Что такое магнитопровод и где он используется

Содержание

Основные преимущества и недостатки

При использовании тороидальных трансформаторов, поставляемых со свободными витыми выводами, можно добиться экономии до 64 % занимаемого объёма по сравнению с обычными трансформаторами с шихтованными сердечниками (очень часто легче подключить оборудование именно с помощью выводов из трансформатора, а не клеммников).

Тороидальный (кольцевой) сердечник имеет идеальную форму, позволяющую изготовить трансформатор, используя минимальное количество материала. Все обмотки симметрично распределены по всей окружности сердечника, благодаря чему значительно уменьшается длина обмотки.

Что такое магнитопровод и где он используется
Главные плюсы и минусы тороидальных трансформаторов.

Это ведёт к уменьшению сопротивления обмотки и повышению коэффициента полезного действия. Возможна более высокая магнитная индукция, так как магнитный ток проходит в том же направлении, в каком ориентирована кремнистая сталь ядра во время прокатки. Также можно отметить плюсы:

  • низкие показатели рассеивания;
  • меньший нагрев;
  • низкий вес и размер;
  • компактен, удобен в установке в электроаппаратуре.

Можно использовать более высокую плотность тока в проводах, так как вся поверхность тороидального сердечника позволяет эффективно охлаждать медные провода. Потери в железе очень низки – типическое значение составляет 1,1 Вт при индукции 1,7 Тл и частоте 50/60 Гц. Это обеспечивает очень низкий ток намагничивания, способствующий изумительной тепловой нагрузочной способности тороидального трансформатора.

Что такое магнитопровод и где он используется
Тороидальный трансформатор

Почему это самый популярный вид трансформаторов

Любой специалист скажет, что тороидальная форма сердечника является идеальной для трансформатора по нескольким причинам: во-первых, экономия материалов на производстве, во-вторых, обмотки равномерно заполняют весь сердечник, распределяясь по всей его поверхности, не оставляя неиспользованных мест, в-третьих, поскольку обмотки имеют меньшую длину, КПД тороидальных трансформаторов получается выше в силу меньшего сопротивления провода обмоток.

Экономия электроэнергии — еще один плюс в пользу тороидального трансформатора. Примерно на 30% больше энергии сохраняется при полной нагрузке, и примерно 80% на холостом ходу, в сравнении с шихтованными магнитопроводами иных форм. Показатель рассеяния у тороидальных трансформаторов в 5 раз меньше, чем у броневых и стержневых трансформаторов, поэтому их можно безопасно использовать с чувствительным электронным оборудованием.

Что такое магнитопровод и где он используется
Обмотка тороидального трансформатора.

Охлаждение обмоток — еще один важный фактор. Обмотки эффективно охлаждаются, будучи расположены в форме тороида, следовательно плотность тока может быть более высокой. Потери в железе при этом минимальны и ток намагничивания сильно меньше. В итоге тепловая нагрузочная способность тороидального трансформатора оказывается очень высокой.

Будет интересно Режим холостого хода для трансформаторов

При мощности тороидального трансформатора до киловатта, он настолько легок и компактен, что для монтажа достаточно применить прижимную металлическую шайбу и болт. Потребителю всего то и нужно выбрать подходящий трансформатор по току нагрузки и по первичному и вторичному напряжениям. При изготовлении трансформатора на заводе рассчитывают площадь сечения сердечника, площадь окна, диаметры проводов обмоток, – и выбирают оптимальные габариты магнитопровода с учетом допустимой индукции в нем.

Методика расчета – пошаговая инструкция

Сам же расчет тороидального трансформатора разделяется на две части:

  1. Непосредственно рассчитать мощность тороидального сердечника, чтобы ее определить вы можете получить, при наличии у вас конкретного сердечника, или заданной мощности, то определить размеры будущего трансформатора.
  2. Расчет собственно электрической части, которая включает в себя количество витков в обмотках, а также какое сечение будет применяться в обмотках и материал провода.

