Site Loader
Posted on 19.07.1972

Содержание

Обмотки трансформаторов | Общие сведения о трансформаторах

Страница 3 из 7

Обмотки должны удовлетворять следующим требованиям: обладать надлежащими механической и электрической прочностью, нагревостойкостью, экономичностью (в отношении потерь), технологичностью, быть простыми в изготовлении, удобными и недорогими.
Медь долгое время была основным материалом, из которого изготовляли обмотки трансформатора. Мировая добыча меди ограничена, и темпы ее прироста меньше темпов роста мировой электротехнической промышленности.

В связи с этим медь стали заменять алюминием. Наиболее экономически выгодно оказалось использовать алюминий в трансформаторах, где он находит все большее применение. Но использование алюминия для обмоток трансформаторов связано с некоторыми трудностями. Так как электрическая проводимость алюминия составляет лишь 61 % проводимости меди, то сечение алюминиевых обмоток должно быть соответственно больше. При конструировании этих обмоток необходимо учитывать, что прочность алюминия на разрыв равна-—700 кГ/см2, а меди —2250 кГ/см2. Увеличенные размеры обмоток обусловливают повышение напряжения короткого замыкания трансформатора (см. § 1 главы III). Для его снижения приходится увеличивать диаметр стержней сердечника и уменьшать число витков, что ведет к увеличению размеров бака и объема масла. При этом возрастает средняя длина витка, что требует дальнейшего увеличения сечения для сохранения нужной величины активного сопротивления обмотки.

Провода, применяемые при изготовлении обмоток, бывают круглого сечения с площадью до 10 мм2 и прямоугольного от 6 до 60 мм2. Плотность тока в трансформаторах с масляным охлаждением лежит в пределах от 2,0 до 4,5 а\мм2, с воздушным — от 1,2 до 3 а/мм2.
Изоляция проводов должна удовлетворять требованиям в отношении нагревостойкости, теплопроводности, влаго- и химостойкости, механической прочности.
Для проводов обмоток масляных трансформаторов широко применяют хлопчатобумажную изоляцию, в трансформаторах небольшой и средней мощности используют эмалевую изоляцию (нагревостойкие эмалевые лаки), провода прямоугольного сечения изолируют также двумя слоями кабельной бумаги и хлопчатобумажной пряжей. Бумажная изоляция в комбинации с трансформаторным маслом при аккуратной сушке и высокой степени дегазации обеспечивает достаточную электрическую прочность.
Для пропитки обмоток трансформаторов в настоящее время применяют синтетические лаки и смолы. К последним относятся фенольные смолы. Применяемые в последние годы полиэфирные смолы отличаются хорошей пропиточной способностью, не образуют пустот.
Старение изоляции заключается в том, что в процессе эксплуатации ей сообщается некоторое количество энергии, которая, превращаясь в другие виды энергии, вызывает ухудшение качества изоляции. Энергия электрического поля, сообщаемая изоляции, превращается в тепловую, вызывая ее нагрев, химическую, вызывая разложение материала, механическую, образуя трещины, разрывы, расслоения.

Рис. 19. Обмотка трансформатора:
а — концентрическая; 6 — чередующаяся.
По взаимному расположению обмотки высшего (ВН) и низшего (НН) напряжения подразделяются следующим образом:
а)   концентрические, расположенные друг относительно друга и вокруг стержня концентрически. Ближе к стержню обычно находится обмотка низшего напряжения но очевидным соображениям упрощения в таком случае изоляции обмотки от стержня;
б)   чередующиеся, в которых части обмоток ВН и НН по высоте стержня следуют поочередно (рис. 19).
При современной технике выполнения непрерывных обмоток концентрическое расположение проще, чем чередующееся с вынужденными пайками, и более
экономично как по затрате труда, так и по месту, занимаемому обмоткой в окне трансформатора. Чередующиеся обмотки трансформатора не только сложны в изготовлении, но при высоких напряжениях изолировать их друг от друга сложно и дорого. Но эти обмотки благодаря более тесному переплетению их отдельных частей имеют более полную электромагнитную связь, что уменьшает их индуктивное сопротивление рассеяния (§ 3 главы II). Для трансформаторов радиоустановок это имеет определенное значение. При чередующихся обмотках в высокоамперных и броневых трансформаторах отводы выполнять удобнее.

Рис. 20. Цилиндрическая двухслойная обмотка, намотанная двумя параллельными прямоугольными проводами.

Но в общем случае в силовых трансформаторах обычно применяют концентрические обмотки, и трансформатор со стержневым сердечником и концентрической обмоткой следует считать основным типом в СССР.

Концентрические обмотки конструктивно могут быть цилиндрическими, винтовыми и непрерывными спиральными.
Цилиндрические обмотки бывают однослойные, двухслойные и многослойные. Однослойные и двухслойные обмотки наматывают по высоте соответственно в один или два слоя из прямоугольного провода. В последнем случае между слоями оставляют канал а для охлаждения (рис. 20).
Цилиндрические обмотки просты, но так как их радиальные размеры невелики, они не обладают достаточной прочностью при воздействии на них осевых сил. Применяют их в основном в качестве обмоток низшего напряжения, наматывая из одного или нескольких (до четырех) параллельных проводов, при номинальных токах до 800 а и мощности на стержень до 200 кВА.


Рис. 21. Цилиндрическая многослойная обмотка.

Рис. 22. Многослойная катушечная цилиндрическая обмотка.

Многослойную цилиндрическую обмотку обычно выполняют из круглого провода, наматываемого по высоте всего стержня в несколько слоев. При большом числе слоев обмотку делят на две катушки, между которыми оставляют охлаждающий канал а (рис. 21). Эта обмотка применяется главным образом для высшего напряжения до 35 кв в трансформаторах мощностью па стержень до 200 кВА. Она достаточно проста в производстве, но механическая прочность ее по отношению к осевым силам также невелика.

Рис. 23. Одноходовая винтовая обмотка.
Рис. 24. Непрерывная спиральная обмотка.

Многослойная катушечная цилиндрическая обмотка отличается от предыдущей разбивкой по высоте стержня на отдельные катушки, между которыми проложена изоляция а и могут быть охлаждающие каналы (обычно после каждых двух катушек). Будучи достаточно простой в производстве, она используется в качестве обмотки высшего напряжения до 35 кв при мощности на стержень до 335 кВА (рис. 22).
Винтовую обмотку (рис. 23) выполняют параллельно включенными, прилегающими друг к другу в радиальном направлении проводами (от 4 до 20) прямоугольного сечения. Витки, как и в цилиндрической обмотке, наматывают по винтовой линии, по между двумя соседними по высоте витками оставляют горизонтальный канал а шириной 4,5—6 мм. При большем количестве параллельных проводников их располагают в каждом витке в несколько слоев в аксиальном направлении или параллельные провода разбивают на 2—4 группы, каждая из которых образует самостоятельный винтовой ход обмотки. Обмотка в таком случае называется многоходовой.
Расположенные рядом в радиальном направлении несколько параллельных проводов неодинаково сцепляются с силовыми линиями магнитных потоков рассеяния, проходящих в пространстве, занимаемом обмотками. Это служит причиной возникновения разности потенциалов между отдельными точками проводов витка по радиальному направлению и как следствие этого вихревых токов, вызывающих явление поверхностного эффекта. Вследствие этого увеличивается активное сопротивление обмотки, что влечет за собой увеличение потерь. Для возможно более равномерного распределения тока между параллельными проводами витка прибегают к полному и частичному перекрещиванию (транспозиции) проводов.
Винтовую обмотку применяют для низших ступеней напряжения при токах более 300 а в трансформаторах средней и особенно большой мощности. Она обладает достаточной механической прочностью, так как имеет относительно большие радиальные размеры.
Непрерывная спиральная обмотка в отличие от винтовой состоит из ряда плоских катушек — дисков, отделенных друг от друга каналами а для охлаждения (рис. 24). Выполненные из прямоугольного провода дисковые катушки наматывают по спирали и соединяют друг с другом без пайки. Если виток обмотки состоит из нескольких параллельных проводов, то делают их транспозицию.
Несмотря на сложность изготовления, непрерывную спиральную обмотку широко используют как для высшего, так и для низшего напряжения из-за ее большой механической прочности и надежности.
Конструкционными элементами этих обмоток являются разного рода распорки, клинья, прокладки и т. п., а также изоляционные пленки и цилиндры, помещаемые между слоями, катушками и обмотками. При небольших мощностях и низких напряжениях цилиндрические обмотки надевают непосредственно на стержень; деревянные клинья и планки, прессующие стержень, выполняют одновременно роль изоляции. В других случаях обмотку отделяют от стержня одним или двумя изоляционными цилиндрами, в зависимости от ее напряжения (рис. 17,6). Широко применяются жесткие цилиндры, изготовленные из намоточной бумаги или рулонного электротехнического картона на бакелитовом лаке, допускающие непосредственную укладку обмоток на них.
Рейками и прокладками, склеенными и спрессованными из электрокартона, крепят наружную и внутреннюю обмотки относительно друг друга, их используют также для образования каналов между обмоткой и изоляционным цилиндром, катушками и слоями обмотки.

Выбор материала обмоток трансформатора

Сухие трансформаторы,Технологии

В трансформаторах обмотки служат для преобразования электрической энергии. Изменяя напряжение и силу тока, они сохраняют передаваемую мощность. Вместе с обмотками в преобразовании энергии участвует набор из металлических пластин, который играет роль магнитопровода.

