Ремонт трансформаторов и низковольтных аппаратов — Магнитопроводы

Разделы сайта

DirectAdvert NEWS

Друзья сайта

ActionTeaser NEWS

Статистика

Магнитопровод низкочастотного трансформатора состоит из стальных пластин. Использование пластин вместо монолитного сердечника уменьшает вихревые токи, что повышает КПД и снижает нагрев.

Магнитопроводы вида 1, 2 или 3 получают методом штамповки. Магнитопроводы вида 4, 5 или 6 получают путём навивки стальной ленты на шаблон, причём магнитопроводы типа 4 и 5 затем разрезаются пополам.

1, 4 – броневые, 2, 5 – стержневые, 6, 7 – кольцевые.

Чтобы определить сечение магнитопровода, нужно перемножить размеры «А» и «В». Для расчётов в этой статье используется размер сечения в сантиметрах.

Трансформаторы с витыми стержневым поз.1 и броневым поз.2 магнитопроводами.

Трансформаторы с штампованными броневым поз.1 и стержневым поз.2 магнитопроводами.

Трансформаторы с витыми кольцевыми магнитопроводами.

Габаритную мощность трансформатора можно приблизительно определить по сечению магнитопровода. Правда, ошибка может составлять до 50%, и это связано с рядом факторов. Габаритная мощность напрямую зависит от конструктивных особенностей магнитопровода, качества и толщины используемой стали, размера окна, величины индукции, сечения провода обмоток и даже качества изоляции между отдельными пластинами.

Чем дешевле трансформатор, тем ниже его относительная габаритная мощность. Конечно, можно путём экспериментов и расчетов определить максимальную мощность трансформатора с высокой точностью, но смысла большого в этом нет, так как при изготовлении трансформатора, всё это уже учтено и отражено в количестве витков первичной обмотки. Так что, при определении мощности, можно ориентироваться по площади сечения набора пластин проходящего через каркас или каркасы, если их две штуки.

Где:
P
– мощность в Ваттах,
B
– индукция в Тесла,
S
– сечение в см²,
1,69
– постоянный коэффициент.

Сначала определяем сечение, для чего перемножаем размеры А и Б.

Затем подставляем размер сечения в формулу и получаем мощность. Индукцию я выбрал 1,5Tc, так как у меня броневой витой магнитопровод.

Если требуется определить необходимую площадь сечения манитопровода исходя из известной мощности, то можно воспользоваться следующей формулой:

Нужно вычислить сечение броневого штампованного магнитопровода для изготовления трансформатора мощностью 50 Ватт.

О величине индукции можно справиться в таблице. Не стоит использовать максимальные значения индукции, так как они могут сильно отличаться для магнитопроводов различного качества.

Максимальные ориентировочные значения индукции.

КАК РАССЧИТАТЬ ПОНИЖАЮЩИЙ ТРАНСФОРМАТОР.

В домашнем хозяйстве бывает необходимо оборудовать освещение в сырых помещениях: подвале или погребе и т.д. Эти помещения имеют повышенную степень опасности поражения электрическим током.

В этих случаях следует пользоваться электрооборудованием, рассчитанным на пониженное напряжение питания, не более 42 вольт . Можно пользоваться электрическим фонарем с батарейным питанием или воспользоваться понижающим трансформатором с 220 вольт на 36 вольт .

В качестве примера давайте рассчитаем и изготовим однофазный силовой трансформатор 220/36 вольт. Для освещения таких помещений подойдет электрическая лампочка на 36 Вольт и мощностью 25 — 60 Ватт . Такие лампочки с цоколем под стандартный патрон продаются в магазинах электро-товаров.

Если вы найдете лампочку другой мощности, например на 40 ватт , нет ничего страшного — подойдет и она. Просто наш трансформатор будет выполнен с запасом по мощности.

Мощность во вторичной цепи: Р2 = U2 • I2 = 60 ватт

Где:
Р2
– мощность на выходе трансформатора, нами задана 60 ватт ;
U2
— напряжение на выходе трансформатора, нами задано 36 вольт ;
I2
— ток во вторичной цепи, в нагрузке.

КПД трансформатора мощностью до 100 ватт

обычно равно не более
η = 0,8
. КПД определяет, какая часть мощности потребляемой от сети идет в нагрузку. Оставшаяся часть идет на нагрев проводов и сердечника. Эта мощность безвозвратно теряется.

Определим мощность потребляемую трансформатором от сети с учетом потерь:

Мощность передается из первичной обмотки во вторичную через магнитный поток в магнитопроводе. Поэтому от значения Р1 , мощности потребляемой от сети 220 вольт , зависит площадь поперечного сечения магнитопровода S .

Магнитопровод – это сердечник Ш – образной или О – образной формы, набранный из листов трансформаторной стали. На сердечнике будет располагаться каркас с первичной и вторичной обмотками.

Площадь поперечного сечения магнитопровода рассчитывается по формуле:

Где:
S
— площадь в квадратных сантиметрах,
P1
— мощность первичной сети в ваттах.

По значению
S
определяется число витков w на один вольт по формуле:

В нашем случае площадь сечения сердечника равна S = 10,4 см.кв .

Рассчитаем число витков в первичной и вторичной обмотках.

Число витков в первичной обмотке на 220 вольт:

Число витков во вторичной обмотке на 36 вольт:

В режиме нагрузки может быть заметная потеря части напряжения на активном сопротивлении провода вторичной обмотки. Поэтому для них рекомендуется число витков брать на 5-10 % больше рассчитанного. Возьмем W2 = 180 витков .

Величина тока в первичной обмотке трансформатора:

Ток во вторичной обмотке трансформатора:

Диаметры проводов первичной и вторичной обмоток определяются по значениям токов в них исходя из допустимой плотности тока, количества ампер на 1 квадратный миллиметр площади проводника. Для трансформаторов плотность тока, для медного провода, принимается 2 А/мм² .

Читать также: Прибор для измерения твёрдости по бринеллю

При такой плотности тока диаметр провода без изоляции в миллиметрах определяется по формуле:

Для первичной обмотки диаметр провода будет:

Диаметр провода для вторичной обмотки:

ЕСЛИ НЕТ ПРОВОДА НУЖНОГО ДИАМЕТРА , то можно взять несколько, соединенных параллельно, более тонких проводов. Их суммарная площадь сечения должна быть не менее той, которая соответствует рассчитанному одному проводу.

