Почему сердечник трансформатора из электротехнической стали

Объяснение почему сердечник слоями:

штампованный сердечник
ленточный сердечник

По геометрической форме их различают на три вида:

броневой
стержневой
тороидальный

Вихревые токи — это токовые петли, генерируемые изменяющимися магнитными полями. Они текут в перпендикулярной плоскости к магнитному полю. Слоистый магнитопровод уменьшает вихревые токи. По этой причине для изготовления трансформаторов используются электрически изолированные пластинки. На рисунке ниже показан вид сбоку сердечника трансформатора, где поток вихревого тока в твердом и слоистом сердечнике обозначен стрелками:

Итак, начнем с вопросов, которые являются ключевыми. На эти вопросы мы отвечали не раз, однако, они по-прежнему волнуют многих наших посетителей:

— На каком принципе основывается работа трансформатора?

Ответ: В основе принципа действия любого трансформатора лежит явление электромагнитной индукции. Т.е. явлении, связанном с возникновением электрического тока в замкнутом контуре трансформатора.

— Что такое анцапфа?

Ответ: Анцапфа – это, так называемый, переключатель ПБВ (сокр., переключение без возбуждения). В силовом трансформаторе такой переключатель устанавливается со стороны высшего напряжения (ВН) и предназначается, в первую очередь, для изменения коэффициента трансформации. При изменениях высшего напряжения в пределах +- 10% от номинального значения, анцапфа позволяет поддерживать напряжение на вторичной обмотке постоянным. Переключение положения ПБВ (анцапфы) необходимо производить только при отключенном трансформаторе (снимая напряжение на стороне ВН).

— Зачем пластины сердечника трансформатора стягиваются шпильками?

Ответ: Сделано это для того, чтобы обеспечить максимально плотное прилегание изолированных пластин друг к другу, а также, чтобы сделать пакет пластин сердечника прочным и достаточно устойчивым к механическим повреждениям.

— Что такое холостой ход трансформатора? Как трансформатор работает в этом режиме?

Ответ: Режим холостого хода трансформатора — это такой режим работы трансформатора, при котором одна из его обмоток запитана от источника переменного тока (напряжения) (линия электропередач), а цепи остальных обмоток разомкнуты. В реальности, такой режим работы встречается у трансформатора, в случае, когда он подключен к сети, а нагрузка, запитываемая от его вторичной обмотки, ещё не подключена.

— От чего зависит межповерочный интервал трансформаторов тока?

Ответ: Сроки межповерочных интервалов трансформаторов устанавливаются, непосредственно, заводом-изготовителем, исходя из характеристик данной конкретной модели трансформатора. Как правило, межповерочный интервал трансформатора составляет 4 года.

— Трансформатор тока и трансформатор оперативного тока – в чем разница?

Ответ: Главное отличие состоит в назначении этих трансформаторов. Трансформаторы тока предназначаются для преобразования тока до таких значений, которые были бы удобны для измерения, а, следовательно, используются для подключения различного измерительного оборудования. Трансформатор оперативного тока предназначается для питания различных цепей управления оборудованием (реле, приводы, и т.п.), автоматики, а также сигнализации и защиты.

— Чем отличаются трансформаторы с изолированной нейтралью и глухо заземленной нейтралью?

Анализ эпизода пожар в кистеневке дубровский 6 класс по литературе кратко
Какие признаки характерны для системы дополнительного образования кратко
Что характерно для однополярной модели мира кратко
Как написать кратко отзыв
Почему кипение это частный случай испарения при каких условиях оно происходит кратко

Основные производители электротехнической стали

Если рассматривать выпуск данного вида металла в мировом масштабе, то основными игроками выступаю восточные страны: Китай и Япония. Их долевой вклад в производстве и потребление электротехнической стали составляет до 50%. Дисбаланс между странами состоит в том, что Китай – основной производитель, тогда как Япония преимущественно экспортирует этот сортамент стали.