Трансформаторные обмотки изготавливаются из проводников, покрытых слоем изоляции, который также удерживает провода в определенном положении и создает канал охлаждения. Различные конструкции обмоток предусматривают нейтральные и линейные ответвления, а также отводы для регулировки. Во время работ, связанных с конструированием обмоток, рассчитываются такие параметры:

  • допустимое значение превышения температуры при номинальной мощности и рабочей нагрузке;
  • электрическая прочность при повышенном напряжении;
  • механическая прочность во время короткого замыкания.

Для изготовления обмоток преобразователей чаще всего используется медный провод. Это делается из-за того, что медь имеет малое электрическое сопротивление и высокую электропроводность. Благодаря своей гибкости и механической прочности, она хорошо обрабатывается и плохо поддается коррозии.

Однако медь – это достаточно ценный и дефицитный металл. Высокая стоимость меди связана с небольшими мировыми запасами ее руды. Из-за этого стоимость металла постоянно увеличивается, так что производители трансформаторов вынуждены искать ему замену. На сегодняшний день лучшей альтернативой меди является алюминий. Его запасы значительно превосходят медные, и в природе он встречается намного чаще.

Однако алюминий имеет меньшую электропроводность. Также он менее гибок и уступает меди в пределе прочности. Его редко применяют в обмотках мощных трансформаторов. Кроме того, достаточно сложно в техническом плане делать внутренние соединения обмоток при помощи сварки. Выполнение этой операции требует от работников, соединяющих обмотки, соответствующих знаний и умений, большого опыта и определенных навыков. В случае когда соединяются медные проводники, все обстоит гораздо проще.

Сравнительные характеристики металлов

УТВЕРЖДЕНИЕ ПРАВДА МИФ
Оконечные заделки намотанных алюминием трансформаторов несовместимы с медной линией и силовыми кабелями.   Х
Оконцевание выводов должным образом – более сложная задача для намотанных алюминием трансформаторов. Х  
Соединения с линией и нагрузкой трансформаторов с медными обмотками более надежны, чем у трансформаторов с алюминиевыми обмотками.   Х
Трансформаторы с алюминиевыми обмотками весят легче, чем аналогичные с медными обмотками. Х  
Намотанные медью обмотки низкого напряжения трансформаторов лучше подходят для «ударных» нагрузок, потому что у меди более высокая прочность на растяжение чем у алюминия.   Х
Трансформаторы с алюминиевыми обмотками имеют более высокие потери, чем аналогичные с медными обмотками.   Х

Споры о том, какой металл лучше использовать для трансформаторных обмоток, не прекращаются на протяжении многих лет. Оппоненты, приводящие различные технические аргументы в пользу разных металлов, постоянно меняют свои взгляды. Большая часть из всех аргументов не столь существенна, а некоторые из, так называемых фактов, являются откровенной дезинформацией.

Чтобы правильно выбрать материал для обмотки преобразователя, следует произвести сравнительный анализ рабочих параметров алюминия и меди, и определить степень их различия. Внимание обращают на те параметры, которые вызывают наибольшее беспокойство, поскольку являются наиболее важными в работе преобразующего устройства.

Характерные различия между медью и алюминием

Параметр Алюминий Медь
Температурный коэффициент линейного расширения, х10-6/°С 21-23 16,4-16,6
Теплопроводность, Вт/м∙°С 218 406
Удельное сопротивление, Ом∙мм2/м 0,026-0,028 0,017-0,018
Предел прочности на разрыв, Н/мм2 (мягкие марки) 79-108 197-276

Коэффициент расширения

Когда нагревается алюминий, он имеет расширение на 30% больше, чем медь. Если алюминиевые наконечники соединяются при помощи болта и гайки, под прижимную гайку нужно обязательно подкладывать пружинистую шайбу. В этом случае контактное соединение не будет ослабляться в то время, когда напряжение отключено, и наконечники остывают, уменьшая при этом свои размеры.

Вывод: Чтобы качество соединения алюминиевых кабелей не уступало качеству медных контактов, необходимо использовать должную арматуру.

Теплопроводность

Медь намного лучше проводит тепло, чем алюминий. Поэтому если разные металлы обмоток в трансформаторах имеют одинаковое сечение, то изделие из меди охлаждается гораздо лучше, чем из алюминия. Чтобы добиться одинаковой электропроводности, а значит одной и той же отдачи тепла, алюминиевый провод в преобразователе должен иметь сечение на 60% больше медного.

Проектировщики, разрабатывая пакет документов для производства трансформаторов, учитывают особенности материала, конструкцию, а также суммарную площадь охлаждающейся поверхности обмотки.

Вывод: Все трансформаторы, невзирая на то, из какого металла выполнены их обмотки, имеют очень сходные тепловые характеристики.

Электропроводность

Вследствие того, что алюминий имеет электрическую проводимость на 60% меньше чем медь, в обмотках из алюминия более высокие потери. Разработчики преобразователей с алюминиевыми обмотками в проектной документации закладывают сечения проводников, которые превышают значения для аналогичных изделий из меди. Это уравнивает потерю энергии в изделиях, имеющих в обмотках различные материалы.

Вместе с тем производители имеют определенные рамки, ограничивающие выбор сечения провода. Поэтому иногда получается, что медная обмотка в трансформаторе имеет более значительные потери, чем аналогичное изделие из алюминия. Это происходит из-за того, что производители по тем или иным причинам в качестве обмотки использовали медный провод, сечение которого не соответствует расчетной норме.

Что же касается сухих трансформаторов, то вне зависимости от металла обмотки у них потери в сердечнике, набранном из металлических пластин, остаются неизменны. Добиться более высокой эффективности работы преобразователя можно только путем изменения сечения обмоточного провода. Это и является основным критерием, который указывает на более высокую степень результативности того или иного устройства.

Вывод: Благодаря тому, что алюминиевый провод стоит намного дешевле, за те же деньги им можно намотать обмотку, имеющую большее сечение. Это приведет к значительному снижению энергетических потерь во время работы преобразователя. В некоторых случаях такие обмотки намного эффективней медных.

Предел прочности металлов

Алюминий для своего разрыва требует на 40% меньше усилий, чем медь. У производителей электротехнических изделий этот факт вызывает определенное беспокойство, поскольку большинство выпускаемых ими товаров часто подвергается циклическим нагрузкам. Это связано с большими пусковыми токами, которые возникают при запуске некоторых электрических силовых аппаратов. Мощные электромагнитные силы, возникающие при таких токах, вызывают усиленное движение молекул в проводниках, что приводит к смещению обмоток в изделиях.

Сравнительный анализ технических показателей различных проводников делается исходя из площади их поперечного сечения. На основании данных анализа одинаковая электропроводность в трансформаторах с разными обмотками обеспечивается следующим образом. В изделиях с алюминиевой обмоткой площадь сечения провода должна быть больше на 60%, чем в аналогичном устройстве, имеющем обмотку из меди. В этом случае технические показатели изделий, сделанных из различных материалов, будут примерно одинаковы.

Вывод: Трансформатор не может получить механическое повреждение из-за резкого изменения нагрузки, поскольку сечение обмотки подобрано таким образом, чтобы имелся необходимый запас прочности. Повреждения могут случиться только вследствие ненадежного крепления в местах соединения проводов.

Внешние подключения трансформаторов

В настоящее время использование меди в трансформаторных обмотках вызвано стремлением производить более качественные и надежные преобразующие устройства. Известно, что как алюминий, так и медь легко поддаются разрушающему воздействию окружающей среды. Из-за этого в металлах происходит коррозия, окисление и другие химические изменения.

Поверхность алюминиевого провода, покрытая окисью, становится изолятором и не пропускает электрический ток. Из-за этого своевременная очистка алюминиевых контактов имеет большое значение и должна производиться регулярно, в строгом соответствии с графиком проведения профилактических работ.

Окисленная же медь утрачивает свою электропроводность значительно меньше, поскольку появляющиеся на ней сульфиды и оксиды, конечно, не в той мере в какой бы хотелось, но все же имеют некоторую электропроводность. Все это хорошо знает персонал, который обслуживает трансформаторные подстанции. Поэтому специально обученная бригада электриков регулярно производит плановую проверку болтовых соединений рабочего оборудования.

Кроме того, существует проблема подключения алюминиевых обмоток преобразователя к медным проводам внешней электрической сети. Напрямую соединять алюминиевые и медные наконечники болтами нельзя. Дело в том, что металлы имеют различную электропроводность, из-за чего места соединений постоянно перегреваются, и соединенные поверхности разрушаются. Разработанные специально для этого сварочные технологии оказались малоэффективными, поэтому для сваривания кабелей из разного металла их не применяют.

Для соединения медных и алюминиевых кабелей сейчас используют луженые наконечники, покрытые тонким слоем олова либо серебра. При соединении алюминиевых обмоток трансформаторов с медными сетевыми кабелями наконечники покрывают оловом. Серебро используется в электронике, где требуется более высокое качество соединения деталей. Практика таких соединений общепринята. Надежность соединений подтверждается большими сроками бесперебойной работы оборудования.

Различные провода также часто соединяют при помощи специальных металлических клемм. Такая клемма сделана в виде прямоугольной рамки, в которую вставляются два соединяемых проводника. На одной плоскости клеммы имеются отверстия с резьбой. После того как проводники вставлены в рамку, они фиксируются винтами, которые закручиваются в резьбу.

Внутреннее соединение трансформаторных обмоток

Соединение медных обмоток преобразователей осуществляется методом спаивания. Тугоплавкий припой, используемый при этом, несколько снижает электропроводность спаянного участка. На этом участке все время выделяется окись меди, из-за которой отслаивается наружный слой, что ведет к повреждению всего проводника. Это является существенным недостатком такого метода соединения.

В алюминиевых же соединениях используется метод сваривания проводов при помощи инертного газа. В них окись алюминия образует стойкое защитное покрытие, которое предохраняет контакт от негативного воздействия окружающей среды. Кроме того, в этом методе соединения проводников большим преимуществом является то, что во время работы устройства на сваренных участках отсутствует потеря электропроводности.

Время эксплуатации трансформаторов в определенной мере связано с теми условиями, в которых они работают. Сюда относятся негативные воздействия окружающей среды, экстремальные нагрузки и другие неблагоприятные условия. Однако люди, пользующиеся электроэнергией не должны беспокоиться по этому поводу. Как показала практика преобразователи, имеющие различные обмотки, способны работать многие годы без особых проблем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Трансформатор с той или иной обмоткой в основном выбирается исходя из личных предпочтений. Более высокая стоимость изделия, имеющего медную обмотку, требует технического обоснования тех дополнительных материальных затрат, которые возникнут во время его приобретения. Сегодня все отзывы, основанные на опыте практического использования оборудования, не указывают на какие-либо явные преимущества в работе тех или иных устройств.

Единственным превосходством медной обмотки можно считать то, что катушка, намотанная медным проводом, имеет значительно меньшие габариты. Это позволяет делать трансформаторы с такой обмоткой более компактными, что позволяет несколько сэкономить то пространство, в котором они находятся.

Однако подавляющее большинство закрытых преобразователей выпускается в стандартных корпусах, имеющих одни размеры, которые подходят и для медных и для алюминиевых катушек. Так что здесь преимущество меди не имеет никакого значения. Поэтому спрос на трансформаторы с алюминиевой обмоткой сейчас намного выше.

Стоимость металлов постоянно увеличивается, а поскольку цена меди в несколько раз превышает цену алюминия, то и стоимость изделия с медной обмоткой намного дороже. Из-за этого многие покупатели предпочитают не переплачивать за медь, а покупать изделия с алюминиевыми обмотками. В дальнейшем они стараются следить за надежностью электрических соединений, и уделять должное внимание профилактическому обслуживанию оборудования.

О расчете трансформаторов: толщина обмотки и сечения сердечника, сопротивление

Конструкция трансформатора

Если посмотреть на трансформатор с внешней стороны, то это Ш-образное устройство, состоящее из металлического сердечника, картонного или пластикового каркаса и обмотки из медной проволоки. Обмоток две.

Сердечник – это несколько стальных пластин, которые обработаны специальным лаком и соединены между собой. Лак наносится специально, чтобы между пластинами не проходило напряжение. Таким способом борются с так называемыми вихревыми токами (токами Фуко). Все дело в том, что токи Фуко просто будут нагревать сам сердечник. А это потери.

Именно с потерями связан и состав пластин сердечника. Трансформаторное железо (так чаще всего называют сталь для сердечника специалисты), если посмотреть ее в разрезе, состоит из больших кристаллов, которые, в свою очередь, изолированы друг от друга окисной пленкой.

Обмотки трансформатора

Эти самые катушки с проводом в трансформаторе называются обмотками. В основном обмотки состоят из медного лакированного провода. Такой провод находится в лаковой изоляции, поэтому, провод в обмотке не коротит друг с другом. Выглядит такой обмоточный трансформаторный провод примерно вот так.

Он может быть разного диаметра. Все зависит от того, на какую нагрузку рассчитан тот или иной трансформатор.

У самого простого однофазного трансформатора можно увидеть две такие обмотки.

Обмотка, на которую подают напряжение называется первичной. В народе ее еще называют “первичка”. Обмотка, с которой уже снимают напряжение называется вторичной или “вторичка”.

Для того, чтобы узнать, где первичная обмотка, а где вторичная, достаточно посмотреть на шильдик трансформатора.

I/P: 220М50Hz (RED-RED) – это говорит нам о том, что два красных провода – это первичная обмотка трансформатора, на которую мы подаем сетевое напряжение 220 Вольт. Почему я думаю, что это первичка? I/P – значит InPut, что в переводе “входной”.

O/P: 12V 0,4A (BLACK, BLACK) – вторичная обмотка трансформатора с выходным напряжением в 12 Вольт (OutPut). Максимальная сила тока, которую может выдать в нагрузку этот трансформатор – это 0,4 Ампера или 400 мА.

Принцип работы устройства

Трансформатор — это электротехническое устройство, предназначенное для передачи энергии без изменения её формы и частоты. Используя в своей работе явление электромагнитной индукции, устройство применяется для преобразования переменного сигнала или создания гальванической развязки. Каждый трансформатор собирается из следующих конструктивных элементов:

  • сердечника;
  • обмотки;
  • каркаса для расположения обмоток;
  • изолятора;
  • дополнительных элементов, обеспечивающих жёсткость устройства.

В основе принципа действия любого трансформаторного устройства лежит эффект возникновения магнитного поля вокруг проводника с текущим по нему электрическим током. Такое поле также возникает вокруг магнитов. Током называется направленный поток электронов или ионов (зарядов). Взяв проволочный проводник и намотав его на катушку и подключив к его концам прибор для измерения потенциала можно наблюдать всплеск амплитуды напряжения при помещении катушки в магнитное поле. Это говорит о том, что при воздействии магнитного поля на катушку с намотанным проводником получается источник энергии или её преобразователь.

В устройстве трансформатора такая катушка называется первичной или сетевой. Она предназначена для создания магнитного поля. Стоит отметить, что такое поле обязательно должно всё время изменяться по направлению и величине, то есть быть переменным.

Классический трансформатор состоит из двух катушек и магнитопровода, соединяющего их. При подаче переменного сигнала на контакты первичной катушки возникающий магнитный поток через магнитопровод (сердечник) передаётся на вторую катушку. Таким образом, катушки связаны силовыми магнитными линиями. Согласно правилу электромагнитной индукции при изменении магнитного поля в катушке индуктируется переменная электродвижущая сила (ЭДС). Поэтому в первичной катушки возникает ЭДС самоиндукции, а во вторичной ЭДС взаимоиндукции.

Количество витков на обмотках определяет амплитуду сигнала, а диаметр провода наибольшую силу тока. При равенстве витков на катушках уровень входного сигнала будет равен выходному. В случае когда вторичная катушка имеет в три раза больше витков, амплитуда выходного сигнала будет в три раза больше, чем входного — и наоборот.

От сечения провода, используемого в трансформаторе, зависит нагрев всего устройства. Правильно подобрать сечение возможно, воспользовавшись специальными таблицами из справочников, но проще использовать трансформаторный онлайн-калькулятор.

Отношение общего магнитного потока к потоку одной катушки устанавливает силу магнитной связи. Для её увеличения обмотки катушек размещаются на замкнутом магнитопроводе. Изготавливается он из материалов имеющих хорошую электромагнитную проводимость, например, феррит, альсифер, карбонильное железо. Таким образом, в трансформаторе возникают три цепи: электрическая — образуемая протеканием тока в первичной катушке, электромагнитная — образующая магнитный поток, и вторая электрическая — связанная с появлением тока во вторичной катушке при подключении к ней нагрузки.

Правильная работа трансформатора зависит и от частоты сигнала. Чем она больше, тем меньше возникает потерь во время передачи энергии. А это означает, что от её значения зависят размеры магнитопровода: чем частота больше, тем размеры устройства меньше. На этом принципе и построены импульсные преобразователи, изготовление которых связано с трудностями разработки, поэтому часто используется калькулятор для расчёта трансформатора по сечению сердечника, помогающий избавиться от ошибок ручного расчёта.

Назначение и функциональность

Итак, какие функции выполняет трансформатор?

  1. Это снижение напряжения до необходимых параметров.
  2. С его помощью снижается гальваническая развязка сети.

Что касается второй функции, то необходимо дать пояснения. Обе обмотки (первичная и вторичная) трансформатора тока между собой напрямую не соединены. Значит, сопротивление прибора, по сути, должно быть бесконечным. Правда, это идеальный вариант. Соединение же обмоток происходит через магнитное поле, создаваемой первичной обмоткой. Вот такой непростой функционал.

Как измерить диаметр провода

Если у Вас дома завалялся микрометр, то можно им замерить диаметр провода.

Провод сначала лучше прогреть на пламени спички и лишь потом скальпелем удалить ослабленную изоляцию. Если этого не сделать, то вместе с изоляцией можно удалить и часть меди, что снизит точность измерения особенно для тонкого провода.

Если микрометра нет, то можно воспользоваться обыкновенной линейкой. Нужно намотать на жало отвёртки или на другую подходящую ось 100 витков провода, сжать витки ногтем и приложить полученный набор к линейке. Разделив полученный результат на 100, получим диаметр провода с изоляцией. Узнать диметр провода по меди можно из таблицы приведённой ниже.

Пример.

Я намотал 100 витков провода и получил длину набора –39 мм.

39 / 100 = 0,39 мм

По таблице определяю диметр провода по меди – 0,35мм.

