Электротехническая сталь для трансформаторов: состав и свойства

Электротехническая сталь: маркировка, механические свойства

Отечественный СТП отличается составом кремния, способом производства, магнитными и электрическими показателями. Маркировка состоит из 4-5 цифр и возможных вариантов 1-2 букв. Возьмем для примера M110-23S. Каждый символ означает:

Число	Имея в виду	Примечание
1	Тип прокатки	Тип стали
2	Группа сталей на основе% Si
3	Тип металла по основным характеристикам магнитных параметров
4	Степень основных регулирующих свойств: обычный; повысился; высокий; ≥4 — высшие уровни	Кроме нелегированных изотропных сталей для реле

Примечание: четвертая и пятая цифры в маркировке присутствуют только для релейных сталей. Это параметр коэрцитивной силы (А / м).

При скреплении сплавов с феррокремнием можно:

• выберите цементит и замените его графитом;
• удалить кислород из состава;
• улучшить магнитную проницаемость Fe;
• увеличить R (удельное электрическое сопротивление);
• снизить потери на вихревые токи (при Si ≥ 4%).

Магнитная проницаемость

Низкоуглеродистая электротехническая сталь нашла применение в различных типах электрических устройств: магнитная проницаемость (μ) выражает изменение векторного показателя — магнитной индукции при воздействии напряженности и (магнитного) силового поля. ETS μ велика, а коэрцитивная сила, наоборот, мала. Кремний декарбонизирует сплав, что приводит к увеличению магнитной проницаемости.

μ в числовом выражении показывает, во сколько раз его абсолютное значение превышает магнитную постоянную. Более высокое значение присуще крупным кристаллическим структурам, более низкое значение присуще тонким кристаллическим структурам. Сталь усиливает магнитное поле, задает ему определенный вектор. Величина изменения магнитной проницаемости при колебаниях температуры сплава выражается температурным коэффициентом магнитной проницаемости.

Коэрцитивная сила

Характеристика возможности размагничивания силового поля, создаваемого электрическим током. Это напряженность магнитного поля в предельной статической петле гистерезиса, при которой в металле нет индукции. Измеряется в амперах на метр. ETS имеет коэрцитивную силу, так как потери из-за гистерезиса малы.

Интенсивность размагничивания варьируется в зависимости от типа устройства. Кремний в качестве добавки увеличивает удельное сопротивление ЭТС, снижает потери на гистерезис, что приводит к снижению коэрцитивной силы. При содержании Si ≥5% происходит резкое увеличение твердости и хрупкости, что делает трансформаторный чугун непригодным для формования.

Удельное электрическое сопротивление

Параметр характеризует способность металла сопротивляться прохождению электрического тока. Это напрямую зависит от процентного содержания кремния: элемент снижает старение стали. Сопротивление увеличивается с повышением температуры. Чем выше доля Si, тем выше среднее значение R и меньше потери на вихревые токи.

Использование ETS позволяет электрическому напряжению концентрироваться внутри проводника и обеспечивать целенаправленную доставку электрических зарядов к конечной точке распределения. Поэтому электротехническая сталь для электродвигателей используется при изготовлении их основных частей в ЭДС частотой до 20 000 Гц.

Отличительные особенности изотропной и анизатропной сталей

Основываясь на вышесказанном, стоит отметить, что характеристики самого легированного соединения двухвалентного железа слишком напрямую зависят от процентного содержания кремния в структуре сплава.

Второй фактор — это прямая внутренняя структура, формирование которой происходит в процессе производства. Важно отметить, что как холоднокатаные, так и горячекатаные стали имеют разный размер ячеек. Для тех металлов, которые имеют крупную кристаллическую решетку, существует высокая магнитная проницаемость, но гораздо более низкий индекс коэрцитивной силы (по сравнению с группами металлов с мелкой кристаллической решеткой). Размер частиц варьируется за счет использования тепла и механической обработки в производственном процессе.

Учитываются следующие производственные характеристики:

• Проведенный отжиг стали будет способствовать последующему снижению показателей внутренних напряжений в металле. Это обстоятельство приведет к тому, что количество кристаллов, образующих его структуру, будет неизменно увеличиваться;
• В свою очередь, горячая прокатка стали не может создать достаточно устойчивую ориентацию отдельных зерен внутри самого металла, она остается хаотичной;
• Согласно исследованиям механических характеристик этой изотропной стали, она не может создать стабильную ориентацию отдельных зерен внутри металла, поэтому остается хаотичной. В конечном итоге сталь можно охарактеризовать тем, что ее магнитные свойства не зависят от направления движения частиц.