Расчет сердечника

Его мы произведем по формуле, которая уже включает в себя константы, для упрощения понимания его результатов. Дальше останется подставить в ниже приведенную формулу только переменные значения, а именно:

Рекомендуем! Как сделать индукционный нагреватель и печь из сварочного инвертора

«P=1,9*Sc*So», где:

  • P – это мощность, которую возможно получить, применяя сердечник с таким габаритными размерами
  • 1,9 – результат математических действий над всеми константами для данного вида трансформаторов
  • Sc- площадь сердечника, единица измерения сантиметры квадратные
  • So – площадь отверстия в теле сердечника, в «кв. см.»

Формулы расчета площади сечения тороидального сердечника

Если сделанный трансформатор будет иметь основное назначение – сварка, то размеры его сердечника должны быть адекватными, иначе полученной мощности устройства будет не достаточно для выполнения своих функций. Для примера возьмем следующие значения и применив калькулятор вычислим. «P=1,9*70*70=9310 Ватт»

Определим количество витков первичной обмотки

В первую очередь рассмотрим расчет с единой первичной обмоткой, без регулировки. Для этого сначала выясним, сколько витков обмотки должен иметь тороидальный трансформатор для получения 1 вольта напряжения. Применим следующую формулу. К=35/ Sc, где:

  • K – количество витков на 1 вольт напряжения.
  • 35 – это константа, которая одинакова для всех типов тороидальных сердечников.
  • Sc- площадь сердечника, единица измерения сантиметры квадратные.

Таким образом, если у нас имеется сердечник площадью 70 «кв. см.», то подставив значения в формулу, получим следующую ситуацию. «K=35/70=0,5» витка на каждый вольт, и соответственно объём первичной обмотки узнаем, применив соответствующую формулу. «W1=U1*K», где:

  • W1- количество витков в первой обмотке.
  • U1 – необходимое напряжение в этой точке.
  • K – количество витков на 1 вольт напряжения.

«W1=220*0,5=110» – витков. С учетом того, что мы проводим вычисления для сварочного трансформатора, то примем за рабочее напряжение вторичной равное 35 вольт, тогда исходя из аналогичной формулы, получим. «W2=35*0,5=17,5» – витков.

Расчет сечения применяемых проводов

Чтобы рассчитать необходимые сечения нужно понять какой ток будет через них протекать, это единственный параметр который влияет на толщину используемого материала, итак, вычисление величины тока в обмотках трансформатора: «I пер.=9310 Ватт/220 Вольт=42.3 Ампера» С вторичной обмоткой несколько сложнее, все должно опираться на напряжение дуги и ток сварки. «I свар.=(29 Вольт-14)/0.05=300 Ампер», где 29 вольт среднее значение дуги сварки. Теперь проверяем, возможна ли такая мощность у нашего устройства 300 Ампер*29 Вольт=8700 Ватт.

Рекомендуем! Как сделать газовую горелку самостоятельно

Это значение вполне укладывается в мощность, которой обладает тороидальный трансформатор, рассчитываемый нами, поэтому 300 Ампер, считаем током вторичной обмотки. Проведя эти нехитрые вычисления, для которых даже не всегда нужен калькулятор, можно перейти к определению сечения проводов и их материала.

Из руководящих документов таких как, например «ПУЭ», известно, что для продолжительной работы требуется 1 квадратный миллиметр сечения меди на каждые 5 ампер тока, а при использовании алюминия 2 ампера. Исходя из этих данных, вычисляем сечение проводов в устройстве для меди:

  1. Первичная обмотка=42,3/5=8,46 кв. мм, ближайший стандарт сечения это 10.
  2. Вторичная обмотка=300/5=60 кв. мм, выбираем следующее по стандарту сечение в сторону увеличения это 70.

Применяем условие продолжительности нагрузки 40 процентов, так как никто не работает все время под нагрузкой. В этом случае сечение можно уменьшить в два раза, тогда получаем:

  1. 8,46/2=4,23 ближайший стандарт сечения -6 кв. мм.
  2. 60/2=30 следующий стандарт 35 кв. мм.
Популярные статьи  Гирлянда бахрома

Классификации

Трансформаторы классифицируются по ряду параметров, таким как:

  • Назначение. Применяются: для изменения напряжения, измерения тока, защиты электрических цепей, как лабораторные и промежуточные устройства.
  • Способ установки. В зависимости от размещения и мобильности трансформатор может быть: стационарным, переносным, внутренним, внешним, опорным, шинным.
  • Число ступеней. Устройства подразделяются на одноступенчатые и каскадные.
  • Номинальное напряжение. Бывают низко- и высоковольтными.
  • Изоляция обмоток. Наиболее часто используется бумажно-масляная, сухая, компаундная.