Таблица данных обмоточных проводов
Диаметр без изоляции, ммСечение меди, мм²Сопротив-ление 1м при 20ºС, ОмДопустимая нагрузка при плотности тока 2А/мм²Диаметр с изоляцией, ммВес 100м с изоляцией, гр
0,030,000724,7040,00140,0450,8
0,040,001313,920,00260,0551,3
0,050,0029,290,0040,0651,9
0,060,00286,440,00570,0752,7
0,070,00394,730,00770,0853,6
0,080,0053,630,01010,0954,7
0,090,00642,860,01270,1055,9
0,10,00792,230,01570,127,3
0,110,00951,850,0190,138,8
0,120,01131,550,02260,1410,4
0,130,01331,320,02660,1512,2
0,140,01541,140,03080,1614,1
0,150,01770,990,03540,1716,2
0,160,02010,8730,04020,1818,4
0,170,02270,7730,04540,1920,8
0,180,02550,6880,0510,223,3
0,190,02840,6180,05680,2125,9
0,20,03140,5580,06280,22528,7
0,210,03460,5070,06920,23531,6
0,230,04160,4230,08320,25537,8
0,250,04910,3570,09820,27544,6
0,270,05730,3060,1150,3152,2
0,290,06610,2бб0,1320,3360,1
0,310,07550,2330,1510,3568,9
0,330,08550,2050,1710,3778
0,350,09620,1820,1920,3987,6
0,380,11340,1550,2260,42103
0,410,1320,1330,2640,45120
0,440,15210,1150,3040,49138
0,470,17350,1010,3460,52157
0,490,18850,09310,3780,54171
0,510,20430,08590,4080,56185
0,530,22060,07950,4410,58200
0,550,23760,07370,4760,6216
0,570,25520,06870,510,62230
0,590,27340,06410,5470,64248
0,620,30190,0580,6040,67273
0,640,32170,05450,6440,69291
0,670,35260,04970,7050,72319
0,690,37390,04690,7480,74338
0,720,40720,0430,8140,78367
0,740,43010,04070,860,8390
0,770,46570,03760,930,83421
0,80,50270,03481,0050,86455
0,830,54110,03241,0820,89489
0.860,58090,03011,160,92525
0,90,63620,02751,270,96574
0,930,67930,02581,360,99613
0,960,72380,02421,451,02653
10,78540,02241,571,07710
1,040,84950,02061,71,12764
1,080,91610,01911,831,16827
1,120,98520,01781,971,2886
1,161,0570,01662,1141,24953
1,21,1310,01552,261,281020
1,251,2270,01432,451,331110
1,31,3270,01322,6541,381190
1,351,4310,01232,861,431290
1,41,5390,01133,0781,481390
1,451,6510,01063,31,531490
1,51,7670,00983,5341,581590
1,561,9110,00923,8221,641720
1,622,0610,00854,1221,711850
1,682,2170,00794,4331,771990
1,742,3780,00744,7561,832140
1,812,5730,00685,1461,92310
1,882,7770,00635,5551,972490
1,952,9870,00595,982,042680
2,023,2050,00556,4092,122890
2,13,4640,00516,922,23110
2,264,0120,00448,0232,363620
2,444,6760,00379,3522,544220

Виды сердечников

Трансформаторы отличаются между собой не только сферой применения, техническими характеристиками и размерам, но и типом магнитопровода. Очень важным параметром, влияющим на величину магнитного поля, кроме отношения витков, является размер сердечника. От его значения зависит способность насыщения. Эффект насыщения наступает тогда, когда при увеличении тока в катушке величина магнитного потока остаётся неизменной, т. е. мощность не изменяется.
Для предотвращения возникновения эффекта насыщения понадобится правильно рассчитать объём и сечение сердечника, от размеров которого зависит мощность трансформатора. Следовательно, чем больше мощность трансформатора, тем большим должен быть его сердечник.

По конструкции сердечник разделяют на три основных вида:

  • стержневой;
  • броневой;
  • тороидальный.

Стержневой магнитопровод представляет собой П-образный или Ш-образный вид конструкции. Собирается из стержней, стягивающихся ярмом. Для защиты катушек от влияния внешних электромагнитных сил используются броневые магнитопроводы. Их ярмо располагается на внешней стороне и закрывает стержень с катушкой. Тороидальный вид изготавливается из металлических лент. Такие сердечники из-за своей кольцевой конструкции экономически наиболее выгодны.

Зная форму сердечника, несложно рассчитать мощность трансформатора. Находится она по несложной формуле: P=(S/K)*(S/K), где:

  • S — площадь сечения сердечника.
  • K — постоянный коэффициент равный 1,33.

Площадь сердечника находится в зависимости от его вида, её единица измерения — сантиметр в квадрате. Полученный результат измеряется в ваттах. Но на практике часто приходится выполнять расчёт сечения сердечника по необходимой мощности трансформатора: Sс = 1.2√P, см2. Исходя из формул можно подтвердить вывод: что чем больше мощность изделия, тем габаритней используется сердечник.

Программы для расчета

Известно много программ, которые предлагают онлайн расчет параметров любого трансформатора на броневом или стержневом сердечнике. Одной из таких может стать сервис на сайте «skrutka». Для определения характеристик потребуется указать ряд следующих данных:

  • входное напряжение — U1;
  • выходное напряжение — U2;
  • ширину пластины — а;
  • толщину стопки — b ;
  • частоту сети — Гц;
  • габаритная мощность — В*А;
  • КПД;
  • магнитную индуктивность магнитопровода — Тл;
  • плотность тока в обмотках — А/мм кв.

Последние 4 величины являются табличными, поэтому потребуется воспользоваться справочником.

Необходимо грамотно и ответственно отнестись к расчету параметров трансформатора, потому что от качества выполненной работы будет зависеть и качество функционирования вашего блока питания. Не всегда стоит надеяться на программы, в них могут быть ошибки. Выберите один или несколько параметров и пересчитайте их вручную по ранее приведенным формулам. Если получится примерно равное значение, то результат можно считать правильным.

Расчет трансформатора онлайн

Существует формула расчета трансформатора, которая помогает совершить расчет трансформатора питания. Чтобы упростить себе жизнь и избежать ошибок в вычислениях, вы можете воспользоваться данной программой. Она позволит вам конструировать трансформаторы на различные напряжения и мощности очень быстро и без проблем. Это очень удобный калькулятор для радиолюбителей и профессионалов. Он поможет не только рассчитать трансформатор, но и поможет изучить его устройство, как всё работает. Это самый простой и быстрый способ всё рассчитать. Для этого нужно заполнить все известные вам данные и нажать кнопку. Получается вам нужно нажать одну кнопку, чтобы произвести расчет трансформатора!

Преимущества онлайн калькулятора

В результате расчета трансформатора онлайн, на выходе получаются параметры в виде мощности, силы тока в амперах, количества витков и диаметра провода в первичной и вторичной обмотке.

Существуют формулы, позволяющие быстро выполнить расчеты трансформатора. Однако они не дают полной гарантии от ошибок при проведении вычислений. Чтобы избежать подобных неприятностей, применяется программа онлайн калькулятора.

Полученные результаты позволяют выполнять конструирование трансформаторов для различных мощностей и напряжений. С помощью калькулятора осуществляются не только расчеты трансформатора. Появляется возможность для изучения его устройства и основных функций.

Запрошенные данные вставляются в таблицу и остается только нажать нужную кнопку.

Благодаря онлайн калькулятору не требуется проводить каких-либо самостоятельных подсчетов. Полученные результаты позволяют выполнять перемотку трансформатора своими руками.

Большинство необходимых расчетов осуществляется в соответствии с размерами сердечника. Калькулятор максимально упрощает и ускоряет все вычисления.

Необходимые пояснения можно получить из инструкции и в дальнейшем четко следовать их указаниям.

Конструкция трансформаторных магнитопроводов представлена тремя основными вариантами – броневым, стержневым и тороидальным. Прочие модификации встречаются значительно реже. Для расчета каждого вида требуются исходные данные в виде частоты, входного и выходного напряжения, выходного тока и размеров каждого магнитопровода.

Типовой расчёт параметров

Довольно часто радиолюбители используют при расчёте трансформатора упрощённую методику. Она позволяет выполнить расчёт в домашних условиях без использования величин, которые трудно узнать. Но проще использовать готовый для расчёта трансформатора онлайн-калькулятор. Для того чтобы воспользоваться таким калькулятором, понадобится знать некоторые данные, а именно:

  • напряжение первичной и вторичной обмотки;
  • габаритны сердечника;
  • толщину пластины.

После их ввода понадобится нажать кнопку «Рассчитать» или похожую по названию и дождаться результата.

Стержневой тип магнитопровода

В случае отсутствия возможности расчёта на калькуляторе выполнить такую операцию самостоятельно несложно и вручную. Для этого потребуется определиться с напряжением на выходе вторичной обмотки U2 и требуемой мощностью Po. Расчёт происходит следующим образом:

После того как первый этап выполнен, приступают к следующей стадии расчёта. Число витков в первичной обмотке находится по формуле: K1 = 50*U1/S. А число витков вторичной обмотке определяется выражением K2= 55* U2/S, где:

  • U1 — напряжение первичной обмотке, В.
  • S — площадь сердечника, см².
  • K1, K2 — число витков в обмотках, шт.

Остаётся вычислить диаметр наматываемой проволоки. Он равен D = 0,632*√ I, где:

  • d — диаметр провода, мм.
  • I — обмоточный ток рассчитываемой катушки, А.

Читайте также:  Электросварка электродами для начинающих: как правильно варить

При подборе магнитопровода следует соблюдать соотношение 1 к 2 ширины сердечника к его толщине. По окончании расчёта выполняется проверка заполняемости, т. е. поместится ли обмотка на каркас. Для этого площадь окна вычисляется по формуле: Sо = 50*Pт, мм2.