Если попытаться использовать технологию многократной холодной прокатки стали, можно получить определенную структурированную структуру с четко выраженной пространственной ориентацией кристаллических элементов трансформаторного железа. В конечном итоге это обеспечит производство анизотропной стали, в которой ребра решетки всех кристаллов установлены непосредственно в направлении последующей прокатки. Если мы попытаемся расположить саму анизотропную сетку в строго правильном направлении, получится высокая магнитная проницаемость, при этом индекс коэрцитивной силы также снизится.

Само по себе производство этого сплава налажено в виде своеобразного листового металла, что обеспечивает ширину полосы в пределах 240-1000 мм. Кроме того, этот металл выпускается отдельными листами или рулонами, длина которых может существенно различаться — в пределах 720-2000 мм. В этом случае различается и толщина листа, которая может начинаться показателем 0,05 мм и заканчиваться значением 1,0 мм. Лист очень тонкий, и при его транспортировке принимаются все необходимые меры предосторожности. Показатели толщины позволят подобрать оптимальное значение для конкретного случая эксплуатации. Помимо прочего, классификация всех электротехнических сталей предусматривает наличие отдельных видов: сортовой и отрезной полосы.

Изготовление тороидального сердечника трансформатора

Тороидальный трансформатор — это преобразователь напряжения или электрического тока, сердечник которого загнут в петлю и замкнут.

Сегодня многие домашние электрики задумываются, как сделать тороидальный трансформатор. Этот спрос обусловлен тем, что у него ядро ​​намного лучше других. У него меньший вес, который может отличаться в полтора раза. К тому же КПД этого трансформатора будет намного выше.

Из основных причин, мешающих его изготовлению многим мастерам:

Чтобы избежать ненужной траты энергии и нагрева трансформатора, сердечник разрезают на полосы. Каждый изолируется от соседнего, например, краской. В случае тороидальных сердечников они намотаны по одной спирали или полосами. Сталь обычно покрывается с одной стороны изолирующим покрытием микрометровой толщины.

Сегодня для изготовления сердечников чаще всего используется анизотропный холоднокатаный стальной лист.

Название подразумевает: магнитные свойства материала не одинаковы по разным согласованным осям.

Вектор потока поля должен совпадать с направлением качения (в нашем случае он движется по окружности). Раньше использовался другой металл. Сердечники высокочастотных трансформаторов могут быть выполнены из стали 1521. Сталь маркируется несколькими способами, в обозначение входит информация:

На первом месте стоит рисунок, характеризующий конструкцию. Для анизотропных сталей — 3.

Вторая цифра указывает на процентное содержание кремния:

Третье число указывает на главную особенность. Могут быть определенные потери, величина магнитной индукции при фиксированной напряженности поля.

Тип стали

С увеличением количества удельные потери меньше. Это зависит от технологии производства металла.

Во время транспортировки стальная конструкция неминуемо повреждается. Дефекты устраняются специальным отжигом на месте сборки. Обязательно измерять трансформаторы тока, где важна точность показаний. Сердечник наматывается цельно или полосами, нарезанными на цилиндрической или овальной оправке. При необходимости ленты можно вырезать из цельного листа (чаще экономически нецелесообразно). Длина каждой должна быть не менее шести с половиной радиусов намотки. Для достижения нужной длины допускается соединение отдельных полос точечной сваркой. Сплав (разложение на тонкие слои) устраняет явление вихревых токов. Потеря инверсии намагниченности мало меняет, составляя небольшую часть вышеупомянутого паразитного эффекта.

Взаимное расположение конца и начала ленты теряет смысл. Чтобы спираль не раскручивалась, последний виток приваривают к предыдущему точечной сваркой.

Намотка производится с натяжением, ленты, собранные из нескольких полос, обычно не могут быть плотно закреплены, сварной шов перекрывается. Иногда тор разрезают на две части (разъемный сердечник), на практике это требуется относительно редко.

При сборке половинки стягиваются бинтом.

В процессе изготовления готовый тороидальный сердечник нарезается инструментом, концы шлифуются. Витки спирали фиксируются связующим, чтобы они не раскручивались.

Обозначение на схемах

Трансформаторы наглядно представлены на схемах подключения. Обмотки обозначены символами, которые разделены магнитной цепью в виде толстой или тонкой линии (см. Рис. 9).

Пример обозначения

В схемах трехфазных трансформаторов обмотки начинаются со стороны сердечника.

Влияние некачественной сборки на характеристики изделия

Самым частым дефектом собранной конструкции может быть плохое сцепление ярма с пластинами штанги. В результате образовавшиеся промежутки приведут к увеличению тока холостого хода (Ixx) трансформатора. Магнитный поток также ухудшится.

Если при сборке изделия количество пластин, входящих в ярмо, будет меньше необходимого, это вызовет уменьшение поперечного сечения, что вызовет увеличение магнитной индукции и увеличение потерь холостого хода. Любое механическое повреждение пластин магнитопровода при перемешивании также приведет к ухудшению технических параметров трансформатора.

Виды электротехнической стали

ETS поставляется с незащищенным верхним слоем и изолирующим покрытием. Хотя электротехническая сталь не имеет четкого «рецепта» с точки зрения химического состава, массовая доля основного элемента — соединения Si или Si + Al (на уровне 0,5%) — делит ее на категории:

• трансформатор — марка сплава 3,0-4,5%;
• динамо — 0,8-2,5%.

Еще одним фактором, определяющим свойства материалов, является внутреннее строение, размер ячеек. В этом заключается принципиальное отличие холоднокатаных сплавов от горячекатаных. Термическая обработка и механическое напряжение помогают добиться желаемого размера частиц. В зависимости от типа производства и уровня магнитных свойств бывает:

• трансформаторная сталь высокой проницаемости — при В800 (шлифовальный отжиг) ≥ 1,90 (Тл);
• повышенная проницаемость — 1,85 Тл ≤ В800 ≤ 1,89 (Тл);
• ограниченная проницаемость — B800 ≤ 1,85 (Т).

Холоднокатаная ЭТС

Холодная прокатка стальной заготовки в осевом направлении увеличивает магнитные свойства и другие механические свойства, улучшает качество поверхности, но также удваивает стоимость металла по сравнению с горячим способом. Текстурированная холоднокатаная электротехническая сталь выпускается в виде рулонных лент. Благодаря кремнию (3,3%) и кристаллографической структуре он хорошо печатается. Его μ выше, чем у его высокотемпературного аналога. По термической обработке толщина листа (от 0,5 до 3,9 мм включительно), степень его сжатия ЭТС делятся на несколько степеней.

Промышленность выпускает 2 вида металлических ламинатов данной специфики:

• Изотропный тонкий листовой металл (динамо) ETS — ГОСТ 21427.2, полностью соответствует EN 10106. Это марки 2011-2013, 2111, 2112, 2211-2216, 2312, 2411-2414, 2421.
• Анизотропная сталь для тонколистовых трансформаторов — ГОСТ 21427.1, соответствующая требованиям EN 10107. Ассортимент: 3311, 3404-3409, 3411-3415.

Горячекатаный металл

Горячая прокатка создает хаотическую ориентацию зерен в структуре стали и формирует магнитные характеристики, не зависящие от вектора направления. Содержание кремния в различных марках горячекатаного ЭТС приведено с учетом ГОСТ 21427.3.

Знак ETS	Да, %
1211	0,8-1,8
1212
1213
1311	1,8–2,8
1312
1313
1411	2,8–3,8
1412
1413
1511	3,8-4,8
1512
1513
1514
1521
1561
1562
1571
1572

Изотропный металл содержит 4,5% Si. Повторная деформация на прокатном стане листов толщиной от 2,0 до 3,9 мм включительно приводит к их более сильному измельчению и получению структурированного продукта с повышенным магнетизмом. По сравнению с холодным термообработкой эффект насыщения здесь не так выражен; больший угол наклона наблюдается на наклонных участках основной кривой намагничивания. Таким образом, горячекатаная сталь нашла применение в феррорезонансных стабилизаторах в качестве насыщающегося материала сердечника, где требования к качеству стабилизации и весу не слишком строгие.

Кремнистые стали

Сплав с добавкой до 4% кремния и содержанием углерода до 0,08% выпускается двух видов: горячая и холодная прокатка. Изотропный и анизотропный. По способу производства классифицируется по ГОСТ 21427.1 и ГОСТ 21427.4 (сталь анизотропная), а также 21427.2 (изотропная). Дешевый металл обладает повышенной прочностью и высокой прочностью на разрыв. Намагничивается быстрее, чем чистейшее железо.

