутренняя периферия боковой поверхности может быть восьмиугольной, а когда внешняя периферия боковой поверхности стержневого элемента представляет собой скругленный квадрат, внутренняя периферия боковой поверхности может быть восьмиугольной. Окружность боковой поверхности можно сделать скругленным квадратом. Внутренняя окружность боковой поверхности сердечникового элемента также может иметь форму, отличную от внешней окружности боковой поверхности сердечникового элемента. В этом случае, как объяснялось ранее, изогнутая часть расположена между одной боковой частью и другой боковой частью, примыкающими друг к другу, и является частью, где первые листы электротехнической стали уложены друг на друга, согнуты относительно направлений вытяжения первого электрического стальные листы с одной стороны и первые листы электротехнической стали с другой стороны.

Кроме того, в этом варианте осуществления был объяснен случай, когда первые листы электротехнической стали, образующие боковые части стержневого элемента, имели прямую форму, но первые листы электротехнической стали, образующие боковые части стержневого элемента, не обязательно были прямыми формами и также может быть изогнутым. В этом случае можно использовать детали с большой кривизной у сердечника в качестве изогнутых деталей и использовать детали с малой кривизной в качестве боковых частей. Форма сердечника с изогнутыми боковыми частями может быть, например, круглой или овальной.

Кроме того, в этом варианте осуществления был объяснен случай, когда форма стопки представляла собой прямоугольную пластину, но форма стопки конкретно не ограничена. Ей может быть придана форма, соответствующая форме боковой поверхности изогнутой детали.

Кроме того, в этом варианте осуществления был объяснен случай, когда стопка состояла из плоских листов второй листовой электротехнической стали, уложенных вместе, но вторые листы электротехнической стали не ограничиваются плоскими листами и также могут быть изогнутыми.Можно расположить стопку, образованную с использованием вторых листов электротехнической стали, изогнутых в соответствии с формой уложенных друг на друга поверхностей первых листов электротехнической стали на изогнутой части на боковой поверхности изогнутой части. Благодаря этому пакет может более эффективно улавливать поток утечки, возникающий в изогнутой части. В результате становится возможным еще больше уменьшить потери в сердечнике.

Далее, в этом варианте осуществления был объяснен случай, когда стопка имела сквозные отверстия, но настоящее изобретение не ограничивается иллюстрацией.Например, также можно использовать зажимное приспособление для крепления стопки, не имеющей сквозных отверстий, к стержневому элементу. Вместо зажимного приспособления можно использовать различные типы существующих связующих для приклеивания стопки к боковой поверхности стержневого элемента. При использовании связующего предпочтительно связующее вещество, обладающее изолирующей способностью.

ПРИМЕРЫ

Ниже, при демонстрации примеров, варианты осуществления настоящего изобретения будут подробно объяснены. Обратите внимание, что примеры, показанные ниже, являются просто иллюстрацией настоящего изобретения.Настоящее изобретение не ограничивается следующими примерами.

Толщина Листы электротехнической стали с ориентированной зернистой структурой 0,23 мм были намотаны для изготовления сердечника, имеющего изогнутые части по четырем углам. Сжимая соответствующие четыре изогнутые части стержневого элемента, стопки листов электротехнической стали (с ориентированными зернами, неориентированными), уложенные вместе, были размещены таким образом, чтобы уложенные друг на друга поверхности стопок стали параллельны уложенным поверхностям первых листов электротехнической стали на изогнутые части для изготовления магнитного сердечника.Этот магнитопровод использовался для изготовления трансформатора.