Помимо этого, преобразовательные устройства разнятся типами, каждому из которых присуща своя система классификации.

Силовой

Наибольшее распространение получил силовой трансформатор. Приборы с непосредственным преобразованием переменного напряжения, рассчитанные на большую мощность, востребованы различными областями электроэнергетики. Они применяются на линиях электропередач с напряжениями 35–1150 кВ, в городских электросетях, работающих с напряжением 6 и 10 кВ, в обеспечении конечных потребителей напряжением 220/380В. С помощью устройств осуществляется питание всевозможных электроустановок и приборов в диапазоне от долей до сотен тысяч вольт.

Что такое магнитопровод и где он используетсяСиловой трансформатор

Измерительные

Трансформаторы тока (ТА) понижают ток до необходимых показателей. Схема их работы отличается последовательным включением первичной обмотки и нагрузки. В то же время вторичная обмотка, находящаяся в состоянии, близком к короткому замыканию, используется для подключения измерительных приборов, исполнительных и индикаторных устройств. С помощью ТА осуществляется гальваническая развязка, что позволяет при измерениях отказаться от шунтов.

Что такое магнитопровод и где он используетсяВысоковольтный ТТ(слева) и низковольтный ТТ(справа)

С помощью трансформаторов напряжения (ТН), тоже самое что и ТА только по напряжению. Помимо преобразования входных параметров, электроаппаратура и её отдельные элементы получают защиту от высокого вольтажа.

Что такое магнитопровод и где он используетсяВысоковольтный ТН(слева) и низковольтный ТН(справа)

Импульсный

При необходимости преобразования сигналов импульсного характера применяются импульсные трансформаторы (ИТ). Изменяя амплитуду и полярность импульсов, устройства сохраняют их длительность и практически не затрагивают форму.

Автотрансформатор

В автотрансформаторах обмотки составляют одну цепь и взаимодействуют посредством электромагнитной и электрической связи. В отличие от других типов преобразователей, устройства могут содержать всего 3 вывода, позволяющих оперировать с различными напряжениями. Приборы выделяются высоким коэффициентом полезного действия, что особо сказывается при незначительном перепаде входного и выходного напряжения.

Что такое магнитопровод и где он используетсяОднофазный(слева) и трёхфазный(справа)

Не имея гальванической развязки, представители данного типа повышают риск высоковольтного удара по нагрузке. Обязательным условием работы устройств являются надёжное заземление и низкий коэффициент трансформации. Недостаток компенсируется меньшим расходом материалов при изготовлении, компактностью и весом, стоимостью.

Разделительный

Для разделительных трансформаторов взаимодействие между обмотками исключено. Устройства повышают безопасность электрооборудования при повреждённой изоляции.

Что такое магнитопровод и где он используетсяРазделительный трансформатор

Согласующий

Согласующие трансформаторы применяются для выравнивания сопротивлений между каскадами схем электроники. Сохраняя форму сигнала, они играют роль гальванической развязки.

Пик-трансформатор

С помощью пик-трансформатора синусоидальное напряжение преобразуется в импульсное. При этом импульсы меняют полярность с каждым полупериодом.

Сдвоенный дроссель

Особенностью сдвоенного дросселя является идентичность обмоток. Взаимная индукция катушек делает его более эффективным, по отношению стандартным дросселям. Устройства используются как входные фильтры в блоках питания, в звуко- и цифровой технике.

Что такое магнитопровод и где он используетсяСдвоенный дроссель

Сварочный

Помимо вышеперечисленных, существует понятие сварочные трансформаторы. Специализированные приборы для сварочных работ понижают напряжение бытовой сети при одновременном повышении тока, измеряемого тысячами ампер. Регулировка последнего осуществляется разделением обмоток на сектора, что отражается на индуктивном сопротивлении.

Что такое магнитопровод и где он используетсяСварочный трансформатор

Как проверить устройство

Необходимые материалы для тестирования тороидального трансформатора: схема цепи с указанием того, как подсоединен трансформатор и (цифровой электронный мультиметр тестер или аналоговый мультиметр тестер).

