Vlastnosti struktury jádra transformátoru

Jmenování magnetické jádro je vytvořit uzavřenou dráhu pro magnetický tok, která má minimální magnetický odpor. Proto jsou magnetické obvody pro transformátory vyrobeny z materiálů s vysokou magnetickou permeabilitou v silných střídavých magnetických polích. Materiály musí mít nízké ztráty vířivými proudy, aby nedocházelo k přehřívání magnetického obvodu při dostatečně vysokých hodnotách magnetické indukce, být dostatečně levné a nevyžadovat složité mechanické a tepelné zpracování.

Magnetické materiály, používané pro výrobu magnetických jader, se vyrábějí ve formě samostatných listů, nebo ve formě dlouhých pásků o určité tloušťce a šířce a jsou tzv. elektrotechnické oceli.
Plechy (GOST 802-58) se vyrábějí válcováním za tepla a za studena, pásové oceli s orientovaným zrnem (GOST 9925-61) pouze válcováním za studena.

Používají se také slitiny železa a niklu s vysokou magnetickou permeabilitou, např. permalloy, permindur atd. (GOST 10160-62), a nízkofrekvenční magneticky měkké ferity.

Pro výrobu různých relativně levných transformátorů jsou široce používány elektrotechnické oceli, který má nízkou cenu a umožňuje transformátoru pracovat jak s konstantní magnetizací magnetického obvodu, tak bez ní. Největší uplatnění našly oceli válcované za studena, které mají lepší vlastnosti než oceli válcované za tepla.

Slitiny s vysoká magnetická permeabilita používá se k výrobě pulzních transformátorů a transformátorů určených pro provoz při zvýšených a vysokých frekvencích 50 – 100 kHz.

Nevýhodou těchto slitin je jejich vysoká cena. Takže například náklady na permalloy jsou 10-20krát vyšší než náklady na elektrotechnickou ocel a permendur je 150krát vyšší. V některých případech však jejich použití může výrazně snížit hmotnost, objem a dokonce i celkové náklady na transformátor.

Jejich další nevýhodou je silný vliv na magnetickou permeabilitu trvalého předpětí, střídavých magnetických polí a také malá odolnost proti mechanickému namáhání – rázům, tlaku apod.

Z magneticky měkké nízkofrekvenční ferity s vysokou počáteční propustností jsou vyrobeny lisované magnetické obvody, které se používají k výrobě pulzních transformátorů a transformátorů pracujících na vysokých frekvencích 50 – 100 kHz. Výhodou feritů je jejich nízká cena a nevýhodou nízká indukce saturace (0,4 – 0,5 T) a silná teplotní a amplitudová nestabilita magnetické permeability. Proto se používají pouze ve slabých polích.

Výběr magnetických materiálů se provádí na základě elektromagnetických charakteristik s přihlédnutím k provozním podmínkám a účelu transformátoru.

Typy magnetických obvodů

Podle konstrukce magnetického jádra se transformátory dělí na tyčové a pancéřované.

Magnetický obvod jednofázového tyčového transformátoru (obrázek 1, a) má dvě tyče C, na kterých jsou umístěna vinutí, a dvě třmeny R, které slouží k vytvoření uzavřeného magnetického obvodu. Každé ze dvou vinutí (1 a 2) se skládá ze dvou částí umístěných na dvou tyčích a tyto části jsou spojeny buď sériově nebo paralelně. Při tomto uspořádání jsou primární a sekundární vinutí blízko sebe, což vede ke zvýšení koeficientu elektromagnetické vazby [viz rovnice (1) v článku „Princip činnosti a typy transformátorů“].

Jednofázový pancéřovaný transformátor (obrázek 1, b) má jedno jádro s vinutími a vyvinutým jhem, které částečně zakrývá vinutí jako „brnění“.

Pro převod nebo transformaci třífázového proudu můžete použít tři jednofázové transformátory (obrázek 2), jejichž vinutí jsou zapojena do hvězdy nebo trojúhelníku a připojena k třífázové síti. Takové zařízení se nazývá skupina třífázového transformátoru nebo skupinový transformátor. Častěji se však používají třífázové transformátory s magnetickým obvodem společným pro všechny fáze, protože takové transformátory jsou kompaktnější a levnější.

Myšlenka vytvoření třífázového tyčového transformátoru je znázorněna na obrázku 3. Pokud je splněna podmínka pro třífázové sinusové proudy

pak pro sinusové toky tří transformátorů (obrázek 3, a) je podmínka také dodržena

Pokud tedy spojíme tři tyče 1, 2 a 3 (obrázek 3, a) do společné tyče, pak bude průtok v této tyči nulový a tato tyč může být odstraněna. Pak dostaneme třífázový třítyčový transformátor znázorněný na obrázku 3, b. Konstrukce tohoto transformátoru může být zjednodušena umístěním všech tří tyčí do stejné roviny (obrázek 3, c). Tento poslední návrh navrhl M. O. Dolivo-Dobrovolsky v roce 1889 a byl široce distribuován. Takový magnetický obvod není zcela symetrický, protože délka magnetických čar střední fáze je o něco kratší než u krajních, ale vliv této asymetrie je velmi nevýznamný.

Na třífázový pancéřový transformátor (obrázek 4) lze pohlížet jako na tři jednofázové pancéřované transformátory umístěné vedle sebe nebo nad sebou. V tomto případě má střední fáze obrácenou inkluzi vzhledem k extrémním, takže v kontaktních částech magnetického systému se fázové toky sčítají, nikoli odečítají.
, pak při takovém zahrnutí střední fáze se tok v kontaktních částech magnetického systému sníží faktorem √3 a průřez těchto částí magnetického obvodu se může zmenšit o stejnou hodnotu. V tomto případě se průtoky ve všech částech třmenu rovnají polovině průtoku tyčí.

U pancéřovaných transformátorů je koeficient elektromagnetické vazby mezi vinutími poněkud vyšší než u tyčových transformátorů, a proto jsou pancéřové transformátory z elektromagnetického hlediska o něco dokonalejší. Tato výhoda však nemá velký význam. Vzhledem k tomu, že pancéřové transformátory mají složitější konstrukci, pancéřové výkonové transformátory se v Rusku nestaví.

S nárůstem výkonu transformátorů narůstá jejich velikost a obtížnost přepravy po železnici. Proto se v transformátorech s výkonem Sn > 80 – 100 MV × A na fázi a napětím 220 – 500 kV používá pancéřované tyčové nebo vícetyčové provedení. Taková provedení se získají, pokud u transformátorů typu znázorněného na obrázcích 1, a a 3 přidáme jedno boční jho vlevo a vpravo (obrázek 5). V tomto případě se magnetický tok v horním a dolním třmenu rozvětvuje a v případě znázorněném na obrázku 5 a se sníží o polovinu a v případě obrázku 5 b – faktorem 1, a a 3, c . O stejnou hodnotu lze zmenšit průřez třmenu, v důsledku čehož se zmenšuje výška magnetických obvodů.

Používají se především třífázové transformátory se společným magnetickým systémem. Třífázové skupiny jednofázových transformátorů se používají za prvé při velmi vysokých výkonech (Sn > 300 MVA), kdy je doprava třífázového transformátoru velmi obtížná nebo nemožná, a za druhé někdy při Sn > 30 MVA , kdy aplikační jednofázové transformátory umožňují snížit rezervní výkon v případě havárie nebo opravy.

Podle způsobu kloubového spojení tyčí s třmeny se rozlišují transformátory s tupými a vrstvenými magnetickými jádry. V prvním případě jsou tyče a třmeny sestaveny odděleně a upevněny k sobě pomocí spojovacích tyčí a na spojích jsou umístěny izolační těsnění, aby se zabránilo uzavření plechů a vzniku výrazných vířivých proudů. Ve druhém případě jsou tyče a třmeny sestaveny dohromady jako integrální konstrukce a listy tyčí a třmenu jednotlivých vrstev jsou sestaveny do vazby. U konstrukce na tupo způsobuje přítomnost nemagnetických mezer na spojích znatelné zvýšení magnetického odporu magnetického obvodu a v důsledku toho zvýšení magnetizačního proudu. Kromě toho přítomnost izolačních těsnění neposkytuje plnou záruku proti možnosti uzavření ocelových plechů. Magnetické obvody na tupo se proto používají jen zřídka.

U pancéřovaných magnetických obvodů jsou průřezy tyčí pravoúhlé a tyč a pancéřované magnetické obvody mají průřez mnohoúhelníkem vepsaným do kruhu.V tomto případě mají vinutí tvar kruhových válců a v důsledku toho ke stupňovitému průřezu magnetického obvodu je faktor plnění dutiny vinutí ocelí velký. Taková konstrukce je nejracionálnější z hlediska spotřeby materiálu, snížení velikosti a nákladů na výrobu transformátoru a také mechanické pevnosti vinutí. S rostoucím výkonem se zvyšuje počet stupňů magnetického obvodu. U výkonných transformátorů jsou v průřezu magnetického jádra upraveny kanály pro chlazení cirkulujícím transformátorovým olejem.Pro zjednodušení technologie výroby třmenu je jejich průřez pravoúhlý nebo s malým počtem kroků. Plochy průřezu třmenů jsou voleny tak, aby indukce v nich byla o 10–15 % menší než v tyčích. Táhla transformátorů středního (až 800 – 1000 kV×A) a vysokého výkonu Utahování třmenů transformátorů se provádí pomocí dřevěných nebo ocelových nosníků. U velmi výkonných transformátorů se používají i složitější konstrukce magnetických obvodů.

V jednofázových transformátorech velmi malého výkonu (do 150 – 200 V × A) se používá pancéřované provedení magnetických obvodů. Zároveň se snaží o co největší zjednodušení jejich výroby a montáže a také o snížení plýtvání ocelovým plechem. Obvykle jsou listy magnetických obvodů vyraženy podle jedné z možností znázorněných na obrázcích 12 a 13. V prvním případě je list vyříznut jedním úderem razidla a má štěrbinu n; při montáži se prostřední lalok dočasně ohne a zasune do navíjecí cívky, lalok dalšího listu se zasune do cívky z jejího protilehlého, konce, konce a tak dále. Ve druhém případě jsou plechy Sh1 a Sh2 ve tvaru Sh a třmenové listy Ya1 a Ya2 vyříznuty současně (obrázek 13, a), ze kterých jsou vyrobeny dvě vrstvy listů magnetických obvodů (obrázek 13, b). V tomto případě jsou plechy zaváděny do cívky také střídavě z jednoho a druhého jejího konce.

Magnetické obvody výkonových transformátorů jsou sestaveny z plechů elektrooceli o tloušťce 0,35 nebo 0,5 mm jakosti 1511, 1512, 1513 nebo 3411, 3412, 3413. Použití oceli válcované za studena se v posledních letech stále více rozšiřuje .

Meziplechová izolace se provádí jednostranným přelepením ocelových plechů izolačním papírem tloušťky 0,03 mm nebo oboustranným nátěrem izolačním olejovým lakem.

Indukce v tyčích transformátorů o výkonu 5 kV × A a vyšším se pohybuje v rozmezí 1,2 – 1,45 T pro oceli válcované za tepla a 1,5 – 1,7 T pro oceli válcované za studena v olejových transformátorech a podle toho 1,0 – 1,2 T a 1,1 – 1,5 T pro suché transformátory.

Obecné informace o zařízení

Transformátor je statické elektromagnetické zařízení určené k přeměně proudu s proměnnou frekvencí s jedním napětím na střídavý proud s jiným napětím, ale se stejnou frekvencí, na základě jevu elektromagnetické indukce.

Zařízení nacházejí uplatnění ve všech oblastech lidské činnosti: elektroenergetika, radiotechnika, radioelektronický průmysl, domácnost.

Výstavba

Zařízení transformátoru předpokládá přítomnost jedné nebo více jednotlivých cívek (pásek nebo drátu) pod jediným magnetickým tokem, navinutých na jádru vyrobeném z feromagnetu.

Nejdůležitější konstrukční části jsou následující:

• navíjení;
• rám;
• magnetický obvod (jádro);
• chladící systém;
• izolační systém;
• další díly nezbytné pro ochranné účely, pro instalaci, zajišťující přístup k výstupním dílům.

U přístrojů můžete nejčastěji vidět dva typy vinutí: primární, které přijímá elektrický proud z externího zdroje napájení, a sekundární, ze kterého je odebíráno napětí.

Jádro poskytuje zlepšený zpětný kontakt vinutí, má snížený odpor vůči magnetickému toku.

Některé typy zařízení pracujících na ultravysoké a vysoké frekvenci se vyrábějí bez jádra.

Výroba zařízení je založena na třech základních koncepcích vinutí:

Zařízení tyčových transformátorů znamená, že vinutí vinutí na jádru je přísně horizontální. V obrněných zařízeních je uzavřena v magnetickém obvodu, umístěna vodorovně nebo svisle.

Spolehlivost, výkon, konstrukce a princip činnosti transformátoru jsou akceptovány bez jakéhokoli vlivu na princip jeho výroby.

Proč potřebujete magnetický obvod

Abychom pochopili, co je magnetický obvod, je třeba zvážit zařízení jednoduchého transformátoru. Dvě indukční cívky jsou navinuty na jádrech spojených do jediné struktury. Jsou to magnetické obvody (MC).

Co je zdrojem magnetického pole

Nabuzená primární cívka indukuje magnetické pole na jádře, které indukuje magnetický tok na sekundárním vinutí. Výsledkem je, že MF indukuje proud v druhé cívce, ale s jinými charakteristikami.

Důležité! Jádra jsou vyrobena ze speciální transformátorové oceli – feritů. Je to slitina železa s oxidy jiných kovů.

Charakteristika a princip činnosti

Principem činnosti MP je zvýšení magnetického pole nasměrovaného na sekundární vinutí elektrického zařízení. Charakteristické hodnoty magnetického pole přímo závisí na složení slitiny použité pro výrobu jader. Nejúčinnější zesilovače jsou feromagnetika.

Čáry magnetické indukce

Aby se síla magnetického toku v jádře neustále zvyšovala, je nutné zvyšovat proudovou sílu a počet závitů v cívce.

Mělo by být pochopeno! Velikost magnetického pole je omezena vlastnostmi materiálu, ze kterého je jádro vyrobeno.

Pro jasné vyjádření charakteristik magnetického obvodu jsou graficky zobrazeny na souřadnicových osách. Změna hodnot vypadá jako uzavřená zakřivená čára, nazývaná hysterezní smyčka.

Typy magnetických obvodů

Pancéřované magnetické obvody jsou široce používány v různých typech zařízení a domácích spotřebičů. Vyrábějí se navíjením z kalibrovaného páskového magnetického materiálu a jsou k dispozici v následujících typech:

1. pancéřové páskové magnetické obvody jednotné řady typu ShL;
2. pancéřové páskové magnetické obvody se sníženým poměrem šířky okna k tloušťce vinutí typu ShLM.

Výhody transformátorů vyrobených na magnetických obvodech SHL, SLM:

• jednoduchost designu;
• snadnost výroby, montáže a demontáže;
• vysoký stupeň vyplnění okna magnetického obvodu navíjecím drátem;
• částečná ochrana vinutí magnetickým obvodem před mechanickými vlivy.

Při objednávání magnetických obvodů je možné vzít v úvahu následující symboly:

Příklad: Magnetické jádro SHL 6×12,5 kde: 6 (A) – šířka střední tyče; 12,5 (B) – šířka pásky; L je šířka sady, H je výška sady; h-výška okna; c je šířka okna.

Typy a velikosti magnetických jader ShL, ShLM odpovídají GOST 22050-76 a jsou vyrobeny z elektrooceli o tloušťce 0,08 mm; 0,35 mm.

Velikosti magnetického jádra ShL, ShLM

Výroba magnetického obvodu ShL, ShLM z oceli válcované za studena jakosti 3406-08 GOST 21427.1-83 o tloušťce 0,35 mm

SHL6x12,5; SHL8x12,5; SHL 8×16; SHL10x12,5;

ШЛ10х16; ШЛ10х20; ШЛ12х16; ШЛ12х20;

ШЛ16х16; ШЛ16х20; ШЛ16х25; ШЛ16х32;

ШЛ20х25; ШЛ20х40; ШЛ25х40; ШЛ25х50;

SHL32x40; SHL32x50; SHL 40×40; SHL40x50;

ShLM10x20; ShLM10x25; ShLM12x16; ShLM 12×25; ShLM16x25; ShLM16x32; ShLM20x16; ShLM20x20; ShLM20x25; ShLM20x32; ShLM 25×32; ShLM 25×40

Výroba magnetického obvodu ShL, ShLM z oceli válcované za studena jakosti 3425 TO-ET GOST 21427.4-78 tl.

SL4x6,5; SL4x10; SHL 5×5; SL5x8; SL5x10;

SHL 6×6,5; SL6x8; SL6x10; SHL6x12,5; SHL 8×8; SHL 8×10; SHL 8×12,5; SHL8x16; SHL10x10;

ШЛ10х12,5; ШЛ10х16; ШЛ10х20; ШЛ12х16;

ШЛ12х20; ШЛ20х25; ШЛ20х32; ШЛ16х16; ШЛ16х20; ШЛ16х25; ШЛ16х32

ShLM8x10; ShLM8x12,5; ShLM10x10; ShLM 10×12,5; ShLM10x20; ShLM12x12,5; ShLM 12×16; ShLM16x16; ShLM16x25; ShLM16x32; ShLM20x25

Cílová oblastPrstencový (torodoální) magnetický obvod

Kruhový magnetický obvod je určen pro výkonové jednofázové transformátory, které se používají v elektronických a rádiových zařízeních.

Výhody:

• neexistují žádná omezení tloušťky materiálu;
• možnost použití tenkých pásek, a to je důležité při vysokých a vysokých frekvencích;
• Páskové jádro typu OL je nejběžnější mezi uzavřenými.

Při objednávání prstencových magnetických obvodů je možné vzít v úvahu následující symboly: Příklad: Magnetické jádro OL 60/115-50 kde: 60 (d, mm) – vnitřní průměr; 115 (D, mm) – vnější průměr; 50 (B, mm) je výška magnetického obvodu; a je tloušťka magnetického obvodu.

DŮLEŽITÉ. Kromě uvedených standardních velikostí magnetického jádra OL je možné vyrobit jakékoliv jiné standardní velikosti jádra dle specifikace zákazníka.

Magnetické obvody PL, PLM, PLR, PLV jsou vyrobeny z oceli válcované za studena jakosti 3406-08 GOST 21427.1-83 o tloušťce 0,3-0,35 mm.

Jádro se používá k vytvoření magnetického obvodu transformátoru. Skládá se ze samostatných plechů z elektrooceli, která je určena ke snížení ztrát vířivými proudy na 4–5 %. Podle typu jádra a jeho polohy se rozlišují tyčové transformátory, u kterých vinutí obchází tyč jádra, a pancéřové, jejichž jádra kryjí vinutí jen částečně.

В stěžejní V transformátoru se jádro skládá z tyčí, na kterých jsou umístěna vinutí, a jha, které uzavírá magnetický obvod. Tento typ jádra má jednodušší konstrukci a má příznivější izolační podmínky vinutí. Proto se v praxi často používá. Třmen, který se používá pro jádro jádra, má obvykle stupňovitý nebo obdélníkový tvar. obrněný jádra částečně chrání vinutí před mechanickým poškozením. Používají se v malých suchých transformátorech. Taková jádra jsou vyrobena z oceli válcované za studena, protože mají nízké ztráty a vysokou magnetickou permeabilitu ve směru válcování. Podle typu uspořádání vinutí vyššího a nižšího napětí se transformátory dělí na koncentrické a střídavé

Transformátorová jádra: а – obrněný, b – rod

Otázka 2 Konstrukce vinutí transformátoru.