Площадь поперечного сечения провода определяется по формуле:

где:

d — диаметр провода.

Например:

мы не смогли найти провод для вторичной обмотки диаметром 1,1 мм .

Площадь поперечного сечения провода диаметром 1,1 мм равна:

Округлим до 1,0 мм² .

Из таблицы выбираем диаметры двух проводов сумма площадей поперечного сечения которых равна 1.0 мм² .

Например, это два провода диаметром по 0,8 мм . и площадью по 0,5 мм² .

Или два провода:

— первый диаметром 1,0 мм . и площадью сечения 0,79 мм² , — второй диаметром 0,5 мм . и площадью сечения 0,196 мм² . что в сумме дает: 0,79 + 0,196 = 0,986 мм² .

Намотка катушки ведется двумя проводами одновременно, строго выдерживается равное количество витков обоих проводов. Начала этих проводов соединяются между собой. Концы этих проводов также соединяются. Получается как бы один провод с суммарным поперечным сечением двух проводов.

Силовой трансформатор является наиболее простым примером преобразования электрической энергии. Даже при условии постоянного совершенствования радиоэлектронных устройств и источников питания на их основе блоки питания на основе трансформаторов переменного напряжения не теряют актуальности.

Трансформаторы для блока питания имеют большие габариты и массу, работают в ограниченном диапазоне допустимого входного напряжения, но при этом очень просты в реализации, отличаются высокой надежностью и ремонтопригодностью.

Типы магнитопроводов

Основой трансформатора переменного тока является магнитопровод, который должен обладать определенными магнитными свойствами. В трансформаторах используется сталь особого состава и со специфической обработкой (трансформаторное железо). В процессе работы трансформатора в магнитопроводе образуются вихревые токи, которые нагревают сердечник и ведут к снижению КПД трансформатора. Для снижения вихревых токов сердечник выполняют не монолитным, а собранным из тонких стальных пластин или лент, покрытых непроводящим оксидным слоем.

По типу используемого металла сердечники разделяют на:

Первый тип сердечников собирается в виде пакета из отдельных пластин соответствующей формы, а второй – наматывается из ленты. В дальнейшем ленточный сердечник может быть разрезан на отдельные сегменты для удобства намотки провода.

По типу магнитопровода различают сердечники:

Каждый из перечисленных типов может различаться формой пластин или сегментов:

Форма и тип сердечника в теории не влияют на методику расчета, но на практике это следует учитывать при определении КПД и количества витков обмоток.

Кольцевой (тороидальный) сердечник отличается наилучшими свойствами. Трансформатор, выполненный на таком магнитопроводе, будет иметь максимальный КПД и минимальный ток холостого хода. Это оправдывает самую большую трудоемкость выполнения обмоток, поскольку в домашних условиях эта работа выполняется исключительно вручную, без использования намоточного станка.

Ремонт трансформаторов и низковольтных аппаратов — Магнитопроводы

Страница 16 из 38

МАГНИТОПРОВОДЫ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ Магнитопровод * силового трансформатора представляет собой комплект пластин электротехнической стали или другого ферромагнитного материала, собранных в определенную геометрическую форму, и служит для локализации в нем основного магнитного поля трансформатора. Он является важнейшим и конструктивно сложным элементом трансформатора, участвующим в энергопреобразующем процессе и вместе с обмотками составляющим его активную часть. Магнитопровод обладает магнитным сопротивлением зависящим От длины цепи, его поперечного сечения и свойств материала, из которого он собран1 — Магниткой проницаемости стали. Чтобы при данном магнитном потоке и, следовательно, заданной плотности потока на единицу поперечного сечения (магнитной индукции) уменьшить намагничивающий ток, необходимо значительно снизить магнитное сопротивление активной части магнитопровода, т. е. изготовить его из материала, обладающего высокой проницаемостью. Такими материалами являются горячекатаные и холоднокатаные электротехнические (трансформаторные) стали. В трансформаторостроении ранее применяли электротехнические стали следующих марок — горячекатаную Э22, Э41, Э42, Э43, Э43А и холоднокатаную текстурованную Э310, Э320, Э330, Э330-А, Э330-АП. В настоящее время используют сталь 38 марок (ГОСТ 21427.0 — 75). Обозначения марок стали состоят из четырех цифр: первая цифра указывает класс по структурному состоянию и виду проката; вторая — содержание кремния, третья — группу по основной нормируемой характеристике, четвертая — порядковый номер типа стали. Электротехнические стали подразделяют: по структурному состоянию и виду проката на три класса (первый — горячекатаная изотропная ** , второй — холоднокатаная изотропная, третий — холоднокатаная анизотропная *** ); по содержанию кремния на шесть групп; по основной нормируемой характеристике на пять групп, определяемых по удельным потерям при соответствующих магнитной индукции и частоте.

*Магнитопровод — это краткая форма стандартного термина «магнитная система».

**Изотропными называет материалы с одинаковыми физическими свойствами по всем направлениям.

***Анизотропными называют материалы, свойства которых не одинаковы по различным направлениям. Трансформаторы с остовом магнитопровода из анизотропной текстурованной электротехнической стали примерно на 20 — 30% легче трансформаторов с остовом магнитопровода из обычной и широко ранее применяемой горячекатаной стали:

