Почему сердечник из электротехнической стали

Почему сердечник из электротехнической стали

§ 86. Устройство и типы трансформаторов

Сердечник (магнитопровод) трансформатора образует замкнутый для магнитного потока контур и изготовляется из листовой электротехнической стали толщиной 0,5 и 0,35 мм. В состав стали входит 4,0-5% кремния по весу. Присутствие кремния улучшает магнитные свойства стали и увеличивает ее удельное сопротивление вихревым токам. Отдельные листы стали для изоляции их один от другого покрывают слоем лака, после чего стягивают болтами, пропущенным в изолирующихся втулках. Такое устройство применяется для уменьшения вихревых токов индуктируемых в стали переменным магнитным потоком. Части магнитопровода, на которые надевается обмотка, называются стержнями. Стержни соединяются верхним и нижним ярмом.

По конструкции магнитопровода различают два типа трансформаторов: стержневые и броневые (рис. 199). У трансформатора стержневого типа обмотки охватывают стержни магнитопровода; у трансформатора броневого типа магнитопровод, наоборот, как “броней”, охватывает обмотки. В случае неисправности в обмотке броневого трансформатора ее неудобно осматривать и трудно ремонтировать. Поэтому наибольшее распространение получили трансформаторы стержневого типа.


Рис. 199. Типы сердечников трансформаторов

В последнее время на практике получили распространение трансформаторы, сердечники которых изготовляются из узкой ленты электротехнической стали (рис. 200). Ленточные сердечники разрезаются на две половины, чтобы можно было надеть на них катушки. Затем половины сердечника стягиваются и закрепляются.


Рис. 200. Ленточные сердечники

Обмотка трансформаторов выполняется из изолированной круглой или прямоугольной меди. На стержень магнитопровода предварительно надевают изолирующий (обычно картонный, пропитанный бакелитовым лаком) цилиндр, на котором помещают обмотку низшего напряжения. Расположение обмотки низшего напряжения ближе к стержню объясняется тем, что ее проще изолировать от стального стержня, чем обмотку высшего напряжения.

На наложенную обмотку низшего напряжения надевают другой изолирующий цилиндр, на который помещают обмотку высшего напряжения. Расположение этой обмотки снаружи удобно еще тем, что при неисправностях (которые чаще случаются в высоковольтной обмотке) она доступна для осмотра и ремонта.

Концы обмоток высшего и низшего напряжения выводятся через проходные изоляторы, укрепленные на стальной крышке трансформатора.

Сердечник с обмотками обычно опускают в бак прямоугольной или овальной формы, изготовленный из листовой стали. В бак заливается специальное трансформаторное масло, обладающее большой электрической прочностью.

Витки обмотки, помещенной в масло, хорошо изолируются один от другого. Кроме того, трансформаторное масло, обладая большой теплопроводностью, отнимает тепло от обмоток и отдает его баку. Для увеличения поверхности охлаждения у бака делают ребристую поверхность. Для этой же цели к баку приваривают трубы, сообщающиеся с баком в верхней и нижней частях. Для трансформаторов большой мощности трубы сваривают в отдельные блоки, называемые радиаторами, которые прикрепляют к баку. Крышка трансформатора при помощи болтов крепится к баку.

При работе трансформатора масло, отнимая тепло от обмоток трансформатора, само нагревается и начинает расширяться. При остывании масло сжимается и в свободное от масла пространство может проникнуть воздух, содержащий влагу. Во избежание этого между крышкой и баком прокладывают слой резины, которая не дает воздуху проникать в бак.

При большом объеме масла в баке расширение масла при нагревании может быть настолько большим, что оно станет вытекать из-под крышки. Чтобы дать возможность маслу расширяться, на крышке трансформатора устанавливают дополнительный бачок, называемый расширителем. Этот бачок соединяется трубой с баком. При нагреве масло вытесняется в расширитель, а при охлаждении, сокращаясь в объеме, уходит в бак. На расширителе устанавливают масломерную стеклянную трубку для наблюдения за уровнем масла. Так устроены масляные трансформаторы с естественным воздушным (рис. 201) охлаждением. Трансформаторы небольших мощностей (5-10 ква) иногда устраиваются с естественным воздушным охлаждением.


Рис. 201. Масляные трансформаторы с естественным воздушным охлаждением: а – с трубчатым баком, б – с радиаторным баком

Для лучшего охлаждения трансформаторов с масляным охлаждением устанавливают воздушные вентиляторы, приводимые в движение электрическими двигателями (рис. 202). Для этой же цели некоторые трансформаторы имеют масляный насос, который гонит нагретое масло из верхней части бака, прогоняет его через змеевик, охлаждаемый проточной водой, и подает остывшее масло в нижнюю часть бака трансформатора.


Рис. 202. Масляный трансформатор с воздушным дутьем

Наблюдение за температурой масла в баке чаще всего осуществляется при помощи термометра, установленного в крышке трансформатора.

До сих пор мы рассматривали трансформаторы, у которых на фазу приходилось две обмотки – высшего и низшего напряжений. Такие трансформаторы называются двухобмоточными. Встречаются трансформаторы, у которых на фазу приходятся одна первичная и две вторичные обмотки. Первичная обмотка является обмоткой высшего напряжения (В. Н.). Вторичные обмотки в зависимости от величины напряжения на их зажимах называются: одна – обмоткой среднего напряжения (С. Н.) и другая – обмоткой низшего напряжения (Н. Н.). Такие трансформаторы называются трехобмоточными. Напряжения обмоток трехобмоточного трансформатора указываются тройной дробью, например 220/115/10,5 кв или 110/35,8/11 кв.

Для трансформации трехфазного тока можно пользоваться однофазными трансформаторами. Недостатком такой схемы являются большие затраты трансформаторной стали на сердечники трех трансформаторов.

Если объединить сталь трех сердечников в один общий сердечник, мы получим сердечник трехфазного трансформатора.

На рис. 203 показаны схемы расположения обмоток трехфазных трансформаторов.


Рис. 203. Схемы расположения обмоток трехфазных трансформаторов

Обозначения Y/Y0 – 12 и Y/Δ – 11 указывают схемы и группы соединений обмоток трансформаторов:

Y – соединение звездой;

Y0 – соединение звездой с выводом нулевой точки;

Δ – соединение треугольником.

Начала фазных обмоток высшего напряжения обозначаются латинскими буквами А, В, С, низшего напряжения – а, b, с. Соответственно концы фазных обмоток обозначаются буквами X, Y, Z и x, y, z.

В обозначении Y/Δ – 11 первый значок Y показывает, что обмотка высшего напряжения соединена звездой. Второй значок Δ показывает, что обмотка низшего напряжения соединена треугольником. Числа 11 и 12 показывают угловое смещение векторов линейных напряжений обмоток высшего и низшего напряжений. Оно соответствует углу сдвига в сторону вращения стрелки часов между векторами линейных напряжений первичной и вторичной обмоток, принимая за единицу угла угол в 30°. Так, при угле сдвига в 330° группа соединения будет 330:30 = 11.

На рис. 204 показаны устройство и частичный разрез трехфазного трансформатора мощностью 300 ква на напряжение 6 кв. В том случае, когда мощность трансформатора, питающего потребители, становится недостаточной, параллельно ему подключается другой трансформатор.


Рис. 204. Устройство и частичный разрез трехфазного трансформатора мощностью 300 ква на напряжение 6 кв: 1 – термометр, 2 – ввод обмотки высокого напряжения, 3 – ввод обмотки низкого напряжения, 4 – пробка для заливки масла, 5 – маслоуказатель, 6 – пробка для заливки масла, 7 – расширитель, 8 – магнитопровод, 9 – обмотка низкого напряжения, 10 – обмотка высокого напряжения, 11 – пробка для спуска масла, 12 – бак для масла, 13 – радиаторные трубы для охлаждения масла

Для включения трансформатора на параллельную работу с другими, уже работающими трансформаторами необходимо выполнить следующие условия:

равенство номинальных напряжений первичной и вторичной обмоток (равенство коэффициентов трансформации);

равенство номинальных напряжений короткого замыкания;

трансформаторы должны принадлежать к одной и той же группе соединений;

трансформаторы должны быть соединены одноименными зажимами (одинаковыми фазами со стороны высшего и низшего напряжений).

Силовые «аморфные» трансформаторы. Будущее в настоящем

Текущий год запомнится событием, знаменательным для российского трансформаторостроения, — отечественные производители приступили к производству силовых трансформаторов с магни-топроводом из аморфной стали. Почему это произошло именно сейчас, какие причины долгие годы сдерживало этот процесс, а что стало катализатором его развития — об этом мы беседуем с Валерием Ивановичем Печенкиным, к.т.н., руководителем НИОКР группы «Трансформер», первой в стране, приступившей к производству силовых трансформаторов с аморфным сердечником.

Валерий Иванович, «аморфные» трансформаторы в нашей стране выпускаются уже достаточно давно. Почему только сейчас началось производство силовых трансформаторов с аморфным сердечником?

Производство отечественных силовых трансформаторов сдерживалось причинами технологического и экономического характера. Дело в том, что для изготовления магнитопровода силового трансформатора мощностью от 32 кВА необходима аморфная лента шириной до 220 мм. Промышленный выпуск такого материала освоен сравнительно недавно и пока только за рубежом, российские производители в настоящее время предлагают ленту шириной до 80 мм. Повлияло также снижение цен на аморфную сталь с 50 до 3 долл. США за килограмм, что сделало выпуск «аморфных» трансформаторов экономически оправданным, причем это касается масляных трансформаторов. Сухие силовые трансформаторы с аморфным сердечником являются более дорогостоящими и потому требуют дополнительного технико-экономического обоснования — такое оборудование может остаться невостребованным рынком.

Но ведь «аморфные» трансформаторы характеризуются как энергоэффективные. Как они могут остаться невостребованными сегодня, когда энергосбережение стало вопросом государственной важности?

