В истории техники неоднократно бывали ситуации, когда очень простое, на первый взгляд, решение оказывалось очень сложным в реализации. Проходили десятилетия, прежде чем создавалось оборудование, позволяющее поставить на поток выпуск когда-то изобретенного устройства. Именно такая судьба постигла тороидальные трансформаторы, которые изобрели еще в XIX веке, но только сейчас они получили широкое распространение.
Важнейшим элементом любого силового трансформатора является магнитопровод. Известны три основных типа магнитопровода, отличающихся по форме: стержневой, броневой и тороидальный.
Стержневой магнитопровод состоит из двух стержней, на которых расположены отдельно первичная и вторичная обмотки, концы стержней попарно соединяют ярма. Вместе два стержня и два ярма образуют прямоугольник, который в ряде случаев может иметь скругленные углы. Переменные магнитные поля в стержнях направлены в противоположные стороны, поэтому утечка электромагнитного излучения в окружающее пространство находится на относительно низком уровне. Данный тип магнитопроводов применяется в мощных трансформаторах, установленных в питающих подстанциях.
Броневой магнитопровод имеет один стержень, на котором располагаются как первичная, так и вторичная обмотки. Трансформатор имеет два ярма, которые охватывают эти обмотки с двух сторон. С броневым трансформатором знаком каждый, кто когда-либо разбирал бытовую аппаратуру. Из-за компактных размеров, простоты производства и высокой механической прочности они получили широкое распространение в недорогих бытовых устройствах. Но у них есть недостаток — значительная часть энергии в виде электромагнитного излучения уходит в окружающее пространство. Поэтому трансформаторы с броневым магнитопроводом обычно рассчитаны на мощность не более 500 ВА.
Тороидальный магнитопровод имеет форму кольца. Обмотки располагаются равномерно по всему «бублику», одна поверх другой. Правильно изготовленный трансформатор с таким магнитопроводом практически не излучает электромагнитные колебания в окружающее пространство, благодаря чему достигается высокий КПД, а также отсутствие паразитных электромагнитных влияний на другие элементы устройства, если блок питания является встроенным. Трансформаторы с тороидальным магнитопроводом применяются в устройствах специального назначения, меди-цинской технике, высокоточных станках и бытовой аппаратуре высокого класса.
Часто трансформаторы с тороидальным магнитопроводом называют сокращенно «тороидальные трансформаторы».
Актуальность решения
Интерес к тороидальным трансформаторам значительно вырос в 2020 году, что было обусловлено пандемией ковида. Вырос спрос на медицинское оборудование, для которого именно тороидальные трансформаторы являются наилучшим вариантом.
КПД трансформатора с броневым магнитопроводом мощностью порядка нескольких десятков вольт-ампер составляет около 85 %. В то же время КПД тороидального трансформатора такой же мощности может достигать 98 %. Помимо отсутствия электромагнитного излучения в окружающее пространство, для тороидального трансформатора характерна меньшая длина провода обмоток при той же нагрузке, что обуславливает более низкие потери в обмотках.
В медицинской аппаратуре важно, чтобы блок питания не создавал помех высокоточным датчикам. Поэтому основной тип блока питания для такого оборудования — линейный. Уменьшить потери, обусловленные нагревом транзистора, регулирующего напряжение, невозможно. Приходится увеличивать КПД блока питания за счет применения высокоэффективного трансформатора. Кстати, отсутствие паразитного воздействия излучения от трансформатора на датчики — так-же большое преимущество для использования в медицинской аппаратуре. Причем в компактном датчике нет возможности установить громоздкий кожух, экранирующий излучение трансформатора с броневым магнитопроводом, поэтому тороидальный трансформатор является оптимальным вариантом.
Распространенное мнение, что первый трансформатор, использованный Майклом Фарадеем в его опытах в 1831 году, относился к тороидальному типу, не совсем верное. Действительно, магнитопровод этого трансформатора имел кольцевую форму, но первичная и вторичная обмотки размещались по диаметрально противоположным сторонам. Создаваемые ими электромагнитные поля не были равномерно распределены по всей окружности. Поэтому созданный Фарадеем трансформатор не обладал свойствами, характерными для тороидальных трансформаторов в современном понимании этого слова.
Другое современное направление использования тороидальных трансформаторов — производство, построенное по принципу «Индустрия 4.0». Для него требуется множество датчиков, размещаемых в самых разнообразных местах производственного цеха. Встает та же проблема защиты от помех, что и для медицинского оборудования. Кроме этого, датчики должны быть легкими и компактными. При равной максимальной мощности тороидальный трансформатор получается самым малогабаритным и легким относительно трансформаторов с магнитопроводами любых других форм. Причина заключается в том, что обмотка полностью покрывает магнитопровод (а не только стержень, как в других типах), поэтому плотность магнитной индукции и тепловыделение равномерно распределены по всей его длине. А ведь ограничения по нагреву и плотности магнитной индукции являются причинами, заставляющими конструкторов трансформаторов выбирать магнитопроводы больших размеров.
Технология изготовления магнитопровода
По свойствам материалов, из которого изготавливаются магнитопроводы, они делятся на шихтованные, ленточные и монолитные. Шихтованные набирают из тонких металлических пластин. Ленточные представляют собой свернутый в рулон тонкий лист металла с заданными магнитными свойствами, прошедший процедуру спекания при высокой температуре. Монолитные представляют собой единый кусок материала заданной формы либо 2-3 монолитных элемента, соединяемых между собой в процессе сборки.
Шихтованные тороидальные магнитопроводы сейчас практически не используются, как и монолитные, сделанные из металлических сплавов. Монолитные магнитопроводы из феррита (керамический материал, не проводящий электрический ток, но обладающий ярко выраженными магнитными свойствами) применяются в основном для построения импульсных блоков питания, они работают на частоте порядка единиц килогерц и выше. На промышленной частоте 50 Гц они, как правило, неэффективны. Поэтому в современных силовых тороидальных трансформаторах чаще всего используются магнитопроводы ленточной конструкции.
Проблема намотки
В случае использования стержневого или броневого магнитопровода обмотки наматывают на одну или две раздельные жесткие катушки из диэлектрического материала. Станки, осуществляющие данную операцию, имеют очень простую конструкцию. После намотки вокруг катушки собирают шихтованный магнитопровод либо разрезают готовый ленточный магнитопровод, надевают на него катушку (или две катушки для магнито-провода стержневого типа), затем соединяют элементы обратно с сохранением магнитного зазора (о значении которого будет сказано ниже).
Процесс намотки тороидального трансформатора намного сложнее. Раньше намотка осуществлялась вручную или на станках, работавших в полуавтоматическом режиме. Это обуславливало применение тороидальных трансформаторов только для аппаратуры специального назначения, где главным было достичь любой ценой малых веса и размеров. И только в 90-х годах XX века появились станки, позволяющие массово выпускать тороидальные трансформаторы в полностью автоматическом режиме.
Для обмоток тороидального трансформатора используется провод толщиной не более 6,5 мм, более толстый провод недостаточно гибок. Первичная и вторичная обмотки разделяются гибкой диэлектрической пленкой толщиной менее 0,3 мм, что значительно снижает напряжение пробоя. По перечисленным причинам серийно выпускаемые тороидальные трансформаторы имеют максимальную мощность не более 10 кВА (под заказ — не более 50 кВА) и обычно рассчитаны на напряжение не более 400 В.
Другие недостатки
Трансформаторы со стержневыми и броневыми магнитопроводами при необходимости могут быть изготовлены как трехфазные в едином устройстве (вопросы их построения выходят за рамки данной статьи). Что же касается тороидального магнитопровода, то для каждой из трех фаз требуется использование отдельного трансформатора. Поэтому тороидальные трансформаторы обычно используются в оборудовании с однофазным питанием. Постоянная составляющая в токе, поступающем на первичную обмотку, приводит к подмагничиванию магнитопровода, изменению его свойств, в конечном счете — снижению эффективности и перегреву трансформатора. Для борьбы с этим явлением в магнитопроводе трансформатора делается магнитный зазор. Но при наличии такого зазора тороидальный трансформатор теряет присущие ему преимущества, становясь в один ряд по параметрам с другими аналогичными устройствами. Учитывая более высокую стоимость тороидального трансформатора, такой подход экономически невыгоден. Поэтому данный тип устройств делают всегда без магнитного зазора и мирятся с более вы-сокими требованиями к качеству электропитания.
Выводы
Применительно к блокам питания бытовой техники тороидальные трансформаторы сохранят за собой нишу элитной аппаратуры. Но в массовой аппаратуре сейчас чаще используются импульсные блоки питания, для которых конструкция магнитопровода уже не так важна. В мощных питающих подстанциях тороидальные трансформаторы вряд ли появятся раньше, чем будут созданы принципиально новые материалы для проводов и изоляции.
Тем не менее в нашей стране можно ожидать роста спроса на тороидальные трансформаторы, что связано с двумя задачами, поставленными на государственном уровне. Во-первых, необходимо ликвидировать зависимость от импорта медицинского оборудования. И, во-вторых, возродить целые отрасли промышленности, но уже на новой технологической основе, предусматривающей внедрение концепции «Индустрии 4.0». Для решения обеих задач потребуются тороидальные трансформаторы отечественного производства. Здесь есть о чем подумать бизнесменам, желающим вложиться в выпуск электротехнической продукции.