Vinutí transformátoru se nazývá soubor závitů, které tvoří elektrický obvod, ve kterém e. d.s., indukované v samostatných otáčkách. Vinutí transformátoru se skládají z drátu vinutí a konstrukcí daných izolačních částí, které nejen chrání závity před elektrickým průrazem a zabraňují jejich posunutí vlivem elektromagnetických sil, ale také vytvářejí potřebné kanály pro chlazení. Vinutí transformátorů různých kapacit a napětí se liší typem vinutí, počtem závitů, směrem vinutí, počtem paralelních drátů v závitu a schématem zapojení jednotlivých prvků vinutí k sobě.

Vinutí transformátorů je vyrobeno z měděných drátů kulatého a obdélníkového průřezu, izolovaných bavlněnou přízí nebo kabelovým papírem.

Provedení vinutí podle vzájemného uspořádání a podle způsobu jejich umístění na pruty:

soustředné (obr. 3, vlevo);

disk (prokládaný) (obr. 3, vpravo).

U olejových transformátorů je magnetický obvod s vinutími umístěn v nádrži naplněné olejem, která z nich odebírá teplo a přenáší ho na stěny nádrže. Kromě toho je dielektrická pevnost oleje vyšší než dielektrická pevnost vzduchu, což zajišťuje spolehlivější provoz vysokonapěťových transformátorů.

Soustředné vinutí – jedná se o vinutí vyrobená ve formě válců a soustředně umístěná na jádru magnetického obvodu.

střídavé vinutí – jedná se o vinutí VN a NN transformátoru, střídající se v axiálním směru na tyči. Střídavé vinutí je obvykle rozděleno do symetrických skupin, z nichž každá se skládá z jedné nebo více částí vinutí vn a částí vinutí nn umístěných po obou jejich stranách.

Hlavním prvkem vinutí transformátoru je cívka, ve kterém je indukováno emf. S. a které lze v závislosti na velikosti zatěžovacího proudu provádět jedním nebo více paralelními dráty. Série závitů navinutých na válcové ploše se nazývá vrstva. Počet závitů v jedné vrstvě se může pohybovat od jedné do několika desítek.

Podle provedení a způsobu vinutí se rozlišují válcová (jedno nebo vícevrstvá), cívková a šroubová vinutí. Ve speciálních transformátorech s vysokými sekundárními proudy se používají také jedno- nebo dvouotáčková plechová a přípojnicová vinutí.

Jedno nebo vícevrstvé válcové vinutí se získá navinutím jedné (nebo několika) vrstev navíjecího drátu pravoúhlého nebo kulatého průřezu. Nejjednodušší je jednovrstvé vinutí obdélníkového drátu. Vrstva vinutí se skládá ze závitů navinutých podél šroubovice na papír-bakelitovém válci. Každý závit ve vrstvě je umístěn blízko předchozího v axiálním směru vinutí. Spojení mezi vrstvami se obvykle provádí přechodem bez pájení. Závity válcového vinutí se skládají z jednoho nebo více paralelních drátů umístěných vedle sebe a majících stejnou polohu vzhledem k rozptylovému poli transformátoru. Obvykle se navíjení obdélníkového drátu navíjí naplocho, ale v případě potřeby je možné také navíjení na hraně.

Mezi vrstvy dvouvrstvého válcového vinutí je položena papírová nebo elektrokartonová izolace nebo je rovnoměrně po obvodu instalováno několik kolejnic, které tvoří vertikální chladicí kanál.

Jednovrstvá a dvouvrstvá válcová vinutí z obdélníkového drátu se obvykle používají jako NN vinutí pro napětí do 525 V v transformátorech s výkonem do 630 kVA.

Vícevrstvé válcové vinutí je zpravidla navinuto z kulatého drátu. Navíjení se provádí hustým stohováním závitů jeden na druhý s přechody z vrstvy do vrstvy. Navíjení první vrstvy se obvykle provádí na papír-bakelitový válec. Mezi následujícími vrstvami je umístěno několik vrstev kabelového papíru. Pro zvětšení chladicí plochy je mezi některými vrstvami vinutí vytvořen axiální kanál tvořený kolejnicemi z elektrokartonu nebo buku. Taková vícevrstvá vinutí se používají jako vinutí vn pro olejové transformátory s výkonem do 400 kV-A při napětí do 35 kV.