Тороидальный трансформатор

Тороидальный трансформатор – это электротехнический преобразователь напряжения или тока, сердечник которого изогнут по кругу и замкнут. Сечение обычно отличается от круглого, но название все равно применяют за неимением лучшего.

Отличия тороидальных трансформаторов

В этом разделе ничего не будет сказано из истории, потому что автором тороидальных трансформаторов является Майкл Фарадей. Вы можете встретить в отечественной литературе (в особенности коммунистических времён) идею о том, что первым собрал нечто подобное Яблочков, но, сравнив указываемую дату – обычно это 1876 год – с ранними опытами по электромагнитной индукции, можно прийти к выводу, что Англия все-таки опередила в этой области Россию примерно на полвека. И оттого, что «патриоты» будут трубить и бить себя в грудь, заявляя о некоем приоритете, едва ли изменится что-либо из объективных фактов. Всех интересующихся подробностями можно отослать к обзору про закон электромагнитной индукции. Там приводятся детальные сведения о конструкции первого в мире тороидального трансформатора. От прочих его отличает форма сердечника. Помимо тороидальных принято по форме различать:

  1. Броневые. Отличаются избыточностью ферромагнитного сплава. Для замыкания линий поля (так, чтобы они проходили внутри материала) ярма охватывают обмотки с внешней стороны. В результате входная и выходная обычно наматываются вокруг общей оси. Одна поверх другой или рядом.
  2. Стержневые. Сердечник такого трансформатора проходит лишь внутри витков обмотки. Пространственно входная и выходная разнесены. Ярма вбирают в себя лишь очень малую часть линий напряжённости магнитного поля, проходящих за пределами витков. Фактически они нужны только для того, чтобы соединить стержни.
Электротехнический преобразователь напряжения

Электротехнический преобразователь напряжения

В этом вопросе новичку приходится туго, поэтому будет нелишним пояснить более подробно. Стержнем называется часть сердечника, проходящая внутри витков. На неё, как на остов наматывается проволока. Ярмом называется часть сердечника, соединяющая стержни. Она нужна для передачи линий магнитного поля. Ярма замыкают сердечник в цельную конструкцию. Замкнутость требуется для свободного распространения внутри материала магнитного поля.

Теперь можно понять, что в состав стержневого сердечника ярмо входит в минимальном составе. Тогда как в броневом оно охватывает дополнительно обмотки снаружи вдоль всей длины, как бы защищая их. От этой аналогии и произошло само название. Если говорить о конструкции Майкла Фарадея, то он выбрал тор скорее всего интуитивно. Формально это можно назвать стержневым сердечником, хотя направляющая оси симметрии обмоток идёт по дуге.

Тор обычно навивают единой лентой. В связи с этим такие сердечники часто называют спиральными в отличие от броневых и стержневых, которые обычно фигурируют в литературе за термином пластинчатые. Это может ввести в заблуждение. Поэтому лишний раз следует сказать: тороидальный сердечник, даже будучи намотанным из отдельных пластин, все равно называется спиральным. Разбивать на части его приходится в том случае, когда отсутствует лента. В свою очередь, это может быть вызвано чисто экономическими причинами.

Подытожим: в исходном виде тороидальный трансформатор Фарадея имел сердечник круглого сечения. Сегодня такая форма невыгодна в связи с невозможностью обеспечить производство соответствующей технологией. Хотя, строго говоря, деформация проволоки по углам сгиба приводит однозначно к ухудшению характеристик изделия.

Сердечники тороидальных трансформаторов

Должно быть понятно, что тороидальный трансформатор назван так за форму своего сердечника. Майкл Фарадей изготовил его в виде бублика из цельного куска мягкой стали круглого сечения. Такая конструкция нецелесообразна на современном этапе по нескольким причинам. Главное внимание в этом вопросе уделяется минимизации потерь. Сплошной сердечник невыгоден, потому что наводятся вихревые токи, сильно разогревающие материал. Фактически получается плавильная индукционная печь, а в ней легко превращается в жидкость и сталь.

Читайте также:  Натриевые лампы

Чтобы избежать таких ненужных трат энергии и нагревания трансформатора, сердечник нарезают из полос. Каждая изолируется от соседней, например, лаком. В случае тороидальных сердечников их наматывают из единой спирали, либо полосами. Сталь обычно на одной стороне имеет изолирующее покрытие толщиной в единицы микрометра. Вот некоторые из применяемых в этой области марок:

Перечисленные стали используются для конструирования трансформаторов тока, довольно часто по исполнению являющихся тороидальными. Интересующимся можно ознакомиться с ГОСТ 21427.2 и 21427.1. Для сердечников (как это следует из названия документов) сегодня чаще всего используется анизотропная холоднокатанная листовая сталь. В её название уже заложен тот факт, что магнитные свойства в таком материале неодинаковы по разным осям координат. Вектор потока поля должен совпадать с направлением проката (то есть в нашем случае движется по кругу). Ранее применялся и другой металл. В частности, сердечники высокочастотных трансформаторов могут изготавливаться из стали 1521. В рамках этого сайта особенности применяемых материалов уже обсуждались (см. коэффициент трансформации). Сталь маркируется по-разному, например, в состав обозначения могут входить следующие данные:

  • На первом месте стоит цифра, характеризующая структуру. Для анизотропных сталей обычно применяется 3.
  • Вторая цифра указывает на процентное содержание кремния:
  1. менее 0,8%.
  2. от 0,8 до 1,8%.
  3. от 1,8 до 2,8%.
  4. от 2,8 до 3,8%.
  5. выше 3,8 и до 4,8%.
  • Третья цифра указывает на основную характеристику. Например, это могут быть удельные потери, либо величина магнитной индукции при той или иной напряжённости поля.
  • Тип стали. С ростом этого числа удельные потери ниже. Зависит от технологии производства металла.

При транспортировке структура стали неизбежно повреждается. Дефекты можно устранить специальным отжигом на месте сборки. Что и делается в обязательном порядке для измерительных трансформаторов тока, где важна точность показаний. Затем сердечник наматывается из цельного куска или отрезных полос на оправку цилиндрической или овальной формы. При необходимости ленты можно нарезать из цельного листа (что экономически чаще всего нецелесообразно). Длина каждой должна составлять не менее шести с половиной радиусов намотки. Для достижения нужной длины допускается соединять отдельные полосы точечной сваркой. Шихтование (разбивка на тонкие слои) устраняет явление вихревых токов. Потери на перемагничивание при этом почти не меняются, но составляют малую долю упомянутого ранее эффекта.

Не имеет никакого значения взаимное расположение конца и начала ленты. Чтобы спираль не размоталась, последний виток приваривают к предыдущему точечной сваркой. Намотка ведётся с натяжением, но собранные из нескольких полос ленты обычно не удаётся подогнать плотно, потому что сварной шов выполняется внахлёст. Иногда тор режется на две части (разрезной сердечник), но на практике это требуется сравнительно редко. Половинки при сборке стягиваются бандажом. В процессе изготовления готовый тороидальный сердечник режется инструментом, затем торцы шлифуются. Витки спирали скрепляются связующим веществом, чтобы не размоталась.

Трансформатор с замкнутым сердечником

Трансформатор с замкнутым сердечником

Намотка тороидальных трансформаторов

Обычно производится дополнительная изоляция тороидального сердечника от обмоток, даже если используется лакированная проволока. Для чего широко применяется электротехнический картон (ГОСТ 2824) толщиной до 0,8 мм (возможным и другие варианты). Вот самые распространённые случаи:

  1. Картон наматывается с захватом предыдущего витка на тороидальный сердечник. Более точно, этот способ характеризуется, как вполнахлёста (на половину ширины). Конец приклеивается или закрепляется киперной лентой.
  2. По торцам сердечник защищают картонные шайбы с надрезами глубиной от 10 до 20 мм с шагом 20-35 мм, перекрывающие толщину тора. Наружная и внутренняя грань закрываются полосами. Технологически шайбы идут в сбор последними, прорезанные зубцы загибаются. Поверх спирально наматывается киперная лента.
  3. Надрезы могут производиться на полосах, тогда они берутся с запасом, чтобы больше высоты тора, а кольца – строго по ширине и накладываются поверх загибов.
  4. Тонкие полосы и кольца из текстолита закрепляются на тороидальном сердечнике лентами стеклоткани вполнахлёста.
  5. Иногда кольца выполняются из электротехнической фанеры, гетинакса или толстого (до 8 мм) текстолита с запасом по наружному диаметру в 1-2 мм. Внешнюю и внутреннюю грань защищают картонными полосами с загибом по краям. Таким образом, между первыми витками обмотки и сердечником остаётся воздушный зазор. Этот промежуток под картоном нужен на тот случай если края под проволокой протрутся. Тогда даже и в этом случае токонесущая часть никогда не коснётся тороидального сердечника. Поверх наматывается киперная лента. Иногда внешнее ребро колец сглаживается, чтобы намотка по углам шла более плавно.
  6. Имеется разновидность изоляции, сходная с предыдущей, но с внутренней стороны по кольцам на внешних рёбрах имеются проточки до самого сердечника, куда ложатся полосы. Все элементы выполняются из текстолита. Поверх наматывается киперная лента.
Читайте также:  Энергосберегающая лампа

Обмотки обычно выполняются концентрическими (одна над другой), либо чередующимися (как в первом опыте Майкла Фарадея 1831 года), которые также называют иногда дисковыми. В последнем случае через одну может наматываться достаточно большое их число, попеременно: то высокое напряжение, то низкое. Для этих целей применяется чистая электротехническая медь (99,95%) с удельным сопротивлением от 17,24 до 17,54 нОм м. Ввиду дороговизны этого металла для изготовления тороидальных трансформаторов малой и средней мощности берётся рафинированный алюминий. Для прочих случаев сказываются ограничения по проводимости и пластичности.

В мощных трансформаторах медный провод бывает и прямоугольного сечения. Это делается для экономии места. Жила должна быть очень толстой, чтобы пропустить значительный ток и не расплавиться, поэтому круглое сечение привело бы к излишнему росту габаритов. Выигрыш равномерности распределения поля по материалу свёлся бы на нет. С другой стороны толстый прямоугольный провод достаточно удобно укладывать, чего никак нельзя сказать касательно тонкого. В остальном (по конструктивным признакам) намотка производится в точности теми же путями, как и в случае с обычным трансформатором. Катушки могут быть цилиндрическими или винтовыми, однослойными или многослойными и пр.

Определение конструкции тороидального трансформатора

Всем интересующимся вопросом рекомендуем изучить книгу С. В. Котенева и А. Н. Евсеева по расчёту и оптимизации тороидальных трансформаторов (издание Горячая линия – Телеком, 2011 год). Следует напомнить, что издание защищено законом об авторских правах. Так, что все профессионалы найдут в себе силы (и средства) приобрести при необходимости эту книгу. Согласно главам расчёт начинается с определения параметров режима холостого хода. Подробно описывается, как найти активный и реактивный токи, высчитать некоторые параметры.

Печатное издание, несмотря на некоторую спорость изложения, попутно даёт понять, почему, например, включённый в цепь трансформатор, даже будучи лишён нагрузки, не сгорает (все дело в трате энергии на ток намагничивания). Хотя, казалось бы, это должен быть очевидный исход такого мероприятия.

Число витков первичной обмотки выбирается из условия не превышения магнитной индукцией своего максимального значения (до входа в режим насыщения, где значение уже не меняется с ростом напряжённости поля). Если конструирование ведётся для бытовой сети 220 В, то берётся допуск согласно ГОСТ 13109. То есть, в нашем случае, имеется в виду отклонение по амплитуде в пределах 10%. Не нужно также забывать, что вся промышленность перешла в XXI веке на 230 В (220 уже не используется и приводится в литературе, как «наследие тяжёлого прошлого»).