Первый шаг заключается в том, что трансформатор необходимо визуально осмотреть и проверить, нет ли от него запаха. Перегрев может привести к неисправности трансформатора, если есть следы ожогов или внешняя часть обмотки видна снаружи, трансформатор должен быть заменен и нет никакой необходимости для дальнейших испытаний, которые будут проводиться.

Что такое магнитопровод и где он используется
Проверка тороидального трансформатора.

Точно так же, запах гари является свидетельством того, что трансформатор перегревается. Если никаких дополнительных повреждений не видно за исключением запаха, дальнейшие испытания могут быть проведены, чтобы определить, является ли трансформатор в рабочем состоянии или нет.

Информация о входном и выходном напряжении, как правило, четко обозначена на трансформаторе, но самым безопасным вариантом является получение схемы цепи от производителя продукта.

Инструкция пошаговой проверки

Напряжение, которое подается на первичную обмотку, должно быть четко указано на схеме цепи и корпуса трансформатора. Аналогичным образом, выходное напряжение, подаваемое на вторичной обмотке должно быть четко указано на схеме цепи и корпуса трансформатора. Вы должны знать входное и выходное напряжения для того, чтобы проверить, правильно ли работает трансформатор.

Будет интересно Что такое разделительные трансформаторы

Трансформатор не способен преобразовывать переменное напряжение, в напряжение постоянного тока. Для преобразования напряжения переменного тока используются диоды и конденсаторы.

Схема цепи покажет, как выходное напряжение трансформатора преобразуется из переменного тока, в напряжение постоянного тока. Вам потребуется эта информация, чтобы определить, следует ли завершить измерения, проводимые с помощью мультиметра тестера в режиме переменного тока или в режиме постоянного тока. Начните проведение теста путем подключения питания и коммутации к изделию. Далее следуйте инструкции:

  1. Переключите цифровой мультиметр тестер (с экраном) или аналоговый мультиметр тестер в режиме напряжения переменного тока.
  2. Для того, чтобы подтвердить правильность входного напряжения для трансформатора, проверьте напряжение, прикоснувшись красный щуп к положительному полюсу, а черный зонда к отрицательной клемме трансформатора основного входа.
  3. Если значения напряжений слишком низкие, значит это может быть из-за проблем с трансформатором или схемами.
  4. Необходимо удалить трансформатор от входной цепи и проверить входную мощность, представленную схемой. Если показания находятся в линии, то трансформатор неисправен и если показания остаются неизменными, то схема неисправна.
  5. Чтобы проверить выходное напряжение сначала нужно определить, является ли выходное напряжение в сети переменного или постоянного тока.
  6. Установите цифровой или аналоговый мультиметр тестер в нужный режим для проверки.

Если конденсаторы и диоды используются для преобразования выходного напряжения от сети переменного тока в напряжении постоянного тока, то слишком низкое чтение может быть вызвано неисправным трансформатором или неисправными конденсаторами и диодами. В видеоролике об устройстве будет рассказано подробнее.

Извлеките тороидальный трансформатор с выходной схемой и проверьте выходное напряжение трансформатора. Не забудьте изменить режим мультиметра тестера к напряжению сети переменного тока. Если выходное напряжение в линии, трансформатор работает правильно, то проблема будет тогда с конденсаторами и диодами.

Тороидальные трансформаторы, которые излучают постоянный жужжащий звук скоро выйдут из строя и должны быть заменены

Всегда помните об осторожности, не касайтесь схемы при выполнении тестов. Случайный контакт со схемой, которая находится под напряжением может привести к травмам

Типы магнитопроводов трансформатора

Различают стыковую конструкцию и шихтованное исполнение стержневых магнитопроводов. Они отличаются видом соединения основного элемента с ярмом.

Стыковая конструкция

В такой конструкции сборка ярм и стержней осуществляется раздельно. Вначале на стержень монтируют обмотку, после этого крепят верхнее ярмо. Для изоляции пластин между стыкующимися элементами укладывают электрокартон. После монтажа ярма, конструкция прессуется и стягивается с помощью вертикальных шпилек. Такой тип сборки применяется для шунтирующих и токоограничивающих реакторов. Зависит это, в основном, от габаритов установки. При небольших размерах конечного изделия, такая сборка очень удобна, так как нужно лишь снять верхнее ярмо для монтажа обмоток.