Поскольку электротехнические кремнистые стали подвержены образованию поверхностных дефектов при горячей обработке, обезуглероживанию, образованию графита, практикуется их дополнительное легирование Cr, Mn, W, Ni. Таким образом, повышается прокаливаемость, при нагревании уменьшается рост зерен.

Марка	Лига	% Да	Плотность (кг / м3)
2011-2014 гг	отсутствующий	0,5	7,85
2111.2112	слабый	0,5-0,8	7,82
2211-2216	ниже среднего	0,8-2,1	7,80
2311,2312,3311	в среднем	1,8–2,8	7,75
2411-2414, 2421, 3404-3409 3411-3415 3421-3425	повысился	2,5–3,8	7,65
1511-1572	высокий*	3,8-4,8	7,55

Какими показателями качества характеризуются электротехнические стали и сплавы?

На свойства металла влияют факторы:

• геометрические параметры;
• удельные потери;
• индукция;
• коэрцитивная сила;
• изотропия;
• характеристики покрытия.

У электротехнических сталей и сплавов есть одна особенность: они позволяют снизить сопротивление и, как следствие, снизить энергозатраты на отправку электрических сигналов.

Геометрические габариты

Помимо химического состава, на свойства металла влияют физические и кристаллографические параметры пластины. Они формируются в процессе многоступенчатой ​​механической и термической обработки во время преобразования заготовки в пластины. Аренда ETS стандартизирована по следующим параметрам:

• изменение поперечной и продольной толщины;
• предельные отклонения по толщине и ширине;
• максимальная высота фрезы;
• планарность.

Геометрия сечения полос после горячей прокатки влияет на растягивающие напряжения в листе и вероятность их разрушения.

Признаки электроизоляционного покрытия

Электроизоляционное покрытие (ЭИП) на стальной полосе — одно из основных требований потребителей. Состав ЭИП способствует образованию растягивающих усилий между металлом и самой изоляцией, что снижает удельные потери на 1,5-2 Вт / кг. Холоднокатаная анизотропная сталь выпускается без электроизоляционного покрытия или с жаростойким покрытием, не усложняющим формовку, и с мягким покрытием.

Электротехническая сталь для трансформаторов динамо марок 2111-2216 и др. с ЭИТ испытывается на адгезию и коэффициент электрического сопротивления покрытия, его толщину, цвет, термостойкость и маслостойкость.

Магнитная индукция

ETS отличается высокой магнитной проницаемостью и незначительными потерями в переменном магнитном поле. Измерения магнитной индукции (В) выполняются в электромагнитном поле (ЭМП) с заданной интенсивностью и выражаются в Т (тесла) или Г (гаусс). Электросталь при относительно низком B нашла применение при изготовлении мощных установок (более 400 кВт), обеспечивая им минимальные магнитные потери. При мощностях 20-40 кВт преобладает магнитная индукция с умеренными удельными магнитными потерями.

Основные свойства и характеристики

Трансформаторная сталь нержавеющая, магнитная с достаточной проницаемостью. Он настолько популярен в производстве электрооборудования из-за того, что обладает высокими электромагнитными характеристиками и теряет минимальное количество энергии из-за нестериса.

Различные элементы трансформаторов и другого электрооборудования изготавливаются из металла. Он также идеально подходит для изготовления магнитных проводов.

Сердечники трансформаторов незаменимы без этой специальной стали, поскольку этот материал способствует большему удельному сопротивлению. Это позволяет снизить потери энергии из-за вихревых токов. Эта проблема обычно затрагивает жилы электрооборудования. Благодаря его использованию не происходит чрезмерного нагрева сердечника.

Для уменьшения потерь от вихревых потоков толщина пластины уменьшена. Поэтому толщина стали должна быть 0,5 мм при частоте 50 Гц.Если устройство работает на более высокой частоте, необходимо сделать сердечник из листов 0,1-0,2 мм.

Металл помогает уменьшить потери из-за перемагничивания. Это еще одна причина популярности электротехнической стали для изготовления сердечников трансформаторов.

Поскольку можно уменьшить потери и процесс обращения циклического намагничивания путем добавления кремния в металл, сплавы с высоким содержанием этого элемента называют трансформаторными сталями. Благодаря приложению удалось снизить потери на треть. Это также позволяет снизить массу трансформатора на 10% и расход металла на 20%.