Расчет сетевого трансформатора

  • Если у Вас есть некий трансформаторный сердечник, из которого нужно сделать трансформатор, то необходимо замерить сердечник (как показано на рисунке), а так же замерить толщину пластины или ленты.
  • Первым делом необходимо рассчитать  площадь сечения сердечника — Sc (см²) и площадь поперечного сечения окна — Sо (см²).
  • Для тороидального трансформатора:
  • Sc= H * (D – d)/2
  • S0=  π * d2/ 4

Для Ш и П — образного сердечника:

Определим габаритную мощность нашего сердечника на частоте 50 Гц:

  • η — КПД трансформатора,
  • Sc — площадь поперечного сечения сердечника, см2,
  • So — площадь поперечного сечения окна, см2,
  • f — рабочая частота трансформатора, Гц,
  • B — магнитная индукция, T,
  • j — плотность тока в проводе обмоток, A/мм2,
  • Km — коэффициент заполнения окна сердечника медью,
  • Kc — коэффициент заполнения сечения сердечника сталью.

При расчете трансформатора необходимо учитывать, что габаритная мощность трансформатора должна быть больше расчетной электрической мощности вторичных обмоток.

Исходными начальными данными для упрощенного расчета являются:

  • напряжение первичной обмотки U1
  • напряжение вторичной обмотки U2
  • ток вторичной обмотки l2
  • мощность вторичной обмотки Р2 =I2 * U2 = Рвых
  • площадь поперечного сечения сердечника Sc
  • площадь поперечного сечения окна So
  • рабочая частота трансформатора f = 50 Гц

КПД (η) трансформатора можно взять из таблицы, при условии что Рвых = I2 * U2 (где I2 ток во вторичной обмотке, U2 напряжение вторичной обмотки), если в трансформаторе несколько вторичных обмоток, что считают Pвых каждой и затем их складывают.

B — магнитная индукция выбирается из таблицы, в зависимости от конструкции магнитопровода и Pвых.

j — плотность тока в проводе обмоток , так же выбирается в зависимости от конструкции магнитопровода и Pвых.

Km — коэффициент заполнения окна сердечника медью

Kc — коэффициент заполнения сечения сердечника сталью

Коэффициенты заполнения для пластинчатых сердечников указаны в скобках при изоляции пластин лаком или фосфатной пленкой.

При первоначальном расчете необходимо соблюдать условие —Pгаб ≥ Pвых, если это условие не выполняется то при расчете уменьшите ток или напряжение вторичной обмотки.

После того как Вы определились с габаритной мощностью трансформатора, можно приступить к расчету напряжения одного витка:

  1. где Sc — площадь поперечного сечения сердечника, f — рабочая частота (50 Гц), B — магнитная индукция выбирается из таблицы, в зависимости от конструкции магнитопровода и Pвых.
  2. Теперь определяем число витков первичной обмотки:
  3. w1=U1/u1
  4. где U1 напряжение первичной обмотки, u1 — напряжение одного витка.
  5. Число витков каждой из вторичных обмоток находим из простой пропорции:
  • где w1 — кол-во витков первичной обмотки, U1 напряжение первичной обмотки, U2 напряжение вторичной обмотки.
  • Определим мощность потребляемую трансформатором  от сети с учетом потерь:
  • Р1 = Рвых /  η
  • где η — КПД трансформатора.
  • Определяем величину тока в первичной обмотке трансформатора:
  • I1 = P1/U1
  • Определяем диаметры проводов обмоток трансформатора:
  • d = 0,632*√ I
  • где d — диаметр провода, мм, I — ток обмотки, А (для первичной и вторичной обмотки).

Расчёт трехфазного трансформатора

Изготовление трехфазного трансформатора и его точный расчёт процесс более сложный, так как здесь первичная и вторичная обмотка состоят уже из трёх катушек. Это разновидность силового трансформатора, магнитопровод которого выполнен чаще всего стержневым способом. Здесь уже появляются такие понятие, как фазные и линейные напряжения. Линейные измеряются между двумя фазами, а фазные между фазой и землёй. Если трансформатор трехфазный рассчитан на 0,4 кВ, то линейное напряжение будет 380В, а фазное 220 В. Обмотки могут быть соединены в звезду или треугольник, что даёт разные величины токов и напряжений.

Обмотки трехфазного трансформатора расположены на стержнях так же, как и в однофазном, т. е. обмотки низшего напряжения НН размещаются ближе к стержню, а обмотки высшего напряжения ВН — на обмотках низшего напряжения.

Высоковольтные трансформаторы трёхфазного тока рассчитываются и изготавливаются исключительно в промышленных условиях. Кстати, любой понижающий трансформатор при обратном включении, выполняет роль повышающего напряжение устройства.

Расчет броневого трансформатора

Распространен вид трансформаторов, используемый практически во всех устройствах от зарядных аппаратов для шуруповертов, заканчивая боками питания магнитофонов. В процессе эксплуатации всех этих устройств часто возникают поломки в питателе, связанные со сгоревшим намоточным изделием. Тогда для его восстановления потребуется перемотка, но это проблемы не решает.

Часто требуется увеличить мощность источника, тогда как рассчитать трансформатор, чтобы его железо не перегревалось? Потребуется выбрать железо больших размеров и использовать более толстый провод. Такой ход поможет сохранить работоспособность устройства и даже улучшить характеристики, сделав его стабильнее и устойчивее при скачках напряжений в сети.

К сожалению, не все производители учитывают этот фактор, а ведь наша сеть неустойчива и регулярно в ней наблюдаются помехи в виде высоковольтных игольчатых импульсов. Также возникают ситуации, когда наблюдается просадка сети до 170 В, что характерно в зимний период. Тогда необходимо предусмотреть запас по напряжению как минимум на 40−45%, увеличив мощность и компенсационного стабилизатора. Часто такие ситуации наблюдаются в частном секторе.

Вернемся к расчету Ш-образного трансформатора на ШП-сердечнике. Принцип будет одинаков и с сердечником типа ПЛ при условии размещения обмотки на средней части. Для чего потребуется выполнить следующие шаги:

  • Определить площадь поперечного сечения средней части сердечника. Она выражается буквой S сеч. и находится из произведения ее сторон. Взяв линейку, измеряем параметры сечения, перемножаем и получаем значение в квадратных сантиметрах.
  • На следующем этапе решается вопрос, как рассчитать мощность трансформатора. Это расчетная величина, которую можно определить, возведя S сеч. в квадрат. Значение будет измеряться в Вт и обозначаться буквой «P».
  • При расчете мощности сердечника необходимо учитывать тип использованных пластин. Например, если были применены для набора Ш-20, то общая толщина сердечника должна быть 30 мм при мощности в 36 Вт. Если для трансформатора были использованы пластины Ш-30, то толщина набора будет достаточно в 20 мм, а при использовании Ш-24 — 25 мм. Существуют справочные таблицы, в которых можно найти мощность трансформатора по сечению магнитопровода для конкретной ситуации. Для обеспечения наилучшей стабильности работы источников питания следует использовать железо с избытком мощности как минимум на 25%. То есть, если ранее была расчетная мощность равна 6 Вт, то для надежности работы и исключения насыщения сердечника следует брать в расчет как минимум 8 Вт. Это обязательное условие. Если использовать магнитопровод с меньшей площадью сечения сердечника, то трансформатор быстро выйдет из строя, потому что железо окажется в насыщении, что приведет к увеличению токов в обмотках.
  • На следующем этапе необходимо определиться с количеством обмоток. Для современных транзисторных устройств достаточно будет всего одной или сдвоенной со средней точкой. Поэтому рассмотрим пример расчета именно такого трансформатора. Для этого потребуется воспользоваться понятием «вольт на виток». Значение определяется следующим образом: W /В=(50÷70) / S сеч. Формула справедлива только для сердечников типа ШП и П. Л. При расчете первичной и вторичной обмоток потребуется взять произведение полученного отношения и входного напряжения: W1 = W / B∙U1, W2 = 1,2 ∙ W /B∙U2.
  • Выполняется расчет и выбор диаметра провода. Он выбирается исходя из хорошего теплоотвода и изоляции, для чего рекомендуется применять ПЭЛ или ПЭВ, покрытые лаком. Определить его размер можно по формуле: d =0,7∙√ I. Величина выражается в мм. Провод выбирается с небольшим запасом до 4−6%.

Все программы расчета трансформаторов позволяют находить параметры изделий в любом порядке. Они используют стандартные алгоритмы, по которым выводятся значения. При необходимости можно создать собственный калькулятор с помощью таблиц Excel. Подобным образом работает и калькулятор расчета трансформатора на стержневом сердечнике.