Используя вышеуказанный метод, как показано в Таблице 1, трансформаторы от 25 кВА до 750 кВА были изготовлены и измерены для соответствующих потерь в сердечнике и звукового давления в качестве оценки шума. В таблице 1 показаны значения емкостей изготовленных магнитных сердечников, формы элементов сердечника, общий вес трансформаторов, вес элементов сердечника 2 , состоящих из первых листов электротехнической стали 20 , сердечника размеры (по вертикали, горизонтали, толщины, ширины), потери в сердечнике, шум и отношение T ₂ / T ₁ толщины T ₂ вторых листов электротехнической стали 30 к толщине T ₁ из первых листов электротехнической стали 20 .Обратите внимание, что общий вес трансформатора — это общий вес, включая корпус, обмотки, сердечник 2 , стопки 3 и т. Д. В качестве сравнительных примеров, сравнительные примеры 1-6, в которых, как и В примерах листы электротехнической стали с ориентированной зернистой структурой толщиной 0,23 мм были намотаны для изготовления элементов сердечника, имеющих изогнутые части на их четырех углах, но не были размещены стопки для образования магнитных сердечников и сравнительные примеры 7 и 8, где стопки были размещены, но T ₂ / T ₁ было изготовлено 1.0 или более для формирования магнитных сердечников были приготовлены в качестве сравнительных примеров. Далее магнитопроводы использовались для изготовления трансформатора.

Как объяснено выше, трансформаторы в примерах и трансформаторы в сравнительных примерах различаются по существу стека. Пример 1 и сравнительный пример 1 имеют общие условия, отличные от точки существования стопок. Точно так же в примерах с 2 по 6 представлены общие условия, отличные от точки существования стопок, соответственно со сравнительными примерами со 2 по 6.Кроме того, сравнительные примеры 7 и 8 показывают примеры, отличающиеся от примеров отношением T ₂ / T ₁ толщины T ₂ вторых листов электротехнической стали 30 к толщине T ₁ первые листы электротехнической стали , 20, при обеспечении стопками. Пример 1 и Сравнительный пример 7 имеют общие условия, отличные от отношения T ₂ / T ₁ толщины T ₂ вторых листов электротехнической стали 30 к толщине T ₁ первой электротехнической стали. листов 20 .Кроме того, пример 6 и сравнительный пример 8 имеют общие условия, отличные от отношения T ₂ / T ₁ толщины T ₂ вторых листов электротехнической стали 30 к толщине T ₁ первого Листы электротехнической стали 20 . Обратите внимание, что в Таблице 1 «закругленный квадрат» означает форму, в которой угловые части не имеют изогнутых частей, но изогнуты с определенной кривизной, например, форма, показанная на фиг. 7. Потери в сердечнике (без нагрузки) и звуковое давление были измерены на основе JEC-2200.

ТАБЛИЦА 1T1: Толщина первого электротехнического элемента Листы из стали 20Core elementCoreCored sizesCoreT2: Толщина сердечникаТрансформаторвес первого размераразмерыСложенные размерыCoresecond electricCapacity membertotalelectrical steelVerticalHorizontweight shape ) T2 / T1 Пример. 1 25 Октагон 136 35 400150 50 8028.140.00.87 Пр. 2 25Круглый 149 34 400150 50 8026.837.60.87кв.3 75 Восьмиугольник 321 95 400200 5020072.842.60.87 Прим. 4100 Восьмиугольник 477 3025010020036142.50.87Ex. 5300 Восьмиугольник 1032 815100035020020071945.00.87Ex. 6750Octagon248220031000450300300202747.20.87Comp. Бывший. 1 25Octagon 135 35 400150 50 8030.944.0 — Comp. Бывший. 2 25Округлено 148 34 400150 50 8029,341,2 — squareComp. Бывший. 3 75 Восьмиугольник 320 95 400200 5020081.846,3 — Сравн. Бывший. 4100Octagon 475 3025010020039247,6 — Сравн. Бывший. 5300Octagon 1030 815100035020020082748,9 — Сравн. Бывший. 6750Octagon248020031000450300300212853.0 — Comp. Бывший.7 25 Восьмиугольник 136 35 400150 50 8029.842.11.30 Ср. Бывший. 8750Octagon248220031000450300207950.31.30

При сравнении примера 1 и сравнительного примера 1, потери в сердечнике примера 1 составили 28,1 Вт или меньше, чем потери в сердечнике 30,9 Вт в сравнительном примере 1. Кроме того, значение звукового давления в примере 1 было 40,0 дБ или значение, меньшее, чем значение звукового давления 44,0 дБ в сравнительном примере 1. Аналогично, при сравнении примера 2 с примером 6, соответственно, со сравнительным примером 2 и сравнительным примером 6, в каждом случае трансформатор из примера был меньше в потерях в сердечнике и звуковом давлении.

