Конструктивные особенности трансформатора

Однофазные силовые трансформаторы классифицируются по типу магнитопровода. Они делятся на броневые, стержневые и тороидальные.

Броневые сердечники используются при мощности менее 150В×А и частоте до 8 кГц, стрежневые - при мощности от 150 до 800 [В×А] и частоте до 8 кГц, тороидальные – при мощности до 250 [В×А] и частоте свыше 8 кГц.

В броневом сердечнике трансформатора основной магнитный поток раздваивается, что приводит к увеличению потока рассеяния. Расположение обмоток на одном (среднем) стержне трансформатора защищает обмотки от механических воздействий и электромагнитных помех. Такая конструкция обладает наибольшим рассеиванием основного потока ( ), поэтому используется при малых мощностях.

В стержневом сердечнике трансформатора для улучшения сцепления обмоток первичную и вторичную обмотки разводят по двум стержням и при намотке чередуют послойно. В такой конструкции поток рассеяния меньше, чем в броневом трансформаторе.

Тороидальная конструкция сердечника трансформатора обладает наименьшим потоком рассеяния, благодаря круговому движению силовой линии основного магнитного потока Ф₀ и хорошему сцеплению обмоток (из- за намотки по всему тороиду). Ограничение по мощности связано с плохим охлаждением сердечника и технологическими трудностями изготовления. Поперечное сечение тороида и стержней приближают к округлой форме, что позволяет экономить материал сердечника.

Сердечники магнитопроводов изготавливаются в виде лент, пластин или прессуют из ферромагнитного порошка с добавлением кремния. Низкочастотные трансформаторы выполняются из холоднокатанной (анизотропной или изотропной) стали, а также горячекатаной стали.

Основные виды магнитопроводов представлены в таблице.

Внешний вид магнитопровода	Название	Шифр изделия	Основные размеры
	Кольцевой сердечник	К	D*d*h
	Стержень прямоугольного сечения	С	b*s*L
	Стержень круглого сечения	С	D*L
	Ш-образный сердечник	Ш	l0*S
	Чашка броневого сердечника	Б	D

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

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

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

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

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

Параметры ферритов марок 2500НМС1 и 2500НМС2 сведены в таблицу.

Приведём параметры наиболее часто встречающихся ферритов марок НМ и НН.

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

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

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

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

· ТЧ — тональная частота:

· ВЧ — высокая частота;

· К — с компенсированным температурным коэффициентом магнитной проницаемости.

Параметры альсиферов

δ_п – коэффициент потерь на гистерезис.

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

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

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

Параметры некоторых пресспермов

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

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