Источники

  • https://onlineelektrik.ru/eoborudovanie/transformatori/uproshhennyj-vid-rascheta-transformatora.html
  • https://www.RusElectronic.com/ustrojstvo-transformatora/
  • https://master-pmg.ru/oborudovanie/raschet-transformatora-onlajn.html
  • https://PlazmoSvarka.ru/sovety/raschet-toroidalnogo-transformatora-onlajn-kalkulyator.html
  • http://energo-novgorod.ru/calcs/calc-trans/
  • https://regionvtormet.ru/instrumenty/raschet-moshhnosti-transformatora-na-sterzhnevom-magnitoprovode-vruchnuyu-i-pri-pomoshhi-onlajn-kalkulyatora.html

Изготовление отводов | Технология и оборудование производства трансформаторов | Архивы

Страница 70 из 92

ГЛАВА ВОСЕМНАДЦАТАЯ
ВТОРАЯ СБОРКА (СБОРКА ОТВОДОВ И УСТАНОВКА ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯ)

1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТВОДОВ.
ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ,
ПРИСПОСОБЛЕНИЯ И ИНСТРУМЕНТЫ
Вторая сборка включает все операции, необходимые для подготовки активной части трансформатора к сушке и последующей установки ее в бак. В процессе второй сборки производят подготовку отводов к установке на трансформатор, пайку катушек, сборку, пайку и изолирование отводов и схемы соединения всех обмоток, установку переключающих устройств. На рис. 18-1 показаны трансформаторы после второй сборки. Операции на второй сборке трансформаторов (особенно мощных) можно разбить на две группы работ, выполняемых на разных участках цеха. К первой группе относятся операции по изготовлению отводов, комплектованию переключателей ответвлений и избирателей, сборке отводов в «раму» и др. Эти работы выполняются вне сборочной площадки на специально оборудованном заготовительном участке. Ко второй группе относятся работы по сборке, пайке, изолированию схемы отводов и закреплению отводов и переключателей (избирателей) на активной части трансформатора. Эти работы производятся только на активной части трансформатора.
Отводы состоят из системы медных или алюминиевых проводников (голых или изолированных) и деталей их крепления.
В трансформаторах мощностью до 32 000 кВ-А в качестве проводников для отводов применяют медь или алюминий в виде круглых проводов (голых и изолированных) и шин. В мощных трансформаторах в качестве проводникового материала применяют только медь. Широко применяют гибкий изолированный кабель марки ПБОТ, разного диаметра и толщины изоляции, голые шины прямоугольного сечения, круглые провода диаметром 12— 30 мм. Размеры и сечения проводников выбирают по току. Для крепления отводов на активной части применяют деревянные или гетинаксовые планки. Основой крепления проводников отводов служат деревянные планки.
Система крепления обычно состоит из вертикальных планок (стоек), скрепленных вверху и внизу горизонтальными планками с полками или косынками ярмовых балок (рис. 18-1,а). К вертикальным стойкам крепятся планки, в которых непосредственно закрепляют проводники отводов. Проводники зажимают между двумя планками, из которых одна является основной, закрепляемой в стойках, а другая — прижимной, стягивающей проводники. В местах закрепления в планках проводники обматывают электрокартоном. Планки скрепляют шпильками и гайками из текстолита или пластмассы. К ярмовым балкам планки крепят стальными болтами с гайками. В высоковольтных трансформаторах материалом для планок служит бук, так как он механически прочен, хорошо поддается обработке и не оказывает вредного влияния на масло. Применяются также для крепления бумажно-бакелитовые трубки с утолщенными стенками (рис. 18-1,б). Соединение отводов с концами обмоток и соединение схемы отводов выполняются разными способами:                  электросваркой, электропайкой,
аргоно-дуговой сваркой. Технологические процессы соединения токоведущих частей описаны в гл. 13 и в [Л. 21, 22].
Несмотря на большое разнообразие конструктивных исполнений отводов трансформаторов, в каждом из них можно выделить главную часть — собственно отводы от обмотки и контактную часть — конструкцию связи отвода с токоведущей шпилькой ввода, контактным стержнем переключателя (избирателя) или отвода с отводом.
Главная часть отвода делается из кабеля, шин или круглого медного провода, контактная выполняется либо гибкой связью — компенсаторами из ленточной или круглой меди, либо медными пластинами и наконечниками.
Основным техническим документом для сборки отводов являются чертежи отводов ВН и НН и технологические карты сборки.
Изготовление отводов из круглого медного провода начинается с заготовки отводов. Если провод изолирован кабельной бумагой (марки ПБ), на рычажных ножницах отрезают требуемую длину и на приспособлении (рис. 18-2,а) снимают изоляцию с обоих концов. Отвод 1 зажимают между губками 2 с помощью эксцентрика 3. Конец провода, с которого надо снять изоляцию, перемещают между фасонными ножами 8 и 9. Верхний подвижный нож с помощью педали 6 и тяги 7 прижимают к нижнему ножу, и ножи прорезают изоляцию. Провод, зажатый в губку, зубчатым колесом 5 и зубчатой рейкой 4 перемещают вправо. При этом изоляция провода, находящаяся за ножами, снимается с провода.

Рис. 18-1. Трансформаторы после второй сборки. а — трансформатор РПН мощностью 32 000 кВ • А на 110 кВ; б — трансформатор мощностью 1 600 кВ • А на 35 кВ; 1 — ввод НН; 2 — ввод ВН; 8 — привод переключателя; 4 — кран; 5 — предохранительная труба; 6 — расширитель, 7 — крышка; 8 — переключатель; 9 — устройство РПН типа РСГ-2, 110 кВ; 10 — регулировочные ответвления; 11 — деревянное крепление отводов; 12 — крепление отводов бакелитовыми трубками.


Рис. 18-2. Приспособления, применяемые при изготовлении отводов.
а — кинематическая схема приспособления для снятия изоляции; б — приспособление для гибки колец.

Концы отводов, подлежащие присоединению к шпилькам вводов или переключателя (избирателя), гальванически лудят и загибают в кольцо на приспособлении, показанном на рис. 18-2,б. Приспособление состоит из прикрепленной к верстаку стальной планки 1 с рычагом 2, в который ввернута оправка 3. Диаметр оправки 4 соответствует внутреннему диаметру загибаемого кольца. Провод закладывают в желобок планки до упора 6, рычаг с закрепленной на конце оправкой нажимают «от себя» до отказа, в результате чего конец провода приобретает форму полукольца. Поворотом рычага 7 «на себя» до отказа провод замыкается в кольцо. Затем вручную конец отвода загибают в упругую петлю, называемую компенсатором (демпфером). Он компенсирует отклонения по высоте баков и предохраняет отводы от обрыва во время транспортировки.
Компенсаторы отводов, присоединяемых к вводам, выполняют из полос ленточной меди, согнутых в упругую петлю. В этом случае их изготавливают отдельно, как будет описано ниже, и припаивают к отводам.
Для удобства электропайки и увеличения площади пайки отводы из круглого провода обычно расплющивают на концах, в местах припайки концов обмоток, а также в местах припайки компенсатора или угольника.

Рис. 18-3. Выполнение отводов.
а— из круглого провода, б — из шин.

 Для этого медный провод разогревают в паечном прессе, а затем ударами молотка расплющивают на плите до толщины, указанной в чертеже.
Для придания отводам необходимой формы провода небольшого сечения изгибают в тисках стальной трубкой по шаблону. Шаблоном может служить вычерченное на листе бумаги изображение отводов в натуральную величину.
Отводы из круглого провода диаметром 12—30 мм, применяемые в трансформаторах и автотрансформаторах на 220—500 кВ, имеют очень сложную форму (рис. 18-3а). Отдельные отводы выполняют из нескольких частей медного провода, соединяемых электропайкой. При изготовлении таких отводов прежде всего размечают места изгиба и расплющивания провода. Для получения правильных углов и радиусов изгиба провода его разогревают в паечном прессе, затем зажимают в тисках и ударами молотка или кувалды изгибают, проверяя угол или радиус изгиба по шаблону. Чтобы получить требуемую форму отвода, обычно приходится несколько раз повторять эту операцию.
Изготовление отводов из кабеля и шин имеет свои особенности. Заготовки отводов отрезают нужной длины на циркулярной пиле или пневмозубиле и маркируют. Затем с концов кабеля срезают изоляцию и подготавливают к пайке: наматывают бандаж из тонкой медной проволоки и расплющивают концы. Несмотря на различие форм и сечений отводов из шин (рис. 18-3,б), большинство операций их изготовления одинаково. Важной операцией является разметка мест изгиба шин. Она выполняется в определенной последовательности. Для отводов, к одному концу которых присоединяют провода обмотки, а к другому — компенсатор, важно выдержать размеры от крышки бака до отвода, поэтому их размечают «сверху вниз», т. е. разметку начинают с верхнего конца каждой шины.

Рис. 18-4. Изготовление отводов из шин.
а — ручное гибочное приспособление: 1 — шина, 2 — поворотный сегмент; 3 — опорная плита 4 — опорная колодка, 5 — передняя губка; 6 — задняя губка; 7 — рычаг поворота; 8 — винт;
б — схема гибочного станка: 1 — электродвигатель; 2 — колодочный тормоз, 3 — эластичная муфта; 4, 5, 7, 8 — зубчатые колеса; 6 — червячная пара; 9 — шток; 10 — зажим; 11 — упор; 12 — двуплечий рычаг; 13 — серьга; 14 — угловой рычаг, 15 — подвижная губка, 16— неподвижная губка, 17 — сгибаемая шина.

В этом случае все неточности изготовления окажут влияние на длину последнего участка шины, а это можно компенсировать за счет длины припаиваемых концов обмотки.
Разметив шину, делают необходимые разрезы концов шин на станке. Разрезы делают для того, чтобы отделить места соседних паек одно от другого, а также чтобы обеспечить удобный доступ к соединению при их пайке. Размеченные шины изгибают на ручном приспособлении или гибочном станке с пневматическим зажимом и механическим приводом. Для гибки шины в гибочном приспособлении (рис. 18-4,а) шину устанавливают точно по разметке в прорезь между передней губкой 5 и задней губкой 6.

Рис. 18-5. Компенсаторы.
а — изготовление компенсаторов: 1 — начало ленты: 2 — оправка; 3 — конец ленты;
б — конструкция компенсаторов.