Электромагнитная сталь используется практически во всех электромеханических изделиях благодаря своим уникальным свойствам.

Конструкция и принцип работы

Изолированные обмотки из проволоки или ленты — незаменимые элементы практически любого устройства преобразования напряжения. Они расположены на магнитной цепи, представленной сердечником из ферромагнитного материала. Связь между катушками осуществляется с помощью магнитного потока. В случае работы с токами высокой частоты (100 и более кГц) ядро ​​отсутствует.

Принцип работы трансформатора

В принципе, трансформатор сочетает в себе основные постулаты электромагнетизма и электромагнитной индукции. Это можно рассмотреть на примере простейшего устройства с двумя катушками и стальным сердечником. Подача переменного напряжения на первичную обмотку приводит к появлению магнитного потока в магнитопроводе, после чего во вторичной и первичной обмотках возникает ЭДС индукции, при подключении нагрузки к вторичной обмотке будет течь ток . Частота напряжения на выходе остается неизменной, а ее величина зависит от соотношения витков катушек.

Есть повышающие и понижающие трансформаторы, для его определения нужно узнать коэффициент трансформации, с его помощью можно узнать, какой трансформатор. Если коэффициент меньше 1, трансформатор является повышающимся (это также можно определить по значениям, если во вторичной обмотке больше, чем в первичной, то такое увеличение) и наоборот, если K> 1, затем понижающий (если в первичной обмотке меньше витков, чем во вторичной).

Читайте также: Что такое силовой трансформатор
Формула для расчета коэффициента трансформации

где это находится:

• U1 и U2 — напряжение в первичной и вторичной обмотках,
• N1 и N2: количество витков в первичной и вторичной обмотках,
• I1 и I2 — ток в первичной и вторичной обмотках.

Конструкция силового трансформатора:

Виды и химический состав стали

Для улучшения адгезионных и антикоррозионных свойств изделия ETS покрываются изолирующим слоем, не влияющим на магнитные свойства и способность передавать электрический ток. К ним относятся покрытия на основе эмалей, красок, стеклоэмалей и полимеров.

В зависимости от содержания кремния сталь делится на:

• Трансформатор с содержанием кремния от 3,0% до 4,5%,
• Динамо со степенью легирования кремнием от 0,8% до 2,5%.

Сталь считается нелегированной, если содержание кремния не превышает 0,3%. Кроме того, в состав нелегированной электротехнической стали входят: Mn до 0,3%, S не менее 0,03%, P до 0,02% и Cu до 0,3%.

В дополнение к 0,2% кремния, мягкая магнитная легированная сталь содержит до 0,3% марганца, 15,5-16,5% хрома, 0,3% никеля, 0,01-0,015% серы, фосфор, соответственно, больше не белый 0,015%, 0,1% молибдена и 0,2%. % титана.

Электротрансформаторная сталь легирована силицидом железа FeSi. С его помощью восстанавливаются оксиды железа, углерод превращается в графит, сплав освобождается от кислорода, что отрицательно сказывается на структуре металла и его магнитных свойствах.

Трансформаторный чугун изготавливается методом горячей и холодной прокатки. Число градусов достигает 79, с заданными свойствами удельного сопротивления, устойчивости к образованию вихревых магнитных полей, узкого кольца гистерезиса, высокой индукции. Сплавные изотропные материалы используются для производства высокоточного силового оборудования: трансформаторов, выпрямителей, генераторов и электродвигателей.

Трансформатор — это устройство с несколькими обмотками, которое с помощью электромагнитной индукции изменяет значения переменного тока и напряжения. Преобразование происходит без изменения частоты и мощности электрического тока.

Сердечник трансформатора собран из тонких пластин. Металлическая буква E или металлическая буква W, под которым виден центральный компонент, изготовлены из сернистой стали. Сталь 3414 с содержанием кремния 2,8-3,8% является холоднокатаной анизотропной, плотностью 7650 кг / м3, толщиной 0,35-0,5 мм, с удельными потерями 1,1-1,5 Вт / кг.

Сталь Dynamo используется для производства слаботочной продукции, в том числе недорогой электротехнической продукции для всех типов промышленного оборудования и бытовой техники. Наиболее распространенный вид стали — 2212. Это сера, изотропная холоднокатаная сталь толщиной 0,5-0,65 мм, плотностью 7800 кг / м3 и содержанием кремния 0,8-1,8%.

