Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!
Трансформатор, історія застосування якого налічує майже півтора століття, весь цей час служить людству вірою і правдою. Його призначення - перетворення напруги змінного струму. Це одне з небагатьох пристроїв, ККД якого може досягати майже 100%.
Схема намотування зварювального трансформатора.
Як розрахувати і намотати обмотки трансформатора, яким може бути його сердечник, які особливості конструкції трансформаторів різного призначення, як вони працюють - питання, які можуть зацікавити багатьох. Нижче пропонуються відповіді на більшість цих питань.
Що являє собою трансформатор?
Трішки історії
У 70-х роках XIX століття російський вчений П.М. Яблочков винайшов електродугової джерело світла - «свічку Яблочкова». Спочатку джерелами живлення дуги служили потужні гальванічні батареї, але аноди в цьому випадку згорали швидше. Тоді вчений вирішив використовувати в якості джерела струму для свого винаходу генератор змінного струму.
В цьому випадку виникало інше ускладнення: після того як запалювалася одна електрична свічка, через зменшення напруги на затискачах генератора загоряння інших світильників було утруднено. Завдання було вирішена, коли для харчування кожного джерела світла був застосований свій трансформатор. Ці перші трансформатори мали незамкнуті сердечники з пучків сталевого дроту і, як наслідок, мали низьким ККД. Трансформатори з замкнутими сердечниками, подібні сучасним, з'явилися лише через 9 років.
Як влаштований і як працює трансформатор?
Малюнок 1. Схема найпростішого трансформатора.
Найпростіший трансформатор - це сердечник з речовини з великою магнітною проникністю і дві намотаних на нього обмотки (рис. 1а). При пропущенні через первинну обмотку змінного струму силою I 1 в осерді виникає змінний магнітний потік Ф, яким пронизує як первинна, так і вторинна обмотка.
В кожному з витків цих обмоток знаходиться однакова за чисельним значенням ЕРС індукції. Таким чином, відносини ЕРС в обмотках і витків в них однакові. На холостому ходу (I 2 = 0) напруги на обмотках практично рівні ЕРС індукції в них, отже, для напруг також виконується співвідношення:
U 1 / U 2 ≈ N 1 / N 2, де
N 1 та N 2 - число витків в обмотках.
Ставлення U 1 / U 2 називають ще коефіцієнтом трансформації (k). Якщо U 1> U 2, трансформатор називають підвищує (рис. 1б), при U 1 <U 2 - знижувальним (рис 1в). У першого трансформатора коефіцієнт трансформації більше, а у другого - менше одиниці.
Один і той же трансформатор, в залежності від того до якої обмотці прикладається, а з якою знімається напруга, може бути як підвищує, так і знижувальним. Вторинна обмотка необов'язково одна - їх може бути і декілька. З рівності потужностей в обмотках слід, що струми в них обернено пропорційні числу витків:
I 1 / I 2 ≈ N 2 / N 1.
Якщо вторинна обмотка - складова частина первинної (або первинна - вторинної), трансформатор перетворюється в автотрансформатор. На рис. 1г і 1д показані схеми, відповідно, знижує і підвищує автотрансформаторів.
Конструкція трансформаторів для точкового зварювання міді.
Змінне магнітне поле викликає появу в осерді вихрових струмів, які нагрівають його, на що марно витрачається частина енергії. Щоб зменшити ці втрати, сердечники набирають з окремих, ізольованих один від одного листів спеціальної трансформаторної сталі з малою енергією перемагничивания.
Найчастіше в сучасних трансформаторах використовуються магнітопроводи трьох типів:
- Стрижневі (П-подібні), що складаються з двох стержнів з обмотками і ярма, що з'єднує їх. Саме так зазвичай влаштовані сердечники потужних трансформаторів.
- Броньові (Ш-образні). Магнитопровод є ярмо, всередині якого знаходиться стрижень з обмоткою. Ярмо захищає кожну обмотку трансформатора від зовнішніх впливів - звідси така назва. Найчастіше застосовується в малопотужних трансформаторах для електронних схем.
- Тороїдальні - магнітопровід, що має форму тора, складається з намотаною щільним рулоном трансформаторної стрічки. Переваги - відносно малу вагу, високий ККД, мінімум перешкод. Недолік - складність намотування.
Як здійснити розрахунок трансформатора?
Зварювальний трансформатор для дугового зварювання.
Найважливіші параметри трансформатора - номінальні значення струмів і напруг і потужності, на які він розрахований. Абсолютна точність при розрахунках характеристик трансформатора за цими параметрами особливого значення не має, тому можна обмежитися приблизними значеннями.
Черговість розрахунків виглядає наступним чином:
- Розрахунок струму через вторинну обмотку з урахуванням втрат: I 2 = 1, 5 * I 2н, де I 2н - номінальний струм в ній.
- Розрахунок потужності, що знімається з вторинної обмотки: Р 2 = U 2 * I 2, де U 2 - напруга на ній. Якщо така обмотка не одна, то результат - сума їх потужностей.
- Визначення результуючої потужності: Р Т = 1, 25 * P 2 при ККД близько 80%.
- Розрахунок сили струму через первинну обмотку трансформатора: I 1 = P Т / U 1, де U 1 - напруга на ній.
- Площа потрібного перерізу магнітопроводу: S = 1, 3 * √P Т, де S вимірюється в см 2.
- Кількість витків для первинної обмотки трансформатора: N 1 = 50 * U 1 / S, де S вимірюється в см 2.
- Кількість витків для його вторинної обмотки: N 2 = 55 * U 2 / S, де S вимірюється в см 2.
- Діаметр провідників кожній із обмоток трансформатора: d = 0, 632 * √I, де I - сила струму в ній. Формула вірна для мідного дроту.
Наприклад, вторинна обмотка трансформатора, що включається в мережу напругою 220 В, повинна давати струм 6, 7 А при напрузі 36 В. Розрахувати параметри трансформатора.
Основні частини конструкції трансформатора.
- I 2 = 1, 5 * 6, 7 А = 10 А.
- P 2 = 36 В * 10 А = всмоктування 360 Вт.
- P Т = 1, 25 * 360 Вт = 450 Вт.
- I 1 = 450 Вт / 220 В ≈ 2 А.
- S = 1, 3 * √450 (см2) ≈ 25 см 2.
- N 1 = 50 * 220/25 = 440 витків.
- N 2 = 55 * 36/25 = 79 витків.
- d 1 = 0, 632 * √2 (мм) = 0, 9 мм, d 1 = 0, 632 * √10 (мм) = 2 мм.
Якщо дроти потрібного діаметра відсутні, то можна замінити один товстий провід декількома тоншими, з'єднаними паралельно. Площа перерізу провідника діаметром d можна розрахувати за формулою: s = 0, 8 * d 2.
Наприклад, потрібен провід діаметром 2 мм, а є тільки провідник діаметром 1, 2 мм. Площа перетину потрібного дроти s = 0, 8 * 4 (мм 2) = 3, 2 мм 2, площа наявного, обчислена за тією ж формулою, дорівнює 1, 1 мм 2. Легко зрозуміти, що один провідник діаметром 2 мм можна замінити трьома з діаметром 1, 2 мм.
виготовлення трансформатора
Процес виготовлення силового трансформатора складається з ряду послідовних операцій.
Збірка каркасів котушок для стрижневого або броньового сердечника
Малюнок 2. Схема збірки каркаса для трансформатора.
Досить зручним матеріалом для складання цих каркасів є картон або прессшпан. Ще більш міцний каркас можна виготовити з пластика. Каркас в зборі зображений на рис. 2а. Він зібраний з деталей, зображених на малюнках 2б-2г. Повинно бути виготовлено по два примірники кожної деталі. Дірочки в щічках (г) призначені для висновків.
Порядок складання каркаса:
- дві щічки накладаються один на одного;
- в їх вікна вкладаються деталі (б) і розлучаються, одна вгору, друга вниз;
- деталі (в) встановлюються так, щоб їх виступи співпали з виїмками деталей (б).
Отриманий каркас досить міцний і вже не розсипається. Перед намотуванням котушок заздалегідь готуються прокладки (рис. 2д) зі смужок кабельного паперу. Смужки акуратно надрізають по краях на глибину кілька міліметрів. Ці надрізи, приєднуючись до щіток, будуть охороняти витки чергового шару від провалювання в область попереднього.
намотування котушок
Малюнок 3. Схема петлі для котушки.
Перед намотуванням слід заготовити відрізки гнучкого багатожильного дроти в термостійкої ізоляції для висновків і відрізки термостійкого кембрика. Намотування проводиться так, щоб провід укладався виток до витка з деяким натягом. Наступні витки повинні притискати попередні. Щоб запобігти провалювання витків біля щічки, бажано черговий ряд не домативать до неї на кілька мм, заповнюючи вільні ділянки шпагатом або нитками.
Після закінчення намотування кожного ряду натяг проводу повинно зберігатися, щоб при накладенні прокладки з кабельного паперу намотана частина не розпускали. Такі прокладки повинні укладатися після кожного шару.
Якщо намотуваний провід тонкий, то до початку і кінця обмотки, а також до відведень від неї акуратно припаиваются заготовлені відрізки гнучкого багатожильного дроти. Місце спайки ізолюється. Якщо обмотувальний провід досить товстий, висновки і відводи (у вигляді петель) робляться з цього ж дроту. І на висновки, і на відводи слід надіти відрізки кембрика.
Петля (рис. 3а) пропускається крізь отвір складеної вдвічі смужки з щільного паперу або бавовняної стрічки, яку затягують після того, як вона притиснута наступними витками (рис. 2б). Приклад відведення від тонкого обмотувального проводу показаний на рис. 2в.
Приблизно так само кріплять кінці обмотки з товстого дроту, але використовується тільки бавовняна стрічка. Схема закріплення початку обмотки показана на рис. 2г, її кінця - на рис. 2д.
І кілька слів про те, як намотати обмотку тороїдального трансформатора. Зазвичай для їх намотування використовуються саморобні човники, на поверхню яких намотується достатній запас дроти. Човник з проводом повинен проходити в отвір тороїдального магнітопроводу.
Малюнок 4. Схема обода колеса велосипеда.
Набагато простіше здійснити намотування за допомогою пристосування, основою якого є обід колеса велосипеда (рис. 4). Обід розпилюється в одному місці, протягується в отвір муздрамтеатру, після чого розрізані частини акуратно з'єднуються. Потім на його зовнішню поверхню намотується обмотувальний дріт необхідної довжини з невеликим запасом. Для зручності обід може бути підвішений своєю верхньою частиною на забитий цвях, штир або який-небудь інший відповідний підвіс. Намотаний провід зручно зафіксувати відповідним гумовим кільцем.
Обмотка намотується за рахунок обертання обода. Завершивши кожен оборот, слід пересунути на відповідну відстань гумове кільце. Витки слід укладати акуратно, з натягом. Висновки і відводи можна формувати так само, як у згаданих вище котушок. Кожен шар і обмотка обов'язково поділяються шаром ізоляції. Поверх останнього шару трансформатор обмотується кіперною стрічкою і просочується лаком.
Закінчення збірки трансформатора
Схема пристрою однофазного трансформатора.
Коли котушки готові, здійснюється складання стрижневого або броньового сердечника. Слід постаратися зробити якомога вужчими магнітні зазори, для чого збірку слід виробляти вперекришку. Триває вона, поки не буде заповнено всі вікно. Прикінцеві пластини часто доводиться забивати, використовуючи дерев'яний молоток або прокладку з дерева.
Після закінчення зборки сердечник ущільнюють, обтиску обоймою або стягуючи, якщо в пластинах є відповідні отвори, шпильками, які ізолюються від сердечника картонними трубками або декількома шарами паперу. На кінці шпильок надягають електроізоляційні і звичайні шайби і нагвинчують гайки, якими стягується сердечник. Погано обтиснутий сердечник буде сильно гудіти і вібрувати.
Перевірка виготовленого трансформатора
Схема верстата для намотування трансформаторів.
Перш за все слід, скориставшись мегомметром, виміряти опір між окремими обмотками, а також між сердечником і обмотками. Воно не повинно бути менше 0, 5 Мом. Якщо мегомметра немає, можна оцінити ці опору звичайним авометром. Він повинен показувати нескінченність.
Після перевірки ізоляції на первинну обмотку трансформатора подається напруга, рівне половині номінального. Можна використовувати, наприклад, ЛАТР. Якщо вони не димить, чи не гуде, сильно не нагрівається, на первинну обмотку подають номінальну напругу.
Без навантаження струм в первинній обмотці трансформатора не повинен бути більше 5-10% від його номінального значення. Сам трансформатор не повинен сильно нагріватися і голосно гудіти. Якщо гудіння сильне, слід чи стягнути його ще сильніше, або вбити в зазор між пластинами дерев'яні або пластмасові пластинки.
Для остаточної перевірки до трансформатора підключається номінальне навантаження, перевіряються напруги на всіх обмотках. Якщо все в нормі, трансформатор витримується під навантаженням 3-4 години. Якщо гудіння, запаху гару немає, а трансформатор не нагрівається більше ніж на 70 ° C, випробування можна вважати успішно завершеним.
Не завжди в продажу можна знайти трансформатор з необхідними параметрами.