Популярные статьи  Новые генераторы энергии

Когда речь идет о применении такой конструкции в силовых трансформаторах, возникает потребность в громоздких устройствах для стяжки изделия. Поверхности стержней и ярм, подлежащих стыковке, должны быть механически обработаны. Это снижает магнитное сопротивление, но требует больших материальных затрат и времени. Поэтому для силовых трансформаторов применяется другой вид сборки – шихтовка.

Шихтованная конструкция

В такой конструкции ярма и стержни представляют собой переплет. Их разбивают на слои определенной толщины. Состоит каждый такой пакет из двух-трех листов стали. Каждый слой содержит пластины, часть которых должна заходить в ярмо. Необходимо следить за тем, чтобы пластины предыдущего слоя перекрывали стыки пластин соседнего элемента.

Преимуществом такого вида сборки являются:

  • небольшой вес конструкции;
  • малые зазоры в зонах стыков;
  • малый ток холостого хода;
  • повышенная механическая прочность.

Из недостатков можно выделить фактор более сложной сборки трансформатора.

Сначала необходимо произвести расшихтовку верхнего ярма на отдельные слои. Затем обмотки насаживают на стержни и повторяют шихтование. Это делает монтаж более трудоемким. Проводить его должен квалифицированный специалист, так как некачественная сборка может ухудшить технические параметры трансформатора.

Подбор и изготовление тороидального сердечника

Наилучшим материалом для изготовления тороидального магнитопровода является ленточная трансформаторная сталь. Для изготовления сердечника эта лента сворачивается в рулон, имеющий форму тора прямоугольного сечения. Если имеется такая лента или сердечник из нее, то особых проблем при изготовлении магнитопровода для тороидального трансформатора не будет.

Характеристики сварочных трансформаторов.

При малом значении внутреннего диаметра d можно часть ленты с внутренней стороны тора отмотать, а затем намотать ее на наружную поверхность сердечника. В результате возрастут оба диаметра, а площадь внутренней части магнитопровода увеличится. Правда, несколько уменьшится площадь поперечного сечения сердечника S0. При необходимости можно добавить ленту с другого магнитопровода.

Хороший готовый тороидальный сердечник можно взять от рассчитанного на ток 9 А лабораторного автотрансформатора ЛАТР 1М. Нужно только перемотать его обмотки. Бывает, что для изготовления тороидального сердечника для трансформатора используется магнитопровод статора подходящего электродвигателя.

Еще один способ изготовления тороидального сердечника — использование в качестве материала пластин от неисправного мощного промышленного или силового трансформатора, питавшего в свое время ламповый цветной телевизор. Сначала из этих пластин с помощью заклепок изготовляется обруч, имеющий диаметр около 26 см. Затем внутрь этого обруча начинают вставлять одну за другой пластины встык, придерживая их рукой от разматывания.

После набора нужного сечения S0 магнитопровод готов. Для увеличения S0 можно изготовить два тороида одинаковых размеров, а затем соединить их вместе. Края тороидов следует слегка закруглить с помощью напильника. Из электроизоляционного картона следует изготовить два кольца, имеющих внутренний диаметр d и внешний D, а также две полоски на внутреннюю и наружную сторону тора. После наложения их на тороид, сердечник обматывается поверх картонных прокладок киперной или тканой изоляционной лентой. Магнитопровод готов, и можно начинать наматывать обмотки.

Это интересно: Как сделать трансформатор своими руками? (видео)

Что такое магнитопровод трансформатора и зачем он нужен?

Магнитопровод или сердечник трансформатора позволяет более эффективно преобразовывать напряжение, уменьшая при этом потери. Для изготовления сердечников используют специальную ферромагнитную сталь.

Виды сердечников трансформатора

Сердечники по строению разделяют на:

  • стержневые;
  • броневые;
  • тороидальные.

Стержневой сердечник имеет вид буквы П. Обмотки насаживаются на стержни, а сами стержни соединяются ярмом. Такая конструкция магнитопровода позволяет легко осматривать и ремонтировать обмотки. Поэтому такой тип характерен для средних и мощных трансформаторов.