Горячекатаную изотропную электротехническую сталь изготовляют в виде листов (ГОСТ 21427.3 — 75), различаемых по точности проката и толщине — нормальной (Н) и повышенной (П) точности. Листы стали поставляются в термически обработанном состоянии с травленой (Т) или нетравленой (НТ) гладкой поверхностью, не имеющей ржавчины, отслаивающейся окалины и иных дефектов, препятствующих, нанесению на нее изоляции. 4 Холоднокатаную анизотропную электротехническую сталь выпускают в соответствии с ГОСТ 21427.1 — 75 и стандартом СЭВ СТ 102 — 74 и по виду покрытия подразделяют: с электроизоляционным термостойким (ЭТ), не ухудшающим штампуемость — мягкое (М), без покрытия (БП). Холоднокатаную изотропную электротехническую сталь выпускают 11 марок с термостойким электроизоляционным покрытием (ЭТ), с нетермостойким (Э) и без покрытия (БП). Магнитные свойств электротехнических сталей характеризуются намагничиванием, а потери в них от вихревых токов и гистерезиса определяются удельными потерями (потерями в 1 кг стали при частоте 50 Гц и синусоидальном напряжении). В трансформаторостроении применяют листовую и рулон- ную электротехническую сталь преимущественно толщиной 0,35 и 0,5 мм. Магнитопроводы трансформаторов собирают из пластин электротехнической стали, изолированных пленкой жаростойкого покрытия или лака * . Магнитопроводы представляют собой жесткую конструкцию, на которой устанавливают и закрепляют обмотки НН и ВН, отводы, переключатели и другие детали активной части трансформаторов. Выпускают два типа магнитопроводов: стержневой и броневой. Наиболее распространен стержневой магнитопровод (рис. 31), который состоит из вертикальных стержней 1 со ступенчатым сечением, вписывающихся в круг. На стержнях расположены обмотки 2 цилиндрической формы. Верхняя и нижняя части магнитопровода, замыкающие стержни и не имеющие обмоток, называются ярмами магнитопровода. Ярма, связывая все стержни магнитопровода, образуют замкнутую магнитную цепь и. одновременно придают определенную жесткость и механическую прочность конструкции, что крайне необходимо, так как на магнитопровод часто действуют большие динамические усилия, вызываемые короткими замыканиями в сети.

*Пластины остова магнитопровода трансформаторов старых конструкций изолированы тонкой бумагой, приклеенной к пластине. Такие трансформаторы еще встречаются довольно часто в ремонтной практике.

Броневой магнитопровод (рис. 32) имеет горизонтально расположенные прямоугольные стержни, на которых размещаются обмотки прямоугольной формы. В нашей стране находится в эксплуатации небольшое количество трансформаторов иностранных фирм и отечественного изготовления с магнитопроводами броневого типа.

Рис. 32. Броневой магнитопровод Рис. 31. Стержневой магнитопровод: 1 — стержень, 2 — обмотка, 3 — ярмо

Шихтовка магнитопроводов с косыми срезами в пластинах сложнее, чем с прямоугольными листами, в связи с чем усложняется также устройство стяжки ярм, поэтому трудоемкость сборки магнитопровода с косыми стыками значительно увеличивается. В некоторых конструкциях трехфазных магнитопроводов ограничиваются косыми стыками только у крайних стержней. Средний стержень выполняется с обычными прямыми стыками. При использовании косого стыка в конструкции магнитопровода снижаются потери холостого хода. Стальные пластины стержней и ярм магнитопровода должны быть прочно спрессованы, для чего в трансформаторостроении до последнего времени в активной стали создавали (путем штамповки пластин) специальные отверстия. В эти отверстия собранного магнитопровода вставлялись горизонтальные шпильки и с их помощью стягивались стержни и ярма магнитопровода. Во избежание замыкания пластин, которое может вызвать увеличение вихревых токов и сильный местный нагрев вплоть до. «пожара в стали», шпильки надежно изолировали от активной стали. Однако конструкции магнитопроводов с отверстиями в активной стали стержней и ярм (рис. 33) имеют существенные недостатки. Отверстия штампуются на специальных прессах (это одна из наиболее трудоемких операций при изготовлении магнитопроводов); вокруг каждого отверстия появляется зона механически деформированной стали (для снятия возникшего наклепа необходим отжиг пластин); отверстия уменьшают сечений и вызывают местное увеличение потерь холостого хода. Наконец, даже самая надежная изоляция шпилек, прессующих стержни и ярма магнитопровода, может со временем нарушиться с тяжелыми последствиями для трансформатора.

Поэтому в последнее время широко применяют конструкции «бесшпилечных» магнитопроводов. Существует довольно много конструкций бесшпилечных магнитопроводов, отличающихся способом прессовки стержней и ярм. Так, у трансформаторов мощностью 250 — 630 кВ-А стержни затягивают временными струбцинами еще в горизонтальном положении сразу после сборки. При насадке обмоток (как правило, намотанных на бумажно-бакелитовом цилиндре) струбцины снимают, а между цилиндром и, магнитопроводом устанавливают деревянные планки и клинья, жестко прессующие пластины стержня. У трансформаторов большей мощности стержни прессуют бандажами стальными или из стеклоленты. Чтобы избежать образования замкнутого витка, стальные, бандажи выполняют с изолирующей пряжкой. Бандажи из стеклоленты наматывают с помощью специального устройства позволяющего равномерно укладывать ленту с необходимым натягом для запрессовки стержня. Для прессовки ярм используют вынесенные за крайние стержни шпильки, стягивающие ярмовые балки (балки делают механически очень прочными), или стальные полубандажи, охватывающие верхние и нижние ярма. В некоторых конструкциях вместо полубандажей ставят стальные шпильки, требующие, однако, некоторого увеличения окна магнитопровода. Ярмо магнитопровода, запрессованное стальными полубандажами, показано на рис. 34. Полубандаж представляет собой стальную ленту 1 шириной 40 — 60 мм и толщиной 4 — 6 мм (обычно берут две ленты толщиной по 2 — 3 мм). К концам ленты приваривают стальные шпильки 2, пропускаемые через пластины 3 из прочного изоляционного материала (чаще всего применяют стеклопластики). При затяжке гаек 4, наворачиваемых на шпильки, создается необходимое усилие, запрессовки ярма. Чтобы избежать замыкания пластин стали ярма полубандажом, под него подкладывают коробочку из электрокартона толщиной 2 — 3 мм. Однако одни полубандажи не могут создать усилий, достаточных для прессовки ярма. Для затяжки ярм обязательно применяют специальные стяжные устройства по торцам магнитопровода, вынесенные за активную сталь. Это могут быть стальные шпильки, изолированные бумажно-бакелитовыми трубками 5 от возможного замыкания со стержнем. Во время работы трансформатора между его обмотками и заземленными частями (например, баком) существует электрическое поле. Все металлические части трансформатора, находящиеся в этом поле, заряжаются, т. е. приобретают некоторый потенциал. Между заряженными деталями и заземленным баком возникают разности потенциалов. Несмотря на малую величину они могут оказаться достаточными для пробоя небольших, изоляционных промежутков, разделяющих металлические части. Пробои нежелательны, поскольку ведут к разложению и порче масла и всегда сопровождаются характерным треском, что вызывает сомнения в исправности изоляции трансформатора. Поэтому магнитопровод и детали его крепления обязательно заземляют, т. е. придают им всем одинаковый потенциал — потенциал бака (земли); возникающие при этом электрические заряды по заземлениям «стекают» с металлических деталей трансформатора в землю. Заземляют ярмовые балки, все металлические крепления и детали, за исключением горизонтальных стяжных шпилек, потенциал которых всегда близок к потенциалу стали магнитопровода. Заземление осуществляют с помощью медных лент, вставляемых между пластинами стали магнитопровода и закрепляемых другими концами на ярмовой балке. Верхнюю и нижнюю балки связывают вертикальными стяжными шпильками, а с заземленным баком трансформатора — подъемной шпилькой. Возможны различные способы заземления металлических деталей; они зависят от конструкции магнитопровода, крепления активной части в баке, связи между отдельными деталями. В любом случае выполнение указаний о заземлении отдельных элементов конструкции трансформатора является обязательным. . Магнитопровод — наиболее ответственная часть, от правильной сборки и способа выполнения заземления которого в значительной мере зависит нормальная и длительная работа трансформатора.