Ширину прорези, определяемую толщиной шины, устанавливают винтом 8, который регулирует положение задней губки. Соответственно изменяется положение упорной колодки 4. С помощью рычага 7 поворачивают сегмент 2 и загибают шину на определенный угол. На шиногибочном станке (рис. 18-4,б) механизирована не только работа по гибке шин, но и трудоемкая работа по их закреплению. Электродвигатель 1 через эластичную муфту 3 приводит в движение станок. Для точной фиксации угла гибки действует колодочный тормоз 2, приводимый в движение электромагнитом. Через пару цилиндрических зубчатых колес 4 и 5, червячную пару 6 и зубчатое колесо 7 приводится в движение большое зубчатое колесо 8, надетое на стальную втулку. Верхний конец втулки служит корпусом зажимного устройства. Внутри колеса расположен пневматический диафрагменный зажим 10. Зажим передает усилия на шток 9 и на двуплечий рычаг 14 и подвижную губку 15. Подвижная губка с усилием 25-103 Н (2 500 кгс) при давлении в сети 3-105 Па (3 кгс/см2) прижимает сгибаемую шину 17 к нерегулируемой губке 16. Угол поворота губок можно фиксировать по делениям лимба, находящегося наверху стола, или по упорам 11, которые настраиваются на нужный угол и действуют на концевые выключатели.
Для просечки отверстий в шинах применяют универсальные прессы. С помощью различных пуансонов и матриц можно получить отверстие или прорезь любой требуемой по чертежу формы. Для получения лысок в отверстиях шин после штамповки пользуются сверлильными станками, для чего используют сверло большего диаметра, чем диаметр отверстия.
Последней операцией изготовления отводов из шин является лужение контактных поверхностей.
Наиболее часто контактной частью отводов служат компенсаторы, изготавливаемые из ленточной меди толщиной 0,3 мм, шириной 30—80 мм. Число слоев ленточной меди и ширина компенсаторов зависят от сечения провода или шины, к которой будет припаян компенсатор, т. е. определяются током, проходящим по проводу.
На рис. 18-5,а показано изготовление компенсатора. На прямоугольную оправку 2, длина соответствует длине демпфера, из рулона ленточной меди наматывают указанное в чертеже целое число слоев и обрезают ленту ручными ножницами. Снятый с оправки компенсатор по всей контактной поверхности плотно обжимают через медную пластину толщиной 8—10 мм ударами молотка. Контактную поверхность компенсатора пропаивают и лудят. Компенсаторы, имеющие небольшую толщину, погружают сначала в раствор соляной кислоты с хлористым цинком, а затем лудят и пропаивают в ванне с расплавленным 30%-ным оловянистым припоем (ПОС-30). Вынутый из ванны компенсатор в горячем состоянии опрессовывают на прессе и промывают в проточной воде. На контактной части размечают и проштамповывают на универсальном прессе отверстия, а затем снимают драчевой пилой заусенцы, наплывы олова и тщательно закругляют все острые углы.
Компенсаторы, имеющие значительную толщину, пропаивают медно-фосфористым припоем на стационарном электропаечном прессе, а затем пробивают отверстия и производят зачистку острых углов. Такие компенсаторы подвергают гальваническому лужению, в процессе которого его контактная поверхность покрывается тонким слоем олова. У некоторых отводов контактная часть выполняется медными пластинами различной формы, угольниками, латунными наконечниками, медными башмаками с лужеными контактными поверхностями.
Наиболее распространенные конструкции компенсаторов показаны на рис. 18-5,б. Соединение главных и контактных частей отводов выполняется неразъемным, чаще всего — электропайкой медно-фосфористым и оловянистым припоем, реже — опрессовкой (гл. 12).
Изготовление отводов заканчивается их изолированием. Все запаянные места отводов надо заизолировать кабельной или крепированной бумагой или лакотканью. Изолируют вполуперекрытие полоской бумаги или лакоткани шириной не более 30 мм, укладывая плотно слой к слою, без изгибов и пустот между слоями. Толщину изоляции проверяют шаблоном.
Для сохранения плотности укладки бумажную изоляцию покрывают сверху слоем тафтяной ленты.
По всей длине изолируют только отводы из круглого провода. На отводы трансформаторов мощностью до 630 кВ-А надевают бумажно- бакелитовые трубки с толщиной стенок 4 и 6 мм, а 1 000 кВ-А и более — трубками с толщиной стенки 2 мм, поскольку сам провод имеет изоляцию. Отводы из кабеля изолируют только в местах пайки; отводы из медных шин, как правило, вообще не изолируют.

КАК НАМОТАТЬ ТРАНСФОРМАТОР — ИЗГОТОВЛЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРА СВОИМИ РУКАМИ

КАК НАМОТАТЬ ТРАНСФОРМАТОР СВОИМИ РУКАМИ

    При постройке приемника, усилителя или другой радиоаппаратуры радиолюбителю приходится сталкиваться с работой по переделке старого или по изготовлению нового трансформатора. Радиолюбители, впервые приступающие к такой работе, часто не представляют себе достаточно ясно, как произвести намотку, какой подобрать материал и как испытать изготовленный трансформатор. Сведения по этим вопросам, почерпнутые из журнальных статей и книг, обычно бывают недостаточны, и радиолюбителю приходится большую часть работы делать, полагаясь на свою смекалку или прибегать к помощи и советам более опытного товарища. На этой странице будут даны рекомендации по самостоятельному изготовлению сетевыого трансформатора.

ПРИСПОСОБЛЕНИЯ ДЛЯ НАМОТКИ ТРАНСФОРМАТОРА

    На заводах при массовом серийном или поточном производстве трансформаторы обычно наматываются на специальных, часто автоматизированных станках. Радиолюбителям трудно, конечно, рассчитывать на специальный намоточный станок, и поэтому намотку трансформаторов оии производят обычно или непосредственно от руки, или с помощью простых намоточных приспособлений.
    Рассмотрим, как можно из подручных материалов и при помощи обычных инструментов изготовить простые приспособления для намотки.
    Простейшее такое приспособление показано на фиг. 1. Оно состоят из двух стоек / (или металлической скобы), укрепленных на доске 2, и оси 3 из толстого (диаметром 8—10 мм) металлического прутка, продетого сквозь отверстия в стойках и изогнутого на одном конце в виде рукоятки.
    Для намотки провода на готовый каркас 4 изготовляют деревянную колодку 5, по размерам немного меньшую, чем окно каркаса. В колодке просверливают отверстие для насадки ее на ось. Каркас надевают на колодку, которая затем помещается на оси и закрепляется там шпилькой 5. Для того чтобы каркас не болтался и не съезжал с колодки, между ними надо вставить уплотняющий клин 7 из твердого картона или тонкой фанеры. Чтобы избежать при намотке осевого люфта, что очень важно для ровной укладки витков, на свободные участки оси между колодкой и стойками необходимо надеть отрезки трубок 8, которые можно изготовить из металлических листочков, обернув их вокруг оси 3.
Для снятия намотанного каркаса нужно вынуть шпильку 5 и вытащить ось 3.
    Более удобное и надежное намоточное приспособление выполняется из ручной дрели / (фиг. 2), которую надо зажать в тиски 2 или прикрепить к столу так, чтобы ничто не мешало свободному вращению рукоятки дрели. В патрон дрели зажимается металлический прут 3, на который насаживают колодку с каркасом. Прут диаметром 4—6 мм лучше всего нарезать, и тогда колодку с каркасом можно зажимать между двумя гайками 4. В этом случае можно обойтись без колодки, зажимая каркас двумя щечками из фанеры или текстолита с отверстиями в центре.
    В качестве намоточного приспособления удобно также использовать готовый станочек для текстильных шпулей, моталку для перемотки кинопленки, телефонный индуктор и пр. Особенно удобна моталка для кинопленки (после небольшой переделки), так как она сделана прочно и имеет мягкий безлюфтозый ход. Переделка ее заключается в замене короткого валика с замком для бобин с кинопленкой на длинную ось с резьбой и барашками для закрепления различных каркасов.

    Не меньшее значение для намоточных работ, чем сам намоточный станок, имеет размоточное приспособление, на которое надевается катушка с проводом или каркас старого трансформатора, провод которого используется для новой намотки. Чтобы у разматываемого провода не портилась изоляция, а также чтобы не было толчков (что важно при рядовой укладке витков), провод должен итти совершенно равномерно.
    Простейшее приспособление для размотки провода изображено на фиг. 3. Это обычный металлический пруток /, продетый в отверстия деревянных стоек 2, укрепленных на доске 3. Изготовление деревянной колодки для каркаса разматываемой катушки 4 в этом случае необязательно. Для того чтобы она не била и не прыгала при размотке, можно из толстого картона или бумаги свернутьнужного диаметра трубку 5, пропустить сквозь нее прут и достаточно плотно вставить ее в окно каркаса.
    Лучше, однако, изготовить специальное размоточное приспособление, изображенное на фиг. 4. Из полосы мягкой стали или другого подходящего материала сгибается скоба /, которая крепится к доске 2 (или столу). В вертикальных стойках скобы делают отверстия (диаметром 5—6 мм) с нарезкой (резьба М-5 или М-6), в которые ввинчивают заточенные с концов на конус болтики 3. Из металлического прута диаметром 5—6 мм изготовляется нарезанная по всей длине шпилька 4, с торцов которой высверлены неглубокие отверстия (3—4 мм). Конусы и шпилька комплектуются соответствующими гайками (лучше барашками) 5 и щечками 6 для зажима катушки или каркаса с проводом.   

    Весьма важным в процессе намотки является возможность точного счета числа витков. Простой, но требующий особого внимания способ — это устный отсчет каждого оборота (пли через один оборот) ручки станка. Если обмотка должна содержать большое число витков, то удобнее, отсчитав сотню витков, делать отметку на бумаге (в виде палочки), суммируя затем все отметки. В станочке с шестеренчатой передачей учитывается при этом коэффициент передачи, который следует всегда помнить.
    Гораздо лучше применение механического счетчика, в качестве которого можно приспособить велосипедный спидометр или счетный механизм от электросчетчика, водометра и т. д.
    Сочленение счетчика со станком можно выполнить при помощи гибкого валика (куска толстостенной резиновой трубки), соединяющего ось счетчика с осью станка (фиг. 5,а). В этом случае каждый раз при установке нового каркаса приходится разъединять сочленение осей, снимая гибкий валик, и после установки нового каркаса надевать его вновь. Более удобный, но и более сложный способ сочленения заключается в том, что счетчик связывается со станком посредством пары одинаковых шестерен (фиг. 5,б). При этом способе счетчик сцеплен со станком все время.   