Броневой сердечник Ш-образной формы. Обмотки находятся на центральном стержне. Броневые трансформаторы сложнее в производстве. И ремонтировать обмотки в них не так просто, как в стержневых.

Тороидальный сердечник имеет вид кольца с сечением прямоугольной формы. Обмотки наматываются прямо на него. Поэтому этот тип сердечников считается самым энергетически эффективным.

Что такое магнитопровод и где он используется

а – стержневой сердечник, б – броневой сердечник, в – тороидальный сердечник.

Конструктивные особенности

Наибольшая индуктивность получается, когда сердечник замкнут. Такой магнитопровод может быть тороидальным если он имеет вид бублика (тороида). Они используются для получения минимальной индуктивности рассеяния, то есть магнитного поля находящегося вне магнитопровода. Но поскольку они сложны в изготовлении, чаще применяются магнитопроводы из двух зеркально — симметричных частей вставляемых внутрь цилиндрической катушки, удобной в изготовлении.

В материале магнитопровода можно условно выделить множество короткозамкнутых обмоток. Переменный ток в обмотке вызывает в них токи потерь. Чтобы потери уменьшились, он делается многослойным с надёжной изоляцией слоёв друг от друга. Обычно для этого используются пластины необходимой формы. Из них изготовлены в большинстве своём все трансформаторы и дроссели, используемые в сетях централизованного электроснабжения. Реже используется конструкция в виде ленты в рулоне. Её сложнее состыковать с остальными деталями магнитопровода, если таковые имеются.

Конструктивно сердечники бывают стержневыми и броневыми. Они широко используются в трансформаторах и дросселях как показано на изображениях ниже:

     

Металлические сердечники из сплавов на основе железа используются во всех электрических машинах, работающих на напряжении с частотой 50 Гц. На изображении показан магнитопровод электродвигателя. Пазы предназначены для расположения витков обмотки.

Что такое магнитопровод и где он используется

Увеличение частоты заметно уменьшает массу и габариты сердечников. Очень наглядным примером этого являются цокольные люминесцентные лампы. Но в высокочастотных устройствах приходится применять другие материалы для изготовления магнитопроводов. Даже самые тонкие пластины из сплава на основе железа нагреваются на высоких частотах неприемлемо сильно.

С увеличением частоты более 50 Гц для сердечников применяется сплав пермаллой на основе никеля, а на частотах более 1 кГц – сердечники из спекаемого порошка. Сердечники из пермаллоя конструктивно такие же, как и те, что изготовлены на основе железа – стержневые и броневые, только поменьше размером при равных мощностях трансформаторов и электродвигателей. А вот сердечники из порошка весьма разнообразны по своему составу. Они имеют небольшие размеры и технологичны в изготовлении не только для стержневых и броневых конструкций, но и для чашек, как видно на изображении слева.

Эти сердечники применяются в импульсных источниках электропитания, электронных балластах люминесцентных ламп и в различных радиоэлектронных устройствах в колебательных контурах, трансформаторах и фильтрах. В качестве материала сердечника наиболее широко используются различные марки ферритов.

Словом, современные материалы позволяют изготавливать магнитопроводы для решения большинства технических задач.

Использование материала для магнитопровода с низкими потерями

            Для магнитопроводов трансформатора выбор металла, из которого они изготавливаются, является критичным

Поэтому важно, чтобы использовалась сталь с хорошими магнитными свойствами. Существует множество сортов стали, которые можно использовать для магнитопровода трансформатора

Каждый из них оказывает собственное влияние на эффективность на основе единицы веса. Выбор материала зависит от оценки потерь при отсутствии нагрузок, и общих затрат на владение трансформатором.
Сегодня почти все производители трансформаторов используют для своих магнитопроводов сталь, обеспечивающую низкие потери, связанные с влиянием магнитного гистерезиса и вихревых токов. Для достижения этих целей почти всегда используется кремнистая сталь холодной прокатки, с высокой магнитной проницаемостью, и ориентацией зерен. При сборке магнитопровода используется соединение пластин под углом 45°Со сдвигом, а сами пластины тщательно укладываются.

Потеря сердечника

Когда сердечник подвергается воздействию изменяющегося магнитного поля, как это происходит в устройствах, использующих переменный ток, таких как трансформаторы , катушки индуктивности , двигатели переменного тока и генераторы переменного тока , часть мощности, которая в идеале должна передаваться через устройство, теряется в сердечнике, рассеивается в виде тепла, а иногда и шума . Потери в сердечнике обычно называют потерями в стали, в отличие от потерь в меди , потерями в обмотках. Железные потери часто делятся на три категории:

Популярные статьи  Переходное сопротивление

Гистерезисные потери

Когда магнитное поле через сердечник изменяется, намагниченность материала сердечника изменяется из-за расширения и сжатия крошечных магнитных доменов, из которых он состоит, из-за движения доменных стенок . Этот процесс вызывает потери, потому что доменные стенки «цепляются» за дефекты кристаллической структуры, а затем «щелкают» мимо них, рассеивая энергию в виде тепла. Это называется гистерезисной потерей . Это можно увидеть на графике зависимости поля B от поля H для материала, который имеет форму замкнутого контура. Чистая энергия, которая течет в катушку индуктивности, выраженная по отношению к характеристике BH сердечника, выражается уравнением

Wзнак равно∫(пАcdB(т)т)(ЧАС(т)лмп)dтзнак равно(Аcлм)∫ЧАСdB{\ Displaystyle W = \ int {\ left (nA_ {c} {\ frac {dB (t)} {t}} \ right) \ left ({\ frac {H (t) l_ {m}} {n}) } \ right) dt} = (A_ {c} l_ {m}) \ int {HdB}}

Это уравнение показывает, что количество энергии, теряемой материалом за один цикл приложенного поля, пропорционально площади внутри петли гистерезиса . Поскольку потери энергии в каждом цикле постоянны, гистерезисные потери мощности увеличиваются пропорционально частоте . Окончательное уравнение для гистерезисных потерь мощности:

пЧАСзнак равно(ж)(Аcлм)∫ЧАСdB{\ Displaystyle P_ {H} = (е) (A_ {c} l_ {m}) \ int {HdB}}

Вихретоковые потери

Если сердечник электрически проводящий , изменяющееся магнитное поле индуцирует в нем циркулирующие петли тока, называемые вихревыми токами , из-за электромагнитной индукции . Петли текут перпендикулярно оси магнитного поля. Энергия токов рассеивается в виде тепла в сопротивлении материала сердечника. Потери мощности пропорциональны площади контуров и обратно пропорциональны удельному сопротивлению материала сердечника. Потери на вихревые токи можно уменьшить, сделав сердечник из тонких пластин, имеющих изолирующее покрытие, или, в качестве альтернативы, сделав сердечник из магнитного материала с высоким электрическим сопротивлением, такого как феррит . По этой причине в большинстве магнитных сердечников, предназначенных для применения в преобразователях мощности, используются ферритовые сердечники.

Аномальные потери

По определению, эта категория включает любые потери в дополнение к вихретоковым и гистерезисным потерям. Это также можно описать как расширение петли гистерезиса с увеличением частоты. Физические механизмы аномальных потерь включают локализованные вихретоковые эффекты вблизи движущихся доменных стенок.

Уравнение Легга

Уравнение, известное как уравнение Легга, моделирует потери в сердечнике из магнитного материала при низких плотностях магнитного потока . Уравнение имеет три составляющих потерь: гистерезис, остаточный ток и вихревой ток, и определяется выражением

рacμLзнак равноаBМаксимумж+cж+еж2{\ displaystyle {\ frac {R _ {\ text {ac}}} {\ mu L}} = aB _ {\ text {max}} f + cf + ef ^ {2}}

где

  • раc{\ displaystyle R_ {ac}} эффективное сопротивление потерь в сердечнике (Ом),
  • μ{\ displaystyle \ mu}это материал , проницаемость ,
  • L{\ displaystyle L}это индуктивность (Henrys),
  • а{\ displaystyle a} — коэффициент потерь на гистерезис,
  • BМаксимум{\ displaystyle B _ {\ text {max}}} — максимальная плотность потока (гаусс),
  • c{\ displaystyle c} — коэффициент остаточных потерь,
  • ж{\ displaystyle f} — частота (герцы), а
  • е{\ displaystyle {\ ce {e}}} — коэффициент потерь на вихреобразование.