• Назад
• Вперед

Исходные данные

Исходными данными, на основе которых производится расчет трансформатора, в обязательном порядке являются:

• Напряжение сети;
• Напряжение и количество вторичных обмоток;
• Токи потребления нагрузок.

Для полного и точного расчета понижающего трансформатора необходимо учитывать температурный режим, допускаемые отклонения напряжения первичной обмотки и еще некоторые факторы, однако практика показывает, что трансформаторы, изготовленные по данным упрощенного расчета, имеют достаточно хорошие параметры. Далее будет рассказано, как рассчитать трансформатор, не прибегая к сложным и громоздким вычислениям.

Порядок расчета

Расчет силового трансформатора начинается с определения габаритной мощности. Для начала определяется суммарная полная мощность всех вторичных обмоток:

Как рассчитать мощность трансформатора, если неизвестны мощности обмоток? Узнать ее поможет известная из курса физики формула:

Габаритная мощность трансформатора находится из полной с учетом КПД, который различается для устройств разной мощности. Опытным путем установлены следующие ориентировочные значения КПД:

• До 50 Вт – 0.6 (60%);
• От 50 до 100 Вт – 0.7 (70%);
• От 100 до 150 Вт – 0.8 (80%).

Более мощный трансформатор будет иметь КПД 0.85.

Таким образом, расчет габаритной мощности выглядит таким образом:

Рг = КПД∙Рс, где Рс – полная мощность.

На основе габаритной мощности трансформатора можно определить площадь поперечного сечения магнитопровода:

Согласно данной формуле, искомая площадь сечения получается в квадратных сантиметрах. По полученным данным подбирают сердечник с близким или несколько большим значением сечения. Используя разборные сердечники из Ш и П образных пластин, можно в некоторых пределах изменять толщину набора, добавляя или убирая по несколько пластин.

Как определить мощность неизвестного трансформатора? Нужно возвести в квадрат площадь сердечника, выраженную в квадратных сантиметрах.

Обратите внимание! Поперечное сечение магнитопровода должно, по возможности, иметь приближенную к квадрату форму.

После выбора магнитопровода, рассчитываем намоточные данные. Имея в наличии магнитопровод и зная площадь его сечения, можно выполнить расчет обмоток трансформатора (количества витков в обмотках). Принято за основу расчета брать количество витков, которые приходятся на 1 В напряжения, поскольку данное число одинаково для всех обмоток и зависит от характеристик магнитопровода и частоты напряжения питающей сети. Полная формула, которая учитывает частоту сети, магнитную индукцию в сердечнике, имеет большую сложность и в расчетах практически никогда не применяется. Вместо этого используют упрощенный вариант, который учитывает лишь материал и конструкцию сердечника:

Читать также: Самодельный чпу станок из принтеров своими руками

N=k/S, где k – коэффициент из следующего перечня:

• Ш и П образные пластины магнитопровода – k = 60;
• Ленточный сердечник – k = 50;
• Тороидальный магнитопровод – k = 40.

Как видно, при использовании тороидального сердечника количество витков будет минимальным.

Зная количество витков на вольт, легко определить намоточные данные обмоток на любое напряжение:

Для первичной обмотки это будет:

Обратите внимание! Поскольку для понижающих трансформаторов сечение провода и количество витков сетевой обмотки больше всех остальных, то и омические потери в проводах также будут выше, поэтому для маломощных трансформаторов (до 100 Вт) нужно учесть эти потери, увеличив количество витков первичной обмотки на 5%.

Если рассчитывается трансформатор стержневого типа, то обычно обмотки делят пополам и наматывают их на обоих стержнях равномерно. Части одинаковых обмоток затем соединяют последовательно.

Не менее важным этапом расчета трансформатора является определение сечения проводников обмотки. Здесь за основу берется такое значение тока в проводах, которое вызывает их минимальный нагрев. Чем выше сечение провода, тем меньше плотность тока через единицу сечения и, соответственно, меньше нагрев. Но чрезмерное увеличение сечения обмоточных проводов приводит к увеличению массы трансформатора, завышению стоимости, а также вероятности того, что обмотки просто не поместятся в окнах магнитопровода.

Принято считать оптимальным плотность тока в обмотках 4-7 А на 1 мм2. Меньшее значение плотности используется для расчета сечения проводов первичной обмотки или любой другой, которая находится ближе к сердечнику магнитопровода. У данных обмоток наихудшие условия охлаждения.

Чтобы не оперировать плотностями тока и сложными формулами перевода площади сечения в диаметр, можно посчитать диаметр, используя их упрощенный вариант:

• d = 0.7∙√I – для проводников первичной обмотки;
• d = 0.6∙√I – для проводников вторичных обмоток.

Для обмоток используется изолированный обмоточный провод по сечению, наиболее близкому к расчетному, но не меньше его.

Важно! Формула дает расчётное значение для голого провода, без учета изоляции.

Для измерения диаметра неизвестного провода необходим микрометр. Приблизительно определить диаметр можно, намотав на карандаш десять витков и измерив длину намотки.

Чтобы определить, поместятся ли обмотки в окнах магнитопровода, подсчитайте коэффициент заполнения окна:

K=0.008∙(d12 ∙w1+ d22 ∙w2+ d32 ∙w3+…)/Sокна.

Если получившееся значение больше 0.3, то обмотки не поместятся, а перемотка наполовину готового устройства к хорошему результату не приведет. Выходов несколько:

• Использовать магнитопровод с большим сечением;
• Увеличить плотность тока в обмотках (не более 5%);
• Понизить число витков во всех обмотках одновременно (также не более 5%).

Уменьшение количества витков приведет к появлению повышенного тока холостого хода и потерям в трансформаторе, которые буду выражены в повышении его температуры. Поэтому использование последних двух способов можно рекомендовать исключительно как крайнюю меру.

Конструкции магнитопроводов

Конструктивное устройство 1-фазного трансформатора

Основные элементы конструкции трансформатора – это магнитопровод и обмотки.

Основными типами магнитных систем 1-фазных трансформаторов являются стержневая и броневая (рис. 2.2). В стержневых трансформаторах однофазные обмотки располагаются на двух стержнях и соединяются последовательно или параллельно. Стержнем называется та часть магнитопровода, на которой размещаются обмотки. Часть магнитопровода, на которой обмотки отсутствуют, называют ярмом. Трансформаторы броневой конструкции имеют разветвлённую магнитную систему, которая частично закрывает обмотки, бронируя их. Магнитный поток в стержне вдвое больше, чем в ярмах, которые поэтому могут иметь вдвое меньше сечение.

Распространены однофазные броневые трансформаторы малой мощности: радиотехнические, звонковые и т.д. Силовых трансформаторов броневого типа отечественная промышленность не выпускает.

Основное преимущество трансформаторов стержневого типа – цилиндрическая форма обмоток, более простых и технологичных, чем дисковые чередующиеся обмотки броневых трансформаторов.

Магнитопровод силового трансформатора выполняется из холоднокатанной электротехнической стали марок 3413, 3414. Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопровод набирается из изолированных листов, толщина листа 0,35…0,5 мм. По технологии изготовления различают стыковые и шихтованные впереплёт магнитопроводы (рис. 2.3, а, б). В стыковых сердечниках стержни и ярма собираются отдельно из листов стали, а затем они соединятся при помощи системы вертикальных шпилек. В шихтованных в переплёт сердечниках слои чередуются, место стыка одного слоя перекрывается сплошным листом другого. После сборки сердечника листы верхнего ярма вынимаются, на стержнях размещаются обмотки и листы снова зашихтовываются. При стыковой конструкции насадка обмоток осуществляется более просто. В стыковом магнитопроводе между стержнем и ярмом необходимо помещать изоляционную прокладку, чтобы избежать замыкания пластин. При наличии изоляционной прокладки значительно увеличивается магнитное сопротивление и возрастает намагничивающий ток трансформатора. Крепления в стыковом магнитопроводе более сложные и массивные, ярма необходимо плотно скреплять со стержнями. Шихтованный впереплёт сердечник имеет более жёсткую конструкцию.

В настоящее время магнитопроводы стыковой конструкции применяются достаточно редко. Для мощных силовых трансформаторов принята шихтованная в переплёт конструкция.

Ярма, соединяющие стержни, выполняют обычно прямоугольного или ступенчатого сечения. В трансформаторах современных серий форма сечения ярма обычно повторяет форму сечения стержней. Формы сечения ярма приведены на рис. 2.4, б. Ярмо выполняют обычно на 2 … 5 % больше, чем

сечение стержней. Это уменьшает индукцию в стали ярма и потери мощности в ней.

Конструктивное устройство 1-фазного трансформатора

Основные элементы конструкции трансформатора – это магнитопровод и обмотки.

Основными типами магнитных систем 1-фазных трансформаторов являются стержневая и броневая (рис. 2.2). В стержневых трансформаторах однофазные обмотки располагаются на двух стержнях и соединяются последовательно или параллельно. Стержнем называется та часть магнитопровода, на которой размещаются обмотки. Часть магнитопровода, на которой обмотки отсутствуют, называют ярмом. Трансформаторы броневой конструкции имеют разветвлённую магнитную систему, которая частично закрывает обмотки, бронируя их. Магнитный поток в стержне вдвое больше, чем в ярмах, которые поэтому могут иметь вдвое меньше сечение.

Распространены однофазные броневые трансформаторы малой мощности: радиотехнические, звонковые и т.д. Силовых трансформаторов броневого типа отечественная промышленность не выпускает.

Основное преимущество трансформаторов стержневого типа – цилиндрическая форма обмоток, более простых и технологичных, чем дисковые чередующиеся обмотки броневых трансформаторов.

Магнитопровод силового трансформатора выполняется из холоднокатанной электротехнической стали марок 3413, 3414. Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопровод набирается из изолированных листов, толщина листа 0,35…0,5 мм. По технологии изготовления различают стыковые и шихтованные впереплёт магнитопроводы (рис. 2.3, а, б). В стыковых сердечниках стержни и ярма собираются отдельно из листов стали, а затем они соединятся при помощи системы вертикальных шпилек. В шихтованных в переплёт сердечниках слои чередуются, место стыка одного слоя перекрывается сплошным листом другого. После сборки сердечника листы верхнего ярма вынимаются, на стержнях размещаются обмотки и листы снова зашихтовываются. При стыковой конструкции насадка обмоток осуществляется более просто. В стыковом магнитопроводе между стержнем и ярмом необходимо помещать изоляционную прокладку, чтобы избежать замыкания пластин. При наличии изоляционной прокладки значительно увеличивается магнитное сопротивление и возрастает намагничивающий ток трансформатора. Крепления в стыковом магнитопроводе более сложные и массивные, ярма необходимо плотно скреплять со стержнями. Шихтованный впереплёт сердечник имеет более жёсткую конструкцию.

В настоящее время магнитопроводы стыковой конструкции применяются достаточно редко. Для мощных силовых трансформаторов принята шихтованная в переплёт конструкция.

Поперечное сечение стержней магнитопровода у мощных силовых трансформаторов ступенчатое, по форме приближающееся к кругу (рис. 2.4, а). Такая форма обеспечивает получение требуемого поперечного сечения стержня при минимальном диаметре. Чем больше ступеней, тем ближе поперечное сечение к окружности, тем больше активное сечение стержня при данном диаметре.

Ярма, соединяющие стержни, выполняют обычно прямоугольного или ступенчатого сечения. В трансформаторах современных серий форма сечения ярма обычно повторяет форму сечения стержней. Формы сечения ярма приведены на рис. 2.4, б. Ярмо выполняют обычно на 2 … 5 % больше, чем

Рис. 2.4. Поперечное сечение стержня (а) и ярма (б)

сечение стержней. Это уменьшает индукцию в стали ярма и потери мощности в ней.

Выполнение обмоток

Обмотки трансформатора выполняют на каркасе из изоляционного материала. Каркас может быть цельным или разборным. Несмотря на кажущуюся сложность, разборный каркас изготовить легче, к тому же его размеры легко пересчитать под любой имеющийся сердечник. Из материалов для каркаса можно взять листовой гетинакс, текстолит или стеклотекстолит. В щечках каркаса нужно предусмотреть отверстия для выводов.

Выводы обмоток выполняют гибким многожильным проводом, тщательно заизолировав место пайки. Саму обмотку выполняют, по возможности, виток к витку. Такая намотка позволяет лучше использовать свободное место, сокращает расход провода, а главное – в местах пересечения проводов при некачественно выполненной намотке существует риск повреждения изоляции и междувитковых замыканий. Это правило не касается тонкого провода с диаметром менее 0.2 мм, поскольку рядовую обмотку в домашних условиях на нем выполнить очень тяжело.

Каждую обмотку необходимо изолировать одна от другой, особенно первичную обмотку. Для изоляции можно использовать несколько слоев ФУМ ленты. Она выполнена из фторопласта, который обладает хорошими электроизоляционными свойствами.

Важно! ФУМ лента имеет малую толщину, а фторопласт обладает текучестью, поэтому делать нужно несколько слоев изоляции.

Обмотки трансформаторов

Трансформаторы I—II габаритов имеют в основном цилиндрические двух- и многослойные обмотки (рисунок 8). Обмотки НН наматывают проводом прямоугольного сечения, а ВН — круглого. Сечение витка обмотки НН значительно больше, чем ВН, так как число витков у обмотки НН меньше, а ток в ней больше (отношение токов в обмотках НН и ВН связано с отношением их напряжений и в зависимости от схемы и группы соединений обмоток входит в определение коэффициента трансформации). Виток обмотки НН с низким номинальным напряжением (230 В), изображенной на рисунке 6, состоит из двух параллельных проводов. Провода изолируют бумажной изоляцией, которая достаточна для изоляции между витками. Соседние слои изолируют дополнительно кабельной бумагой. Число слоев зависит от мощности трансформатора. Начиная с мощности 100 кВА все слои каждой обмотки разделяют на две части охлаждающим каналом, образуемым деревянными или электрокартонными рейками.

Рис. 8 — Обмотки трансформаторов I—II габаритов (а — обмотка НН — двухслойная с двумя параллельными проводами; б — обмотка ВН — многослойная)

Трансформаторные заводы изготовляют обмотки НН и ВН раздельно. Каждую обмотку наматывают на бумажно-бакелитовый цилиндр толщиной 1,5—2,5 мм, а затем в обмотку ВН с натягом впрессовывают обмотку НН (вместе с рейками, образующими канал между обмотками). Раньше собранные и проверенные обмотки пропитывали глифталевым лаком, а затем запекали в печах при атмосферном давлении и температуре 80—90° С. Обмотки становились жесткими, монолитными, что, как предполагалось, должно было предохранить их от механических повреждений. Однако специальными испытаниями было доказано, что механическая прочность обмоток благодаря пропитке повышается незначительно, но это создает некоторое удобство при сборке. Но динамическую устойчивость обмоток при коротких замыканиях в трансформаторе пропитка не повышает. Более действенными мерами, которые сейчас применяют как трансформаторные, так и электроремонтные заводы, являются: введение магнитосимметричных схем обмоток; пофазная намотка, при которой непосредственно на обмотку НН, не снимая ее со станка, наматывают обмотку ВН, и др. Следует также учитывать, что трансформаторное масло с применяемыми сейчас присадками с течением времени растворяет глифталевый лак, который уходит в шлам. Была изготовлена опытная партия трансформаторов с непропитанными обмотками, она успешно прошла серию специальных испытаний. И сейчас обмотки трансформаторов I—II габаритов не пропитывают. Некоторые трансформаторы старых серий имели обмотки других типов: винтовые (ТСМАН), непрерывные (типа ТМ-560/10). Внутренняя изоляция трансформатора состоит из главной изоляции обмоток, продольной изоляции обмоток, изоляции отводов и переключателя ответвлений относительно бака и других заземленных частей. Главная изоляция обмоток изолирует обмотки друг от друга и от заземленных частей (рисунок 9). Это, кроме цилиндров обмоток и масляных каналов между стержнем магнитопровода и обмоткой НН и между обмотками НН и ВН, междуфазная перегородка (между обмоткой ВН разных фаз) из листа электрокартона толщиной 2—3 мм, а также Ярмовая и уравнительная изоляция.

Рис. 9 — Главная изоляция обмоток (а — схема изоляции б — размещение деталей главной изоляции обмоток фазы А; обмоток в трансформаторе)

Ярмовая изоляция изолирует обмотки от ярма и располагается вверху и внизу между торцовой частью обмотки и уравнительной изоляцией. Последняя выравнивает плоскость ярмовых балок с горизонтальной плоскостью ярма. Конструкции ярмовой и уравнительной изоляции у трансформаторов I—II габаритов самые различные. На рисунке 10 изображена ярмовая изоляция, представляющая собой кольцеобразную шайбу из электрокартона толщиной 2—3 мм с прикрепленными по обеим сторонам подкладками. Уравнительную изоляцию изготовляют в виде настила из деревянных планок. Иногда этот настил служит одновременно и ярмовой и уравнительной изоляцией, а между обмоткой и ярмом устанавливают электрокартонные щитки.

Рис. 10 — Ярмовая изоляция

Продольная изоляция обмотки включает в себя витковую изоляцию и изоляцию между слоями обмотки. Изоляцией отводов и переключателя ответвлений относительно бака и других заземленных частей у трансформаторов I—II габаритов является только масляный промежуток, его величина зависит от напряжения и от формы заземленной и токоведущей частей: при заостренной форме масляный промежуток больше, а при плоской меньше. У трансформаторов 10 кВ обмотка ВН отстоит от стенки бака не менее чем на 25 мм; отвод с твердой изоляцией толщиной 2 мм на сторону — не менее чем на 10 мм. Отводы — это провода, соединяющие концы обмоток между собой, с вводами и с переключателем ответвлений. Отводы НН выполняют из алюминиевых шин. При напряжении до 525 В их не изолируют. Сечение отводов выбирают из расчета плотности тока не более 4,8 А/м м² . Отводы ВН выполняют из медных прутков или гибкого медного кабеля. Прутки диаметром до 5,2 мм изолируют кабельной бумагой, при большем диаметре на них насаживают бумажно-бакелитовые трубки. Для изолированных медных отводов допускаемая плотность тока составляет 2,5 А/м м² .

Сборка трансформатора

Качество трансформатора во многом зависит от правильности сборки магнитопровода. При сборке Ш образного броневого сердечника соседние пластины нужно укладывать поочередно в разные стороны. Пакет пластин должен быть уложен максимально плотно. После сборки его нужно обязательно плотно стянуть винтами. Неплотно стянутый трансформатор издает сильный шум во время работы. Особое внимание следует уделить плотному прилеганию Ш образных пластин с пластинами перекрытия. Зазор между ними приведет к тому, что сердечник станет разомкнутым, а отсюда вытекает следующее:

• Повышение тока холостого хода;
• Снижение КПД;
• Повышенное магнитное поле рассеивания.

При сборке разрезного ленточного сердечника нужно обращать внимание на соответствие частей друг другу, поскольку при изготовлении они подгоняются путем шлифовки. Для понижения шума торцы пакетов пластин можно покрыть слоем лака.

Читать также: Переходник для подключения фильтра к смесителю

Обратите внимание! Части ленточного магнитопровода требуют аккуратного обращения, поскольку расслоившиеся ленты практически невозможно установить на прежнее место. Пластины разборного сердечника нельзя гнуть и подвергать ударам, поскольку это нарушит структуру металла, и он потеряет свои свойства. В крайнем случае, изогнутые под большим радиусом пластины нужно аккуратно разогнуть руками и при сборке уложить их в середину пакета пластин. При дальнейшей стяжке они выровняются.

Расчет сетевого трансформатора не представляет сложности. Важнее здесь определиться с предъявляемыми к нему требованиями. От правильности поставленной задачи будет зависеть точность дальнейших расчетов. Для силового трансформатора расчет так же удобно выполнить, используя он-лайн калькулятор. По такой же методике рассчитывается повышающий трансформатор.

Особенности сборки пластинчатых магнитопроводов

Процедура представляет собой набор пластин в пакет и их скрепление (стягивание) между собой. Соединение деталей выполняется несколькими способами:

• шпильками и болтами;
• обжимными скобами;
• металлической обоймой.

Важное условие сборки – изоляция крепежных деталей от магнитопровода. В некоторых случаях пакет подвергается сжатию. В этом случае происходит изменение магнитной проницаемости и показателей электрического сопротивления. Процедура выполняется при давлении 2-5 МПа, усилие сжатия подбирается в зависимости от материалов и конструкции пластин.

После проведения сжатия обязательно осуществляется контроль качества изготовления. С его помощью удается узнать полученную магнитную индукцию и проницаемость, а также ток холостого тока пластинчатого магнитопровода.

Соблюдение точного технологического процесса позволяет получить надежные и прочные конструкции, которые выдерживают большие нагрузки и готовы к эксплуатации практически в любых условиях.

Видео

Простейший расчет силового трансформатора позволяет найти сечение сердечника, число витков в обмотках и диаметр провода. Переменное напряжение в сети бывает 220 В, реже 127 В и совсем редко 110 В. Для транзисторных схем нужно постоянное напряжение 10 – 15 В, в некоторых случаях, например для мощных выходных каскадов усилителей НЧ – 25÷50 В. Для питания анодных и экранных цепей электронных ламп чаще всего используют постоянное напряжение 150 – 300 В, для питания накальных цепей ламп переменное напряжение 6,3 В. Все напряжения, необходимые для какого-либо устройства, получают от одного трансформатора, который называют силовым.

Силовой трансформатор выполняется на разборном стальном сердечнике из изолированных друг от друга тонких Ш-образных, реже П-образных пластин, а так же вытыми ленточными сердечниками типа ШЛ и ПЛ (Рис. 1).

Его размеры, а точнее, площадь сечения средней части сердечника выбираются с учетом общей мощности, которую трансформатор должен передать из сети всем своим потребителям.

Упрощенный расчет устанавливает такую зависимость: сечение сердечника S в см², возведенное в квадрат, дает общую мощность трансформатора в Вт.

Например, трансформатор с сердечником, имеющим стороны 3 см и 2 см (пластины типа Ш-20, толщина набора 30 мм), то есть с площадью сечения сердечника 6 см², может потреблять от сети и «перерабатывать» мощность 36 Вт. Это упрощенный расчет дает вполне приемлемые результаты. И наоборот, если для питания электрического устройства нужна мощность 36 Вт, то извлекая квадратный корень из 36, узнаем, что сечение сердечника должно быть 6 см².

Например, должен быть собран из пластин Ш-20 при толщине набора 30 мм, или из пластин Ш-30 при толщине набора 20 мм, или из пластин Ш-24 при толщине набора 25 мм и так далее.

Сечение сердечника нужно согласовать с мощностью для того, чтобы сталь сердечника не попадала в область магнитного насыщения. А отсюда вывод: сечение всегда можно брать с избытком, скажем, вместо 6 см² взять сердечник сечением 8 см² или 10 см². Хуже от этого не будет. А вот взять сердечник с сечением меньше расчетного уже нельзя т. к. сердечник попадет в область насыщения, а индуктивность его обмоток уменьшится, упадет их индуктивное сопротивление, увеличатся токи, трансформатор перегреется и выйдет из строя.

В силовом трансформаторе несколько обмоток. Во-первых, сетевая, включаемая в сеть с напряжением 220 В, она же первичная.

Кроме сетевых обмоток, в сетевом трансформаторе может быть несколько вторичных, каждая на свое напряжение. В трансформаторе для питания ламповых схем обычно две обмотки — накальная на 6,3 В и повышающая для анодного выпрямителя. В трансформаторе для питания транзисторных схем чаще всего одна обмотка, которая питает один выпрямитель. Если на какой-либо каскад или узел схемы нужно подать пониженное напряжение, то его получают от того же выпрямителя с помощью гасящего резистора или делителя напряжения.

Число витков в обмотках определяется по важной характеристике трансформатора, которая называется «число витков на вольт», и зависит от сечения сердечника, его материала, от сорта стали. Для распространенных типов стали можно найти «число витков на вольт», разделив 50—70 на сечение сердечника в см:

Так, если взять сердечник с сечением 6 см², то для него получится «число витков на вольт» примерно 10.

Число витков первичной обмотки трансформатора определяется по формуле:

Это значит, что первичная обмотка на напряжение 220 В будет иметь 2200 витков.

Число витков вторичной обмотки определяется формулой:

Если понадобится вторичная обмотка на 20 В, то в ней будет 240 витков.

Теперь выбираем намоточный провод. Для трансформаторов используют медный провод с тонкой эмалевой изоляцией (ПЭЛ или ПЭВ). Диаметр провода рассчитывается из соображений малых потерь энергии в самом трансформаторе и хорошего отвода тепла по формуле:

Если взять слишком тонкий провод, то он, во-первых, будет обладать большим сопротивлением и выделять значительную тепловую мощность.

Так, если принять ток первичной обмотки 0,15 А, то провод нужно взять 0,29 мм.

Принцип работы трансформатора.

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции

.

Если на первичную обмотку подать переменное напряжение U1

, то по виткам обмотки потечет переменный ток
Io
, который вокруг обмотки и в магнитопроводе создаст
переменное магнитное поле
. Магнитное поле образует магнитный поток
Фo
, который проходя по магнитопроводу пересекает витки первичной и вторичной обмоток и индуцирует (наводит) в них переменные ЭДС –
е1
и
е2
. И если к выводам вторичной обмотки подключить вольтметр, то он покажет наличие выходного напряжения
U2
, которое будет приблизительно равно наведенной ЭДС
е2
.

При подключении к вторичной обмотке нагрузки, например, лампы накаливания, в первичной обмотке возникает ток I1

, образующий в магнитопроводе переменный магнитный поток
Ф1
изменяющийся с той же частотой, что и ток
I1
. Под воздействием переменного магнитного потока в цепи вторичной обмотки возникает ток
I2
, создающий в свою очередь противодействующий согласно закону Ленца магнитный поток
Ф2
, стремящийся размагнитить порождающий его магнитный поток.

В результате размагничивающего действия потока Ф2

в магнитопроводе устанавливается магнитный поток
Фo
равный разности потоков
Ф1
и
Ф2
и являющийся частью потока
Ф1
, т.е.

Результирующий магнитный поток Фo

обеспечивает передачу магнитной энергии из первичной обмотки во вторичную и наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу
е2
, под воздействием которой во вторичной цепи течет ток
I2
. Именно благодаря наличию магнитного потока
Фo
и существует ток
I2
, который будет тем больше, чем больше
Фo
. Но и в то же время чем больше ток
I2
, тем больше противодействующий поток
Ф2
и, следовательно, меньше
Фo
.

Из сказанного следует, что при определенных значениях магнитного потока Ф1

и сопротивлений
вторичной обмотки
и
нагрузки
устанавливаются соответствующие значения ЭДС
е2
, тока
I2
и потока
Ф2
, обеспечивающие равновесие магнитных потоков в магнитопроводе, выражаемое формулой приведенной выше.

Таким образом, разность потоков Ф1

и
Ф2
не может быть равна нулю, так как в этом случае отсутствовал бы основной поток
Фo
, а без него не мог бы существовать поток
Ф2
и ток
I2
. Следовательно, магнитный поток
Ф1
, создаваемый первичным током
I1
, всегда больше магнитного потока
Ф2
, создаваемого вторичным током
I2
.

Величина магнитного потока зависит от создающего его тока и от числа витков обмотки, по которой он проходит.

Напряжение вторичной обмотки зависит от соотношения чисел витков в обмотках

. При одинаковом числе витков напряжение на вторичной обмотке будет приблизительно равно напряжению, подаваемому на первичную обмотку, и такой трансформатор называют
разделительным
.

Если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, то развиваемое в ней напряжение будет больше напряжения, подаваемого на первичную обмотку, и такой трансформатор называют повышающим

.

Если же вторичная обмотка содержит меньшее число витков, чем первичная, то и напряжение ее будет меньше, чем напряжение подаваемое на первичную обмотку, и такой трансформатор называют понижающим

.

Следовательно. Путем подбора числа витков обмоток, при заданном входном напряжении U1

получают желаемое выходное напряжение
U2
. Для этого пользуются специальными методиками по расчету параметров трансформаторов, с помощью которых производится расчет обмоток, выбирается сечение проводов, определяются числа витков, а также толщина и тип магнитопровода.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то в магнитопроводе образуется магнитный поток постоянный во времени, по величине и направлению. В этом случае в первичной и вторичной обмотках не будет индуцироваться переменное напряжение, а следовательно, не будет передаваться электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Однако если в первичной обмотке трансформатора будет течь пульсирующий ток, то во вторичной обмотке будет индуцироваться переменное напряжение частота которого будет равна частоте пульсации тока в первичной обмотке.