ТРАНСФОРМАТОР

Заявленное техническое решение относится к электротехнике, а именно к малогабаритным трансформаторам тока, содержащим обмотки.
Известны трансформаторы тока, содержащие обмотки, выполненные на аморфных или нанокристаллических магнитопроводах в бескорпусном варианте, когда механическая жесткость магнитопровода достигается за счет применения внешнего порошкового покрытия.
Трансформаторы тока с вышеупомянутым магнитопроводом могут применяться в свою очередь, например, в счетчиках электроэнергии, как это описано в патенте RU 2190860. Счетчики электроэнергии используются, например, для учета потребления электроэнергии электрических приборов и установок в промышленности и в домашнем хозяйстве. Используется при этом старейший принцип измерительного прибора индукционной системы Феррариса. Счетчик Феррариса основан на учете электроэнергии посредством вращения соединенного с механическим счетным механизмом диска, который приводится в движение катушками возбуждения, соответствующими пропорциональным току или напряжению полям. Для расширения функциональных возможностей счетчиков электроэнергии, как, например, для многотарифного режима работы или дистанционного отсчета показаний применяются электронные счетчики электроэнергии, у которых учет тока и напряжения осуществляется посредством преобразователей тока и напряжения. Выходные сигналы этих преобразователей переводятся в цифровой формат, умножаются, интегрируются и сохраняются; результатом является электрическая величина, доступная для дистанционного считывания. Основной недостаток заключается в том, что при высыхании порошкового покрытия происходит механическое сжатие магнитопровода, ведущее к существенному снижению магнитных свойств (в среднем на 20-30%) нанокристаллических и аморфных сплавов еще до намотки обмоток трансформатора. При намотке большого кол-ва витков, за счет продолжающегося сдавливания, происходит дальнейшее ухудшение магнитных свойств. Известны трансформаторы тока, содержащие обмотки, где ленточный магнитопровод, покрытый снаружи герметиком, и содержащий элемент жесткости в виде по крайней мере одной пластины из неметаллического материала, размещенной внутри сечения магнитопровода и отделенного от герметика демпфирующей прокладкой (патент RU 2089956). Данное решение позволяет снизить механическое воздействие на магнитопровод при высыхания герметика, который представляет из себя ткань, пропитанной клеем на основе эпоксидной смолы. К недостаткам следует отнести существенное увеличение намоточных габаритов магнитопровода за счет установки неметаллической пластины, демпфирующей прокладки и толстого слоя герметика. Известны трансформаторы тока, содержащие обмотки (патент RU 2038638), где ленточный магнитопровод выполнен на аморфных материалах с малой величиной магнитострикции, повышение жесткости которого достигнуто с помощью высокотемпературного клея, залитого между витками, отверждаемого одновременно с отжигом магнитопровода, что позволяет снизить механическое напряжение и стабилизировать магнитные свойства. К недостаткам можно отнести ограниченность материалов, могущих применяться в качестве ленты для магнитопровода (при высокой магнитострикции происходит разрушение клеевого слоя и снижение магнитных характеристик) и необходимость нанесения толстого изолирующего наружного слоя, препятствующего прорезанию изоляции обмоточного провода об острые края магнитопровода, т.к. снятие фаски не представляется возможным вследствие высокой хрупкости материала магнитопровода.
Наиболее близким аналогом являются малогабаритные трансформаторы тока, содержащие обмотки, где ленточные магнитопроводы выполненны на аморфных или нанокристаллических материалах, размещенных в защитных пластиковых контейнерах, например магнитопроводы производства ЭЛЛИПС (http://zavod-ellips.neobroker.ru/list/Elektromagnity/Magnitoprovod.html), AM3 (http://www.amet.ru/tor.html), Гаммамет.
Указанные технические решения свободны от недостатков, перечисленных выше, но имеют основной недостаток - необходимость применения толстостенного (1.5-2.5 мм из-за низкой механической прочности и литейных качеств) контейнера из пластика для исключения передачи давления на магнитопровод при намотке катушки, а также весьма ограниченный диапазон применения - не выше 85-90 градусов.
Техническим результатом заявленного решения является снижение фазовой погрешности трансформаторов тока, снижение амплитудной погрешности трансформатора тока, увеличения величины тока насыщения трансформаторов тока, увеличение токов безаварийной работы, увеличение диапазона рабочих температур трансформатора, возможность формировать закругленные края магнитопровода, исключающие прорезание изоляции намоточного провода без нанесения дополнительной изоляции.
Указанный технический результат достигаются за счет того, что трансформатор, содержащий магнитопровод, размещенный в защитных контейнерах, отличающийся тем, что защитный контейнер выполнен из тонкостенного металла с зазором по наружному или внутреннему периметру. Контейнер может быть выполнен из двух одинаковых половинок. Между магнитопроводом и контейнером предпочтительно расположены демпфирующие прокладки. В качестве демпфера может быть использован клеящий герметик или густая смазка, либо поролон. Предпочтительно в качестве магнитопровода использованы ленточные магнитопроводы, выполненные на аморфных или нанокристаллических материалах.
На Фиг. показан пример возможной реализации заявленного технического решения с выполнением защитного контейнера с зазором по внешнему периметру, изготовленным методом холодной штамповки.
Как видно из Фиг. контейнер (2) состоит из двух одинаковых половинок, внутри которых помещается магнитопровод (1). Величина зазора (3) и толщина металла может быть любой и рассчитываются исходя из возможной деформации контейнера при намотке, при которой не должно произойти смыкание зазора (3) в любом месте контейнера (2). Типовое значение зазора для малогабаритных трансформаторов составляет 0,5-1,5 мм при толщине исходной заготовки 0.25-0.3 мм, что учитывает также технологический разброс зазора при производстве контейнеров методом холодной штамповки из полосы. Демпфирующие прокладки (4) препятствуют ударам магнитопровода по контейнеру при вибрациях. Размеры и свойства демпфера (4) определяются весом магнитопровода и составляют 0,4-0,6 мм. В качестве демпфера может использоваться клеящий герметик, густая смазка, поролон и т.д.
Наличие гарантированного зазора (3) в металлическом защитном контейнере (2) предотвращает возникновение высоких паразитных токов в контейнере при работе трансформатора, которые могли бы фатально влиять на точностные характеристики трансформатора, а высокая механическая прочность при малой толщине позволяет существенно снизить внешние намоточные габариты и сформировать округлые края. Как известно, на фазовую и амплитудную погрешность трансформатора и величину его тока насыщения в основном влияют геометрические размеры магнитопровода (1) (сечение и длина средней линии), магнитные свойства материала магнитопровода, количество витков обмотки и ее сопротивление, сопротивление нагрузки.
С учетом того, что защитный каркас не влияет на геометрию магнитопровода и его материал, и полностью защищает его от внешних механических воздействий - основное влияние на характеристики трансформатора тока, при прочих равных условиях, будет оказывать сопротивление обмотки и количество витков обмотки. Как известно, на сопротивление обмотки влияет длина и сечение обмоточного провода. При снижении габаритов намотки за счет применения металлического каркаса снижается средняя длина витка обмотки, что приводит к снижению общей длины провода и соответственно - к снижению сопротивления обмотки, что, в свою очередь ведет к увеличению точностных характеристик трансформатора тока. Наиболее сильно эффект сказывается при изготовлении малогабаритных трансформаторов тока, например трансформаторов для электронных счетчиков электроэнергии или систем контроля качества электроэнергии с высокими коэффициентом трансформации (типовое значение 1:2500-1:6000), что позволяет существенно снизить сопротивление обмотки (на 20-30%). Кроме того, немаловажную роль при эксплуатации таких трансформаторов играет внутренне окно трансформатора, предназначенное для размещения первичной обмотки (обычно это круглая или прямоугольная шина). За счет увеличения внутреннего окна, из-за применения тонкостенного каркаса, становится возможным применение провода с более высоким сечением, что также ведет к существенному снижению сопротивления обмотки (до 40-50%).
Рассмотрим влияние снижения сопротивления обмотки за счет применения данного технического решения на характеристики трансформатора тока.
Влияние на амплитудную погрешность.
Как известно, ЭДС трансформатора тока распределяется между сопротивлением обмотки и сопротивлением нагрузки, снижение сопротивления обмотки приводит к снижению паразитной мощности, выделяемой на обмотке трансформатора, и соответственно - к увеличению полезной мощности на нагрузке, что приводит к снижению амплитудной погрешности.
Влияние на фазовую погрешность.
Фазовая погрешность напрямую зависит от реактивного и активного сопротивления, а т.к. активное сопротивление снижается при сохранении реактивного - снижается и фазовая погрешность.
Влияние на ток насыщения.
Максимальный ЭДС трансформатора определяется его индуктивностью и не зависит от сопротивления обмотки. Вторичный ток является функцией от первичного тока до достижения ЭДС своего максимального значения (зона насыщения). Снижение полного сопротивления трансформатора за счет снижения активного сопротивления обмотки приводит к увеличению максимального значения развиваемого трансформатором вторичного тока при той же ЭДС, а, следовательно, и тока насыщения в первичной обмотке.
Влияние на величину токов безаварийной работы и температурного диапазона работы.
Применение защитного контейнера из металла позволяет повысить максимальную рабочую температуру трансформатора до 130-150 градусов (определяется термостойкостью обмоточного провода) против 85-90 градусов у пластикового контейнера (температура размягчения). Снижение сопротивления обмотки приводит к снижению тепловой мощности, выделяемой вторичным током на обмотке при работе в области высоких токов. Совокупность обоих факторов позволяет увеличить токи безаварийной работы или температурный диапазон применения трансформаторов.