Готовая продукция – рулоны электротехнической стали

Россия относится к числу тех государств, где объемы производства металла превышают внутреннее потребление сортамента электротехническая сталь. Цена этого вида продукции на отечественном рынке составляет от 80 до 180 рублей за килограмм. На сегодня РФ сумела выйти на объемы производства данного сортамента металла, которые составляют 10% от общего мирового импорта электротехнической стали. Основными производителями металла на российском рынке выступают:

Северсталь;

ВИЗ-Сталь;

Новолипецкий металлургический комбинат.

Объемы, производимой ими продукции троекратно превосходят потребности внутреннего рынка, что позволять импортировать электротехническую сталь как на Запад: Италия, Швейцария, так и в сторону Востока – Индия. Что касается долю конкретного вида стали в общем объеме, то две трети производственных мощностей ориентированы на выпуск динамного сортамента металла. И только 30% производства – это трансформаторная сталь, цена которой составляет 120 – 180 руб/кг.

Повышение прочности и надежности

Использование электротехнической стали в качестве материала для сердечника трансформатора обеспечивает повышение прочности и надежности данного устройства.

Электротехническая сталь обладает высокой механической прочностью, что позволяет сердечнику выдерживать большие механические нагрузки без деформации или повреждений. Такая прочность особенно важна в случае эксплуатации трансформатора в условиях высокой температуры или при наличии вибраций.

Дополнительно, электротехническая сталь обладает низкой магнитной проницаемостью, что позволяет уменьшить потери магнитного потока в сердечнике трансформатора. Меньшие потери снижают энергопотребление и повышают эффективность работы трансформатора.

Также электротехническая сталь обладает стабильными магнитными свойствами, что позволяет трансформатору равномерно распределять магнитный поток и обеспечивать стабильную работу устройства.

Преимущества использования электротехнической стали в сердечнике трансформатора:

— Повышение прочности сердечника;

— Увеличение надежности работы устройства;

— Снижение потерь магнитного потока;

— Обеспечение стабильной работы трансформатора.

Устойчивость к механическим воздействиям

Электротехническая сталь, из которой изготавливаются сердечники трансформаторов, обладает высокой устойчивостью к механическим воздействиям

Это важное преимущество, которое позволяет обеспечить долговечность и надежность работы трансформаторов

Механические воздействия, такие как вибрации, удары или деформации, могут негативно сказываться на работе трансформаторов и приводить к их поломкам или снижению эффективности. Однако, благодаря использованию электротехнической стали для сердечников, трансформаторы становятся устойчивыми к таким воздействиям.

Электротехническая сталь обладает высокой прочностью и устойчивостью к пластической и усталостной деформации. Она способна выдерживать сильные механические нагрузки и сохранять свою форму и структуру, что позволяет сердечнику трансформатора успешно функционировать даже при условиях повышенных нагрузок.

Благодаря своей устойчивости к механическим воздействиям, сердечники из электротехнической стали могут использоваться в различных областях, где требуется надежная работа трансформаторов. Они могут использоваться как в стационарных электроустановках, так и в подвижных аппаратах, например, в электрических локомотивах или автомобилях.

Увеличение срока службы

Сердечник из электротехнической стали обладает высокой стабильностью и надежностью, что позволяет ему успешно функционировать даже при повышенных нагрузках и температурах. Такой материал не подвержен коррозии и окислению, что также способствует его длительной службе.

Также, электротехническая сталь обладает высокой прочностью и устойчивостью к механическим повреждениям. Она способна выдерживать большие механические нагрузки и удары, что делает сердечник трансформатора из нее долговечным и надежным.

Преимущество	Пояснение
Высокая магнитная проницаемость	Обеспечивает оптимальную работу трансформатора и эффективность передачи энергии.
Низкие потери энергии	Позволяют достичь высокой энергоэффективности и экономии ресурсов.
Сопротивление коррозии и окислению	Поддерживает долгий срок службы и надежную работу трансформатора.
Высокая прочность и устойчивость к повреждениям	Гарантируют надежность и долговечность использования сердечника трансформатора.

