Виды электротехнических материалов

План. 

стр.

1. Введение  ·············································································· 2
2. Пример расчета силового трансформатора ·················· 3
3. Виды электротехнических материалов:

   3.1 Проводники и изоляторы  ·············································· 9

      а) сердечники ································································· 11

      б) обмоточные провода  ··············································· 21

      в) трансформаторные масла  ·······································31

      г) трансформаторная бумага ······································· 41

4. Заключение (история трансформатора) ······················· 44
5. Литература ·········································································· 51

 

Введение.

      Электричество плотно вошло в нашу жизнь и мы просто не представляем себя без него. Но задумывались ли мы когда-нибудь о том, какое количество полезных ископаемых тратится на то, чтобы донести его до нас и подать именно в той форме, в которой мы привыкли его наблюдать (220 В, 50 Гц).

      Для того, чтобы это произошло, “электричество” должно пройти через множество силовых трансформаторов, о которых и пойдет речь в моем реферате. 

 

Пример расчета  силового трансформатора.

Назначение

      Силовой трансформатор предназначен для  преобразования одного переменного напряжения, например напряжения сети, в другое переменное напряжение той же частоты.

      Переменный  ток получают непосредственно с  вторичных обмоток силового трансформатора. Постоянный ток получают от выполненного по одной из схем выпрямителя, на который подается переменное напряжение с вторичной обмотки силового трансформатора.

      Кроме того, силовой трансформатор отделяет цепи устройства от сети переменного  тока, что позволяет заземлять  его шасси непосредственно. В  случае использования бестрансформаторного выпрямителя или применения силового автотрансформатора, у которого вторичная обмотка является частью первичной или наоборот, шасси аппарата оказывается соединенным с одним из проводов сети, поэтому такие способы питания стараются не применять, хотя они позволяют снизить вес и стоимость аппаратуры.

Устройство  трансформатора

      Трансформатор состоит из сердечника, набранного из пластин трансформаторной стали  толщиной 0,35 - 0,5 мм встык без зазора, и каркаса с обмотками.

      Сердечники  бывают броневые из Ш-образных пластин (обмотки располагаются на среднем стержне - керне) и стержневые из П-образных пластин (обмотки располагаются или на одном, или на двух стержнях поровну). В последнее время стали применяться сердечники, изготовленные из плоской ленты - ленточные или витые сердечники.

      Обозначение сердечника состоит из буквы Ш  или П, показывающей форму пластин, и двух чисел, обозначающих ширину керна  а и толщину набора с в мм, например, Ш20Х40. Если ширина крайних стержней пластины больше половины ширины среднего стержня, в начале обозначения ставят букву У. Если сердечник витой, после буквы П или Ш стоит буква Л - ленточный. Неразрезные витые сердечники, имеющие форму кольца, обозначают буквами ОЛ и тремя числами, показывающими наружный диаметр, внутренний диаметр и высоту кольца.

      Отдельные пластины или слои ленты сердечников  для уменьшения потерь на вихревые токи изолируются друг от друга слоем  окалины, лака, клея или тонкой бумаги. В трансформаторах малой мощности это делать не обязательно.

Расчет  трансформатора

      Размеры сердечника силового трансформатора определяются в зависимости от габаритной (кажущейся) мощности трансформатора. Обмотки рассчитываются на соответствующие напряжения и  токи, вычисленные при расчете  выпрямителя.

      Принятые  обозначения

a – ширина стержня, на котором расположены обмотки, см.

b – ширина  окна пластины, см.

c – толщина  набора пластин, см.

h – высота  окна, см.

Q_c – площадь поперечного сечения сердечника, (а · с)см²

Q_o – площадь окна (b · h), см²

P_г – габаритная мощность трансформатора

U_i – напряжение или ЭДС обмотки (i = 1, 2, 3, …), В

I_i – ток обмотки, мА

W_i – число витков обмотки

D_i – диаметр провода обмотки, мм

σ – плотность  тока в обмотках А/мм²

η – коэффициент  полезного действия трансформатора 

      Габаритная  мощность трансформатора P_г является суммой мощностей P_гi, вычисленных для каждой вторичной обмотки.

      

Мощность P_гi для одной о6мотки определяется по формуле

если вся обмотка  работает в течение каждой половины периода (например, обмотка, питающая выпрямитель, собранный по мостовой схеме или двухполупериодной схеме удвоения напряжения, а также обмотка накала ламп переменным током), или по формуле:

если обмотка  или часть ее работает в течение  лишь одной половины каждого периода (например, обмотка, от которой питается выпрямитель, собранный по однополупериодной схеме или двухполупериодной схеме со средней точкой).

      По  суммарной габаритной мощности выбирают сердечник, для которого выполняется  соотношение

Отношение размеров c/a должно находиться в пределах 1 - 2.  

Значения  КПД трансформатора и плотности тока 
в обмотках в зависимости от мощности

 

      Если  обмотки выполняются проводом в  бумажной или шелковой изоляции, полученное значение Q_cQ_o необходимо увеличить на 30%.

После выбора сердечника приступают к расчету обмоток  трансформатора.

Количество витков первичной обмотки определяют по формуле 

вторичных обмоток  по формуле:

      Диаметр провода определяется по заданной плотности  тока, значения которой зависят от мощности трансформатора, по формуле 

      В заключение проверяют, уложатся ли все обмотки в окна выбранного сердечника. Площадь, занимаемая каждой обмоткой с прокладками в окне сердечника, приближенно определяется по формуле

,

где β коэффициент заполнения окна сердечника медью провода, равный 0.3 - 0.35 для проводов ПЭЛ, ПЭТ и ПЭВ, 0.18 - 0.25 для проводов ПВО, ПЭБО и ПЭШО.

Конструктивное  исполнение

      Чтобы обеспечить возможность включения  трансформатора в сеть с напряжением  как 127 в, так и 220 в, первичная обмотка  выполняется на 220 в с отводом  на 127 в, при этом переключение на нужное напряжение можно осуществлять или переключателем, или предохранителем, переставляемым из одной пары зажимов в другую. При другом способе переключения первичная обмотка выполняется в виде двух отдельных обмоток, имеющих секции на 110 и 17 в. При напряжении сети 127 в обе обмотки включаются параллельно, при 220 в секции на 110 в включаются последовательно, при 110 в - параллельно. Переключение производят при помощи ламповой панельки и фишки, изготовленной из цоколя лампы.

      Обычно  первой наматывается на каркас первичная обмотка. Затем вторичные в порядке уменьшения диаметра провода. Иногда с целью уменьшения помех, проникающих из сети, между первичной (сетевой) и вторичными обмотками укладывают экран, представляющий собой незамкнутый виток фольги или один слой тонкого провода. Вывод экрана соединяют с шасси, второй вывод обмотки-экрана не используется.

      Готовую катушку с обмотками силового трансформатора полезно пропитать  расплавленным парафином, воском, стеарином. Для уменьшения создаваемых силовым трансформатором наводок на цепи устройства катушку трансформатора поверх сердечника закрывают широкой полосой листовой меди. образующей короткозамкнутый виток вокруг трансформатора (не вокруг обмотки).

 

Проводники  и изоляторы

      В металлах электрический ток представляет собой упорядоченное движение свободных электронов. Материалы, в которых много свободных электронов, легко пропускают их направленный поток и называются проводниками. Материалы, в которых мало или совсем нет свободных электронов, называются изоляторами. Примерами хороших проводников являются такие металлы, как медь, алюминий, золото и серебро. Различные пластмассы и керамические материалы представляют собой хорошие изоляторы.

Свойства металлических проводников

 

Свойства изоляторов

 

Сердечники.

      Сердечники  силовых трансформаторов изготавливаются  из электротехнической стали.

      Электротехническая  нелегированная сталь с нормированными свойствами в постоянных полях используется для изготовления магнитопроводов всех видов и самых сложных форм: детали реле, сердечники, полюсные наконечники электромагнитов, элементы магнитоэлектрических, индукционных и электромагнитных приборов, экраны, телефонные мембраны, магнитопроводы двигателей переменного и постоянного тока малой и средней мощности и так далее.

      Химический  состав электротехнической нелегированной стали различных марок приведен в табл. 2. Магнитные свойства электротехнической нелегированной стали после отжига без доступа воздуха при температуре не выше 950 градусов Цельсия и далее после медленного охлаждения на воздухе (не более 10 часов) до 600 градусов Цельсия должны соответствовать нормам, приведенным в табл.3.

      Электротехнические  кремнистые стали - наиболее широко распространенный магнитомягкий материал, сочетающий высокие магнитные свойства с  низкой стоимостью и удовлетворительной технологичностью. Эти стали широко применяются для изготовления двигателей и генераторов всех типов, дросселей и трансформаторов, электромеханизмов и приборов, работающих как на постоянном, так и на переменном токе различной частоты. Разнообразные технические требования, предъявляемые к электротехническим сталям, удовлетворяются путем изменения их химического состава, толщины листов или ленты и применения специальных технологических процессов изготовления и термической обработки.

      Свойства  электротехнической магнитной горячекатаной стали марок 1571 и 1572 с содержанием кремния около 4% должны соответствовать нормам, приведенным в табл. 4. В этой таблице представлены также свойства холоднокатаной тонколистовой стали марок 3471 и 3472 с содержанием кремния около 3%. Свойства электротехнической магнитной горячекатаной тонколистовой стали марок 1561 и 1562 с содержанием кремния до 4% должны соответствовать нормам, приведенным в табл. 5. Нормированные магнитные свойства сталей при частоте перемагничивания 50 Гц представлены в табл. 6. и табл. 7.

      Для сталей всех типов нормируется коэффициент  старения (процент увеличения удельных потерь в образце после старения по сравнению с исходными удельными  потерями). Коэффициент старения должен быть не более 3 - 8% после нагрева в течение 120 часов при 120 - 150 °C в зависимости от типа стали. Магнитные свойства сталей с нормированием свойств при частоте перемагничивания 400 Гц представлены в табл. 8. Магнитные свойства сталей с нормированием свойств при частоте перемагничивания 3000 Гц приведены в табл. 9.

      Представленные  в табл. 6., табл. 7. и табл. 8. магнитные  параметры измеряются либо вдоль  направления прокатки (для анизотропных сталей), либо вдоль и поперек  направления прокатки (для изотропных и горячекатаных сталей).

      Магнитные свойства электротехнической стали  на переменном токе зависят при одинаковой структуре и текстуре от толщины  стального листа и частоты  перемагничивания. Наилучшие магнитные  свойства при частоте 50 Гц имеет  стальной лист толщиной 0.25 - 0.30 мм. Выбор толщины листа определяется оптимальным соотношением требуемых магнитных свойств материала, коэффициента заполнения и трудоемкости изготовления магнитопровода. По мере автоматизации процессов изготовления магнитопроводов, улучшения плоскости листа и уменьшения толщины электроизоляции оптимальная толщина стали снижается и следует применять сталь толщиной 0.30 мм и 0.27 мм.

      При частоте 400 Гц наилучшие магнитные  свойства имеет стальной лист толщиной 0.12 мм, с учетом коэффициента заполнения оптимальная толщина для этой частоты - 0.15 мм; увеличение частоты до 3000 Гц уменьшает оптимальную толщину стального листа до 0.05 мм.

      Существенное  влияние на свойства электротехнических сталей оказывают примеси ( кремний, углерод, сера и фосфор).

Таблица 2

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ НЕЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ

 

_____________________________________________________________________________

    Материал   Углерод  Марганец  Кремний   Сера  Фосфор  Медь    ГОСТ  или ТУ

_____________________________________________________________________________

    Сталь:

электро-

техническая

нелегированная 

тонколистовая   0.040    0.300     0.300     -      -      -    ГОСТ 3836-83

сортовая        0.035    0.300     0.300   0.030  0.020  0.300  ГОСТ 11036-75

_____________________________________________________________________________ 
 
 
 
 

Таблица 3

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ НЕЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ

 

_____________________________________________________________________________

        Коэрцитивная сила,      Относительная        Магнитная индукция,Тл,

Марка          А/м,        максимальная магнитная  не менее при напряженности 

            не более           проницаемость,           магнитного поля,

                                 не менее                 А/м, равной

                                                    500      1000       2500

_____________________________________________________________________________

                      Сортовая сталь (ГОСТ 11036 - 75)

10895          95                    -             1.32     1.45       1.54

20895          95                    -              1.36     1.45       1.54

11895          95                    -              1.32     1.45       1.54

21895          95                    -              1.32     1.45       1.54

10880          80                    -              1.36     1.47       1.57

20880          80                    -              1.36     1.47       1.57

11880          80                    -              1.36     1.47       1.57

21880          80                    -              1.36     1.47       1.57

10864          64                    -              1.40     1.50       1.60

20864          64                    -              1.40     1.50       1.60

11864          64                    -              1.40     1.50       1.60

21864          64                    -              1.40     1.50       1.60

                     Тонколистовая сталь (ГОСТ 3836 - 83)

10895          95                  3000              -        -          -

20895          95                  3000              -        -          -

11895          95                  3000              -        -          -

21895          95                  3000              -        -          -

10880          80                  4000              -        -          -

20880          80                  4000              -        -          -

11880          80                  4000              -        -          -

21880          80                  4000              -        -          -

10864          64                  4500             1.38     1.50       1.62

20864          64                  4500             1.38     1.50       1.62

11864          64                  4500             1.38     1.50       1.62

21864          64                  4500             1.38     1.50       1.62

10848          48                  4800              -        -          -

20848          48                  4800              -        -          -

11848          48                  4800              -        -          -

21848          48                  4800              -        -          -

10832         32                  5000              -        -          -

20832          32                  5000              -        -          -

11832          32                  5000              -        -          -

21832          32                  5000              -        -          -

_____________________________________________________________________________

Таблица 4

МАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ СТАЛИ В  СРЕДНИХ ПОЛЯХ

 

____________________________________________________________________________

          Толщина     Магнитная индукция, Тл,   не менее,  при напряженности

 Марка     листа,                  магнитного поля, А/м, равной

            мм         5      10      20     50     70    100    200    500 

____________________________________________________________________________

1571        0.35       -     0.035   0.14   0.48   0.61   0.77   0.92   1.21

            0.20       -     0.030   0.10   0.38   0.58   0.66   0.90   1.18

1572        0.35       -     0.045   0.17   0.57   0.71   0.87   1.02   1.25

            0.20       -     0.040   0.14   0.48   0.62   0.74   0.92   1.20

3471        0.50      0.14     -      -      -      -      -      -      -

            0.35      0.17     -      -      -      -     1.61    -      -

3472        0.50      0.16     -      -      -      -     1.61    -      -

            0.35      0.19     -      -      -      -     1.61    -      -

____________________________________________________________________________ 

Таблица 5

МАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ СТАЛИ В  СЛАБЫХ ПОЛЯХ

 

____________________________________________________________________________

          Толщина     Магнитная индукция, мкТл,  не менее, при напряженности

 Марка     листа,                  магнитного поля, А/м, равной

            мм           0,2                    0,4                    0,8 

____________________________________________________________________________

1561       0.35          100                    220                     650

           0.20          100                    220                     650

1562       0.35          120                    280                     760

           0.20          120                    300                     750

____________________________________________________________________________