Привет. Это онлайн школа «Умскул»
Легендарный курс — Предбанник. Повтори весь материал ЕГЭ и ОГЭ за 5-9 дней!
Задание № 10244
В каких целях железный сердечник, помещаемый внутрь катушки с переменным током (электромагнита), изготавливают не из массивного сплошного куска железа, а набирают из тонких пластин, изолированных друг от друга слоем лака? Ответ поясните.
Рассмотрим простейший опыт, демонстрирующий возникновение индукционного тока: замкнутый виток из проволоки поместим в изменяющееся магнитное поле. Судить о наличии в витке индукционного тока можно по нагреванию проводника. Если, сохраняя прежние внешние размеры витка, сделать его из более толстой проволоки, то сопротивление витка уменьшится, а индукционный ток возрастет. Мощность, выделяемая в витке в виде тепла, увеличится.
При изменении магнитного поля индукционные токи возникают не только в проволочных контурах, но и в массивных образцах металла. Эти токи обычно называют вихревыми токами, или токами Фуко, по имени открывшего их французского физика. Направление и сила вихревого тока зависят от формы образца, от свойств материала, из которого сделан образец, и сила тока увеличивается с увеличением скорости изменения магнитного поля. В массивных проводниках вследствие малости электрического сопротивления токи могут быть очень большими и вызывать значительное нагревание.
Токи Фуко нашли практическое применение: например, работа индукционной плиты (см. рис.). Под стеклокерамической поверхностью плиты находится катушка индуктивности, по которой протекает переменный электрический ток, создающий переменное магнитное поле. Частота тока составляет 20-60 кГц. В дне посуды наводятся токи индукции, которые нагревают его, а заодно и помещённые в посуду продукты.
Устройство индукционной плиты:
1 — посуда с дном из ферромагнитного материала;
2 — стеклокерамическая поверхность;
3 — слой изоляции;
4 — катушка индуктивности
Индукционные плиты требуют применения металлической посуды, обладающей ферромагнитными свойствами (к посуде должен притягиваться магнит). Причём, чем толще дно, тем быстрее происходит нагрев.
Сердечник набирают из тонких пластин, чтобы уменьшить его нагревание. В переменном магнитном поле железный сердечник, набранный из тонких изолированных пластин, по сравнению со сплошным сердечником будет нагреваться меньше, так как его электрическое сопротивление будет больше.
Магнитопровод трансформатора
Магнитопровод представляет собой магнитную систему трансформатора, по которой замыкается основной магнитный поток. Одновременно магнитопровод служит основой для установки и крепления обмоток, отводов, переключателей и других деталей активной части трансформатора.
Магнитопровод собирают из отдельных тонких пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга пленкой специального жаростойкого покрытия или лака. Жаростойкое покрытие обычно наносят непосредственно на металлургическом заводе, изготовляющем сталь; пленку лака — на трансформаторном заводе после резки (штамповки) пластин.
Магнитопроводы выполняют двух типов: стержневого и броневого.
В магнитопроводе стержневого типа (рисунок 1, а) вертикальные стержни 1 имеют ступенчатое сечение, вписывающееся в круг. На них расположены обмотки 2 цилиндрической формы. Части магнитопровода, не имеющие обмоток и служащие для образования замкнутой цепи, называют ярмами.
В броневом магнитопроводе (рисунок 1, б) стержни расположены горизонтально и имеют прямоугольное поперечное сечение. Соответственно этому и обмотки такого магнитопровода имеют прямоугольную форму. Из-за очень сложной технологии изготовления броневую конструкцию применяют только для некоторых типов специальных трансформаторов; все силовые трансформаторы отечественного производства имеют стержневую конструкцию.
а — стержневая; б – броневая; 1 — стержень; 2 – обмотки; 3 — ярмо
Рисунок 1 — Основные типы конструкций магнитопроводов
По способу соединения стержней с ярмами различают стыковую и шихтованную конструкции стержневого магнитопровода.
При стыковой конструкции стержни и ярма собирают раздельно, насаживают обмотки на стержни, а затем сверху приставляют верхнее ярмо. Чтобы избежать замыкания пластин, между стыкующимися частями магнитопровода помещают прокладки из электрокартона. После установки верхнего ярма всю конструкцию прессуют и стягивают вертикальными шпильками.
Стыковая конструкция существенно облегчает сборку, так как для насадки обмоток достаточно снять верхнее ярмо. Однако необходимость в громоздких стяжных устройствах, а также в механической обработке стыкующихся поверхностей стержней и ярм (что необходимо для уменьшения магнитного сопротивления) привела к тому, что для силовых трансформаторов стыковую конструкцию магнитопроводов не применяют. Чаще всего ее используют для токоограничивающих или шунтирующих реакторов.
При шихтованной конструкции стержни и ярма собирают в переплет, т. е. разбивают по толщине на слои (обычно по два или три листа), составленные из отдельных пластин так, чтобы в каждом слое часть пластин стержня заходила в ярмо. При этом пластины одного слоя перекрывают стыки пластин смежного слоя. Преимуществом шихтованной конструкции перед стыковой являются меньшая масса и большая механическая прочность, небольшие зазоры в местах стыков и меньший ток холостого хода трансформаторов.
Однако при шихтованной конструкции усложняется сборка трансформатора: для насадки на стержни обмоток приходится сначала расшихтовать верхнее ярмо по отдельным слоям, а затем после насадки обмоток вновь зашихтовать. Эта работа трудоемка и очень ответственна, так как при недостаточно тщательном ее выполнении могут резко ухудшиться характеристики трансформатора.
Если после зашихтовки окажутся увеличенными зазоры между пластинами ярма и стержня, это ухудшит условия для прохождения магнитного потока и увеличит ток холостого хода трансформатора. Если по каким-либо причинам в ярмо будет уложено меньше пластин, чем это необходимо, уменьшится его поперечное сечение, следовательно, возрастет плотность магнитных силовых линий (магнитная индукция), увеличатся потери и ток холостого хода. Если при расшихтовке или шихтовке ярма будут небрежно обращаться с пластинами (удары, механические повреждения, порча изоляции), то это также явится причиной ухудшения экономических характеристик трансформатора.
В последнее время в конструкции стержневых магнитопроводов внесены значительные изменения. Изменилась форма пластин, из которых собирается магнитопровод: вместо прямоугольных пластин часто применяют пластины, одна или две узкие стороны которых срезаны под углом (чаще всего 45°). «Косой стык» в конструкции магнитопроводов позволяет заметно уменьшить потери холостого хода за счет некоторого усложнения в изготовлении. На рисунке 2, а, б показаны пластины с косым стыком и магнитопровод однофазного трансформатора с косым стыком пластин после расшихтовки верхнего ярма, а на рисунке 3 — часть верхнего ярма (в процессе шихтовки) над крайним и средним стержнями трехфазного трансформатора мощностью 1000 кВА.
1 — магнитопровод; 2 — ярмовая балка; 3 — нижнее ярмо
Рисунок 2 — Пластины магнитопровода с косым стыком (а) и магнитопровод однофазного трансформатора с косым стыком пластин после расшихтовки верхнего ярма (б)
а — над крайним стержнем; б — над средним стержнем; 1 — пластины крайнего стержня; 2 — верхнее ярмо; 3 — прессующее кольцо; 4 — пластины среднего стержня; 5 — устройство для подъема; 6 — обмотка ВН
Рисунок 3 — Магнитопровод трехфазного трансформатора с косым стыком пластин
Обмотки стержневого магнитопровода имеют в горизонтальном сечении форму окружности. Для лучшего использования площади круга поперечное сечение стержней магнитопровода также стремятся приблизить к кругу. Однако круглое сечение стержней потребовало бы большого числа различных по ширине пластин стали, что значительно усложнило бы технологию изготовления. Поэтому сечение стержней делают многоступенчатым.
Ярма магнитопровода трансформаторов I—III габаритов, выпускавшихся отечественными заводами еще совсем недавно, имели прямоугольную или Т-образную форму со ступенькой, обращенной в сторону «окна» магнитопровода. В новых конструкциях форма сечения ярма (для лучшего распределения магнитного потока) повторяет форму сечения стержня, да и сами стержни стали «полнее»: количество ступеней (пакетов из пластин разной ширины) увеличилось, следовательно, увеличилось и сечение активной стали в площади круга. На рисунке 4 показаны сечения Т-образного и многоступенчатого ярм магнитопроводов трансформаторов I— III габаритов.
а — Т-образного, б — многоступенчатого; 1 — верхнее ярмо, 2 — верхняя ярмовая балка, 3 — нижняя ярмовая балка, 4 — нижнее ярмо
Рисунок 4 — Форма сечения ярм магнитопроводов трансформаторов I—III габаритов
Готовый магнитопровод должен обладать достаточной жесткостью. Неравномерная и недостаточная опрессовка, недобор или перебор пластин в одном из стержней или в ярме вызывают повышенную вибрацию, что может привести к механическому разрушению деталей крепления магнитопровода. Повышенная вибрация сопровождается шумом. Поэтому при сборке магнитопровода пластины стержней и ярм должны быть опрессованы и скреплены как бы в одно целое.
Существуют различные способы прессовки. В трансформаторах небольшой мощности стержни прессуют деревянными планками, вбиваемыми при сборке активной части трансформатора между цилиндром внутренней обмотки и стержнем магнитопровода. Эти планки расклинивают стержни относительно обмоток и опрессовывают их.
Для прессовки магнитопроводов более мощных трансформаторов широко применяют стяжку стержней металлическими шпильками.
До последнего времени в трансформаторостроении широко применялись конструкции магнитопроводов с отверстиями в активной стали. Такие магнитопроводы стягивались горизонтальными шпильками, проходящими в отверстиях, выштампованных в каждой пластине. Шпильки приходилось надежно изолировать от стали во избежание замыкания пластин, которое может вызвать увеличение вихревых токов, местный нагрев и «пожар в стали».
Однако конструкции магнитопроводов с отверстиями в активной стали стержней и ярм имеют существенные недостатки. Отверстия штампуются на специальных прессах (эта одна из наиболее трудоемких операций при изготовлении магнитопроводов); вокруг каждого отверстия появляется зона механически деформированной стали (для снятия возникшего наклепа необходим отжиг пластин); отверстия уменьшают сечение и вызывают местное увеличение потерь холостого хода. Наконец, даже самая надежная изоляция шпилек, прессующих стержни и ярма магнитопровода, может с течением времени нарушиться с тяжелыми последствиями для трансформатора. Поэтому в последнее время получили широкое распространение конструкции так называемых бесшпилечных магнитопроводов. Существует довольно много конструкций бесшпилечных магнитопроводов, отличающихся способом прессовки стержней и ярм. Так, у трансформаторов мощностью 250—630 кВА стержни затягивают временными струбцинами еще в горизонтальном положении сразу после сборки. При насадке обмоток (как правило, намотанных на бумажно-бакелитовом цилиндре) струбцины снимают, а между цилиндром и магнитопроводом устанавливают деревянные планки и клинья, жестко прессующие пластины стержня.
У трансформаторов большей мощности стержни прессуют стальными бандажами или бандажами из стеклоленты. Чтобы избежать образования замкнутого витка, стальные бандажи выполняют с изолирующей пряжкой. Бандажи из стеклоленты наматывают с помощью специального устройства, позволяющего равномерно укладывать ленту с необходимым для запрессовки стержня натягом.
Для прессовки ярм используют или вынесенные за крайние стержни шпильки, стягивающие ярмовые балки (балки при этом делают механически очень прочными), или стальные полубандажи, охватывающие верхние и нижние ярма. В некоторых конструкциях вместо полубандажей ставят стальные шпильки, требующие, однако, некоторого увеличения окна магнитопровода.
На рисунке 5 показано ярмо магнитопровода, запрессованное стальными полубандажами. Полубандаж представляет собой стальную ленту 1 шириной 40—60 мм и толщиной 4—6 мм (обычно берут две ленты толщиной по 2—З мм). К концам ленты приваривают стальные шпильки 2, пропускаемые через пластины 3 из прочного изоляционного материала (чаще всего для этих целей применяют стеклопластики). При затяжке гаек 4, наворачиваемых на шпильки, создается необходимое усилие запрессовки ярма. Чтобы избежать замыкания пластин стали ярма полубандажом, под него подкладывают коробочку из электрокартона толщиной 2—3 мм.
1 — стальная лента, 2 – шпилька, 3 — пластина из стеклопластика, 4 — прессующая гайка
Рисунок 5 — Ярмо магнитопровода, запрессованное полубандажами
Однако одни только полубандажи не могут создать усилий, достаточных для прессовки ярма. Для затяжки ярм обязательно применяют специальные стяжные устройства по торцам магнитопровода, вынесенные за активную сталь. В трансформаторах мощностью 4000—6300 кВА это могут быть просто стальные шпильки, изолированные от возможного замыкания со стержнем бумажно-бакелитовыми трубками, в трансформаторах большей мощности — специальные «коробки», упирающиеся в активную сталь крайних стержней магнитопровода.
Для многих трансформаторов применяют прессовку обмоток нажимными кольцами. Дело в том, что в процессе работы происходит постепенная усушка электрокартонных деталей обмоток, особенно если обмотки и активная часть трансформатора были недостаточно просушены при изготовлении. Такая усушка приводит к уменьшению высоты и ослаблению запрессовки обмоток, что резко снижает динамическую прочность трансформатора при коротких замыканиях и может стать причиной его разрушения.
Нажимные кольца позволяют создать необходимые усилия запрессовки и, что особенно важно, подпрессовать обмотки, если при ревизии обнаружится ослабление их осевого крепления. До последнего времени нажимные кольца делали из стали. В настоящее время их часто выполняют из различных пластических материалов, главным образом стеклопластиков. На рисунке 6 показаны прессовка обмоток нажимными кольцами и конструкция прессующего устройства.
1 — верхнее ярмо, 2 — обмотка, 3 — прессующее кольцо, 4 — нажимной винт, 5 — ярмовая балка
Рисунок 6 — Прессовка обмоток нажимными кольцами и конструкция прессующего устройства
Во время работы трансформатора между его обмотками и заземленными частями (например, баком) существует электрическое поле. Все металлические части трансформатора, находящиеся в этом поле, заряжаются, т. е. приобретают некоторый потенциал. Между заряженными деталями и заземленным баком возникают разности потенциалов. Несмотря на малую величину, они могут оказаться достаточными для пробоя небольших изоляционных промежутков, разделяющих металлические части. Пробои нежелательны, так как они ведут к разложению и порче масла и всегда сопровождаются характерным треском, что вызывает сомнения в исправности изоляции трансформатора. Поэтому магнитопровод и детали его крепления обязательно заземляют, т. е. придают им всем одинаковый потенциал — потенциал бака (земли); возникающие при этом электрические заряды по заземлениям «стекают» с металлических деталей трансформатора в землю.
Заземляют ярмовые балки, все металлические крепления и детали, за исключением горизонтальных стяжных шпилек, потенциал которых всегда близок к потенциалу стали магнитопровода. Заземление осуществляют с помощью медных лент, вставляемых между пластинами стали магнитопровода и закрепляемых другими концами на ярмовой балке. Верхнюю и нижнюю балки связывают вертикальными стяжными шпильками, а с заземленным баком трансформатора — подъемной шпилькой.
Возможны различные схемы заземления металлических деталей: они зависят от конструкции магнитопровода, крепления активной части в баке, связи между отдельными деталями. В любом случае выполнение указаний о заземлении отдельных элементов конструкции трансформатора является обязательным.
Причины почему сердечники трансформатора собирают из отдельных пластин
Вопрос-ответ
Сердечник трансформатора — главная деталь механизма. От ее качества зависит то, как будет поступать электрический импульс в прибор, эффективность функционирования вторичных и первичных обмоток. Большая часть людей знает примерную схему работы оборудования, назовет основные детали механизма. Но вопрос о том, почему сердечник трансформатора собирают из отдельных пластин не находит ответ.
Дело в том, что на пластику подается электрический импульс, и кажется, что нет разницы одна она установлена или несколько. Поэтому постараемся максимально доступно простом языком объяснить, для чего сердечник трансформатора собирают из тонких листов, почему это важно и как правильно выбираются коэффициенты длины, ширины, проводимости.
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.
Выполняются детали их специальной электротехнической стали ферритов, железа, пермаллоя, электриков ферритного вида — в зависимости от конкретного типа и переназначения техники.
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.
Практика
Узнав, как работает сердечник и поняв его основные технические характеристики, материалы изготовления и конструктивные особенности, можно понять и самостоятельно, почему сердечник современного трансформатора собирают из отдельных листов железа. Для того, чтоб понять это, нужно проследить о обратного. Если бы сердцевина оборудования была выполнена из сплошного цельного куска металла, то это привело бы к возникновению переменного магнитного поля.
Это в свою очередь пододвигает к образованию существенного магнитного поля около сердечника. Возникающие дополнительные токи не нужны для стабильной и качественной работы тс, они лишь затрудняют обработку данных вторичной и первичной обмотками.
Образованные дополнительные токовые потоки непременно приведут к существенным потерям электрической энергии.
Если бы использовался сплошной кусок металла, то:
- возникали бы дополнительные токи;
- уменьшалось сопротивление вторично и первичных обмоток;
- нельзя проследить технические характеристики изделия, мощность, погрешность, КПД;
- невозможность составить план работы, на который можно опираться при производстве;
- устройство выходит из строя, так как испытает не только необходимые магнитные потоки, но и дополнительные постоянно;
- наблюдаются потери энергетической мощности.
Для чего сердечник любого трансформатора собирают из тонких листов стали – становится понятно — для обеспечения стабильной и бесперебойной работы. Но есть и другие причины того, почему сердечник трансформатора собирают из тонких железных листов стали:
- есть возможность собрать аналитические данные;
- в устройстве не возникает дополнительных токов;
- функционирование без существенных энергетических потерь при работе;
- срок службы;
- удобство использования;
- построение плана действий на производстве.
Изготовление из отдельных пластинок занимает больше времени и требует применения специфических знаний. Но без этого никак не обойтись. Для обеспечения стабильного функционирования и уменьшения потерь энергии используется число листов, изготовленных только из качественного и проверенного материала.