Уменьшение вероятности деформации

При работе трансформатора в сердечнике возникают сильные магнитные поля и большие электрические токи. В результате этого материал сердечника подвергается значительным нагрузкам и может деформироваться. Однако использование электротехнической стали в сердечнике позволяет снизить риск деформаций.

Магнитная сталь имеет свойства, которые делают ее идеальной для использования в сердечнике трансформатора. Она обладает низкой вязкостью, что означает, что она не подвержена трещинам и разрушению при длительной эксплуатации. Кроме того, электротехническая сталь обладает минимальной пластической деформацией, что делает ее стабильной и надежной в условиях высоких нагрузок.

Выбор электротехнической стали для сердечника трансформатора позволяет уменьшить вероятность деформации, что в свою очередь повышает долговечность и надежность работы трансформатора. Этот материал обладает необходимыми физическими свойствами, чтобы справиться с нагрузками, которым подвергается сердечник, и обеспечить эффективную работу всей системы.

К. п. д. трансформатора

К. п. д. это отношение вторичной мощности P 2 к первичной P 1 (полезной мощности к потребляемой) выраженной в %.

Например к. п. д. трансформатора 90% это значит что 90% энергии полученной первичной обмоткой от источника тока переходит во вторичную обмотку и 10% теряется в трансформаторе на активном сопротивлении трансформатора. Наличие потерь приводит к тому, что мощность выделяемая в нагрузке вторичной обмотки трансформатора, всегда меньше мощности, которую потребляет первичная обмотка.

Потери энергии в трансформаторе состоят из потерь в сердечнике и потерь в обмотках. К потерям в сердечнике относятся потери на магнитный гистерезис и потери на вихревые токи. Потери в обмотках обусловлены обычным нагревом обмоток током.

К. п. д. мощных стационарных трансформаторов бывает до 99%.
К. п. д. маломощных трансформаторов, применяемых в аппаратуре связи принимается за 80%.

1.Обмотки

Для производства обмоток трансформаторов применяются обмоточные провода они медные и имеют изоляцию.

ПЭ-провод эмалированный

ПЭЛ- провод эмалированный лакостойкий

ПЭВ-провод эмалированный высокопрочный

ПЭЛ рассчитан на температуру до 90 0 , кратковременно 105 0 ; ПЭВ до 105 0 , кратковременно до 125 0

Обмотки наматываются на каркас (пластмасса, текстолит, гетинакс, картон), бывает и бескаркасная намотка. Конец провода обмотки должен быть закреплен. Обмотки наматываются рядами виток к витку. После каждого ряда прокладывается изоляция (полоска конденсаторной или кабельной бумаги), чтобы не было пробоя. Второй конец обмотки тоже должен быть закреплен. После намотки первой обмотки прокладывается изоляция получше, например полоска из лакоткани, затем наматывается следующая обмотка. Обмотки наматываются одна на другую.Часто при производстве трансформаторов первичную и вторичную обмотки делят на секции.При этом магнитное поле первичной обмотки лучше охватывает вторичную обмотку.

2. Сердечники

Сердечники бывают: стержневые, броневые и тороидальные.

Для производства сердечников часто применяется трансформаторная сталь разных марок. Сердечник набирается из тонких стальных пластин изолированных друг от друга. В качестве изоляции часто применяется окись (окалина), образующаяся на поверхности пластин при их нагреве при высокой температуре. Если сердечник делать не из отдельных изолированных друг от друга пластин, а из двух сложенных кусков, то сердечник будет раскалятся вихревыми токами. Вихревые токи отдельных пластин малы и в целом сердечник нагревается незначительно. Сердечник трансформатора должен быть хорошо сжат, чтобы не гудел. Лучшим способом сжатия является сжатие с помощью шпилек с гайками. Часто применяют сжатие с помощью скобы, охватывающий сердечник.