Кроме того, при сравнении примера 1 и сравнительного примера 7, потери в сердечнике в примере 1 были 28,1 Вт или меньше, чем потери в сердечнике 29,8 Вт в сравнительном примере 7. Кроме того, значение звукового давления в примере 1 составляло 40,0 дБ или значение меньше, чем значение 42,1 дБ звукового давления в сравнительном примере 7.

Кроме того, при сравнении примера 6 и сравнительного примера 8 потери в сердечнике примера 6 составили 47,2 Вт или меньше, чем потери в сердечнике 50,3 Вт из сравнительного примера. 8.Кроме того, значение звукового давления в примере 6 составляло 47,2 дБ, или значение меньше, чем значение звукового давления на 50,3 дБ в сравнительном примере 8.

В соответствии с настоящим изобретением выше становится возможным создание магнитопровода. и трансформатор, в котором уменьшены потери в сердечнике.

Выше были подробно объяснены предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, но настоящее изобретение не ограничивается этими примерами.Понятно, что любой человек, имеющий обычные знания в области техники, к которой принадлежит настоящее изобретение, может представить себе различные примеры изменений или примеры исправлений в пределах объема технических идей, описанных в формуле изобретения. Понятно, что они тоже естественно попадают в технический объем настоящего изобретения.

СПИСОК ЗНАКОВ

• • 1 Магнитный сердечник
  • 2 , 2 A, 2 B стержневой элемент
  • 20 первый лист электротехнической стали A, 21 B боковая часть
  • 22 , 22 A, 22 B изогнутая часть
  • 23 угловая часть
  • 24 угловая часть
  • 3 стопка
  • второй лист электротехнической стали
  • 4 приспособление
  • 41 опорная колонна 41
  • 42 крепежный лист
  • 43 внешний лист
  • 44 внутренний лист
  2 болт
  • 46 гайка
  • 50 область деформации

Типы трансформаторов: как трансформаторы Различия в конструкции и дизайне

Среди всех инноваций, которые мир инженерии испытал и породил, трансформатор является выдающимся и одним из самых важных нововведений.Это электромагнитное статическое устройство, которое используется для передачи электроэнергии из одной цепи в другую с изменением уровня напряжения, но без колебаний частоты. Он называется статическим, потому что в его конструкции нет вращающихся или движущихся компонентов. Трансформаторы следуют правилам электромагнетизма, введенным Майклом Фарадеем. В следующих разделах мы обсудим различные типы трансформаторов. Linquip хочет, чтобы вы знали, что, хотя трансформаторы различаются по конструкции и конструкции, все они работают почти по одному и тому же принципу.Оставайся с нами до конца.

Типы трансформаторов — Linquip

Типы трансформаторов в зависимости от уровня напряжения

Конструктивно трансформатор может иметь несколько типов. Хотя нет электрического соединения от одной стороны трансформатора к другой, две полностью и электрически автономные катушки могут направлять электричество посредством электромагнитного перехода. Трансформаторы могут быть проведены таким образом, что они могут изменять уровень напряжения с первичной стороны на вторичную.В зависимости от уровня напряжения трансформаторы делятся на три типа. В следующих разделах мы подробно остановимся на этих трех типах.