Использование электротехнических сталей связано с увеличением потребления электроэнергии. Его необходимо транспортировать к потребителю с наименьшими потерями, без изменения заданных параметров электрических сетей от различных источников его производства.

Собираем трансформатор в домашних условиях

Бывают в жизни ситуации, когда нужен трансформатор на конкретный случай. Например, в вашем любимом ресивере сгорела сеть tr-r, но заменить нечем и нет возможности получить такой.

Но есть множество других старых технических попыток, которые неактивны, поэтому вы можете попробовать использовать их в качестве доноров или можете переделать их самостоятельно для определенных параметров.

Далее мы расскажем, как сделать трансформатор своими руками в домашних условиях, предоставив все необходимые формулы расчета и инструкции по сборке.

Расчетная часть

Итак, приступим. Небольшое отступление, чтобы обновить вас. Трансформатор — это преобразователь одного вида энергии в другой и наоборот.

Обычно он состоит из двух электрических катушек (первичной и вторичной) и сердечника из листового железа.

Первичная обмотка индуцирует магнитный поток в магнитной цепи, который, в свою очередь, индуцирует электрический ток во второй катушке, как показано на схеме ниже.

Мощность транса зависит от размеров утюга, поэтому при проектировании и сборке отталкивает его доступность для сердечника. Любой расчет обмоток начинается с расчета полной мощности трансформатора.

Поэтому, чтобы сделать трансформатор из подручных средств, необходимо сначала найти мощность вторичной цепи. Если катушка вторичного напряжения не одна, их необходимо сложить.

Формула расчета будет выглядеть так:

P2 = U2 * I2

Где:

• U2 — напряжение на вторичной обмотке;
• I2 — ток вторичной обмотки.

Получив значение, необходимо рассчитать первичную обмотку с учетом трансформационных потерь, принимаем КПД 80%.

P1 = P2 / 0,8 = 1,25 * P2

Жила выбирается по величине мощности P1, ее площади поперечного сечения S.

S = √P1

Где:

• S в сантиметрах;
• P1 в ваттах.

Теперь мы можем узнать эффективный коэффициент передачи и преобразования энергии:

ш ‘= 50 / с

Где:

• 50 — частота сети;
• S — железная секция.

Эта формула имеет приблизительное значение результата классического решения, но вполне подходит для самодельной сборки и простоты решения. Найдя решение, можно приступить к подсчету количества витков, что можно сделать по формуле:

w1 = w ‘* U1

w2 = w ‘* U2

w3 = w ‘* U3

Поскольку наш расчет упрощен и возможно небольшое падение напряжения под нагрузкой, увеличьте количество витков на 10% от расчетного результата. Далее необходимо правильно определить ток наших обмоток, исходя из первичной обмотки:

I1 = P1 / U1

Читайте также: Особенности работы вертикально-фрезерных станков

Диаметр нашей проволоки определяем по формуле:

d = 0,8 * I

По таблице 1 подбираем провод с желаемым сечением. Если подходящего значения нет, необходимо округлить до диаметра стола.

Если расчетного диаметра нет в таблице или получилось излишнее заполнение окна, можно взять несколько ниток меньшего сечения и получить в сумме необходимую сумму.

Чтобы узнать, какие катушки нашего самодельного трансформатора подойдут, необходимо рассчитать площадь окна тр-ра, это окно, образованное сердечником, в котором размещены катушки. Уже известное количество витков умножается на сечение провода и коэффициент заполнения:

s = w * d² * 0,8

Этот расчет выполняется для всех обмоток, первичной и вторичной, после чего необходимо просуммировать площади катушек и провести сравнение с площадью окна магнитопровода. Главное окно должно быть больше площади поперечного сечения катушек.

Итог

Трансформаторы используются во многих местах. Их конструкция разная и для каждой задачи по-своему уникальна.

Интересные факты про трансформаторы

Трансформатор — самый эффективный преобразователь. Его КПД (КПД) может достигать 99% (силовые трансформаторы). Но для двигателя внутреннего сгорания (ДВС) КПД обычно не более 30%.

Наиболее производительным, но в то же время сложным в изготовлении является тороидальный трансформатор. Он эффективен благодаря расположению катушек и магнитной цепи. Это усложняет производственный процесс, особенно в промышленных масштабах.