Сердечники из трансформаторной стали плохо намагничиваются в слабых магнитных полях. Поэтому на низких звуковых частотах применяют сердечники из пермаллоя. Пермаллой это сплав из никеля, молибдена, хрома, марганца, меди, кремния и железа.

В цепях токов высоких частот применяются сердечники из феррита. Феррит — это магнитодиэлектрик т. е. диэлектрик обладающий магнитными свойствами. Он изготавливается из окислов металлов в виде порошка перемешанных со смолой или полистиролом.

Зачем кремний в стали?

Легирование производится не чистым элементом кремнием, а ферросилицием. Это вещество представляет собой сплав FeSi с железом. Легирование стали Si позволяет вывести из металла кислород, элемент – оказывающий наибольшее негативное воздействие на магнитные свойства Fe. Происходит реакция восстановления железа из его окислов, с результирующим образованием оксида кремния, частичного переходящего в шлак.

Так выглядит ферросилициий – марка ФС45

Второй положительный эффект от внедрения кремния в сталь связан с выделением цеменита (Fе3С) из металла, который замещается образующимся графитом. Оба соединения, оксид железа и цеменит увеличивают коэрцитивной силы в металле, что приводит к росту потерь на гистерезис. Более того, легирование кремнием железа с концентрацией Si выше 4% способствует также снижению потерь на вихревые токи, что обусловлено повышением удельного электрического сопротивления электротехнической стали относительно ее марок, нелегированных кремнием.

Металлическая буква “Е” – что это?

Всех мучил вопрос в детстве – что эта за металлическая буква Е или Ш такая?

Эта металлическая пластина в виде буквы Ш или Е (кто как видит) и есть та самая трансформаторная сталь, точнее сердечник трансформатора, изготовленный из электротехнической стали. Такие пластины часто попадались в детстве – ржавые, гнутые, склеенные, кто-то затачивал их и бросался, словно, самурайскими сюрикэнами.

Буква Е или Ш – та, что мы видели в детстве

Этих металлических букв Ш (Е), казалось, валяется целая куча – они были в каждом дворе иногда валялись целыми россыпями, а появлялись они после разбора вот таких трансформаторов, см. фото:

Внутри этого трансформатора находится сердечник из трансформаторной стали и склеенных букв “Е”

Характеристики сердечника: теория

Прежде чем ответить на вопрос, почему сердечник трансформатора набирается из пластин, нужно понять само устройство конструктивной детали. Предназначение механизма — концентрация магнитных потоков, поступающих в прибор. В результате обработки значения получаются постоянными и соответствующими измерениям. Без наличия сердцевины невозможно было бы рассчитывать технические характеристики прибора, в том числе и коэффициент погрешности, коэффициент полезного действия и другое.

Почему сердечники трансформатора делают из отдельных пластин — улучшение магнитных характеристик этих металлов и элементов.

Устройство изготовляется из цельным пластин, которые различной толщины. Делать в приборе можно различные вариации: от 0,5 до 0,35 миллиметров, но встречается и другой по толщине лист. Холоднокатаные в отличи от горячекатаных вариаций отличаются повышенными характеристиками магнитопровода, но для сборки устройства требуются специфические навыки работы.

Набираться могут из ленты, которая свернута спиралевидным образом, только тороидальные модели. Собирать так — значит разместить вторичную обмотку, при этом значительно понизиться индуктивное сопротивление внешней обмотки (стремится у нулевым значениям), что повысит точность работы.

Для чего магнитопровод трансформатора собирают из отдельных листов, если устройство имеет можно свыше ста вольтов и ампер и частоту функционирования 50 Гц — повышение качества работы и обеспечение бесперебойного поступления электроэнергии для обработки.

Устройства собирать нужно из тонких и отдельных пластин сердечника — это уменьшает вихревые потери. Под действием на трансформатор магнитострикции они становятся деформированными, уменьшается коэффициент полезного действия, невозможно провести качественные расчеты мощности и иных технических характеристик. По факту, удлинения листов должны быть симметричны квадрату индукции, при этом колебания были бы на частоте сети, удвоенной вдвое (так как берется квадрат показателе).

Но путем опытных расчетов выясняем, что механические колебания различные по значениям, так как шум содержит высшие гармоники. Становится ясно, почему сердечник трансформатора собирают из отдельных листов и почему используются только качественные металлы для его производства.

Изотропная и анизотропная сталь – отличия производства

Как можно понять из вышесказанного, характеристики легированного соединения сильно зависят от содержания кремния. Вторым фактором, определяющим свойства металла, выступает его внутренняя структура, которая формируется в процессе производства. В частности горячекатаная и холоднокатаная стали обладают различными по размеру ячейками. Для крупнокристаллических материалов характерны большие величины магнитной проницаемостью, но коэрцитивная сила существенно ниже, чем у металлов с мелкокристаллической структурой. Варьировать размер зерна позволяют два вида обработки: механическая и термическая.

Так отжиг стали способствует понижению внутренних напряжений в металле, одновременно приводя к увеличению кристаллов, образующих его структуру. Горячая прокатка электротехнической стали не способна создать устойчивую ориентацию зерен внутри металла, оставляя ее хаотичной. Подобная изотропная сталь, как результат, характеризуется независимостью магнитных свойств от направления.

Добиться текстурованной структуры с определенной пространственной ориентацией кристаллов в металле позволяет повторной холодной прокатки стали, сопровождающаяся отжигом при особых условиях. Как результат получается анизотропная сталь, где ребра кубической решетки кристаллов установлены в направлении прокатки. Расположив анизотропную сталь в правильном направлении, можно добиться повышения магнитной проницаемости, одновременно понизив коэрцитивную силу.

Производство электротехнической стали налажено в виде листового проката с шириной полосы 240 – 1000 мм. Металл выпускается рулонами или отдельными листами, длина которых варьируется от 720 до 2000 мм. Толщина электротехнического стального профиля начинается с 0.05 мм и может иметь следующие показатели: 0.1, 0.2, 0.35, 0.5 и 1,0 мм. Кроме того, классификация электротехнических сталей по разновидности продукции допускает следующие виды проката: сортовой и лента резанная.

Марки изотропной тонколистовой стали х/к: 2011, 2012, 2013, 2014, 2015, 2016, 2312, 2411, 2412, 2413, 2414, 2421.

Марки анизотропной тонколистовой стали х/к: 3311 (3411), 3411, 3412, 3413, 3414, 3415, 3404, 3405, 3406, 3407, 3408, 3409.

Защита от коррозии и окисления

Сердечник трансформатора изготавливается из электротехнической стали, так как она обладает основными преимуществами, включая защиту от коррозии и окисления.

Коррозия и окисление могут серьезно повлиять на работу и эффективность трансформатора. Когда металлические материалы выставляются на воздух или влажную среду, они могут начать окисляться, что приводит к образованию коррозии. Это может привести к потере металлической поверхности, ухудшению электрической проводимости и даже к поломке трансформатора.

Электротехническая сталь используется в изготовлении сердечника трансформаторов, так как она обладает высокой устойчивостью к коррозии и окислению. Она содержит особые добавки, которые препятствуют образованию окислов и коррозии на поверхности металла. Благодаря этому, трансформаторы со стальным сердечником имеют длительный срок службы и высокую надежность в любых условиях эксплуатации.

Также сталь обладает высокой механической прочностью и устойчивостью к разрушению. Это обеспечивает долговечность и надежность трансформатора, помогая избежать поломок и снижение эффективности его работы.

В современных трансформаторах все больше используется электротехническая сталь с покрытием от коррозии и окисления. Это позволяет дополнительно увеличить защитные свойства материала и обеспечить еще более надежную работу трансформатора в долгий срок.