Коэффициенты Штейнмеца

Потери в магнитных материалах можно охарактеризовать с помощью коэффициентов Стейнмеца, которые, однако, не принимают во внимание изменчивость температуры. Производители материалов предоставляют данные о потерях в сердечнике в табличной и графической форме для практических условий использования.

Усилитель магнитного поля

Если возникает потребность в его усилении, применяются магнитопроводы. Также они называются сердечниками. Их материал и конструкция зависят от назначения устройства

Материал сердечника является его самой важной составляющей. Свойства материала в основном определяют процессы, которые происходят в сердечнике

Эти процессы различны в случае его взаимодействия с постоянным и переменным током.

Простейший магнитопровод это стержень круглого или иного по форме сечения. Его охватывают витки катушки, которая в тех или иных устройствах называется обмоткой. Магнитными свойствами обладают различные материалы. Наиболее эффективными усилителями электромагнитного поля являются материалы, именуемые ферромагнетиками. Это сплавы на основе железа с добавлением некоторых других компонентов. Добавки определяются свойствами сплава, которые стремятся получить в результате.

Если из такого сплава изготовить монолитный цилиндр и поместить его внутрь катушки получится устройство, которым можно пользоваться для тех или иных целей. Если ток в обмотке будет постоянным, такое устройство будет создавать постоянное магнитное поле. Получится электромагнит. Для того чтобы в сердечнике увеличивалась сила магнитного поля надо увеличивать либо силу тока в обмотке, либо число витков в обмотке, либо и то и другое вместе.

Но увеличение силы магнитного поля в сердечнике ограничено свойствами сплава. Этот эффект называется магнитным гистерезисом, а состояние магнитопровода – насыщением. Графически процессы в магнитопроводе отображаются в виде петли гистерезиса:

Что такое магнитопровод и где он используется

Насыщение магнитопровода начинается вблизи горизонтального участка кривой при движении по ней от нуля.

Любая катушка обладает индуктивностью. Сердечник эту индуктивность существенно увеличивает. Поэтому такие катушки применяются в цепях переменного тока и называются дросселями. Индуктивность определяется в первую очередь массой сердечника. Расстояние между его концами является следующим параметром, который влияет на величину индуктивности и называется зазором.

Как сократить потери в магнитопроводе трансформатора?

В работающем трансформаторе на сердечник воздействует переменное магнитное поле. В результате вокруг сердечника возникают вихревые токи. Из-за них магнитопровод нагревается – то есть часть полезной энергии уходит впустую.

На потери из-за перемагничивания влияет:

  • характер материала сердечника. Чем проще намагничивается металл, тем проще его перемагнитить и тем меньше потери в трансформаторе;
  • частота перемагничивания;
  • максимальное значение магнитной индукции.

Чтобы снизить потери, для производства сердечников используют сталь с выраженными магнитными свойствами. Такой материал требует меньше энергии на перемагничивание.

В монолитных проводниках вихревые токи приобретают максимальные значения из-за небольшого сопротивления. Следовательно, чтобы уменьшить потери в трансформаторе, нужно увеличить сопротивление материала сердечника. Производители силовых трансформаторов нашли выход: они набирают магнитопровод из металлических листов. Стальные пластины для сердечника берутся не более 0,5 мм толщиной.

Чтобы действительно снизить сопротивление вихревым токам в сердечнике, металлические пластины нужно изолировать. Для этого производители трансформаторов используют лак и окалину. Прослойка не дает влиять вихревым токам на магнитный поток в сердечнике. Поэтому потери снижаются.

Производители собирают пластины двумя способами:

  • встык – при этом собирается сам сердечник, потом на него насаживаются обмотки и только после этого все скрепляется ярмом в единую конструкцию;
  • впереплет (шихтованные сердечники) – когда каждый следующий ряд пластин перекрывает стыки на предыдущем.

Встык магнитопровод проще монтировать, но уровень потерь в них выше, чем у шихтованных сердечников. Поэтому большим спросом пользуются шихтованные трансформаторы.

Оцените статью
Добавить комментарии

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: