Вихревыми токами называются электротоки, возникающие под воздействием магнитного поля в проводнике и движущиеся по кругу. Они считаются паразитными, так как тратят энергию, в результате чего снижается КПД. Если сердечник монолитный, его сопротивление минимальное, вихревые токи максимальные.
Чтобы уменьшить вихревые токи, необходимо увеличить сопротивление материала, из которого производится сердечник. Для уменьшения вихревых токов используют сердечники трансформаторов, изготовленные из тонких элементов из специальной стали.
Причины снижения КПД трансформатора
Эффективность работы трансформатора не может быть равно 100%, так как энергия теряется при любых условиях.
Потери делятся на 2 вида:
- в меди (намотке);
- в стали (сердечнике).
В обмотке потери энергии создает сопротивление провода, преобразующее электрическую энергию в тепло. В стержне такой же процесс происходит из-за вихревых токов, возникающих под воздействием магнитного поля. Оно равно нулю на внутренних витках первичной обмотки, увеличивается до максимума на внешних, переходит на вторую обмотку и достигает нуля на ее внешних витках.
Справка! Потери напряжения равны квадрату вихревых токов.
Вихревой ток движется по кругу, поэтому не выходит за пределы проводника, создает собственное магнитное поле, которое (по закону Венца) мешает изменению поля, создавшего их. Если стержень цельный, он сильно нагревается, оборудование выходит из строя из-за перегрева изоляции обмоток.
Способы снижения потерь
Потери можно снизить изменением качества стали. Если сердцевина монолитная, в ней много диполей, которые меняют направление из-за присутствия магнитного поля. В процессе изменения возникает трение, вызывающие повышение температуры, то есть, магнитная энергия превращается в тепловую.
Проблема решается набором стержня из пластин электротехнической магнитомягкой стали, покрытых пленкой оксида, лаком или окалиной (в крупном оборудовании используется изолированная шпилька). Толщина этого материала 0,36-0,5 мм, он содержит 1-5% кремния, поэтому хорошо пропускает магнитные волны и снижает их напряженность.
По составу это все равно легированная сталь, но с повышенной хрупкостью, которая растет одновременно с повышением содержания кремния. Некоторые производители добавляют так же алюминий (до 0,5%). Поставляется эта сталь в листах с различной шириной полосы. Толщина 0,1-1 мм.
Важно! Монолитный проводник заменяется другим, обладающим меньшим сечением. Это влечет за собой увеличение сопротивления и снижение вихревых токов. В результате снижается влияние магнитного поля, образующего вихри.
Чтобы уменьшить в трансформаторе вихревые токи и снизить потери в обмотке, увеличивается сечение проводов с целью снизить сопротивление. Чтобы вес и цена не были слишком увеличены, выбирается сечение, не вызывающее нагрева обмоток. Если одновременно меняется сердечник и провода, КПД трансформатора достигает 85-90%.
Разновидности сердечников
Трансформатор – это стержень и обмотка.
Конструктивно сердечники бывают:
- стержневые (2 С-образных стержня, соединенные ярмом в форме П);
- броневые (Ш-образный стержень с обмоткой в центре закрыт ярмом, расположенным на наружной части);
- тороидальные (в форме кольца).
С точки зрения производства, осмотра и ремонта первый вид самый удобный. Стержни трансформаторов собираются из штампованных пластин или металлических лент, наматываемых в виде цилиндра. Цилиндр разрезается на 2 части, разрезы шлифуются. На обе части наматываются обмотки, каждая из которых содержит часть витков другой. Половинки располагаются так, чтобы плотно прилегали разрезы. Конструкция крепится стальной лентой.
С-образный сердечник стоит дорого из-за сложной технологии производства. При малейшей неточности образуются воздушные зазоры, увеличивающие вихревые электротоки. Поэтому самое значительное уменьшение потерь достигается при использовании ленты тороидальным способом. Тора не режется, обмотки наматываются при помощи специального станка. Особенности конструкции делают кольцо самым энергоэффективным.
С-образный и тороидальный сердечник направляет магнитный поток в одно направление, определяющее ориентацию кристаллической структуры металла. Это позволяет использовать более плотные потоки магнитного излучение. Данная особенность дает возможность уменьшить размеры сердечника.
Справка! Для улучшения геометрии катушек трансформаторов секционируются или чередуются намотки.
Ш-образные пластины принято использовать в силовых трансформаторах. В процессе укладки чередуется пространственная ориентация с целью снизить зазоры на стыках. Обмотки выполняются в виде катушек на среднюю ось. Магнитный поток проходит поперек кристаллической структуры металла. Такой стержень пропускает его до наступления насыщенности направлении, которое расположено параллельно по отношению к структуре. Данное свойство позволяет работать при повышенной плотности магнитного потока.
Если стержень собирается встык, на него наматываются обмотки, только потом проводится соединение ярмом. При намотке впереплет стержень называется шихтованным и не теряет ток в месте соединения обмоток. Для производителей первый метод проще, но он увеличивает объем потерь. Потребители предпочитают шихтованные трансформаторы.