1. Понижающий трансформатор

И электроника, и электротехника пользуются преимуществами понижающих трансформаторов. Понижающий трансформатор изменяет уровень первичного напряжения на более низкий и подает его на вторичный выход. Соотношение первичной и вторичной обмоток делает это возможным.В трансформаторах этого типа количество обмоток катушки на первичной стороне больше, чем на вторичной. Итак, общее соотношение для намотки этих двух сторон всегда больше 1.

Если вы заметили, в электронике , большинство домашних приложений работают от 5V до 24V. в некоторых случаях вы найдете приложения с использованием 48 В. Чтобы изменить выходную мощность 230 В переменного тока на желаемый и более низкий уровень напряжения, необходимы понижающие трансформаторы. В контрольно-измерительных приборах, а также во многих электрических наборах оборудования основная потребность в силовой секции заключалась в понижающем трансформаторе.

Электрические распределительные системы, работающие с очень высоким напряжением, что, безусловно, делает возможными экономичные и недорогие решения для доставки электроэнергии на большие расстояния. В этих системах используются понижающие трансформаторы. Итак, обратите внимание, что в большинстве случаев понижающие трансформаторы используются для переключения высокого напряжения в низкое напряжение в линиях питания.

1. Повышающий трансформатор

Как следует из названия, действия повышающего трансформатора прямо противоположны тому, что делает понижающий трансформатор.Повышающий трансформатор — это тип трансформатора, работа которого заключается в повышении низкого напряжения первичной катушки до высокого напряжения во вторичной катушке. Опять же, соотношение первичной и вторичной обмоток вызывает изменение или преобразование уровня напряжения. В принципе работы повышающего трансформатора общее соотношение первичной и вторичной обмоток меньше единицы. Это означает, что количество витков катушек во вторичной обмотке больше, чем в первичной.

В электронике стабилизаторы, инверторы и многие другие устройства выигрывают от наличия повышающих трансформаторов, где низкое напряжение необходимо преобразовать в гораздо более высокое напряжение.

Распределение электроэнергии также выигрывает от использования повышающих трансформаторов. Требуется высокое напряжение. Для распределения энергии на большие расстояния требуется поток высокого напряжения. Таким образом, такой трансформатор необходим в сети для повышения уровня напряжения перед распределением.

1. Разделительный трансформатор

Разделительный трансформатор не изменяет уровень напряжения. Поскольку количество витков в первичной и вторичной обмотках изолирующих трансформаторов одинаково, первичное и вторичное напряжение изолирующего трансформатора всегда одинаковы.причина в том, что соотношение первичной и вторичной обмоток всегда равно 1.

Задача изолирующих трансформаторов — изолировать первичную и вторичную обмотки. Этот тип трансформаторов используется в качестве изолирующего барьера. Если используются изолирующие трансформаторы, проводимость происходит только за счет магнитного потока. Основная причина использования изолирующих трансформаторов — это обеспечение безопасности и подавление шума, передаваемого с первичной обмотки на вторичную или наоборот.

1. Трансформатор с тороидальным сердечником

   В трансформаторе с тороидальным сердечником используется материал сердечника тороидальной формы, такой как железный сердечник или ферритовый сердечник.Тороиды представляют собой материал сердечника в форме кольца или пончика и широко используются для обеспечения превосходных электрических характеристик. Благодаря кольцевой форме индуктивность рассеяния очень мала и обеспечивает очень высокую индуктивность и добротность. Обмотки относительно короткие, а вес намного меньше, чем у традиционных трансформаторов того же номинала.

Типы трансформаторов в зависимости от расположения обмоток

Еще одним фактором, влияющим на типы трансформаторов, является расположение обмоток.Давайте посмотрим, чем трансформаторы могут отличаться по расположению обмоток.

1. Двухобмоточный трансформатор

   Трансформаторы, основанные на обмотках типа двухобмоточного трансформатора, включают по две отдельные обмотки для каждой фазы, например первичной и вторичной. Здесь первичная обмотка может питаться через вход переменного тока, а вторичная может быть подключена через нагрузку. Эти две обмотки электрически изолированы, но связаны магнитно.

   Индуцированная ЭДС во вторичной обмотке возникает из-за переменного магнитного потока, который может быть вызван изменением тока внутри первичной обмотки, что также называется взаимной индукцией.Итак, напряжение o / p возникает просто из-за индукции. Это напряжение в основном зависит от соотношения обмоток и может повышать или понижать входное напряжение.

2. Автотрансформатор

   Стандартные трансформаторы имеют первичную и вторичную обмотки, расположенные в двух разных направлениях, но в обмотках автотрансформатора первичная и вторичная обмотки соединены друг с другом последовательно как физически, так и магнитно, как показано на рисунке ниже.

На одной общей катушке, которая образует как первичную, так и вторичную обмотку, в которой напряжение изменяется в соответствии с положением вторичных ответвлений на корпусе обмоток катушки.

Типы трансформаторов — Linquip

Типы трансформаторов в зависимости от материала сердечника

Все трансформаторы передают энергию, проводя электромагнитный поток через материал сердечника. Плотность потока полностью зависит от материалов сердечника. Итак, разные материалы сердечника приводят к разной плотности потока. Основываясь на основных материалах, мы можем разделить трансформаторы на три основных типа. Эти типы используются в области энергетики и электроники.

1. Трансформаторы с железным сердечником

Одним из основных материалов трансформаторов является железо.Трансформаторы с железным сердечником состоят из нескольких пластин из мягкого железа. Поскольку магнитные свойства железа велики, электрический поток в трансформаторах с железным сердечником очень высок. Сила электрического потока означает большую эффективность.

Форма и размер пластин сердечника из мягкого железа могут быть различными. Структура такая: катушки первичной и вторичной обмоток намотаны на формирователь катушек, который сам установлен в пластинах сердечника из мягкого железа. Принимая во внимание размер и форму сердечника, на рынке можно найти различные типы пластин сердечника.Одними из наиболее распространенных форм железных пластин являются E, I, U и L. Эти пластины тонкие, и для формирования собственно сердечника несколько пластин собираются вместе.

1. Трансформатор с ферритовым сердечником

Из-за высокой проницаемости феррита, это еще один материал, который используется для изготовления сердечников трансформаторов. Трансформаторы с ферритовым сердечником имеют очень низкие потери в высокочастотных приложениях. Поэтому этот тип трансформаторов используется в высокочастотных приложениях, таких как импульсные источники питания (SMPS), приложения, связанные с RF и т. Д.

Трансформаторы с ферритовым сердечником, в зависимости от требований применения, также представлены в различных формах, размерах. Этот тип трансформатора обычно используется в электронике, а не в электротехнике. Сердечник E является наиболее распространенной формой трансформатора с ферритовым сердечником.

1. Трансформатор с воздушным сердечником

В трансформаторе с воздушным сердечником мы не видим физического магнитного сердечника в качестве материала сердечника. Потоковая связь трансформатора с воздушным сердечником полностью осуществляется за счет воздуха.

В трансформаторах этого типа первичная обмотка питается переменным током, создающим вокруг нее электромагнитное поле, а вторичная обмотка помещается внутрь магнитного поля. В соответствии с законом индукции Фарадея вторичная катушка индуцируется магнитным полем, используемым для питания нагрузки. Однако по сравнению с физическим материалом сердечника, таким как железо и феррит, используемыми в трансформаторах, трансформаторы с воздушным сердечником создают низкую взаимную индуктивность.

Этот вид трансформаторов в основном используется в портативной электронике, а также в приложениях, связанных с радиочастотами.Из-за отсутствия физического материала сердечника в его конструкции он очень легкий с точки зрения веса.

Типы трансформаторов — Linquip

Другие типы трансформаторов

Есть еще несколько типов трансформаторов, которые мы предпочли не помещать в определенную категорию. В следующем разделе вы познакомитесь еще с тремя видами трансформаторов. Оставайся с нами до конца.

1. Однофазный трансформатор

Однофазные трансформаторы состоят из двух типов обмоток: первичной обмотки, на которую подается переменный ток, и вторичной обмотки, подключенной к нагрузке.Этот вид трансформаторов передает мощность переменного тока от одной цепи к другой с постоянной частотой и вариациями напряжения.

1. Трехфазный трансформатор

Трехфазные трансформаторы — это три однофазных трансформатора, которые соединены вместе и действуют как трехфазный трансформатор. Эти трансформаторы в основном используются в промышленности для выработки электроэнергии, передачи и распределения.

1. Силовой трансформатор

Силовые трансформаторы, как правило, представляют собой трансформаторы большего размера, передающие мощность в общественное электроснабжение или подстанцию.Силовой трансформатор используется для создания моста между генератором энергии и первичной распределительной сетью. Этот трансформатор преобразует высокий ток низкого напряжения в низкий ток высокого напряжения.

1. Измерительный трансформатор

   Обычно измерительный трансформатор называют изолирующим трансформатором или измерительным трансформатором. Это электрическое устройство, которое в основном используется для изменения уровня напряжения и тока. Основная цель этого трансформатора — надежно изолировать вторичную обмотку, когда первичная обмотка имеет высокое напряжение и источник тока, чтобы счетчики энергии, реле или измерительные приборы были связаны со вторичной обмоткой трансформатора, которая не будет повреждена.

2. Распределительный трансформатор

   Этот тип трансформатора имеет более низкие номиналы, такие как 11 кВ, 6,6 кВ, 3,3 кВ, 440 В и 230 В. Они рассчитаны на менее 200 МВА и используются в распределительной сети для преобразования напряжения в энергосистема путем понижения уровня напряжения, при котором электрическая энергия распределяется и используется на стороне потребителя.

3. Трансформатор тока

   Трансформатор тока используется для измерения, а также для защиты.Когда ток в цепи является высоким для подачи непосредственно на измерительный прибор, трансформатор тока используется для преобразования высокого тока в желаемое значение тока, необходимого в цепи.

Первичная обмотка трансформатора тока подключена последовательно к основному источнику питания и различным измерительным приборам, таким как амперметр, вольтметр, ваттметр или катушка защитного реле. У них есть точный коэффициент тока и фазовое соотношение, что позволяет измерить точность измерения на вторичной стороне.Термин «отношение» имеет большое значение в компьютерной томографии.

Первичная обмотка распределительного трансформатора намотана эмалированным медным или алюминиевым проводом. Толстая лента из алюминия и меди используется для изготовления вторичной обмотки трансформатора, которая представляет собой обмотку с высоким током и низким напряжением. В качестве изоляции используется пропитанная смолой бумага и масло.

Трансформатор с масляным охлаждением и трансформатор сухого типа

В настоящее время существует два типа трансформаторов, которые в основном используются, например, трансформаторы сухого типа и масляные трансформаторы.В трансформаторе сухого типа в качестве охлаждающей среды используется воздух, тогда как в трансформаторе с жидкостным охлаждением используется масло. Несмотря на то, что оба типа трансформаторов имеют схожие конечные результаты, между ними есть несколько различий, таких как техническое обслуживание, стоимость, шум, эффективность, возможность вторичной переработки, расположение и допустимые напряжения.

С учетом вышеупомянутых переменных лучше всего подходят масляные трансформаторы. Но масляные агрегаты в принципе нельзя утилизировать ни в каком состоянии. Трансформатор сухого типа — лучший и во многих случаях необходимый выбор для промышленных и внутренних процессов, поскольку они более безопасны для использования рядом с людьми, а также в местах, где может возникнуть пожар.

Заключение

Трансформаторы производятся в широком ассортименте для удовлетворения различных потребностей. Некоторые трансформаторы огромны и обычно находятся на электростанциях или электростанциях, а некоторые достаточно малы, чтобы их можно было использовать с зарядными станциями. Какую бы форму или размер они ни имели, их цель одна и та же: передача электроэнергии от одного типа к другому. Мы постарались донести до вас полезную и исчерпывающую информацию. В этой статье мы объяснили все типы трансформаторов.Будем признательны, если вы поделитесь своим опытом использования различных типов трансформаторов и своим мнением по этой теме. Кроме того, если по-прежнему есть какие-то неясности в отношении информации, которую мы предоставили по этой теме, вы можете зарегистрироваться, и наши специалисты в Linquip готовы ответить на ваши вопросы. Надеюсь, вам понравилась эта статья.

Строительство однофазного трансформатора

Однофазный трансформатор состоит из первичной и вторичной обмоток. Сердечник трансформатора изготовлен из тонких листов (так называемых пластин) из высококачественного кремния.Эти пластинки предусмотрены в трансформаторе для уменьшения потерь на вихревые токи, а кремнистая сталь снижает потери на гистерезис. Имеющиеся в трансформаторе листы изолированы друг от друга термостойким эмалевым покрытием. Для строительства используются листы L — типа и E — типа.

Существует два основных типа трансформаторных конструкций:

1. Тип сердечника.
2. Корпусная конструкция.

---

Тип сердечника Конструкция

В трансформаторе с сердечником магнитная цепь состоит из двух вертикальных ветвей или ветвей с двумя горизонтальными участками, называемыми ярмами.Чтобы минимизировать поток утечки, половина каждой обмотки размещается на каждом плече сердечника. Обмотка низкого напряжения размещается рядом с сердечником, а обмотка высокого напряжения размещается вокруг обмотки низкого напряжения, чтобы уменьшить необходимый изоляционный материал. Таким образом, две обмотки расположены в виде концентрических катушек. Такой вид намотки называется концентрической намоткой или цилиндрической намоткой.

---

Тип корпуса Конструкция

В трансформаторе корпусного типа и первичная, и вторичная обмотки намотаны на центральную ветвь, а путь с низким сопротивлением завершается внешними ветвями.Каждая обмотка разделена на секции. Секции низкого напряжения (lv) и высокого напряжения (hv) поочередно размещаются в форме сэндвича, поэтому эту обмотку также называют сэндвич-обмоткой или обмоткой диска.

Сердечник состоит из двух типов пластин. Пластины для сердечника имеют U- и I-образную форму. Сначала U-образные листы укладываются друг на друга на необходимую длину. Половина предварительно намотанной катушки низкого напряжения размещается вокруг конечностей. Катушка низкого напряжения дополнительно снабжена изоляцией.Затем половина предварительно намотанной высоковольтной катушки помещается вокруг низовой катушки. Затем сердцевина закрывается I-образными пластинами вверху.

---

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор — это воображаемый трансформатор, обладающий следующими свойствами:

1. Сопротивление первичной и вторичной обмоток незначительно.
2. Сердечник имеет бесконечную проницаемость (), поэтому для установления магнитного потока в сердечнике требуется пренебрежимо малая ммс.
3. Его поток рассеяния и индуктивности рассеяния равны нулю.Весь поток ограничен сердечником и связывает обе обмотки.
4. Отсутствуют потери на сопротивление, гистерезис и вихревые токи. Таким образом, КПД составляет 100 процентов.

Рисунок: Идеальный трансформатор с железным сердечником

Трансформатор с нулевым импедансом первичной и вторичной обмоток называется идеальным трансформатором. Приложенное напряжение V1 в первичной обмотке равно индуцированному напряжению E1. Точно так же индуцированное напряжение E2 равно выходному напряжению V2 вторичной обмотки.

Рис.: Векторная диаграмма идеального трансформатора без нагрузки.

Для идеального трансформатора, если a = коэффициент трансформации = коэффициент поворота

Затем,

Уравнение-2 утверждает, что размагничивающие ампер-витки вторичной обмотки равны и противоположны намагничивающему mmf первичной обмотки идеального трансформатора.

No related posts.