Производство электротехнических сталей

Плавка металлов осуществляется в мартеновских и электродуговых печах. Используется метод полного окисления. После разливки сплавов формуются слитки или, при непрерывной разливке, слябы. Трансформаторная сталь содержит посторонние примеси в пределах 3-4,5%, выпускается в мотках, полосах и листах стандартной толщины: 0,23; 0,27; 0,30; 0,35; 0,5 (мм). Листы раскатывают из заготовок в холодном или горячем состоянии. Кремниевый сплав получают переплавом шлака. Доля горячекатаных ЭТС в общем объеме производства постепенно снижается из-за низких магнитных свойств, высокой стоимости и низкого качества поверхности.

2. Устройство трансформатора

2.1. Магнитопровод. Магнитные материалы

Назначение магнитной цепи — создать замкнутый путь для магнитного потока с минимальным магнитным сопротивлением. Поэтому магнитопроводы для трансформаторов изготавливаются из материалов с высокой магнитной проницаемостью в сильных переменных магнитных полях. Материалы должны иметь низкие потери на вихревые токи, чтобы не перегревать магнитную цепь до достаточно высоких значений магнитной индукции, быть достаточно дешевыми и не требовать сложной механической и термической обработки.

Магнитные материалы, используемые для изготовления магнитных сердечников, производятся в виде отдельных листов или в виде длинных полос определенной толщины и ширины и называются электротехническими сталями.
Стальные листы (ГОСТ 802-58) производятся методом горячей и холодной прокатки, стали с полосовой текстурой (ГОСТ 9925-61) — только холодной прокаткой.

Также используются железоникелевые сплавы с высокой магнитной проницаемостью, например, пермаллой, перминдюр и др. (ГОСТ 10160-62) и низкочастотные магнитомягкие ферриты.

Для изготовления множества относительно недорогих трансформаторов широко используются электротехнические стали, которые имеют невысокую стоимость и позволяют трансформатору работать как с постоянным намагничиванием магнитопровода, так и без него. Большинство используемых холоднокатаных сталей имеют лучшие характеристики, чем горячекатаные.

Сплавы с высокой магнитной проницаемостью используются для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, предназначенных для работы на высоких и высоких частотах 50 — 100 кГц.

Недостатком таких сплавов является их высокая стоимость. Так, например, стоимость пермаллоя в 10-20 раз превышает стоимость электростали, а пермендюра — в 150 раз. Однако в некоторых случаях их использование позволяет значительно снизить вес, объем и даже общую стоимость трансформатора.

Другой их недостаток — сильное влияние на магнитную проницаемость постоянной поляризации, переменных магнитных полей и низкое сопротивление механическим воздействиям — ударам, давлению и т.д.

Экструдированные магнитопроводы изготовлены из низкочастотных магнитомягких ферритов с высокой начальной проницаемостью, используемых для производства импульсных трансформаторов и трансформаторов, работающих на высоких частотах от 50 до 100 кГц. Достоинством ферритов является их низкая стоимость, а недостатком — низкая индукция насыщения (0,4 — 0,5 Тл) и сильная нестабильность температуры и величины магнитной проницаемости. Поэтому они используются только в слабых полях.

 

Выбор магнитных материалов производится исходя из электромагнитных характеристик с учетом условий эксплуатации и назначения трансформатора.

2.2. Типы магнитопроводов

Магнитопроводы трансформаторов делятся на ламинаты (формованные) и ленты (скрученные), изготовленные из листовых материалов и спрессованные из ферритов.

Магнитопроводы с покрытием изготавливаются из плоских печатных пластин соответствующей формы. Кроме того, пластины могут быть выполнены практически из любого материала, даже из очень хрупкого, что является преимуществом этих магнитопроводов.

Магнитные ленточные схемы состоят из тонкой ленты, намотанной в форме спирали, витки которой прочно соединены друг с другом. Достоинством магнитных ленточных цепей является полное использование свойств магнитных материалов, что позволяет снизить вес, габариты и стоимость трансформатора.

В зависимости от типа магнитопровода трансформаторы делятся на стержневые, бронированные и тороидальные. Кроме того, каждый из этих типов может быть как стержневым, так и ленточным.

Аукцион.

В магнитопроводах с сердечником обмотки располагаются на двух стержнях (сердечником называется часть магнитопровода, на которой размещены обмотки). Это усложняет конструкцию трансформатора, но уменьшает толщину обмотки, что снижает индуктивность рассеяния, расход провода и увеличивает поверхность охлаждения.

Стержневые магнитопроводы используются в выходных трансформаторах с низким уровнем шума, так как они нечувствительны к воздействию внешних низкочастотных магнитных полей. Это связано с тем, что под действием внешнего магнитного поля в обеих катушках индуцируются противоположные по фазе напряжения, которые при равенстве витков обмоток компенсируют друг друга. Как правило, стержневые трансформаторы изготавливают большой и средней мощности.

Бронированный.

В армированном магнитопроводе обмотка расположена на центральном стержне. Это упрощает конструкцию трансформатора, позволяет более полно использовать окно обмоткой, а также создает механическую защиту обмотки. Поэтому такие магнитопроводы получили наибольшее распространение.

Недостатком бронированных магнитопроводов является повышенная чувствительность к воздействию низкочастотных магнитных полей, что делает их непригодными для использования в качестве выходных трансформаторов с низким уровнем шума. Чаще всего бронированными делают трансформаторы и микротрансформаторы средней мощности.

Тороидальный.

Тороидальные или кольцевые трансформаторы позволяют более полно использовать магнитные свойства материала, имеют низкие потоки рассеяния и создают очень слабое внешнее магнитное поле, что особенно важно в высокочастотных и импульсных трансформаторах. Но из-за сложности изготовления обмоток они не получили широкого распространения. Чаще всего они сделаны из феррита.

Для снижения потерь на вихревые токи многослойные магнитопроводы набирают из печатных пластин толщиной 0,35 — 0,5 мм, которые с одной стороны покрыты слоем краски толщиной 0,01 мм или оксидной пленкой.

Лента для магнитных цепей имеет толщину от нескольких центов до 0,35 мм и также покрыта электроизоляционной и одновременно клеящей суспензией или оксидной пленкой. Причем чем тоньше изоляционный слой, чем плотнее сечение магнитопровода заполнено магнитным материалом, тем меньше габаритные размеры трансформатора.

В последнее время наряду с рассмотренными «традиционными» типами магнитопроводов используются новые формы, среди которых следует отнести магнитопроводы типа «полый», «перевернутый тор», катушки и др.

Для каких целей применяют электротехнические стали?

ETS — идеальное решение для производства магнитоактивных блоков и устройств для генерации и преобразования электрической энергии. В производстве электрических машин используются 3 вида материалов: конструкционные, изоляционные и активные. Электротехническая тонколистовая сталь считается лишь активным сплавом, без которого не обойтись любая электрическая машина.

Использование кремнистого железа актуально при производстве:

• электромагниты;
• мягкий;
• подвески;
• мягкий;
• торсионные валы;
• ленточные сердечники;
• магнитопроводы, работающие на частотах 50 — 400 Гц.

Профили из сплава реле и лист электротехнической стали необходимы в магнитных цепях оборудования, работающего по принципу «включено-выключено».

Реакторы

Системы с электромагнитным управлением автоматически регулируют реактивную мощность. В активной области реактора, помимо обмоток, находится магнитопровод из ЭТС. Такая конструкция позволяет плавно регулировать реактивную мощность, потребляемую балластом, именно этому способствует изменение насыщения магнитопровода. В переключающих реакторах и ограничителях тока сердечники обычно изготавливают из листов электротехнической кремнистой стали толщиной 0,25… 0,5 мм.

Генераторы

Преобразователи, полученные от внешнего источника механической энергии в электрическую, работают по принципу электромагнитной индукции. Технология изготовления сердечников из листов ETS напрямую влияет на их магнитные свойства. Для уменьшения магнитной дисперсии дополнительных полюсов, ослабления размагничивающего эффекта реакции якоря помогает металлический сердечник ETS толщиной 0,5 мм. Для сердечников основных полюсов используется анизотропный холоднокатаный металл 3411 толщиной 1 мм.

Высоко- и низковольтная аппаратура

Устройства, способные работать с высоким (1 кВ) и низким (до 1 кВ) напряжением, используются для испытаний электрооборудования, измерений в промышленной энергетике, питания различных объектов. Использование ЭТС с низким уровнем магнитных потерь вызвано повышенными требованиями к надежности, безопасности и качеству оборудования.

Поскольку аморфная электротехническая сталь значительно снижает потери в распределительной сети, естественно, что в однофазном распределительном трансформаторе с таким сердечником потери холостого хода сведены к минимуму.