Прозвучавшие предложения по ограничению и даже запрету оборота энергоустройств, неэффективно использующих энергоресурсы, конечно, стимулировали спрос на энергоэффективное оборудование и в какой-то степени ускорили процесс освоения выпуска «аморфных» силовых трансформаторов. В этой связи стоит отметить, что наша компания давно работает в направлении создания энергоэффективных трансформаторов. Еще в начале 2008 года «Трансформер» вывел на рынок целую линейку трансформаторов с пониженными энергопотерями. К примеру, стандартный ТМГ (масляный герметичный трансформатор) мощностью 1000 кВА имеет потери холостого хода 1600 Вт, его аналог с улучшенными характеристиками — 1300 Вт. За год работы энергосберегающий трансформатор сохранит 2628 кВт. Трансформатор с аморфным сердечником обеспечивает еще большую экономию. Потери холостого хода для АТМГ на 1000 кВА составляют 450 Вт, т.е. за час работы «аморфный» трансформатор потребляет на 1,15 кВт меньше, чем стандартный ТМГ той же мощности. Соответственно, за год будет сохранено 10 074 кВт. При тарифе 3 рубля за киловатт экономия в денежном выражении составит порядка 30 000 руб. в год. Представьте себе, сколько энергии будет сохранено, если все работающие в стране трансформаторы (а их сотни тысяч) заменить на энергосберегающие.

Силовые трансформаторы потребляют такое большое количество энергии?

На распределительные трансформаторы приходится 25–30% всех технических потерь в энергосистемах. Полностью устранить эти потери невозможно. Трансформатору, как и любому другому устройству, для работы требуется энергия. Часть этой энергии уходит на нагрев проводов (потери короткого замыкания), часть — на перемагничивание (потери холостого хода). В связи с изменением нагрузки на протяжении суток, а также в разные периоды года, весомость единицы потерь холостого хода (Pxx) в 2–4 раза выше единицы потерь короткого замыкания (Ркз). Причем трансформаторы работают круглосуточно, и соответственно потери Pxx происходят постоянно. Мы производим силовые трансформаторы для всего инженерно-энергетического комплекса страны, и поэтому наряду с выпуском стандартного оборудования с самого начала своей деятельности уделяем внимание разработке энергоэффективных распределительных трансформаторов.

За счет каких технологий можно минимизировать эти потери?

Использование электротехнической стали с ориентированными зернами и применение технологии step-lap при изготовлении магнитопровода позволило снизить Pxx на 20–30%, и это было серьезным достижением. Применение же аморфной стали позволяет совершить настоящий технологический прорыв, снизив Р(хх) в 2–3 раза.

Как вы считаете, насколько будет высок спрос на «аморфные» силовые трансформаторы?

Конечно, распределительные трансформаторы с аморфным сердечником вызывают большой интерес. Но новые технологии не могут не повлиять на стоимость продукции, особенно на первой стадии внедрения. В свое время применение более качественной электротехнической стали и современной технологии сборки магнитопровода увеличило стоимость энергоэффективных трансформаторов. И в период кризиса 2008–2009 годов повышенного спроса на такое оборудование мы не наблюдали, что вполне объяснимо. Впоследствии, чтобы заинтересовать потенциальных заказчиков в приобретении энергоэффективных трансформаторов, наши специалисты представляли расчет снижения технических потерь, согласно которому экономия за счет энергосбережения позволяет окупить увеличенную стоимость трансформаторов (мощностью 630–1250 кВА) за 3–5 лет. Сегодня экономическое положение в стране стабилизировалось, стал появляться интерес к оборудованию с улучшенными техническими характеристиками. В немалой
степени благодаря государственной политике, росту тарифов на электроэнергию и переориентации российской энергосистемы на энергоэффективные технологии, стал расти спрос на энергосберегающее оборудование.

Имеется ли опыт эксплуатации силовых «аморфных» трансформаторов?

Аморфные сплавы выпускаются уже на протяжении 30 лет. За рубежом первые распределительные трансформаторы мощностью 630–1000 кВА с аморфным сердечником были изготовлены более 10 лет назад. В данном направлении более всех продвинулись США, Китай и Индия. Начиная с 2009 года, ряд европейских распределительных компаний также установили в опытную эксплуатацию несколько трансформаторов мощностью 400 кВА с сердечником из аморфной ленты. Однако широкое применение «аморфных» трансформаторов в Европе, где к надежности оборудования предъявляются высокие требования, сдерживается рядом факторов.

Аморфная сталь хрупкая, как стекло. И это накладывает особые требования к процессу производства трансформаторов, а также требует тщательного испытания произведенной продукции, ее мониторинга в полевых условиях. Аморфная сталь представляет интерес вследствие исключительно низких потерь холостого хода, поэтому важно проверить, остаются ли они такими же низкими в течение времени. Немаловажным является проведение испытаний и оценка соответствия параметров трансформаторов отраслевым стандартам и нормам, установленным для силовых трансформаторов. Необходимо также оценить достаточность применяемых конструкторских решений и технологических мероприятий.

Как сильно отличается процесс изготовления трансформатора с аморфным сердечником от традиционной технологии?

Из-за низкой механической прочности аморфной стали к конструкции сердечника и условиям его производства предъявляются особые требования. В традиционных трансформаторах сердечник из электротехнической стали является несущей конструкцией, поддерживающей всю активную часть. Аморфный сердечник не допускает действия чрезмерной весовой нагрузки. Он крепится к обмоткам, расположенным на несущей базе, и требует дополнительных мероприятий по увеличению жесткости конструкции. Кроме того, необходимо специальное оборудование: для резки аморфной ленты, отжига конструкции сердечника, пропитки магнитопровода защитным слоем смолы; нужна особая оснастка для намоточного станка, сборочные столы и т.д. Меняется производственная логистика.

Т.е. необходимо существенно перестроить технологический процесс? Не это ли главная причина, из-за которой производство «аморфных» трансформаторов так долго сдерживалось?

Не совсем. Перестроить производственный процесс и освоить выпуск такой инновационной продукции можно. И мы это уже сделали. Главное — добиться того, чтобы силовые «аморфные» трансформаторы были надежным, стабильно работающим и действительно энергоэффективным оборудованием. А это требует определенного тестового периода, испытаний, возможно — дополнительных конструкторских решений. В связи с этим, первые образцы предназначены для опытной эксплуатации в сетях МРСК и мониторинга работы в полевых условиях.

Юлия ДОЛИНИНА, группа «Трансформер»

Интервью опубликовано в журнале «Электротехнический рынок», № 5-6 (47-48)

Электротехническая сталь: виды, свойства и применение

Электротехническая сталь (ЭТС) относится к виду ферромагнитных сплавов, адаптированных под конкретные магнитные свойства. Это разновидность чермета: тонколистового, магнито-мягкого, с повышенным электромагнетизмом и нефиксированной частью кремния – 0,8-5%. Доля Si варьируется, она влияет на магнитные характеристики металла.

Электротехническая сталь: маркировка, механические свойства

Отечественную ЭТС различают по составу кремния, способу производства, магнитным и электрическим показателям. Маркировка состоит из 4-5 цифр и возможной вариации из 1-2 букв. В качестве примера возьмем – M110-23S. Каждый символ обозначает:

Группа стали в зависимости от % Si

Вид металла по базовым характеристикам магнитных параметров

Степень основных нормативных свойств:

Кроме релейных нелегированных изотропных сталей

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

При легировании сплавов ферросилицием возможно:

  • выделить цементит и заместить его графитом;
  • вывести из состава кислород;
  • улучшить магнитную проницаемость Fe;
  • повысить R (удельное электрическое сопротивление);
  • снизить потери на токи Фуко (при Si≥ 4%).

Магнитная проницаемость

В различного рода электрических агрегатах нашла применение низкоуглеродистая электротехническая сталь: магнитная проницаемость (μ) выражает варьирование векторного показателя – магнитной индукции, при воздействии на нее напряженности и силового (магнитного) поля. У ЭТС μ высокая, а коэрцитивная сила, в противовес, небольшая. Кремний обезуглероживает сплав, что ведет к увеличению магнитной проницаемости.

μ в числовом выражении показывает, во сколько раз абсолютный ее показатель превышает магнитную константу. Большее значение присуще крупнокристаллическим структурам, меньшее – мелкокристаллическим. Сталь усиливает магнитное поле, задает ему определенный вектор. Величину изменения магнитной проницаемости при колебаниях температуры сплава выражает температурный коэффициент магнитной проницаемости.

Коэрцитивная сила

Характеристика возможности силового поля, создаваемого электрическим током, к размагничиванию. Это напряженность магнитного поля на статической предельной петле гистерезиса, при которой индукция в металле отсутствует. Измеряется в амперах на метр. У ЭТС коэрцитивная сила, как и потери на гистерезис, небольшие.

Интенсивность размагничивания варьируется в зависимости от вида устройств. Кремний в качестве добавки увеличивает удельное сопротивление ЭТС, снижает потери на гистерезис, что приводит к уменьшению коэрцитивной силы. При соотношении Si ≥5% происходит резкое повышение твердости и хрупкости, что делает трансформаторное железо непригодным для штамповки.

Удельное электрическое сопротивление

Параметр характеризует способность металла сопротивляться прохождению электрического тока. Зависит напрямую от процентного содержания кремния – элемент ослабляет старение стали. Сопротивление увеличивается с ростом температуры. Чем больше доля Si, тем выше средний показатель R, меньше потери на вихревые токи.

Использование ЭТС позволяет электрической напряженности сконцентрироваться внутри проводника и обеспечить целенаправленную доставку электрических зарядов в конечную точку распределения. Поэтому электротехническая сталь для электродвигателей используется при изготовлении их основных частей в ЭМП частотой до 20 000 Hz.

Виды электротехнической стали

ЭТС поставляется как с незащищенным верхним слоем, так и с изоляционным покрытием. Хотя четкой «рецептуры» по химическому составу сталь электротехническая не имеет, массовая доля основополагающего элемента – Si или соединения Si+Al (на уровне 0,5%) – делит ее на категории:

  • трансформаторная – степень легирования 3,0-4,5%;
  • динамная – 0,8-2,5%.

Еще один фактор, определяющий свойства материалов – внутреннее строение, размер ячеек. Здесь кроется коренное различие между холодно- и горячекатаными сплавами. Термообработка и механические воздействия помогают добиться нужного размера зерна. В зависимости от типа производства и уровня магнитных свойств бывает:

  • высокопроницаемая трансформаторная сталь – при B800 (выпрямляющем отжиге) ≥ 1,90 (Тл);
  • повышенной проницаемости – 1,85 Тл ≤ B800 ≤ 1,89 (Тл);
  • ограниченной проницаемости – B800 ≤ 1,85 (Тл).

Холоднокатаная ЭТС

Прокатка стальной заготовки холодным способом вдоль осевого направления повышает магнитные и другие механические показатели, улучшает качество поверхности, но и вдвое повышает цену на металл по сравнению с горячим способом обработки. Текстурованная холоднокатаная электротехническая сталь выпускается в виде лент, смотанных в рулоны. Благодаря кремнию (3,3%) и кристаллографической структуре, хорошо штампуется. Ее μ выше, чем у высокотемпературного аналога. Исходя из термообработки, толщины листа (от 0,5 до 3,9 мм включительно), степени его обжатия ЭТС делится на несколько степеней.

Промышленностью выпускается 2 вида металлопроката этой специфики:

  • ЭТС изотропная тонколистовая (динамная) – стандарт ГОСТ 21427.2, полностью отвечающий EN 10106. Это марки 2011-2013, 2111, 2112, 2211-2216, 2312, 2411-2414, 2421.
  • Анизотропная тонколистовая сталь электротехническая трансформаторная – ГОСТ 21427.1, соответствующий требованиям стандарта EN 10107. Сортамент: 3311, 3404-3409, 3411-3415.

Горячекатаный металл

Горячая прокатка создает в структуре стали хаотичную ориентацию зерен, формирует независимые от вектора направленности магнитные характеристики. Содержание кремния в различных марках горячекатаных ЭТС даны с учетом стандарта ГОСТ 21427.3.

Вопрос 1. Почему сердечник трансформатора выполняют из электротехнической стали?

I ВАРИАНТ

Задание : из предложенных вариантов ответов выбрать правильный.

Вопрос 1. Почему воздушные зазоры в трансформаторе делают минимальными?

1) Для увеличения механической прочности сердечника.

2) Для уменьшения намагничивающей составляющей тока холостого хода.

3) Для уменьшения магнитного шума трансформатора.

4) Для увеличения массы сердечника.

Вопрос 2. Для преобразования напряжения в начале и конце линии электропередачи применили трансформаторы с коэффициентом трансформации К1=1/25 и К2=25. Как изменятся потери в линии электропередачи, если передаваемая мощность и сечение проводов остались такими же, как и до установки трансформаторов:

1) Уменьшатся в 25 раз.

2) Увеличатся в 25 раз.

3) Уменьшатся в 100 раз.

4) Увеличатся в 125 раз.

5) Уменьшатся в 625 раз.

Вопрос 3. Какое определение якорной обмотки наиболее близко к реальному представлению?

1) Разомкнутая система проводников, уложенная по определенной схеме, и соединенная с коллекторными пластинами и щетками.

2) Совокупность секций, коллекторных пластин и щеток.

3) Замкнутая на себя система проводников, уложенных по определен- ной схеме, соединенная с внешней сетью с помощью коллектора и щеток.

4) Совокупность проводников, припаянная к коллекторным пластинам,

имеющая электрическое соединение со щетками.

Вопрос 4. Как уменьшают искрение щеток в коллекторных машинах постоянного тока средней мощности?

1) Сдвигом щеток с геометрической нейтрали за физическую нейтраль.

2) Постановкой дополнительных полюсов (ДП).

3) Постановкой компенсационной обмотки (КО).

4) Сдвигом щеток и постановкой ДП.

5) Сдвигом щеток и постановкой КО.

Вопрос 5. Почему пусковой момент асинхронного двигателя при введении реостата в фазный ротор увеличивается?

1) Увеличивается индуктивное сопротивление ротора.

2) Увеличивается активное сопротивление ротора.

3) Увеличивается активная составляющая роторного тока.

4) Уменьшается роторный ток.

Вопрос 6. Почему электрическая машина называется асинхронной?

1) n1 = n2

2) n1 > n2

3) n1 ≠ n2

4) n2 > n1

Вопрос 7. Какой ток компенсирует синхронный компенсатор?

Вопрос 8 . Что нужно сделать, чтобы нагрузить синхронный генератор реактивным индуктивным током?

1) Увеличить ток возбуждения.

2) Уменьшить ток возбуждения.

3) Увеличить момент приводного двигателя.

4) Уменьшить момент приводного двигателя.

II вариант

Задание :

из предложенных вариантов ответов необходимо выбрать правильный.

Вопрос 1. Почему сердечник трансформатора выполняют из электротехнической стали?

1) Для уменьшения тока холостого хода.

2) Для уменьшения намагничивающей составляющей тока холостого хода.

3) Для уменьшения активной составляющей тока холостого хода.

4) Для улучшения коррозийной стойкости.

Вопрос 2. Имеется два одинаковых трансформатора Тр1 и Тр2. У первого трансформатора Тр1 сердечник изготовлен из листов электротехнической стали толщиной 0, 35 мм, у второго Тр2 – 0,5 мм. В каком соотношении находятся их КПД η:

Почему сердечник трансформатора выполняют из электрической стали

Почему сердечник трансформатора выполняют только из электротехнической стали ?

Электротехническими сталями зазывают металлы, используемые в производстве элементов электротехнического оборудования. Ответ на вопрос, почему сердечник трансформатора выполняют из электротехнической стали: она обладает характеристиками, которые дают возможность уменьшить сопротивление. Благодаря снижению сопротивления трансформатор тратит меньше энергии при передаче импульсов.

Состав и производство

Электротехническая сталь – это сплав железа и силицида железа (FeSi) в различных пропорциях:

  • горячекатаном сплаве до 3,3% FeSi (Э41, Э42, Э43);
  • в холоднокатаном сплаве до 4,5% FeSi (Э310, Э320, Э3ЗО).

Силицид выводит из железа кислород, снижающий магнитные свойства. Железо восстанавливается из окислов, образуется оксид кремния, который частично превращается в шлак. Одновременно цеменит (Fe3C) заменяется графитом. Иногда в процессе производства добавляется до 0,5% алюминия. Готовая продукция поставляется в виде тонких листов.

  • Э – электротехническая;
  • Первая цифра (содержание алюминия):
  • «1» – слаболегированная;
  • «2» – среднелегированная;
  • «3» – повышеннолегированная;
  • «4» – высоколегированная;
  • «А» – небольшие удельные потери;
  • 0 – холоднокатаная.

Горячекатаные сплавы в конце обработки подвергаются воздействию высокой температуры, позволяющей придать ей нужные параметры по толщине. Высокая температура способствует перестроению связей между молекулами, что влечет за собой снижение некоторых свойств.

У холоднокатаного сплава более высокая магнитная проницаемость, если она совпадает с направлением проката. Поперек показатель гораздо ниже, поэтому сердечник лучше производить так, чтобы линии смыкались, и использовать специальные методы сборки. Кроме того, холодная прокатка повышает механическую прочность и качество поверхности листов за счет образования кристаллографической текстуры. Ее качество зависят от степени обжатия, температуры обработки и толщины листа.

По этим причинам большинство производителей стараются выполняться сердечники из стали Э-3ЗОА, хотя ее себестоимость в 2 раза превышает себестоимость горячекатаного материала.

Эксплуатационные характеристики

При выборе сплава для изготовления сердечников учитывается:

  • показатель удельно сопротивления (способность удерживать и передавать напряжение);
  • коэрцитивная сила (напряжение магнитного поля, способность материала размагничиваться);
  • коэффициент магнитной проницаемости (соотношение между индукцией и напряжением магнитного поля);
  • толщина листа.

Коэрцитивная сила, удельное сопротивление, магнитная проницаемость должны быть максимальные.

Магнитопровод в трансформаторе концентрирует магнитные потоки, вызывающие вихревые электротоки. Сердечник трансформатора выполняется из электротехнической стали для того, чтобы их снизить. Достичь этой цели можно, если выполнять его из пластин толщиной 0,35-0,5 мм.

Технические характеристики холоднокатаной электротехнической стали:

  • высокая магнитная проницаемость;
  • высокое сопротивление, снижающее потери на нагрев;
  • низкие потери на гистерезис (размагничивание) и вихревые токи.

Листы хорошо штампуются, в магнитопроводе изолируются лаком или тонкой бумагой. Это полностью отвечает на вопрос, почему сталь холоднокатаная.

Магнитопроводы трансформаторов выполняются из электротехнической стали для улучшения их эксплуатационных характеристик. При добавлении в сплав кремния и холодной прокатке сталь становится практически идеальным материалом для производства элементов электрических приборов.

Источник статьи: http://otransformatore.ru/vopros-otvet/pochemu-serdechnik-transformatora-vypolnyayut-tolko-iz-elektrotehnicheskoj-stali/

Причины почему сердечники трансформатора собирают из отдельных пластин

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.

Источник статьи: http://otransformatore.ru/vopros-otvet/prichiny-pochemu-serdechniki-transformatora-sobirayut-iz-otdelnyh-plastin/

Вопрос 1. Почему сердечник трансформатора выполняют из электротехнической стали?

Задание : из предложенных вариантов ответов выбрать правильный.

Для чего используется сталь электротехническая?

Металлургическая промышленность занимается производством деталей, конструкций из металла, одним из видов которого является электротехническая сталь. Она широко применяется для изготовления электрических и электронных конструкций и деталей.

Электротехническая сталь

Этим термином в металлургической промышленности называют сталь кремнистую электротехническую, а также железо чистое. Электротехническими сталями называют материалы, из которых производят различные детали для нужд электрической и электронной промышленности. Определенные свойства данного вида металла обеспечивают нормальную работу и продляют срок эксплуатации приборам, изготовленным из него.

Кремнистая сталь

Этот вид данного металла – основной магнитомягкий материал, который имеет массовое потребление. Кремний в составе стали содержится в различных количествах. Это зависит от того, какой уровень магнитных свойств требуется. Благодаря кремнию удельное сопротивление стали увеличивается, а коэрцитивная сила уменьшается, также снижаются потери на гистерезис.

Если кремния содержится 5 % и более, механические свойства значительно ухудшаются: хрупкость и твердость повышаются. Такая сталь для штамповки непригодна.

Чистое железо

Сплавы, содержание углерода в которых составляет 0,02 % и меньше, называют чистым железом. Оно технически относится к сталям электротехническим и является материалом, который называют магнитно-мягким. Из него производят сердечники, электромагниты, полюсные наконечники, пластины для аккумуляторов.

Технически чистым железом называют низкоуглеродистую сталь, в которой содержание углерода составляет до 0,05 %. Другие примеси в ней если и содержатся, то в минимальном количестве. Такую сталь получают в результате восстановления чистых руд. Ее магнитные свойства зависят от того, в каком количестве содержатся примеси.

Для получения чистого железа с малым содержанием примесей используют два способа:

  • Электролиз, в результате чего получают электролитическое железо.
  • Термическое разложение, посредством которого осуществляется производство карбонильного железа.

Виды стали

Технология производства влияет на конечный продукт. В зависимости от этого электротехническая сталь бывает:

  • Холоднокатаная с содержанием кремния в ней 3,3 %, которая разделяется на изотропную и анизотропную.
  • Горячекатаная – изотропная, содержание кремния составляет 4,5 %.

Легирующей добавкой может быть алюминий, его количество в составе стали – 0,5 %. Данный вид металла иногда разделяют условно, согласно чему сталь бывает:

  • Динамная (изотропная).
  • Трансформаторная (анизотропная).
  • Релейная (изотропная, нелегированная).

Как кремний влияет на магнитные свойства стали?

Кремний в твердом состоянии растворяется в железе при температуре, достигающей 800 о С. Его растворимость в этом случае составляет 15 %. Сплавы, в которых кремния содержится до 2,5 %, имеют область, обладающую способностью расширяться при условии, что содержание углерода увеличивается.

К ним относятся электротехнические стали марок 1212, 2011 и другие. Кремний – единственный элемент, благодаря которому увеличивается магнитная проницаемость стали и ее электрическое сопротивление. Он также способствует понижению коэрцитивной силы, в результате чего уменьшаются потери на перемагничивание. Технология выплавки стали строится так, чтобы готовый продукт содержал меньше примесей при достаточном содержании кремния.

Углерод: его влияние

Магнитным свойствам стали особенно вредит влияние углерода. Его примесь значительно затрудняет образование текстуры. Данные свойства стали находятся в прямой зависимости от количества примесей углерода и от вида его содержания в сплаве. Если углерод из цементита переходит в графит, происходит значительное улучшение магнитных свойств стали.

Листовая сталь

В электронике этот вид металла применяется больше всего. Листы электротехнической стали представляют собой сплав, состоящий из железа и кремния, причем его содержание может достигать 4,8 %. Стали с низким содержанием веществ, благодаря которым их свойства улучшаются, носят название легированных.

Для получения электротехнической стали используются мартеновские печи. Для изготовления листов применяются слитки из стали, от состояния которых зависит способ прокатки: холодный или горячий. По этому признаку электротехническая сталь бывает холоднокатаная и горячекатаная.

Кроме легированных сталей, производятся текстурованные, обладающие более высокими магнитными свойствами, чем стали обычные, полученные способом горячей прокатки. Достигается это за счет повторной прокатки листов, где они подвергаются сильному обжатию. Кроме того, далее следует отжиг в атмосфере, наполненной водородом. Применение данных манипуляций очищает сталь от таких элементов, как углерод и кислород. Для производства листовой стали текстурованной применяются оба вида прокатки, но больше ценится металл, произведенный холодным методом.

Классификация

Ее основу составляют различия стали по таким параметрам, как назначение, магнитные свойства, химический состав. Классифицируется металл по следующим показателям:

  • В зависимости от способа прокатки и структурного состояния сталь делится на первый, второй и третий классы.
  • По количественному составу кремния. Если его содержится менее 0,4 %, то эта сталь – не легированная.
  • В зависимости от основных нормирующих характеристик сталь делится на группы: от «0» до «7».
  • Цифры, указанные в марке стали, обозначают: первая – класс в зависимости от вида прокатки и структурного состояния; вторая – количество кремния; третья – группу основных характеристик, четвертая – тип стали по порядковому номеру.

ГОСТ электротехнической стали соответствует стандартам и обозначается цифрами: для листов – 11036, для лент – 3863.

Свойства стали

Сталь электротехническая листовая обладает следующими свойствами:

  • Удельным сопротивлением. Качество материала лучше, если этот показатель высокий. Благодаря сопротивлению электрический ток при прохождении испытывает препятствия. Для производства проводников используется сталь с минимальными значениями данного показателя. А вот для их экранирования, а также для изготовления корпусов, наоборот, важно, чтобы электричество удерживалось внутри и его потери в пути были минимальными. Поэтому и сталь как сырье должна соответствовать данным требованиям.
  • Низкой коэрцитивной силой. По показателям данного параметра судят, насколько магнитное поле внутри материала способно к размагничиванию. Электротехническая сталь для трансформаторов и электродвигателей должна хорошо размагничиваться, то есть обладать высокой способностью к этому. Электромагниты, наоборот, производятся из стали, обладающей высокой коэрцитивной силой. Такой металл получил название анизотропной электротехнической стали.

  • Соответствующей шириной петли гистерезиса. Этот показатель оказывает влияние на способность элементов, участвующих в работе электрической цепи, снова возвращаться в начальное состояние после того, как прибор будет выключен. Когда в цепь будет прекращена подача электричества, в ее составных частях какое-то время сохраняется напряжение, которое называют механическим. В деталях прибора первоначальное состояние восстановится гораздо быстрей, если петля гистерезиса будет иметь меньшие размеры по ширине.
  • Магнитной проницаемостью. Если этот показатель высокий, это означает, что со своими функциями материал справляется отлично.
  • Значимым показателем, особенно в электронике, является толщина листа, которая не должна превышать одного миллиметра.

Применение листовой стали

Промышленность выпускает листы, достигающие ширины 240-1000 мм, длины – 720-2000 мм, толщины – от 0,1 до 1,0 мм. Кроме этого, производятся узкие ленты 0,15 – 1,0 мм толщиной. Свойства листовой стали позволяют использовать ее в электронике. Из нее изготавливают сердечники, магнитопроводы, дроссели, роторы и статоры для динамомашин, реле, электродвигатели, стабилизаторы, трансформаторы тока и многое другое. В большинстве случаев применяется текстурованная сталь, так как ее магнитные характеристики имеют большее значение.

Дефекты стали

Почему электротехническая сталь имеет дефекты? Причины их появления различные. В процессе производства стали металлургические дефекты могут появляться из-за высокого содержания кремния в составе сплава, в результате чего образование газовых пузырьков и рослости слитков гарантировано.

Другой дефект появляется, когда при разливе стали заворачиваются корочки. В результате образуются плены, которые значительно снижают качественные характеристики поверхности стали.

Значительно снижает качество металла такой дефект, как внутренние трещины, которые называются «скворечниками». Они появляются, если охлаждение происходит на большой скорости и низкой температуре – 120 о С.

Марки электротехнической стали

На каждом листе цифрами нанесена марка. Она обозначает назначение стали.

  • Полюса у электромашин, работающих от постоянного тока, детали двигателей, мощность которых достигает менее 100 кВт, магнитопроводы приборов производятся из малотекстурованной стали холодной прокатки марки 2211 или нетекстурованного металла горячей прокатки марок 1211-1213. Металл обладает высокой пластичностью.
  • Роторы и статоры двигателей, мощность которых составляет 100-400 кВт, изготавливаются из нетекстурованной электротехнической стали горячей прокатки таких марок, как 1312 и 1311. У металла хорошая пластичность.
  • Роторы и статоры двигателей, мощность которых 400-1000 кВт, силовые трансформаторы малой мощности, двигатели, частота которых повышенная, производятся из мало текстурованной стали холодной прокатки марки 2411 или нетекстурованной стали горячей прокатки марок 1412, 1411.

Магнитопроводы

Данный вид оборудования представляет собой конструкции из пластин или ленты, то есть из отдельных элементов набирается трансформатор. В зависимости от формы пластин, из которых собираются магнитопроводы, они называются броневыми и стержневыми. В ленточных магнитопроводах из электротехнической стали используются свойства, которыми характеризуется холоднокатаный анизотропный металл данного вида. Чтобы удобней осуществлять намотку, изготовляются магнитопроводы в разрезанном виде.

Сердечник электротехнической стали

Для изготовления сердечников статоров и роторов, которыми комплектуются электрические машины, работающие от переменного тока, используется листовая сталь второго класса. Сердечник из электротехнической стали применяется в силовых трансформаторах. Для его изготовления используют нелегированный металл этого вида, имеющий нормированные свойства. По своему химическому составу эта сталь бывает разной. Но ее магнитные свойства как после обжига, который осуществляется при температуре до 950 о С и без присутствия кислорода, так и после охлаждения в течение 10 часов при температуре 600 о С, не должны быть ниже разработанных норм.

Сердечник якоря электротехнической стали, которым комплектуется машины, работающие от постоянного тока, набирается из листов именно этого металла. А почему? Применение данного материала целесообразно потому, что изменение магнитного потока в сердечнике влечет за собой возникновение вихревых токов. Чтобы от них не происходило нагревание сердечника якоря, для его изготовления используют изолированные пластины, которые будут преграждать путь току.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий