Правила намотки тороидальных трансформаторов: Намотка тороидального трансформатора глазами практика. Отделка и крепёж

Содержание

Как наматывают тороидальные трансформаторы видео

/

/

Как наматывают тороидальные трансформаторы видео

Трансформатор переводится с латинского как «превращатель», «преобразователь». Это электромагнитное устройство статического типа, предназначенное для преобразования переменного напряжения или электрического тока. Основу любого трансформатора составляет замкнутый магнитопровод, который иногда называют сердечником. На сердечник наматываются обмотки, которых может быть 2−3 и более в зависимости от вида трансформатора. Когда на первичной обмотке возникает переменное напряжение, внутри сердечника возбуждается магнитный ток. Он, в свою очередь, вызывает на остальных обмотках токовое переменное напряжение с точно такой же частотой.

Обмотки различаются между собой количеством витков, что определяет коэффициент изменения величины напряжения. Иными словами, если вторичная обмотка имеет в своём составе в два раза меньше витков, то на ней возникает переменное напряжение по величине в два раза меньшее, чем на обмотке первичной. Но мощность тока при этом не меняется. Это делает возможным работу с токами большой силы при относительно небольшом напряжении.

Виды трансформаторов

В зависимости от формы магнитопровода различают три вида трансформаторов:

  • Броневой. Имеет квадратную форму с двумя боковыми, одним центральным и двумя поперечными стержнями. При этом эффективно используется только центральный стержень. Именно на него надевается обмотка. Поэтому КПД данного устройства не очень высокое. Образует два витка магнитного поля. Данный трансформатор рассчитан на большие нагрузки. Этим объясняется его очень большой вес.
  • Стержневой. В каком-то смысле похож на первый вид. По форме это половинка от броневого магнитопровода. Имеет в своём составе два боковых сердечника и два поперечных. Магнитное поле одновитковое, и, как следствие, мощность у него меньше. КПД у такого трансформатора составляет 40%.
  • Тороидальный. Своё название получил за счёт оригинальной формы. В математике существует такое понятие, как тороидальная поверхность. Если говорить проще — это объёмный круг или форма бублика. Благодаря такой форме магнитопровода тороидальные трансформаторы имеют самый высокий уровень КПД, приближающийся к 100%. Поэтому такие трансформаторы всегда имеют меньшие размеры при одинаковой мощности, по сравнению с другими видами. Ввиду того, что обмотки равномерно распределяются по всей площади сердечника, происходит более эффективное охлаждение витков. Что, в свою очередь, позволяет максимально нагружать такие устройства без возникновения опасности перегрева.

Материалы пластин

Сердечники для трансформаторов изготавливают ли

Намотка импульсного трансформатора своими руками

Приветствую, Самоделкины!
В этой статье речь пойдет о том, как правильно мотать импульсный трансформатор.

Автор YouTube канала «Open Frime TV» Роман, не так давно собирал импульсный блок питания на микросхеме IR2153, а сейчас он расскажет, как самостоятельно намотать импульсный трансформатор для самодельного блока питания.

Так уж сложилось, что первый намотанный автором трансформатор был на ферритовом кольце, и после этого он уже не мог мотать на ш-образных, и на то есть несколько причин. Первое — это относительно небольшое место намотки ш-образных сердечников, а у тороидальных же можно растянуть по всему кольцу. И отсюда появляется вторая проблема, если намотали много витков, то потом закрыть половинки сердечника сложно.


Да, вы можете сказать, что обратной стороной медали будет распространенность таких сердечников в блоках питания компьютера, но вы попробуйте сначала разберите нормально сердечник, не сломав его. Хотя уже было экспериментально доказано, что поломанный сердечник после склейки работает так же, как и новый, но душе спокойнее, когда используется цельный феррит.


Еще одно, при одинаковых размерах ферритовое кольцо имеет большую мощность, чем ш-образный сердечник. Вот к примеру, несколько сердечников. Ш-образный может выдать мощность 150-180Вт, а примерно такой же по размеру тороид может выдать 250Вт.

Для сравнения, вот еще один тороид, который всего на 1 см больше предыдущего, а этот уже может выдать 600Вт мощности.

Автор надеется, что приведенные им доводы были весьма вескими, и советует переходить на намотку трансформаторов на тороидальные сердечники. Ну а теперь собственно переходим к намотке. Для этого нам понадобится сердечник. Они бывают разных типов. Вот такие, еще производства СССР и вот такие сделанные в Китае:


Можно использовать как те, так и другие. У сердечников, изготовленных в Советском Союзе должна быть маркировка 2000НМ, а при выборе китайских необходимо следить за проницаемостью, она должна быть в районе 2000-2200.


С этим разобрались, идем дальше. Как видим, китайские сердечники уже покрыты краской и по сути можно мотать прямо на сердечник без изоляции.


Но тогда провод будет скользить по поверхности. Если вас, как и автора такое не устраивает, то для изоляции можно использовать вот такую желтую высоковольтную майларовую ленту:

Или же можно использовать вот такой термоскотч:

Применять в данном случае классическую синюю изоленту крайне нежелательно, так как при нагреве она сильно задерживает тепло. Перед изготовлением трансформатора вы уже знаете какое напряжение и мощность он должен выдать. Вот и автор придумал себе следующее техническое задание: необходимо намотать трансформатор на 24В, мощностью 80Вт для будущего проекта паяльной станции.

С расчетами нам поможет следующая программа:

Ссылку на нее автор оставил в описании под видеороликом (ссылка ИСТОЧНИК в конце статьи). В программе водим необходимое значение. Если делаете импульсный блок питания по схеме автора, то просто повторяете действия как на экране (более подробно это показано в видеоролике автора внизу страницы).

Отличия будут в нескольких параметрах. Первое — это частота.


Она зависит от номинала вот этого резистора:

Посчитать ее можно в онлайн калькуляторе. Сюда достаточно забить номинал конденсатора и резистора. На выходе получим частоту.

Также у вас будут свои выходные напряжения и диаметры проводов.

Когда разобрались с данными приступаем к выбору сердечника. Если у вас есть в наличие сердечники, то замеряем их размер с помощью линейки или штангенциркуля, а потом ищем в программе такой же типоразмер. Когда указали свой сердечник, программа покажет габаритную мощность, и вы уже понимаете подходит он или нужно искать новый.


Если в наличии нет сердечников, то просто начните перебирать разные размеры. Таким образом находим нужный сердечник, а потом остается только купить его в магазине. Надеюсь, вам стал понятен принцип выбора сердечников. У автора в наличии были сердечники с минимальной мощностью 250Вт, их можно спокойно использовать. Да, будет небольшой перерасход материала, но это не страшно, лучше большая мощность, чем меньшая.

Автор решил использовать сердечник с заведомо большей мощности, потому что на нем будет нагляднее видно процесс намотки. Когда ввели все данные в программу, нажимаем кнопку «рассчитать», и получаем необходимые параметры для намотки.


Как вы помните, нам нужно получить напряжение 24В на выходе, но по расчетам получается 26В. В таком случае можно изменять частоту и искать такое значение, при котором на выходе будет нужное напряжение. Вместе с изменением частоты изменяются и параметры обмотки. Вот к примеру, мы нашли частоту 38кГц, при которой на выходе получаем напряжение ровно 24В. Переходим в онлайн калькулятор, и изменяя номинал резистора, находим значение, при котором будет нужная частота в 38кГц, а потом уже непосредственно при запайке резистора на плату, на нем выставляем нужный номинал.


Можно переходить к намотке. Изолируем сердечник.

Теперь можно мотать первичную обмотку, но на глаз равномерно распределить будет сложно, поэтому сделаем разметку. Нам понадобится листик и транспортир. Делаем 2 диаметра: внутренний и наружный. Ставим точку отсчета и с помощью транспортира делим нашу разметку на то количество, сколько нужно витков. Потом вырезаем ее, и с помощью скотча приклеиваем на сердечник.

Далее нужно отмотать необходимую длину провода для намотки. Сделать это можно зная длину одного витка, а также количество витков. Замеряем один виток и умножаем на количество, а также добавляем 5% из-за того, что провод ложится не виток к витку, а немного растянуто, а еще и выводы необходимо сделать.

Когда узнали длину провода, отматываем его, отрезаем и можно мотать. Для этого автор пользуется вот таким приспособлением:



На него наматывается провод и потом спокойно продевая его в сердечник производится намотка строго по разметке. Для крепления витков можно использовать суперклей.


Теперь осталось подпаять многожильный провод к первички и заизолировать тем же термоскотчем.

Вот и все — первичка готова, приступаем к изготовлению вторички. Направление намотки первички и вторички может не совпадать — это неважно. Процедура намотки вторички практически не отличается от намотки первичной обмотки, такая же разметка, витков правда меньше, но процесс идентичен.


А теперь самое важное. Вот здесь путается большинство людей, это то, как сделать среднюю точку. Итак, сейчас автор продемонстрирует это максимально наглядно. Вот мы намотали одну половину вторички — это будет средней точкой.


Автор намеренно не разрезает провод, а делаю вот такую петельку. Теперь же продолжаем намотку. Провод ложем виток к витку к прошлой обмотке, при этом сохраняя направление намотки. Теперь мы имеем 3 вывода. Там, где по одному проводу — это начало и конец обмотки, а петелька — средняя точка.

Тут все предельно ясно. Если нужно мотать в несколько слоев, то можно сразу мотать двумя жилами, и повторить ту же операцию с петелькой. После намотки вторички изолируем ее и на этом изготовление трансформатора завершено. Можно еще капроновыми нитками пройтись по всей длине и укрепить обмотки, но это уже на ваше усмотрение.



Теперь можно протестировать наш самодельный трансформатор. Для этого воспользуемся вот такой платой.

Подпаяли трансформатор к плате, и производим замер выходного напряжения.

Как видим оно совпадает с расчетным. Теперь можно подключить нашу электронную нагрузку и посмотреть, как держит мощность трансформатор.

Как видим, при увеличении мощности просадка напряжения есть, правда незначительная. Ну и напоследок проверим защиту от короткого замыкания.

Как видим все отлично, блок справляется.


Ну а на этом все. Благодарю за внимание. До новых встреч!

Видео:


Источник (Source) Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

Схема намотки тороидального трансформатора для усилителя своими руками в домашних условиях.

 

Среди радиолюбителей большой популярностью пользуются тороидальные трансформаторы, как наименее габаритные и массивные. Но каждому радиолюбителю доставляет немало хлопот их намотка. Кто-то использует для этого челноки, кто-то отдает сердечники для намотки специалистам, я же обхожусь простым приспособлением в виде обода колеса от велосипеда.

Способ прост и не требует больших затрат, но позволяет за пару вечеров без особых проблем намотать силовой трансформатор для “хорошего” усилителя. Для начала подготовьте тороидальный сердечник к намотке. Для этого его обматывают одним – двумя слоями киперной ленты и покрыв лаком или в крайнем случае клеем “Момент”, просушивают. Таким же образом нужно делать изоляцию между обмотками. Вместо киперной ленты можно применить фторопластовую ленту или в крайнем случае – изоленту на матерчатой основе. Поливинилхлоридную изоленту применять не следует, так как она легко плавится даже при небольшой температуре.

Основу приспособления составляет обычный обод от велосипедного колеса. Обод разрезается поперек и продевается в подготовленный к намотке тороидальный сердечник. После этого разрезанная часть обода аккуратно соединяется полоской металла и двумя винтами. Для поддержки обода в стену вбивается 🙂 металлический штырь, таким образом, чтобы обод проходил точно посредине тороидального сердечника.

Приспособление готово и можно рассчитать количество провода, необходимое для намотки обмотки. Прикиньте периметр одного витка первичной обмотки. Для этого можно использовать отрезок провода, которым обхватывают сердечник и затем измеряют его длину. Умножьте получившуюся длину на количество витков первичной обмотки и на коэффициент “запаса” 1,1 – 1,3. Вы получите длину провода, необходимого для намотки первичной обмотки. Эту длину разделите на периметр обода колеса и вы получите количество витков провода, которые необходимо намотать на обод.

Теперь можно наматывать на обод провод. После намотки полезно закрепить провод на ободе с помощью разрезанного резинового кольца( можно использовать кистевой резиновый эспандер).

Теперь вращая обод, можно наматывать обмотку на тороидальный сердечник. После каждого оборота передвигайте резиновое кольцо вдоль обода и тогда провод не будет запутываться. После намотки первичной обмотки снимите с обода остатки провода, рассчитайте количество провода для намотки следующей обмотки и смело продолжайте. Не забудьте на концы первичной обмотки одеть изоляционные трубки перед тем как делать межобмоточную изоляцию. Намотав все обмотки, обмотайте трансформатор киперной лентой и в несколько слоев покройте лаком.

Н.Филенко (UA9XBI)

 

Похожие статьи

Популярные статьи

Некоторые приемы намотки трансформаторов для аудио

Предыдущей статье я рассказал о изготовлениии простого намоточного станочка.
Пришло время показать изготовленные трансформаторы для ламповой техники. Первым был выходной трансформатор для гитарного комбоусилителя JCM800. Попалось хорошее железо 0,35 мм на развале. Хорошее сечение 12,5 см.кв. Мотать стал на своём станке. Особо не спешил, за 2-3 часа одна обмотка в день. Каждый слой при помощи строительного фена и свечи пропитывал воском, чтобы потом не варить в парафине весь трансформатор.
Получилась вот такая катушка, схема намотки: 1/4 — I, II — с отводами на 4, 8, 16 Ом, 1/2 — I с выводом от середины обмотки, II — с отводами на 4, 8, 16 Ом, 1/4 — I.

Симметричность плеч первичной обмотки по сопротивлению получилась хорошая.


И вот он первенец установлен на шасси. Получился отличный трансформатор, дает хороший плотный бас и хорошую резкость на высоких тонах.

Процесс намотки еще двух трансформаторов для fender 5E3, к сожалению, не заснял, но полуфабрикаты уже намотанных на фото. Уже намотанный силовой и выходной трансформаторы.

Здесь я решил пойти дальше в плане эстетики. Видел, что на всех фирменных усилителях обмотки закрыты металлическими крышками. Если брать «наши» трансы в перемотку, то там не только крышек нет, но и железо не всегда без коррозии. Это обстоятельство, конечно, не очень мешает, а дает дополнительную изоляцию пластин. Так вот крышки я стал делать самостоятельно из оцинкованной жести с полиэстровым покрытием. Из этой жести гнут отливы на окна. Она бывает с одной стороны белой или коричневой, а с другой стороны серой. Рисуем на отрезке жести выкройку.

Процесс изготовления и очередность реза расписаны на картинке. Заштрихованные части, обозначенные цифрой 3 при сгибе, заправляются под часть 4. После того как крышка будет согнута по всем линиям, одеваем на трансформатор, отмечаем что нужно отрезать и отрезаем. Придаем с помощью струбцин нужную форму и сверлим отверстия для стягивающих болтов. Если есть длинное сверло, сверлим прямо по месту через отверстия в железе собранного трансформатора. Края крышки, которые размечали по ширине железа можно отмерить на 2-3 мм больше, чтобы после стяжки трансформатора эти края с помощью киянки загнуть по периметру. Так будет эстетичнее. Следующая стадия — покраска крышки и железа с торцов. Получаем примерно такой вид.

Следующие два трансформатора выходной и силовой опять же для другого JMC800 я мотал уже на моей трансомоталке.


Выходной пропитывал парафином, описанным выше способом. Силовой этой процедуре подвергать не обязательно. В результате получились такие вот братья.


Средний дроссель не в счет. Отличный дроссель из светильников дневного света, не требующий доработки.

На новой трансомоталке процесс намотки стал гораздо веселее.
В общем, для меня миф об ужасах намотки трансформаторов развеян.
:hi:

Владимир (mrduk)

Москва

В школе активно паял, делал ламповики, но в самостоятельгой жизни стало нехватать времени. В настоящее время достижений нет. Искал схемы усилителей и попал на Ваш сайт, очень захватило и решил возобновить давние пристрастия к конструированию.

 

Намотка импульсного трансформатора своими руками

Часть 1

Пролог

И все таки меня пригласили! Теперь дело со статьями пойдет более оперативно.

Темой следующей части изначально я хотел сделать схемотехнику какого нибудь блока, а чего ждать? Но тут вспомнил свою школьную молодость и саму великую проблему с которой сталкивался — как изготовить неведомое для меня на тот момент зверя устройство — импульсный трансформатор.

Прошло десять лет и я понимаю, что у многих (и не только начинающих) радиолюбителей, электронщиков и студентов возникают такие трудности — они попросту их боятся, а как следствие стараются избегать мощных импульсных источников питания (далее ИИП).

После этих размышлений я пришел к выводу, что первая тема должна быть именно про трансформатор и ни о чем другом! Хотелось бы еще оговориться: что я подразумеваю под понятием «мощный ИИП» — это мощности от 1 кВт и выше или в случае любителей хотя бы 500 Вт. Рисунок 1 — Вот такой трансформатор на 2 кВт для Н-моста у нас получится в итоге

Великая битва или какой материал выбрать?

Когда-то внедрив в свой арсенал импульсную технику думал, что трансформаторы можно делать только на доступном всем феррите. Собрав первые конструкции первым делом решил выставить их на суд более опытных товарище и очень часто слышал такую фразу: «Ваш феррит гавно не самый лучший материал для импульсника».

Сразу я решил узнать у них какую же альтернативу можно ему противоспоставить и мне сказали — альсифер или как его еще называют синдаст.

Для начала надо определиться что должен уметь почти идеальный материал для трансформатора:

1) должен быть магнитомягким, то есть легко намагничиваться и размагничиваться:

Рисунок 2 — Гистерезисные циклы ферромагнетиков: 1) жесткий цикл, 2) мягкий цикл 2) материал должен обладать как можно большей индукцией насыщения, что позволит либо уменьшить габариты сердечника, либо при их сохранение повысить мощность. НасыщениеЯвление насыщения трансформатора состоит в том, что, несмотря на увеличение тока в обмотке, магнитный поток в сердечнике, достигнув некоторой максимальной величины, далее практически не изменяется. В трансформаторе режим насыщения приводит к тому, что передача энергии из первичной обмотки во вторичную частично прекращается. Нормальная работа трансформатора возможна лишь тогда, когда магнитный поток в его сердечнике изменяется пропорционально изменению тока в первичной обмотке. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы сердечник не был в состоянии насыщения, а это возможно лишь тогда, когда его объём и сечение не меньше вполне определённой величины. Следовательно, чем больше мощность трансформатора, тем большим должен быть его сердечник. 3) материал должен иметь как можно меньшие потери на перемагничивание и токи Фуко 4) свойства материала не должны сильно изменяться при внешнем воздействии: механические усилия (сжатие или растяжение), изменение температуры и влажности. Феррит — является полупроводником, а значит обладает собственным высоким электрическим сопротивлением. Это означает, что на высоких частотах потери на вихревые токи (токи Фуко) будут достаточно низкими. Получается как минимум одно условия из списка выше у нас уже выполнено. Идем дальше… Ферриты бывают термостабильными и не стабильными, но этот параметр не является определяющим для ИИП. Важно то, что ферриты работают стабильно в температурном диапазоне от -60 и до +100 оС и это у самый простых и дешевых марок. Рисунок 3 — Кривая намагничивания на частоте 20 кГц при разных температурах

И наконец-то самый главный пункт — на графике выше мы увидели параметр, который будет определять практически все — индукция насыщения. Для феррита она обычно принимается 0,39 Тл. Стоит запомнить, что при разных условиях — этот параметр будет меняться. Он зависит как от частоты, так и от температуры работы и от других параметров, но особый акцент стоит сделать на первых двух.

Вывод: феррит ништяк! отлично подходит для наших задач.

1) альсифер работает в чуть большем широком спектре температур: от -60 и до +120 оС — подходит? Еще лучше чем феррит! 2) коэффициент потерь на гистерезис у альсиферов постоянный лишь в слабых полях (при малой мощности), в мощном поле они растут и очень сильно — это очень серьезный минус, особенно на мощностях более 2 кВт, так что тут проигрывает.

3) индукция насыщения до 1,2 Тл!, в 4 раза больше чем у феррита! — главный параметр и так обгоняет, но не все так просто… Конечно это достоинство никуда не уйдет, но пункт 2 ослабляет его и очень сильно — определенно плюс.

Вывод: альсифер лучше чем феррит, в этом дядьке мне не соврали.

Результат битвы: любой прочитав описание выше скажет альсифер нам подавай! И правильно… но попробуйте найти сердечник из альсифера и чтобы с габаритной мощностью 10 кВт? Тут обычно человек приходит в тупик, оказывается их и нету особо в продаже, а если и есть, то на заказ напрямую у производителя и цена вас испугает.

Получается используем феррит, тем более если оценивать в целом, то он проигрывает очень незначительно… феррит оценивается относительно альсифера в «8 из 10 попугаев». Хотел я обратиться к своему любимому матану, но решил этого не делать, т.к. +10 000 знаков к статье считаю избыточным. Могу лишь посоветовать книгу с очень хорошими расчетами авторства Б. Семенова «Силовая электроника: от простому к сложному». Смысла пересказывать его выкладки с некими добавлениями смысла не вижу

Итак, приступаем к выполнению расчета и изготовлению трансформатора

Первым делом хочется сразу вспомнить очень серьезный момент — зазор в сердечнике. Он может «убить» всю мощность или добавить еще так на 30-40%. Хочу напомнить, что делаем мы трансформатор для Н-моста, а он относится к — прямоходовым преобразователям (forward по-буржуйский). Это значит, что зазор в идеале должен быть 0 мм.

Как-то раз, обучаясь курсе на 2-3 решил собрать сварочный инвертор, обратился к топологии инверторов Kemppi. Там я увидел в трансформаторах зазор 0,15 мм. Стало интересно для чего же он.

Подходить к преподавателям не стал, а взял и позвонил в российское представительство Kemppi! А что терять? На моей удивление меня соединили с инженером-схемотехником и он рассказал мне несколько теоретических моментов, которые позволили мне «выползти» за потолок в 1 кВт.

Если в кратцезазор в 0,1-0,2 мм просто необходим! Это увеличивает скорость размагничивания сердечника, что позволяет прокачать через трансформатор большую мощность. Максимальный эффект от такого финта ушами зазора достиг в топологии «косой мост», там введение зазор 0,15 мм дает прирост 100%! В нашем Н-мосту эта прибавка скромнее, но 40-60% думаю тоже не дурно.

Для изготовления трансформатора нам понадобится вот такой набор: Рисунок 4 — Ферритовый сердечник Е70/33/32 из материала 3С90 (чуть лучший аналог N87) Рисукок 5 — Каркас для сердечника Е70/33/32 (тот что больше) и дроссель D46 из распыленного железа Габаритная мощность такого трансформатора составляет 7,2 кВт. Такой запас нам нужен для обеспечения пусковых токов в 6-7 раз больше номинальных (600% по ТЗ). Такие пусковые токи правда бывают лишь у асинхронных двигателей, но учесть необходимо все! Неожиданно «всплыл» некий дроссель, он понадобится в нашей дальнейшей схеме (аж 5 штук) и поэтому решил показать как и его наматывать.

Далее необходимо посчитать параметры намотки. Я использую программу от известного в определенных кругах товарища Starichok51. Человек с огромными знаниями и всегда готовый учить и помогать, за что ему спасибо — в своей время помог встать на путь истинный. Называется программа — ExcellentIT 8.1.

Привожу пример расчета на 2 кВт:Рисунок 6 — Расчет импульсного трансформатора по мостовой схеме на 2 кВт повышающий

Как производить расчет:

1) Выделено красным. Это вводные параметры, которые обычно выставляются по умолчанию: а) максимальная индукция. Помните для феррита она 0,39 Тл, но у нас трансформатор работает на достаточно высокой частоте, поэтому программа выставляет 0,186 сама.

Это индукция насыщения в саааамых плохих условиях, включая нагрев до 125 градусов

б) частота преобразования, она задается нами и чем она определяется на схеме будет в следующих статьях. Частота эта должна быть от 20 до 120 кГц.

Если меньше — мы будет слышать работу транса и свист, если выше, то наши ключи (транзисторы) будут иметь большие динамические потери. А IGBT ключи даже дорогие работают до 150 кГц

в) коэф. заполнения окна — важный параметр, ибо место на каркасе и сердечнике ограничено, не стоит его делать больше 0,35 иначе обмотки не влезут

г) плотность тока — этот параметр может быть до 10 А/мм2. Это максимальный ток, который может протекать через проводник. Оптимальное значение 5-6 А/мм2 — в условиях жесткой эксплуатации: плохое охлаждение, постоянная работа на предельной нагрузке и прочее. 8-10 А/мм2 — можно ставить если у вас устройство идеально вентилируется и стоит over 9000 несколько куллеров.

д) питание на входе. Т.к. мы рассчитываем трансформатор для DC->DC 48В в 400В, то ставим входное напряжение как в расчете. Откуда цифра взялась. В разряженном состоянии аккумулятор отдает 10.5В, дальше разряжать — снижать срок службы, умножаем на количество батарей (4 шт) и получаем 42В. Возьмем с запасом 40В. 48В берется из произведения 12В * 4 шт. 58В берется из соображения, что в заряженном состоянии батарея имеет напряжение 14,2-14,4В и по аналогии умножаем на 4. 2) Выделено синим. а) ставим 400В, т.к. это запас для обратной связи по напряжению и для нарезки синуса необходимо минимум 342В б) номинальный ток. Выбираем из соображения 2400 Вт / 220(230) В = 12А. Как видите везде я беру запас не менее 20%. Так поступает любой уважающий себя производитель качественной техники. В СССР такой запас был эталонный 25% даже для самых сложных условий. Почему 220(230)В — это напряжение на выходе уже чистого синуса. в) минимальный ток. Выбирается из реальных условий, этот параметр влияет на размер выходного дросселя, поэтому чем больше минимальный ток, тем меньше дроссель, а значит и дешевле устройство. Я опять же выбрал худший вариант 1А, это ток на 2-3 лампочки или 3-4 роутеров. г) падение на диодах. Т.к. у нас на выходе будут диоды быстродействующие (ultra-fast), то падение на них 0.6В в худших условиях (превышена температура). д) диаметр провода. У меня некогда купленная катушка меди 20 кг на такой случай и как раз с диаметром 1 мм. Тут ставим тот, который у вас есть. Только более 1,18 мм ставить не советую, т.к. начнет сказываться скин-эффект Скин-эффектСкин-эффект — эффект уменьшения амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения вглубь проводящей среды. В результате этого эффекта, например, переменный ток высокой частоты при протекании по проводнику распределяется не равномерно по сечению, а преимущественно в поверхностном слое. Если говорить не как гугл, а моим колхозным языком, то если взять проводник большого сечения, то он не будет использоваться полностью, т.к. токи на большей частоте протекают по поверхности, а центр проводника будет «пустой» 3) Выделено зеленым. Тут все просто — топология у нас планируется «полный мост» и выбираем ее. 4) Выделено оранжевым. Происходит процесс выбора сердечника, все интуитивно понятно. Большое количество стандартных сердечников уже есть в библиотеки, как и наш, но если что можно и добавить путем ввода габаритов. 5) Выделено фиолетовым. Выходные параметры с расчетами. Отдельным окном выделил коэф. заполнения окна, помните — не более 0,35, а лучше не более 0,3. Так же даны все необходимые значения: количество витков для первичной и вторичной обмотки, количество проводов ранее заданного диаметра в «косе» для намотки. Так же даны параметры для дальнейшего расчета выходного дросселя: индуктивность и пульсации напряжения.

Теперь необходимо рассчитать выходной дроссель. Нужен он чтобы сгладить пульсации, а так же чтобы создать «равномерный» ток. Расчет проводится в программе того же автора и называется она DrosselRing 5.0. Расчет для нашего трансформатора приведу:

Рисунок 7 — Расчет выходного дросселя для повышающего DC-DC преобразователя В данном расчете все проще и понятнее, работает по тому же принципу, выходные данные: количество витков и количество проводов в косе.

Стадии изготовления

Теперь у нас есть все данные для изготовления трансформатора и дросселя.

Главное правило намотки импульсного трансформатора — все без исключения обмотки должны быть намотаны в одну сторону!

Стадия 1: Рисунок 8 — Процесс намотки вторичной (высоковольтной) обмотки

Мотаем на каркас необходимое число витков в 2 провода диаметром 1 мм. Запоминаем направление намотки, а лучше отмечаем маркером на каркасе.

Стадия 2:

Рисунок 9 — Изолируем вторичную обмотку Изолируем вторичную обмотку фторопластовой лентой толщиной 1 мм, такая изоляция выдерживает не менее 1000 В. Так же дополнительно пропитываем лаком, это еще +600В к изоляции. Если нету фторопластовой ленты, то изолируем обычным сантехническим фумом в 4-6 слоев. Это тот же фторопласт, только 150-200 мкм толщиной.

Стадия 3:

Рисунок 10 — Начинаем мотать первичную обмотку, распаиваем провода на каркас Намотку проводим в одну сторону со вторичной обмоткой!

Стадия 4:

Рисунок 11 — Выводим хвост первичной обмотки Доматывает обмотку, изолируем ее так же фторопластовой лентой. Желательно еще и пропитать лаком.

Стадия 5:

Рисунок 12 — Пропитываем лаком и распаиваем «хвост». Намотка обмоток окончена Стадия 6: Рисунок 13 — Завершаем намотку и изоляцию трансформатора киперной лентой с окончательной пропиткой в лаке Киперная лентаКиперная лента — хлопчатобумажная (реже шёлковая или полушелковая) тесьма из киперной ткани шириной от 8 до 50 мм, саржевого или диагонального переплетения; суровая, отбельная или гладкокрашеная. Материал ленты отличается высокой плотностью за счет переплетения, он толще, чем у своего ближайшего аналога — миткалевой ленты — из-за использования более толстых нитей. Спасибо википедии.

Стадия 7:

Рисунок 14 — Так выглядит законченный вариант трансформатора

Зазор 0,15 мм устанавливается в процессе склеивания, путем вкладывания между половинками сердечника подходящей пленки. Лучший вариант — пленка для печати. Сердечник склеивается клеем моментом (хорошим) или эпоксидной смолой. 1-й вариант на века, 2-й позволяет в случае чего разобрать трансформатор без повреждений, например, если понадобится домотать еще обмотку или добавить витков.

Намотка дросселя

Теперь по аналогии необходимо намотать дроссель, конечно мотать на тороидальном сердечнике сложнее, но такой вариант будет компактнее. Все данные у нас имеются из программы, материал сердечника распыленное железо или пермаллой. Индукция насыщения у данного материала 0,55 Тл.

Стадия 1:

Рисунок 15 — Обматываем кольцо фторопластовой лентой Эта операция позволяет избежать случая с пробоем обмотки на сердечник, это бывает редко, но мы же за качество и делаем для себя!

Стадия 2:

Рисунок 16 — Наматываем нужное количество витков и изолируем В данном случае количество витков не уместится в один слой намотки, поэтому необходимо после намотки первого слоя произолировать и намотать второй слой с последующей изоляцией.

Стадия 3:

Рисунок 17 — Изолируем после второго слоя и пропитываем лаком

Эпилог

Надеюсь моя статья научит вас процессу расчету и изготовлению импульсного трансформатора, а так же даст вам некоторые теоретические понятия о его работе и материалах из которого он изготавливается.

Постарался не нагружать данную часть излишней теорией, все на минимуму и сосредоточиться исключительно на практических моментах.

И самое главное на ключевых особенностях, которые влияют на работоспособность, таких как зазор, направления намотки и прочее.

Продолжение следует…

Часть 3

Источник: https://habr.com/post/358318/

Небольшой ликбез по намотке импульсных трансформаторов. — Лада 2109, 1.6 л., 1988 года на DRIVE2

Как видно из пред идущего блога я собираю слабенький усилитель на 100ват, и многие просили поподробнее рассказать как мотать эти трансформаторы)Обьект намотки кольца 45х28х8 проницаемость Н1500М в моем случае 4ре штуки.

Обьясняю почему… Забиваем в программу кольцо 45х28х8 и видим что габаритная мощность его одного всего 500 жалких ничтожных ватт… а выход прост берем 2 кольца притираем их друг к другу чтоб небыло зазоров и без клея скремляем их вкруговую изолентой.ВСЕ!Далее в проге вбиваем уже кольцо 45х28х16 и видим габаритную мощность 1000ватт.

Далее пишем проге че хотим то собственно от него в моем случае хочу 85 вольт и 1кВт.Выбираем как будет выпрямляться под свои нужды и тыкаем рассчитать.

  • Получаем резззззз и собственно берем проволку медную и вперед к намотке смотрим ниже=)

Затарился кольцами и деталями на пн

Вот так они будут располагаться

Притираем 2 кольца и скрепляем изолентой без клея!

Обматываем кольца (кто чем хочет хоть скотчем) в моем случае стекловолокно

По программе нам нужно 4 витка первичной обмотки. Берем кусок проволоки наматываем 4ре витка отмеряем длинну выводов отрезаем сматываем и по этой длинне наматываем на каком либо каркасе нужное нам число жил

отрезал померял

для каждоко кольца наматывал на оправку по две косы по 26 жил в каждой. Далее снимаем 26 жил с оправки немножко их скручиваем и матаем 4ре витка одной и рядышком 4ре витка другой

Сново обматываем туалетной бумагой

в итоге получаем такую картину намотана первичка епли 2 часа

Далее по верх мотаем вторичку снача делаем один виток замеряем его длинну 8,5см умножаем на число витков в моем случае 33 делаем оправку на 2,8 метра длинной в моем случае это 2 самореза между столами.

наматываем сразу 6 жил потом мультиком сфазируем. Делим 33 на 4 и примерно чюхаем на четверть кольца запихиваем 8 витков. наматываем 33 витка скрепляем в конце кто соплями кто приморозит я стекловолокном.

Источник: https://www.drive2.ru/l/6421531/

Расчет и намотка импульсного трансформатора

Сегодня я расскажу о процедуре расчета и намотки импульсного трансформатора, для блока питания на ir2153.

Моя задача стоит в следующем, нужен трансформатор c двумя вторичными обмотками, каждая из которых должна иметь отвод от середины. Значение напряжения на вторичных обмотках должно составить +-50В. Ток протекать будет 3А, что составит 300Вт.

Расчет импульсного трансформатора.

Для начала загружаем себе программу расчета импульсного трансформатора Lite-CalcIT и запускаем её.

Выбираем схему преобразования – полумостовая. Зависит от вашей схемы импульсного источника питания. В статье “Импульсный блок питания для усилителя НЧ на ir2153 мощностью 300Вт” схема преобразования –полумостовая.

Напряжение питания указываем постоянное.  Минимальное = 266 Вольт, номинальное = 295 Вольт, максимальное = 325 Вольт.

  • Тип контроллера указываем ir2153, частоту генерации 50кГц.

Стабилизации выходов – нет.Принудительное охлаждение – нет.

Диаметр провода, указываем тот, который есть в наличии. У меня 0,85мм. Заметьте, указываем не сечение, а диаметр провода.

Указываем мощность каждой из вторичных обмоток, а также напряжение на них.Я указал 50В и мощность 150Вт в двух обмотках.

  1. Схема выпрямления – двухполярная со средней точкой.

Указанные мною напряжения (50 Вольт) означают, что две вторичных обмотки, каждая из которых имеет отвод от середины, и  после выпрямления, будет иметь +-50В относительно средней точки. Многие подумали бы, что указали 50В, значит, относительно ноля будет 25В в каждом плече, нет! Мы получим 50В вкаждом плече относительно среднего провода.

  • Далее выбираем параметры сердечника, в моем случае это “R” – тороидальный сердечник, с размерами 40-24-20 мм.

Нажимаем кнопочку “Рассчитать!”. В результате получаем количество витков и количество жил первичной и вторичной обмоток.

  1. Намотка импульсного трансформа

намотка, конструкция, расчет :: SYL.ru

Если вы заинтересованы в изготовлении сварочного аппарата или стабилизатора напряжения, то вам обязательно нужно знать, что такое тороидальные трансформаторы. Но самое главное – как они работают и какие тонкости при изготовлении имеют. Кроме того, такие трансформаторы, ввиду своей конструкции, способны отдать большую мощность в сравнении с теми, которые намотаны на Ш-образном сердечнике. Следовательно, такие устройства идеально подходят для питания очень мощной аппаратуры – например, усилителей низкой частоты.

Основные данные

Итак, прежде чем приступать к изготовлению трансформатора, вам нужно изучить матчасть. Во-первых, вам необходимо определиться с типом используемого провода. Во-вторых, нужно рассчитать количество витков (отсюда следует, что вы будете знать, сколько всего метров провода вам необходимо). В-третьих, обязательно нужно выбрать сечение провода. От этого параметра зависит выходной ток, следовательно, мощность тороидального трансформатора.

Также обязательно нужно учитывать, что при малом числе витков в первичной обмотке будет происходить нагрев. Аналогичная ситуация возникает и в том случае, если мощность потребителей, подключенных ко вторичной обмотке, превышает то значение, которое может отдать трансформатор. Следствие перегрева – это снижение надежности. Причем привести перегрев может даже к воспламенению трансформатора.

Что потребуется для изготовления

Итак, вы приступаете к изготовлению трансформатора. Вам нужно обзавестись инструментами и материалами. Конечно, может потребоваться даже швейная игла или спички, но наверняка такие принадлежности имеются у каждого. Самое главное – это железо, из которого делаются тороидальные трансформаторы. Вам потребуется много трансформаторной стали, она должна быть в форме тора. Далее, конечно же, провод в лаковой изоляции. Обязательно наличие малярного скотча и клея типа ПВА. Также для разделения обмоток необходима изолента на основе ткани. И несколько кусков провода для соединения концов обмоток. Причем провод необходимо использовать в силиконовой или резиновой изоляции.

Трансформаторная сталь

Достать такой аксессуар, как может показаться, очень сложно. Но в любом доме, сарае, даже на пунктах приема металла сегодня можно найти негодные стабилизаторы напряжения. В советские годы они были весьма популярны, использовались совместно в черно-белых телевизорах, дабы не посадить кинескопы. Вам не важно, работает этот стабилизатор либо же он сгоревший. Самое главное – это тороидальные трансформаторы, которые в нем используются. Именно они и будут основой вашей конструкции. Но перед этим нужно избавиться от старой обмотки, которая изготовлена из алюминиевого провода. А дальше – подготовка сердечника. Обратите внимание на то, что у него прямые углы. Вам это не нужно, так как можно повредить лаковую изоляцию при намотке. Постарайтесь максимально скруглить углы, обработав их напильником. Затем поверх трансформаторной стали укладываете изоленту на основе ткани. Всего необходим только один слой.

Обмотки

А теперь немного о том, как проводится расчет тороидального трансформатора. Можно, конечно, использовать простые программы, которых великое множество. Можно с линейкой и калькулятором произвести расчет. Конечно, он будет иметь погрешность, так как не учитывается еще множество факторов, которые имеются вообще в природе. Вам следует придерживаться одного правила при расчете – мощность во вторичной катушке не должна быть больше этого же значения в первичной обмотке.

Что касается такого процесса, как намотка тороидального трансформатора, то он очень трудоемкий. Хорошо, если имеется возможность разобрать магнитопровод и после намотки собрать его воедино. Но если такой возможности нет, то можно применить своеобразное веретено. На него наматываете определенное количество провода. Затем, пропуская это веретено сквозь тор, укладываете витки обмоток. Времени на это уйдет немало, поэтому если не уверены в своих силах, лучше приобретите готовый блок питания.

Пример расчета

Лучше всего процесс описать на конкретном примере. Первичная обмотка, как правило, питается от сети переменного напряжения 220 В. Допустим, вам нужны две вторичные обмотки, чтобы каждая выдавала по 12 В. А еще вы используете в первичной обмотке провод сечением 0,6 мм. Следовательно, площадь сечения составит примерно 0,23 кв. мм. Но это еще не все вычисления, тороидальные трансформаторы нуждаются в тщательной подгонке всех параметров. А теперь опять немного математики – нужно разделить 220 (В) на сумму напряжений вторичных цепей. В итоге получаете некий коэффициент 3,9. Он обозначает, что сечение провода, используемого во вторичной обмотке, должно быть ровно в 3,9 раз больше, нежели в первичной. Чтобы вычислить количество витков для первичной обмотки, вам потребуется воспользоваться простой формулой: коэффициент «40» умножить на напряжение (в первичной цепи оно равно 220 В), после чего это произведение разделить на площадь поперечного сечения магнитопровода. Стоит отметить, что от того, насколько точно проведен расчет тороидального трансформатора, зависит его КПД и срок службы. Поэтому лучше лишний раз повторите каждый этап расчета.

Тороидальные трансформаторы | RS Components

Тороидальные трансформаторы | Компоненты RS

Тороидальные трансформаторы

Тороидальные трансформаторы — это трансформаторы с магнитным сердечником, изготовленные в тороидальной (кольцевой или кольцевой) форме.

Как работают тороидальные трансформаторы?


Трансформаторы используют принципы индукции для передачи энергии в виде электричества через свои внутренние кишечники.Они позволяют устройствам с разными требованиями работать от одного и того же источника напряжения. Они могут при необходимости повышать или понижать напряжение. Они также могут увеличивать и уменьшать ток и изменять электрическую энергию другими способами.
Тороидальные трансформаторы могут быть открытыми или инкапсулированными, а некоторые модели комплектуются штифтами для монтажа на печатной плате.

Преимущества тороидальных трансформаторов


  • Трансформаторы занимают меньше места, чем их традиционные квадратные аналоги, занимая меньше места.Некоторые производители предполагают, что установка тороидального трансформатора с выводными выводами вместо клеммных колодок может сэкономить до 60% места.

  • Эти трансформаторы легко монтировать, некоторым даже достаточно одного болта для зафиксируйте их на месте.

  • Они имеют гибкие размеры.

  • Тороидальные трансформаторы обеспечивают значительное снижение шума и излучают меньше EMI ​​(электромагнитных помех), чем стандартные трансформаторы.

  • У них мало рассеянного поля.

  • Они тише в работе, чем стандартные трансформаторы, и создают меньше шума.

  • Они представляют собой отличное соотношение цены и качества. Тороидальные сердечники потребляют меньше энергии для поддержания магнитного поля и, следовательно, потребляют меньше энергии.

Наш веб-сайт использует файлы cookie и аналогичные технологии, чтобы предоставить вам лучший сервис при поиске или размещении заказа, в аналитических целях и для персонализации нашей рекламы для вас.Вы можете изменить настройки файлов cookie, прочитав нашу политику в отношении файлов cookie. В противном случае мы будем считать, что вы согласны с использованием файлов cookie.

Хорошо, я понимаю

Производители тороидального силового трансформатора на заказ HDB 50VA 220V / 15V 0V 15V 10V 0V 10V | производство трансформаторов | трансформатор трансформатор трансформатор питания

Сердечник тороидального трансформатора бесшовно прокатан из высококачественных холоднокатаных листов кремнистой стали (каждая толщина обычно равна 0.35 мм или меньше), что делает его характеристики сердечника выше, чем у обычного ламинированного сердечника. Змеевик кольцевого резервуара высокого давления равномерно намотан на железный сердечник. Направление магнитного потока, генерируемого катушкой, почти полностью совпадает с магнитной цепью сердечника, а энергия возбуждения и потери в сердечнике уменьшаются на 25% по сравнению с ламинированным типом.

Тороидальный трансформатор имеет следующие характеристики:

[1] Высокий электрический КПД, отсутствие воздушного зазора в железном сердечнике, коэффициент наложения может достигать 95% и более, проводимость сердечника может составлять 15: 1.8T [многослойный сердечник может выдерживать от 1,2 до 1,4T], а электрический КПД достигает 95%. Выше ток холостого хода составляет всего 10% от ламинированного типа.

[2] Компактный тороидальный трансформатор с тяжелым гало-светом может быть легче, чем половина многослойного трансформатора. Пока площадь поперечного сечения сердечника одинакова, тороидальный трансформатор может легко изменять длину, ширину и высоту сердечника и может соответствовать требованиям. Габаритные размеры.

[3] Магнитные помехи небольшие, тороидальный сердечник трансформатора не имеет воздушного зазора, а обмотка равномерно намотана вокруг тороидального сердечника. Эта структура приводит к небольшому магнитному потоку рассеяния и небольшому электромагнитному излучению, которое может использоваться на большой высоте без дополнительного экранирования. Чувствительные электронные устройства, например те, которые используются в усилителях уровня и медицинских устройствах.

[4] Вибрационный шум невелик, а в железном сердечнике нет воздушного зазора для снижения шума.

Тороидальный трансформатор Технические параметры:

Железное ядро

Вместимость

Размер диаметра

Размер пола

Размер установки

Толщина пола

А

D

F

J

B

C

d

грамм

32 / 64-25

25ВА

73

35 год

80

80

72

72

5

1. 2

40 / 80-25

40ВА

90

36

110

110

100

85

5

1.2

40 / 80-30

50 ВА

90

42

110

110

100

85

5

1. 2

40 / 80-30

60ВА

90

43

110

110

100

85

5

1.2

40 / 80-40

80ВА

90

55

110

110

100

85

5

1. 2

45 / 95-30

100 ВА

105

42

110

110

100

85

5

1.2

55 / 95-40

120 ВА

108

55

110

110

100

85

5

1. 2

55 / 95-40

160 ВА

110

55

110

110

100

85

5

1.2

55 / 100-50

200 ВА

112

65

120

120

108

108

5 * 7

1. 2

55 / 100-50

250 ВА

115

65

120

120

108

108

5 * 7

1.2

46 / 110-50

300 ВА

122

65

120

120

108

108

5 * 7

1. 2

46 / 110-50

350ВА

125

65

120

120

108

108

5 * 7

1.2

55 / 120-50

400 ВА

130

68

55 / 120-50

500 ВА

133

70

60 / 120-60

600 ВА

135

76

64 / 140-65

800 ВА

155

85

70 / 155-65

1000 ВА

170

85

определение трансформатора и синонимов слова transformer (английский)

Распределительный трансформатор на опоре с центральным отводом вторичной обмотки. Этот тип трансформатора обычно используется в Северной Америке для обеспечения «двухфазного» питания 120/240 В для жилого и небольшого коммерческого использования. Обратите внимание, что центральная «нейтральная» клемма заземлена на «бак» трансформатора, а заземленный провод (справа) используется для одной ветви первичного фидера.

Трансформатор — это устройство, которое передает электрическую энергию от одной цепи к другой через индуктивно связанные проводники — катушки трансформатора. Переменный ток в первой или первичной обмотке создает переменный магнитный поток в сердечнике трансформатора и, таким образом, изменяющееся магнитное поле через вторичную обмотку .Это изменяющееся магнитное поле индуцирует изменяющуюся электродвижущую силу (ЭДС) или «напряжение» во вторичной обмотке. Этот эффект называется индуктивной связью.

Если нагрузка подключена ко вторичной обмотке, ток будет течь по вторичной обмотке, а электрическая энергия будет передаваться от первичной цепи через трансформатор к нагрузке. В идеальном трансформаторе индуцированное напряжение во вторичной обмотке ( В s ) пропорционально первичному напряжению ( В p ) и определяется соотношением числа витков во вторичной обмотке ( N с ) на количество витков в первичной обмотке ( N p ) следующим образом:

При соответствующем выборе соотношения витков трансформатор, таким образом, позволяет «повышать» напряжение переменного тока (AC), делая N s больше, чем N p , или «понижать» сделав N s меньше N p .Обмотки представляют собой катушки, намотанные на ферромагнитный сердечник, за исключением трансформаторов с воздушным сердечником.

Трансформаторы

различаются по размеру от соединительного трансформатора размером с миниатюру, скрытого внутри сценического микрофона, до огромных блоков весом в сотни тонн, используемых для соединения частей электрических сетей. Все работают по одним и тем же основным принципам, хотя диапазон конструкций широк. Несмотря на то, что новые технологии устранили необходимость в трансформаторах в некоторых электронных схемах, трансформаторы по-прежнему используются почти во всех электронных устройствах, предназначенных для бытового («сетевого») напряжения.Трансформаторы необходимы для передачи электроэнергии высокого напряжения, что делает передачу на большие расстояния экономически целесообразной.

История

Дискавери

Эксперимент Фарадея с индукцией между витками проволоки [1]

Принцип работы трансформатора, электромагнитная индукция, был независимо открыт Майклом Фарадеем и Джозефом Генри в 1831 году. Однако Фарадей был первым, кто опубликовал результаты своих экспериментов и, таким образом, получил признание за открытие. [2] Связь между электродвижущей силой (ЭДС) или «напряжением» и магнитным потоком была формализована в виде уравнения, которое теперь называется «законом индукции Фарадея»:

.

, где — величина ЭДС в вольтах, а Φ B — магнитный поток, проходящий через цепь в веберах. [3]


Фарадей провел первые эксперименты по индукции между катушками проволоки, в том числе намотал пару катушек на железное кольцо, создав таким образом первый тороидальный трансформатор с замкнутым сердечником. [4] Однако он подавал на свой трансформатор только отдельные импульсы тока и так и не обнаружил связи между отношением витков и ЭДС в обмотках.

Индукционные катушки

Кольцо-трансформер Фарадея

Первым типом трансформатора, который получил широкое распространение, была индукционная катушка, изобретенная преподобным Николасом Калланом из Мэйнут-колледжа, Ирландия, в 1836 году. Он был одним из первых исследователей, которые осознали, что чем больше витков вторичной обмотки имеет относительно первичная обмотка, тем больше увеличивается ЭДС.Индукционные катушки возникли в результате усилий ученых и изобретателей по получению более высоких напряжений от батарей. Поскольку батареи вырабатывают постоянный ток (DC), а не переменный ток (AC), индукционные катушки основывались на вибрирующих электрических контактах, которые регулярно прерывали ток в первичной обмотке для создания изменений магнитного потока, необходимых для индукции. Между 1830-ми и 1870-ми годами усилия по созданию улучшенных индукционных катушек, в основном путем проб и ошибок, постепенно раскрыли основные принципы работы трансформаторов.

Распределение электроэнергии

До разработки трансформатора для распределения электроэнергии постоянного тока на большие расстояния требовалось использование вращающихся мотор-генераторов для понижения высокого напряжения передачи до напряжения электросети для освещения. [5] G = электрогенератор, M / D = мотор-генератор у заказчика, L = свет

До разработки трансформатора при распределении электроэнергии в основном использовался постоянный ток. Для электростанции постоянного тока было трудно находиться на расстоянии более нескольких километров от пользователя, потому что примерно до 1897 года лампочки могли быть эффективно сконструированы только для работы с максимальным напряжением до 110 вольт, [6] , и до 220 вольт к 1917 году. [7] . Отправлять энергию на большие расстояния при напряжении электросети (100–250 вольт) дорого из-за очень высокой силы тока у многих потребителей и необходимости в очень толстых проводах передачи, способных выдерживать ток.

Было понятно, что высокое напряжение позволяет передавать на большие расстояния с низкой силой тока (250 вольт при 5000 ампер = 25000 вольт при 50 амперах), поэтому провода передачи могут быть меньше и дешевле, но все равно необходимо понижать напряжение до сетевого по месту нахождения заказчика.В то время единственным способом эффективного преобразования постоянного тока из одного напряжения в другое было использование вращающегося мотор-генератора, и это было необходимо на каждом объекте заказчика. Каждый мотор-генератор имеет щетки, постоянно трущиеся о коллектор, и подшипники оси, которые нуждаются в смазке. Щетки изнашиваются и нуждаются в периодической замене, а коммутатор изнашивается и требует замены поверхности, затем вся машина восстанавливается, когда коммутатор изнашивается слишком тонким.

К 1870-м годам были доступны эффективные генераторы, вырабатывающие переменный ток (генераторы переменного тока), и было обнаружено, что переменный ток может питать индукционную катушку напрямую, без прерывателя.В 1876 году русский инженер Павел Яблочков изобрел систему освещения на основе набора индукционных катушек, в которой первичные обмотки были подключены к источнику переменного тока, а вторичные обмотки могли быть подключены к нескольким собственным «электрическим свечам» (дуговым лампам). дизайн. [8] [9] Катушки, которые использовал Яблочков, функционировали по существу как трансформаторы. [8]

В 1878 году компания Ganz в Венгрии начала производство оборудования для электрического освещения и к 1883 году установила более пятидесяти систем в Австро-Венгрии.Их системы использовали исключительно переменный ток и включали в себя дуговые лампы и лампы накаливания, а также генераторы и другое оборудование. [10]

Люсьен Голлар и Джон Диксон Гиббс сначала представили устройство с открытым железным сердечником, названное «вторичным генератором», в Лондоне в 1882 году, а затем продали идею компании Westinghouse в США. [11] Они также продемонстрировали изобретение в Турине, Италия, в 1884 году, где оно было применено для системы электрического освещения. [12] Однако эффективность их биполярного устройства с открытым сердечником оставалась очень низкой. [12]

Индукционные катушки с разомкнутыми магнитными цепями неэффективны для передачи мощности нагрузкам. Примерно до 1880 года парадигма передачи энергии переменного тока от источника высокого напряжения к нагрузке низкого напряжения была последовательной схемой. Трансформаторы с открытым сердечником с соотношением около 1: 1 были последовательно соединены с их первичными обмотками, чтобы обеспечить возможность использования высокого напряжения для передачи при подаче низкого напряжения на лампы.Неотъемлемым недостатком этого метода было то, что отключение одной лампы влияло на напряжение, подаваемое на все остальные в той же цепи. Многие конструкции регулируемых трансформаторов были введены для компенсации этой проблемной характеристики последовательной цепи, включая те, которые используют методы регулировки сердечника или обхода магнитного потока вокруг части катушки. [12] Эффективные и практичные конструкции трансформаторов не появлялись до 1880-х годов, но в течение десятилетия трансформаторы сыграли важную роль в «Войне токов» и в том, что системы распределения переменного тока одержали победу над своими аналогами постоянного тока. с тех пор они остаются доминирующими. [13]

Трансформаторы с закрытым сердечником и параллельное распределение энергии

Трансформатор в форме оболочки. Набросок, который Аппенборн использовал для описания Z.B.D. 1885 патентов инженеров и ранние статьи. [12] Сердечник, передний; ракушечник, спинка. Самые ранние образцы разработанных Z.B.D. высокоэффективных трансформаторов постоянного напряжения, изготовленные на заводе Ганца в 1885 году. Конструкция Стэнли 1886 года для индукционных катушек с открытым сердечником и регулируемым зазором [14]

Осенью 1884 года Кароли Зиперновски, Отто Блати и Микса Дери (З.B.D.), три инженера, связанные с фабрикой Ganz, определили, что устройства с открытым сердечником неосуществимы, поскольку они неспособны надежно регулировать напряжение. [15] В своих совместных патентных заявках 1885 года на новые трансформаторы (позже названные трансформаторами ZBD) они описали две конструкции с замкнутыми магнитными цепями, в которых медные обмотки были либо а) намотаны на кольцевой сердечник из железной проволоки, либо б) окружены сердечником из железной проволоки. . [12] Эти две конструкции были первым применением двух основных типов конструкции трансформатора, широко используемых по сей день, которые в качестве класса можно назвать либо сердечником, либо формой оболочки (или, альтернативно, типом сердечника или типа оболочки), как в а) или б), соответственно (см. изображения). [16] [17] [18] [19] Осенью 1884 года фабрика Ganz также поставила первые в мире пять высокоэффективных трансформаторов переменного тока, первый из которых был отгружен 16 сентября 1884 года. [20] Этот первый блок был изготовлен со следующими характеристиками: 1400 Вт, 40 Гц, 120: 72 В, 11,6: 19,4 А, соотношение 1,67: 1, однофазный, корпус- форма. [20] В обеих конструкциях магнитный поток, соединяющий первичную и вторичную обмотки, почти полностью проходил в пределах железного сердечника без намеренного пути через воздух (см. «Тороидальные сердечники» ниже).Новые трансформаторы были в 3,4 раза более эффективными, чем биполярные устройства с открытым сердечником Голара и Гиббса. [21] Их патенты включали два других важных взаимосвязанных нововведения: одно касалось использования параллельно соединенных, а не последовательно соединенных нагрузок, второе касалось возможности иметь трансформаторы с высоким коэффициентом передачи, чтобы напряжение питающей сети могло быть намного выше. выше (первоначально от 1400 до 2000 В), чем напряжение потребляющих нагрузок (изначально предпочтительно 100 В). [22] [23] Когда они использовали их в параллельно соединенных системах распределения электроэнергии, трансформаторы с замкнутым сердечником наконец сделали технически и экономически целесообразным обеспечение электроэнергией для освещения в домах, на предприятиях и в общественных местах. [24] [25] Блати предложил использовать замкнутые сердечники, Зиперновски — использовать параллельные шунтирующие соединения, а Дери провел эксперименты; [26] Используемые сегодня трансформаторы разработаны на основе принципов, открытых тремя инженерами.Они также популяризировали слово «трансформатор» для описания устройства для изменения ЭДС электрического тока, [24] [27] , хотя этот термин уже использовался в 1882 году. [28] [29 ] В 1886 г. ZBD Инженеры спроектировали, а фабрика Ganz поставила электрическое оборудование для первой в мире электростанции, которая использовала генераторы переменного тока для питания параллельно соединенной общей электрической сети, паровой электростанции Рим-Черки. [30]


Хотя Джордж Вестингауз купил патенты Голларда и Гиббса в 1885 году, Edison Electric Light Company имела опцион на U.S. права на Z.B.D. трансформаторы, требующие от Westinghouse разработки альтернативных конструкций на тех же принципах. Он поручил Уильяму Стэнли разработать устройство для коммерческого использования в Соединенных Штатах. [31] Первая запатентованная конструкция Стэнли была для индукционных катушек с одиночными сердечниками из мягкого железа и регулируемыми зазорами для регулирования ЭДС, присутствующей во вторичной обмотке (см. Изображение). [14] Эта конструкция [32] впервые была коммерчески использована в США в 1886 г. [13] , но Westinghouse намеревалась улучшить конструкцию Стэнли, чтобы сделать ее (в отличие от Z.B.D. типа) легко и дешево производить. [32] Вестингауз, Стэнли и несколько других сотрудников вскоре разработали сердечник, состоящий из стопки тонких железных пластин «Е-образной формы», разделенных по отдельности или попарно тонкими листами бумаги или другого изоляционного материала. Затем предварительно намотанные медные катушки можно было вставить на место и уложить прямые железные пластины, чтобы создать замкнутую магнитную цепь. Вестингауз подал заявку на патент на новый дизайн в декабре 1886 года; он был предоставлен в июле 1887 года. [26] [33]

Другие ранние трансформаторы

В 1889 году инженер русского происхождения Михаил Доливо-Добровольский разработал первый трехфазный трансформатор в Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft («General Electricity Company») в Германии. [34]

В 1891 году Никола Тесла изобрел катушку Тесла, резонансный трансформатор с воздушным сердечником и двойной настройкой для генерации очень высоких напряжений на высокой частоте. [35] [36]

Преобразователи звуковой частоты («повторяющиеся катушки») использовались первыми экспериментаторами при разработке телефона. [ требуется ссылка ]

Основные принципы

Идеальный трансформер. Вторичный ток возникает из-за воздействия вторичной ЭДС на импеданс нагрузки (не показан).

Трансформатор основан на двух принципах: во-первых, электрический ток может создавать магнитное поле (электромагнетизм), а во-вторых, изменяющееся магнитное поле внутри катушки с проволокой индуцирует напряжение на концах катушки (электромагнитная индукция). Изменение тока в первичной катушке изменяет создаваемый магнитный поток. Изменяющийся магнитный поток индуцирует напряжение во вторичной катушке.

Идеальный трансформатор показан на рисунке рядом.Ток, проходящий через первичную катушку, создает магнитное поле. Первичная и вторичная катушки намотаны вокруг сердечника с очень высокой магнитной проницаемостью, такого как железо, так что большая часть магнитного потока проходит как через первичную, так и через вторичную катушки. Если нагрузка подключена к вторичной обмотке, ток и напряжение нагрузки будут в указанных направлениях, учитывая первичный ток и напряжение в указанных направлениях (на практике каждое будет переменным током).

Закон индукции

Напряжение, индуцированное на вторичной катушке, можно рассчитать по закону индукции Фарадея, который гласит:

, где В с — мгновенное напряжение, Н с — количество витков вторичной катушки, а Φ — магнитный поток, проходящий через один виток катушки. Если витки катушки ориентированы перпендикулярно линиям магнитного поля, магнитный поток является произведением плотности магнитного потока B и площади A , через которую он проходит. Площадь постоянна и равна площади поперечного сечения сердечника трансформатора, в то время как магнитное поле изменяется со временем в зависимости от возбуждения первичной обмотки. Поскольку в идеальном трансформаторе через первичную и вторичную обмотки проходит один и тот же магнитный поток, [37] мгновенное напряжение на первичной обмотке равно

Соотношение двух уравнений для В s и В p дает основное уравнение [38] для повышения или понижения напряжения

N p / N s известен как коэффициент витков и является основной функциональной характеристикой любого трансформатора.В случае повышающих трансформаторов это иногда может быть указано как обратное, N s / N p . Передаточное число обычно выражается как несводимая дробь или отношение: например, трансформатор с первичной и вторичной обмотками, соответственно, 100 и 150 витков, имеет отношение витков 2: 3, а не 0,667 или 100: 150. .

Уравнение идеальной мощности

Идеальный трансформатор как элемент схемы

Если вторичная обмотка подключена к нагрузке, которая пропускает ток, электрическая энергия передается от первичной цепи к вторичной цепи.В идеале трансформатор совершенно работоспособен. Вся поступающая энергия преобразуется из первичной цепи в магнитное поле и во вторичную цепь. Если это условие выполняется, входная электрическая мощность должна быть равна выходной мощности:

дает уравнение идеального трансформатора

Эта формула является разумным приближением для большинства современных трансформаторов промышленного производства.

Если напряжение увеличивается, ток уменьшается во столько же раз. Импеданс в одной цепи преобразуется квадратом отношения витков. [37] Например, если импеданс Z s присоединен к клеммам вторичной катушки, для первичной цепи кажется, что сопротивление будет ( Н p / Н с ) 2 Z с . Это соотношение является обратным, так что импеданс первичной цепи Z p кажется вторичной как ( N s / N p ) 2 Z p .

Детальная операция

Упрощенное описание выше не учитывает несколько практических факторов, в частности, первичный ток, необходимый для создания магнитного поля в сердечнике, и вклад в поле из-за тока во вторичной цепи.

В моделях идеального трансформатора обычно используется сердечник с незначительным сопротивлением и двумя обмотками с нулевым сопротивлением. [39] Когда напряжение подается на первичную обмотку, протекает небольшой ток, возбуждая поток вокруг магнитной цепи сердечника. : [39] Ток, необходимый для создания магнитного потока, называется током намагничивания . Поскольку предполагалось, что идеальный сердечник имеет сопротивление, близкое к нулю, ток намагничивания пренебрежимо мал, хотя и необходим для создания магнитного поля.

Изменяющееся магнитное поле индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) на каждой обмотке. [40] Поскольку идеальные обмотки не имеют полного сопротивления, они не имеют связанного с ними падения напряжения, и поэтому напряжения V P и V S , измеренные на выводах трансформатора, равны соответствующим ЭДС.Первичная ЭДС, действующая в противовес первичному напряжению, иногда называется «обратной ЭДС». [41] Это соответствует закону Ленца, который гласит, что индукция ЭДС всегда препятствует развитию любого такого изменения магнитного поля.

Практические соображения

Поток утечки

Основная статья: Индуктивность утечки

Поток утечки трансформатора

Идеальная модель трансформатора предполагает, что весь поток, создаваемый первичной обмоткой, связывает все витки каждой обмотки, включая ее самого. На практике некоторый поток проходит по путям, выводящим его за пределы обмоток. [42] Такой поток называется потоком рассеяния и приводит к индуктивности рассеяния последовательно с взаимно связанными обмотками трансформатора. [41] Утечка приводит к тому, что энергия поочередно накапливается и разряжается из магнитных полей с каждым циклом подачи питания. Это не прямая потеря мощности (см. «Параллельные потери» ниже), но приводит к ухудшению регулирования напряжения, в результате чего вторичное напряжение не прямо пропорционально первичному напряжению, особенно при большой нагрузке. [42] Таким образом, трансформаторы обычно имеют очень низкую индуктивность рассеяния. Тем не менее, невозможно полностью исключить поток утечки, поскольку он играет важную роль в работе трансформатора. Комбинированный эффект потока утечки и электрического поля вокруг обмоток — это то, что передает энергию от первичной обмотки к вторичной. [43]

В некоторых приложениях желательна повышенная утечка, и в конструкцию трансформатора могут намеренно вводиться длинные магнитные пути, воздушные зазоры или байпасные магнитные шунты для ограничения подаваемого им тока короткого замыкания. [41] Трансформаторы с утечкой могут использоваться для питания нагрузок с отрицательным сопротивлением, таких как электрические дуги, ртутные лампы и неоновые вывески, или для безопасного обращения с нагрузками, которые периодически замыкаются накоротко, например, в аппаратах для электродуговой сварки. [44]

Воздушные зазоры также используются для предотвращения насыщения трансформатора, особенно трансформаторов звуковой частоты в цепях, в которых через обмотки протекает постоянный ток. [45]

Индуктивность утечки также полезна при параллельной работе трансформаторов.Можно показать, что если удельная индуктивность двух трансформаторов одинакова (типичное значение составляет 5%), они автоматически «правильно» разделят мощность (например, блок 500 кВА параллельно с блоком 1000 кВА, чем больше один будет нести вдвое больше тока). [ требуется ссылка ]

Влияние частоты

Трансформатор универсальный уравнение ЭДС

Если поток в сердечнике чисто синусоидальный, соотношение для любой из обмоток между его действующим напряжением E среднеквадратичное значение обмотки и частотой питания f , числом витков N , поперечным сечением сердечника площадь сечения a и пиковая плотность магнитного потока B определяется универсальным уравнением ЭДС: [39]

Если поток не содержит четных гармоник, можно использовать следующее уравнение для среднего напряжения за полупериод E avg любой формы волны:

Член производной по времени в законе Фарадея показывает, что поток в сердечнике является интегралом по времени приложенного напряжения. [46] Гипотетически идеальный трансформатор работал бы при возбуждении постоянным током, при этом магнитный поток сердечника линейно увеличивался со временем. [47] На практике магнитный поток возрастает до точки, где возникает магнитное насыщение сердечника, вызывая большое увеличение тока намагничивания и перегрев трансформатора. Поэтому все практические трансформаторы должны работать с переменным (или импульсным постоянным) током. [47]

ЭДС трансформатора при заданной магнитной индукции увеличивается с частотой. [39] Работая на более высоких частотах, трансформаторы могут быть физически более компактными, потому что данный сердечник может передавать больше мощности без достижения насыщения, а для достижения того же импеданса требуется меньше витков. Однако такие свойства, как потери в сердечнике и скин-эффект в проводнике, также увеличиваются с увеличением частоты. В самолетах и ​​военной технике используются источники питания 400 Гц, которые уменьшают вес сердечника и обмотки. [48] И наоборот, частоты, используемые для некоторых систем электрификации железных дорог, были намного ниже (например,грамм. 16,7 Гц и 25 Гц), чем обычные рабочие частоты (50–60 Гц) по историческим причинам, связанным в основном с ограничениями ранних электрических тяговых двигателей. Таким образом, трансформаторы, используемые для понижения высокого напряжения в воздушной линии (например, 15 кВ), были намного тяжелее для той же номинальной мощности, чем трансформаторы, предназначенные только для более высоких частот.

Работа трансформатора при расчетном напряжении, но на более высокой частоте, чем предполагалось, приведет к уменьшению тока намагничивания. При более низкой частоте ток намагничивания будет увеличиваться.Работа трансформатора на частоте, отличной от его расчетной, может потребовать оценки напряжений, потерь и охлаждения, чтобы установить, насколько безопасна работа. Например, трансформаторы могут нуждаться в оборудовании реле перенапряжения «вольт на герц» для защиты трансформатора от перенапряжения на частоте выше номинальной.

Одним из примеров современной конструкции являются трансформаторы, используемые для электрических многоэлементных высокоскоростных поездов, особенно тех, которые требуются для работы через границы стран, использующих различные электрические стандарты.Такие трансформаторы можно размещать только под пассажирским салоном. Они должны работать на различных частотах (до 16,7 Гц) и напряжениях (до 25 кВ), удовлетворяя повышенные требования к мощности, необходимые для работы поездов на высокой скорости.

Знание собственных частот обмоток трансформатора необходимо для определения переходных характеристик обмоток и коммутационных перенапряжений.

Энергетические потери

Идеальный трансформатор не имел бы потерь энергии и имел бы 100% КПД.В практических трансформаторах энергия рассеивается в обмотках, сердечнике и окружающих конструкциях. Более крупные трансформаторы, как правило, более эффективны, а трансформаторы, рассчитанные на распределение электроэнергии, обычно работают лучше, чем 98%. [49]

Экспериментальные трансформаторы со сверхпроводящей обмоткой достигают КПД 99,85%. [50] Повышение эффективности может сэкономить значительную энергию и, следовательно, деньги в большом высоконагруженном трансформаторе; компромисс заключается в дополнительных начальных и эксплуатационных расходах на сверхпроводящую конструкцию.

Потери в трансформаторах (исключая связанные схемы) меняются в зависимости от тока нагрузки и могут быть выражены как потери «без нагрузки» или «при полной нагрузке». Сопротивление обмотки преобладает над потерями нагрузки, тогда как потери на гистерезис и вихревые токи составляют более 99% потерь без нагрузки. Потери холостого хода могут быть значительными, так что даже холостой трансформатор приводит к утечке электроэнергии и эксплуатационным расходам. Для проектирования трансформаторов с меньшими потерями требуется более крупный сердечник, высококачественная кремнистая сталь или даже аморфная сталь для сердечника и более толстый провод, что увеличивает начальную стоимость, так что существует компромисс между первоначальной стоимостью и стоимостью эксплуатации (см. Также энергоэффективный трансформатор ). [51]

Потери трансформатора подразделяются на потери в обмотках, называемые потерями в меди, и потери в магнитной цепи, называемые потерями в стали. Потери в трансформаторе возникают из:

Сопротивление обмотки
Ток, протекающий по обмоткам, вызывает резистивный нагрев проводников. На более высоких частотах скин-эффект и эффект близости создают дополнительное сопротивление обмотки и потери.
Гистерезис потерь
Каждый раз, когда магнитное поле меняет направление, небольшое количество энергии теряется из-за гистерезиса внутри сердечника.Для данного материала сердечника потери пропорциональны частоте и являются функцией максимальной плотности потока, которой он подвергается. [52]
Вихревые токи
Ферромагнитные материалы также являются хорошими проводниками, и сердечник, сделанный из такого материала, также представляет собой один короткозамкнутый виток по всей своей длине. Поэтому вихревые токи циркулируют внутри сердечника в плоскости, перпендикулярной потоку, и ответственны за резистивный нагрев материала сердечника.Потери на вихревые токи являются сложной функцией квадрата частоты источника питания и обратного квадрата толщины материала. [53] Потери на вихревые токи можно уменьшить, сделав сердечник пакета пластин электрически изолированным друг от друга, а не сплошным блоком; во всех трансформаторах, работающих на низких частотах, используются ламинированные или аналогичные сердечники.
Магнитострикция
Магнитный поток в ферромагнитном материале, таком как сердечник, заставляет его физически расширяться и слегка сжиматься с каждым циклом магнитного поля, эффект, известный как магнитострикция.Это производит жужжащий звук, обычно связанный с трансформаторами [38] , который может вызывать потери из-за нагрева от трения. Это жужжание особенно характерно для низкочастотного (50 или 60 Гц) сетевого гудения и высокочастотного (15 734 Гц (NTSC) или 15 625 Гц (PAL)) шума ЭЛТ.
Механические потери
Помимо магнитострикции, переменное магнитное поле вызывает колебания сил между первичной и вторичной обмотками. Они вызывают вибрации в ближайших металлических конструкциях, усиливая гудение и потребляя небольшое количество энергии. [54]
Случайные потери
Индуктивность утечки сама по себе в значительной степени без потерь, поскольку энергия, подаваемая в ее магнитные поля, возвращается в источник питания в следующем полупериоде. Однако любой поток утечки, который захватывает соседние проводящие материалы, такие как опорная конструкция трансформатора, вызовет вихревые токи и преобразуется в тепло. [55] Существуют также радиационные потери из-за колеблющегося магнитного поля, но они обычно невелики.

Точечное соглашение

Основная статья: точечное соглашение

В условных обозначениях трансформаторов обычно бывает точка на конце каждой катушки внутри трансформатора, особенно для трансформаторов с несколькими первичными и вторичными обмотками. Точки указывают направление каждой обмотки относительно других. Напряжения на точечном конце каждой обмотки синфазны; Ток, протекающий в точечный конец первичной катушки, приведет к тому, что ток будет течь из точечного конца вторичной катушки.

Трансформаторы формы сердечника и оболочки

Форма сердечника = тип сердечника; форма оболочки = тип оболочки

Как впервые упоминалось в отношении самых ранних трансформаторов с замкнутым сердечником ZBD, трансформаторы обычно имеют форму сердечника или оболочки в зависимости от типа магнитной цепи, используемой в конструкции обмотки (см. Изображение). То есть, когда обмоточные катушки наматываются на сердечник, трансформаторы считаются имеющими форму сердечника; когда катушки обмотки окружены сердечником, трансформаторы называются корпусными.Конструкция формы оболочки может быть более распространенной, чем конструкция формы сердечника для распределительных трансформаторов, из-за относительной легкости укладки сердечника вокруг катушек обмотки. [16] Конструкция формы сердечника имеет тенденцию, как правило, быть более экономичной и, следовательно, более распространенной, чем конструкция формы оболочки для приложений с высоковольтными силовыми трансформаторами в нижней части их диапазонов номинального напряжения и мощности (меньше или номинально равняется 230 кВ или 75 МВА). При более высоких значениях напряжения и мощности трансформаторы в форме кожуха более распространены. [19] [16] [56] [57] Форма корпуса имеет тенденцию быть предпочтительной для приложений сверхвысокого напряжения и более высокого МВА, поскольку трансформаторы в форме корпуса, хотя и трудоемки в производстве, характеризуются как имеющий по своей сути лучшее отношение кВА к массе, лучшие характеристики устойчивости к короткому замыканию и более высокую устойчивость к повреждениям при транспортировке. [57]

Эквивалентная схема

См. Схему ниже

Физические ограничения практического трансформатора могут быть сведены воедино в виде модели эквивалентной схемы (показанной ниже), построенной на идеальном трансформаторе без потерь. [58] Потери мощности в обмотках зависят от тока и представлены последовательными сопротивлениями R p и R s . Рассеивание магнитного потока приводит к падению части приложенного напряжения, не влияя на взаимную связь, и, таким образом, может быть смоделировано как реактивные сопротивления каждой индуктивности рассеяния X p и X s последовательно с идеально связанной областью.

Потери в железе в основном вызваны эффектами гистерезиса и вихревых токов в сердечнике и пропорциональны квадрату потока сердечника для работы на данной частоте. [59] Поскольку магнитный поток в сердечнике пропорционален приложенному напряжению, потери в стали могут быть представлены сопротивлением R C параллельно с идеальным трансформатором.

Сердечник с конечной проницаемостью требует тока намагничивания I м для поддержания взаимного потока в сердечнике. Ток намагничивания синфазен с потоком. Эффекты насыщения делают отношения между ними нелинейными, но для простоты этот эффект обычно игнорируется в большинстве эквивалентов схем. [60] При синусоидальном питании поток в сердечнике отстает от наведенной ЭДС на 90 °, и этот эффект можно смоделировать как намагничивающее реактивное сопротивление (реактивное сопротивление эффективной индуктивности) X м параллельно компоненту потерь в сердечнике , R c . R c и X m иногда вместе называют намагничивающей ветвью модели. Если вторичная обмотка разомкнута, ток I 0 , принимаемый ветвью намагничивания, представляет собой ток холостого хода трансформатора. [58]

Вторичный импеданс R s и X s часто перемещается (или «отнесен») к первичной стороне после умножения компонентов на коэффициент масштабирования импеданса ( N p / N с ) 2 .

Эквивалентная схема трансформатора с полным сопротивлением вторичной обмотки относительно первичной обмотки

Результирующую модель иногда называют «точной эквивалентной схемой», хотя она сохраняет ряд приближений, таких как предположение о линейности. [58] Анализ можно упростить, переместив ветвь намагничивания влево от импеданса первичной обмотки, сделав неявное предположение о том, что ток намагничивания низкий, а затем суммировав первичный и приведенный вторичный импедансы, что приведет к так называемому эквивалентному импедансу.

Параметры эквивалентной схемы трансформатора можно рассчитать по результатам двух испытаний трансформатора: испытания на обрыв и испытание на короткое замыкание.

Типы

Для различных применений используются трансформаторы самых разных конструкций, хотя они имеют несколько общих черт.Ниже описаны важные распространенные типы трансформаторов.

Автотрансформатор

Основная статья: Автотрансформатор

В автотрансформаторе части одной и той же обмотки действуют как первичная, так и вторичная. Обмотка имеет не менее трех отводов для электрических соединений. Автотрансформатор может быть меньше, легче и дешевле, чем стандартный двухобмоточный трансформатор, однако автотрансформатор не обеспечивает гальванической развязки.

В качестве примера экономии материала, которую может обеспечить автотрансформатор, рассмотрим трансформатор 2 кВА с двойной обмоткой, предназначенный для преобразования 240 вольт в 120 вольт.Для такого трансформатора потребуется провод на 8 А для первичной обмотки 240 В и провод на 16 А для вторичной обмотки. Если он сконструирован как автотрансформатор, выход представляет собой простой ответвитель в центре обмотки на 240 вольт. Несмотря на то, что вся обмотка может быть намотана проводом на 8 ампер, тем не менее, 16 ампер можно получить от отвода 120 вольт. Это происходит потому, что «первичный» ток 8 ампер имеет противоположную фазу «вторичному» току 16 ампер и, следовательно, это разностный ток, протекающий в общей части обмотки (8 ампер).Также существует значительный потенциал экономии на материале сердечника, поскольку отверстия, необходимые для удержания обмоток, меньше. Преимущество особенно велико при использовании трансформатора с соотношением сторон 2: 1 и становится меньше по мере увеличения или уменьшения отношения.

Автотрансформаторы

часто используются для повышения или понижения напряжений в диапазоне 110-117-120 вольт и напряжений в диапазоне 220-230-240 вольт, например, для вывода 110 или 120 В (с ответвлениями) от входа 230 В, что позволяет оборудование из области 100 или 120 В для использования в области 230 В.

Регулируемый автотрансформатор создается путем обнажения части катушек обмотки и соединения вторичной обмотки через скользящую щетку, обеспечивающую регулируемое передаточное число. [61] Такое устройство часто называют торговой маркой Variac .

Объяснение испытания сопротивления обмотки трансформатора

Это руководство представляет собой введение в методы и процедуры испытания сопротивления обмотки трансформатора. Фото: TestGuy

Измерение сопротивления обмотки — важный диагностический инструмент для оценки возможных повреждений трансформаторов в результате плохой конструкции, сборки, обращения, неблагоприятных условий окружающей среды, перегрузки или плохого обслуживания.

Основная цель этого теста — проверить большие различия между обмотками и обрыв в соединениях. Измерение сопротивления обмоток трансформатора гарантирует, что каждая цепь подключена правильно и все соединения герметичны.

Сопротивление обмотки трансформаторов изменится из-за короткого замыкания витков, ослабленных соединений или износа контактов в переключателях ответвлений. Независимо от конфигурации, измерения сопротивления обычно производятся между фазами, и показания сравниваются друг с другом, чтобы определить, приемлемы ли они.

Измерение сопротивления обмотки трансформатора получается путем пропускания известного постоянного тока через тестируемую обмотку и измерения падения напряжения на каждой клемме (закон Ома). Современное испытательное оборудование для этих целей использует мост Кельвина для достижения результатов; Вы можете представить себе набор для измерения сопротивления обмоток как очень большой омметр с низким сопротивлением (DLRO).


Содержание руководства


Соблюдайте осторожность при тестировании

Перед проведением испытания сопротивления обмотки трансформатора важно, чтобы соблюдала все предупреждения по технике безопасности и принимала соответствующие меры.Убедитесь, что все тестируемое оборудование правильно заземлено, и относитесь ко всему высоковольтному силовому оборудованию как к находящемуся под напряжением, пока не будет доказано обратное с помощью надлежащих процедур блокировки / маркировки.

Во время испытания важно не отключать провода тока или напряжения, пока ток все еще течет через трансформатор. Это приведет к возникновению чрезвычайно высокого напряжения в точке обрыва тока, что может привести к возникновению смертельного напряжения.


Подключение тестового набора

Оборудование для испытания сопротивления обмотки доступно в различных стилях в зависимости от конкретных приложений.Испытательный комплект, используемый для силового трансформатора, будет сильно отличаться от комплекта, разработанного для небольших измерительных трансформаторов. Независимо от типа, измерители сопротивления обмоток всегда оснащены токовым выходом, измерителем напряжения и измерителем сопротивления. Фото: Testguy

.

Как первичные, так и вторичные выводы трансформатора должны быть изолированы от внешних подключений, и измерения должны выполняться на каждой фазе всех обмоток. Подключение испытательного оборудования производить в следующем порядке:

  1. Заземление Убедитесь, что трансформатор сначала заземлен непосредственно на землю местной станции, а затем подключите заземление испытательного комплекта.
  2. Принадлежности Подключайте любые необходимые принадлежности, например пульты дистанционного управления, сигнальный маячок, ПК и т. Д.
  3. Измерительные провода Отключив измерительные провода от тестируемого устройства, подключите провода тока и напряжения к испытательному комплекту и проверьте герметичность всех соединений.
  4. Подключение к трансформатору Для каждой конфигурации трансформатора требуются разные тестовые соединения, некоторые примеры приведены в следующем разделе.Особое внимание следует уделять устройству , чтобы не допустить выпадения проводов во время тестирования или подключения проводов друг к другу или слишком близко друг к другу. Выводы напряжения всегда следует размещать внутри (между) токоподводами и трансформатором.
  5. Входная мощность Подключите испытательный комплект. Перед выполнением этого подключения убедитесь, что заземление источника питания имеет путь с низким импедансом к заземлению местной станции.

Подключение к тестируемому трансформатору

Для однофазных и простых конфигураций Delta-Wye можно использовать следующие соединения.Имейте в виду, что каждая конфигурация трансформатора отличается, и ваша конкретная настройка может не применяться к тому, что показано ниже. Для получения дополнительной информации обратитесь к руководству пользователя, прилагаемому к вашему испытательному комплекту.

Пример однофазного трансформатора

Соединения для проверки сопротивления обмотки трансформатора — одиночная обмотка. Фото: TestGuy


Пример трехфазной обмотки треугольником

Соединения для проверки сопротивления обмотки трансформатора — трехфазная обмотка треугольником. Фото: TestGuy

№ испытания. I + И- V1 + V1- V2 + V2-
А-фаза ч2 ч3 ч2 ч3
B-фаза ч3 ч4 ч3 ч4
C-фаза ч4 ч2 ч4 ч2

Пример трехфазной вторичной обмотки звездой

Соединения для проверки сопротивления обмотки трансформатора — трехфазная обмотка звездой.Фото: TestGuy

Тест № I + И- V1 + V1- V2 + V2-
А-фаза х1 X0 х1 X0
B-фаза х2 X0 х2 X0
C-фаза х3 X0 х3 X0

Пример испытания двойной обмотки (однофазный)

Чтобы сэкономить время при испытании двухобмоточных трансформаторов, можно одновременно проверять первичную и вторичную обмотки, используя схемы соединений, показанные ниже:

Соединения для проверки сопротивления обмотки трансформатора — двойная обмотка.Фото: TestGuy

Тест № I + Джемпер И- V1 + V1- V2 + V2-
1 ч2 h3-X1 х3 ч2 ч3 х1 х2

Пример испытания двойной обмотки (трехфазный)

Соединения для проверки сопротивления двух обмоток трехфазного трансформатора.Фото: TestGuy

Тест № I + Джемпер И- V1 + V1- V2 + V2-
А-фаза ч2 h3-X1 X0 ч2 ч3 х1 X0
B-фаза ч3 h4-X2 X0 ч3 ч4 х2 X0
C-фаза ч4 h2-X3 X0 ч4 ч2 х3 X0

Для сокращения времени насыщения сердечника перемычка, используемая для соединения обеих обмоток, должна быть подключена к противоположным полярностям трансформатора.Если положительный вывод для тока подключен к положительному выводу первичной обмотки, испытательный ток возбуждения от первичной обмотки h3 перескочит на положительный вывод вторичной обмотки X1.

Примечание: Если сопротивление между двумя обмотками больше, чем в 10 раз, может быть желательно получить более точные показания, протестировав каждую обмотку отдельно.


Пример трансформатора тока

Соединения для проверки сопротивления обмотки трансформатора тока.Фото: TestGuy


Измерение сопротивления обмотки

При измерении сопротивления обмотки следует наблюдать и записывать показания , когда значение сопротивления стабилизируется . Значения сопротивления сначала будут «дрейфовать» из-за индуктивности трансформатора, которая чаще встречается в больших обмотках, соединенных треугольником.

Для небольших трансформаторов дрейф длится всего несколько секунд; для однофазных высоковольтных трансформаторов дрейф может длиться менее минуты; для больших трансформаторов необходимое время дрейфа может составлять пару минут и более.Любое изменение тока приведет к изменению значения сопротивления.


Сопротивление обмотки устройства переключения ответвлений

Многие силовые и распределительные трансформаторы оснащены переключателями ответвлений для увеличения или уменьшения коэффициента передачи в зависимости от напряжения питания. Поскольку изменение передаточного числа связано с механическим перемещением из одного положения в другое, каждый отвод следует проверять во время испытания сопротивления обмотки.

Во время планового технического обслуживания не всегда возможно проверить каждый отвод из-за ограничений по времени или других факторов.В таких случаях допустимо измерять сопротивление каждой обмотки только в обозначенном положении отвода.

Для ответвлений «без нагрузки» трансформатор должен разряжаться между переключениями ответвлений. Переключатели ответвлений и регуляторы напряжения «под нагрузкой» могут работать с включенным испытательным комплектом при переключении от ответвления к ответвлению, это не только экономит время, но также позволяет проверить функцию включения перед отключением переключателя ответвлений.


Результаты испытаний

Интерпретация результатов сопротивления обмотки обычно основана на сравнении каждого значения сопротивления с каждой соседней обмоткой на одном отводе.Если все показания находятся в пределах одного процента друг от друга, образец считается выдержавшим испытание.

Также можно проводить сравнения с исходными данными испытаний, измеренными на заводе, с использованием значений с поправкой на температуру, имея в виду, что испытания сопротивления в полевых условиях не предназначены для дублирования протокола испытаний производителя, который, скорее всего, проводился в контролируемой среде на заводе. время изготовления.


Образец данных испытаний

В зависимости от размера тестируемой обмотки трансформатора показания сопротивления выражаются в омах, миллиомах или микромомах.В таблице ниже показано, как можно записать данные испытаний для простого трехфазного трансформатора 13,200–208 / 120 В с тремя положениями переключателя ответвлений без напряжения.

ОБМОТКИ ПОЛОЖЕНИЕ ОТВЕРСТИЯ СОПРОТИВЛЕНИЕ (МИЛЛИОМОВ)
h2-h3 1 750,3
h3-h4 1 749,8
h4-h2 1 748.5
h2-h3 2 731,8
h3-h4 2 731,4
h4-h2 2 729,4
h2-h3 3 714,6
h3-h4 3 714,3
h4-h2 3 712.3
X1-X0 НЕТ 0,3550
X2-X0 НЕТ 0,3688
X3-X0 НЕТ 0,3900

Температурная коррекция

Поскольку сопротивление зависит от температуры, при сравнении результатов для данных тренда необходимо использовать скорректированные значения. Очень важно оценить температуру обмотки во время измерения.

Если трансформатор оснащен датчиком температуры обмотки, используйте эти показания, в противном случае предполагается, что температура обмотки равна температуре масла. Если трансформатор измеряется без масла, температура обмотки обычно принимается такой же, как температура окружающего воздуха.

Измеренное сопротивление следует скорректировать на обычную температуру, такую ​​как 75 ° C или 85 ° C, по следующей формуле:

где:

  • R C — скорректированное сопротивление
  • R M — это измеренное сопротивление
  • C F — поправочный коэффициент для меди (234.5) или алюминиевые (225) обмотки
  • C T — скорректированная температура (75C или 85C)
  • W T — температура обмотки (C) во время испытания

Размагничивание трансформатора

После завершения всех испытаний выполните операцию размагничивания трансформатора. Этот шаг важен для бесперебойной работы трансформатора при вводе в эксплуатацию.

Размагничивание трансформатора устраняет остаточный магнитный поток, вызванный пропусканием поляризованного постоянного тока через обмотки во время испытания сопротивления.Фото: Викимедиа.

Если операция размагничивания не выполняется, избыточный остаточный магнитный поток в сердечнике трансформатора может вызвать большие пусковые токи на первичной стороне, которые могут привести к срабатыванию защитных реле. Размагничивание трансформатора достигается пропусканием нескольких циклов пониженного тока через обмотку как в положительном, так и в отрицательном направлении (переменный постоянный ток).

Размагничивание необходимо выполнять только на одной обмотке после завершения всех испытаний сопротивления.При использовании современных испытательных комплектов с функцией размагничивания рекомендуется подключать провода как тока, так и напряжения к обмотке на стороне высокого напряжения для

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.