КАРКАС

    Каркас трансформатора (или дросселя) нужен для изоляции обмоток от сердечника и для удержания в порядке обмоток, изоляционных прокладок и выводов. Поэтому он должен быть изготовлен из достаточно прочного изоляционного материала. Вместе с тем он должен выполняться из достаточно тонкого материала, для того чтобы не занимать много места в окне сердечника. Обычно материалом для каркаса служат плотный картон (прессшпан), фибра, текстолит, гетинакс и т. п. В зависимости от размеров трансформатора или дросселя толщина листового материала для каркаса берется от 0,5 до 2,0 мм.
    Для клейки картонного каркаса можно употреблять конторский универсальный клей или обычный столярный клей. Лучшим клеем, обладающим хорошей влагоустойчивостью, следует считать нитроклей (эмалит, геркулес). Гетинаксо-вые или текстолитовые каркасы обычно не склеиваются, а собираются «в замок».

    По размерам сердечника трансформатора определяются форма и размеры каркаса, после чего вычерчиваются, а затем нарезаются его детали. Если применяются трансформаторные пластины с просечкой среднего керна,то высоту каркаса делают на несколько миллиметров меньше высоты окна, чтобы без затруднений можно было вставлять пластины сердечника. Во избежание ошибок размеры пластин сердечника нужно тщательно измерить (если они неизвестны) и начертить на бумаге эскиз с размерами отдельных частей каркаса. Особенно важно согласование отдельных частей каркаса при сборке его «в замок». Соотношения размеров каркаса и пластин сердечника для разного типа пластин даны на фиг. 6.
    Обычный каркас для трансформатора можно изготовить так. Сначала вырезают щечки каркаса и выкраивают гильзу с отворотами на торцевых сторонах согласно фиг. 7. Сделав надрезы в местах сгиба, выкройку свертывают в коробочку, причем сторона / склеивается со стороной 5. После этого обе щечки надеваются на гильзу. Затем нужно отогнуть отвороты гильзы и, раздвинув щечки на края гильзы, приклеить отвороты к наружным плоскостям щечек. В углы на наружной стороне щечек можно вклеить кусочки того же картона, из которого изготовлялась гильза каркаса. Если клей достаточно прочен и надежен, то гильзу можно делать без отворотов, приклеивая щечки непосредственно на краях гильзы.

    Более сложным в изготовлении является сборный каркас, но зато он обладает большой прочностью и не требует склеивания. Детали сборного каркаса изображены на фиг. 8. Они изготовляются следующим образом. Размеры с эскиза путем разметки переносятся на лист материала (текстолита, гетинакса, фибры). Если материал не слишком толст, то детали вырезают ножницами. Затем напильником пропиливают в них пазы. В щечках /, после высверливания в них нескольких отверстий, выпиливают окна. После этого, разложив детали на столе, производят подгонку сторон 2 и 3 гильзы так, чтобы при сборке каркаса сошлись все пропилы и выступы «замка». При разметке и изготовлении деталей 2 у одной из них можно «замочную» часть сделать значительно больших размеров (контуры показаны пунктирам на фиг. 8) для размещения на ней контактов или лепестков для подпайки выводов обмоток. Чтобы не спутать детали, их следует перед сборкой пронумеровать. Порядок сборки каркаса ясен из фиг. 9.

    Сразу же после изготовления щечек лучше заранее насверлить в них «в запас» отверстия для выводов. При сборке каркаса или приклейке щечек необходимо учесть, с какой из сторон трансформатора (или с обеих) и на какой из сторон щечек будут сделаны выводы, чтобы правильно расположить стороны щечек, имеющие отверстия для выводов. Надо обратить внимание на то, чтобы стороны щечек с отверстиями в случае квадратного сечения сердечника не оказались закрытыми пластинами сердечника.
    Готовый склеенный или собранный каркас для трансформатора нужно подготовить к намотке, для чего следует напильником скруглить углы гильзы и щечек, а также снять заусеницы. Полезно (но необязательно) промазать или пропитать каркас шеллаком, бакелитом и пр.

ИЗОЛЯЦИОННЫЕ ПРОКЛАДКИ

    В ряде случаев между соседними рядами обмоток трансформатора образуется большое напряжение, и тогда прочность изоляции самого провода оказывается недостаточной. В таких случаях между рядами витков необходимо класть изоляционные прокладки из тонкой плотной бумаги, кальки, кабельной, конденсаторной или папиросной бумаги. Бумага должна быть ровной и при рассматривании на просвет в ней не должно быть видимых пор и проколов.
    Изоляция между обмотками в трансформаторе должна быть еще лучше, чем* между рядами витков, и тем лучше, чем выше напряжение. Лучшая изоляция — лакоткань, но кроме нее, нужна еще и плотная кабельная или оберточная бумага, которые прокладываются также и с целью выравнивания поверхности для удобства намотки сверху следующей обмотки. Один слой лакоткани всегда желателен, однако ее можно заменить двумя-тремя слоями кальки или кабельной бумаги.
    Измерив расстояние между щечками готового каркаса, можно приступить к заготовке изоляционных полос бумаги. Для того чтобы крайние витки обмотки не заваливались между краями полос и щечками, бумагу нарезают несколько более широкими полосами, чем расстояние между щёчками каркаса, а края на 1,5—2 мм надрезаются ножницами или просто загибаются. При намотке надрезанные или загнутые полосы закрывают крайние витки обмотки. Длина полос должна обеспечить перекрытие периметра намотки с нахлестом концов на 2—4 см.

    Для изоляции выводов, мест паек и отводов обмоток применяются отрезки кембриковых или хлорвиниловых трубок и кусочков лакоткани.
Для затяжки и закрепления начала и конца толстых обмоток (накальных и выходных), заготавливают куски (10—15 см) киперной ленты или полоски, вырезанные из лакоткани и сложенные для прочности втрое, вчетверо.
Если наружный ряд обмотки близко подходит к сердечнику, то из тонкого листового текстолита или картона вырезают прямоугольные пластинки, которые вставляются между обмоткой и сердечником после сборки трансформатора.

НАМОТОЧНЫЕ И ВЫВОДНЫЕ ПРОВОДА

    Обмотки трансформаторов, с которыми приходится иметь дело радиолюбителю, чаще всего выполняются проводом с эмалевой изоляцией марки ПЭ или ПЭЛ.
    В силовых трансформаторах для сетевых и повышающих обмоток применяется исключительно провод ПЭ, а для обмоток накала ламп — тот же провод или, при большом диаметре (1,5—2,5 мм), провод с двойной бумажной изоляцией марки ПБД.
    Выводы концов и отводы от обмоток, выполненных тонким проводом, делаются проводом несколько большего сечения, чем провод обмотки. Для них лучше брать гибкий многожильный провод с эластичной изоляцией (например, хлорвиниловой или резиновой). По возможности желательно брать провода с различной расцветкой, чтобы по ним можно было потом легко узнать любой вывод. Выводы от обметок, выполняемые толстым проводом, можно делать тем же проводом. На концы или отводы этих обмоток надо надеть кусочки тонкостенных изоляционных трубок. Выводные проводники должны быть такой длины, чтобы их можно было свободно присоединить к элементам схемы или к рас-шивочной планке (гребенке).

НАМОТКА

    Катушка с проводом, предназначенным для очередной намотки, зажимается между съемными щечками нарезной шпильки размоточного устройства. Шпилька с катушкой устанавливается в конусах этого устройства (фиг. 4). В зависимости от диаметра провода регулируются нажим конусов и степень притормаживания разматываемой катушки.
    Катушку необходимо зажимать так, чтобы она при размотке не била, так как от этого зависят успешность и легкость укладки провода виток к витку. Размоточное приспособление располагается впереди намоточного станка не ближе 1 м (дальше —лучше).
    Подготовленный каркас трансформатора зажимается между двумя свободно насаженными на шпильке щечками. Шпилька затем вставляется в патрон дрели или зажимается на валу намоточного станка. Каркас, так же как и катушку с проводом, надо хорошо отцентровать, чтобы он при намотке равномерно вращался и не бил. Зажимные щетки нужно располагать таким образом, чтобы не закрыть ими отверстий для выводов в каркасе.
    Устанавливать катушку с проводом на размоточном приспособлении и намоточный станок на столе надо так, как изображено на фиг. 10. Провод должен итти сверху катушки на верх каркаса трансформатора. Станок или дрель располагается над столом на такой высоте, чтобы между осью станка и плоскостью стола было расстояние 15—20 см\ тогда при намотке левую руку можно свободно положить на стол, не мешая вращению станка с каркасом.
    Перед тем как приступить к намотке, надо приготовить изоляционные прокладки, выводные проводники, изоляционную трубку для .выводов, лист бумаги и карандаш для отметок при счете витков, если нет счетчика, ножницы для подрезки прокладок, кусочек мелкой наждачной бумаги для зачистки изоляции и разогретый паяльник для припайки выводов. Самому надо свободно сесть против стола (верстака) и поупражняться во взаимодействиях рук. Правой рукой надо вращать намоточный станок с таким расчетом, чтобы провод ложился на каркас сверху, а левой — придерживать и натягивать провод, направляя его движение так, чтобы он ложился равномерно виток к витку (для этого левую руку надо положить на стол под ось станка или приспособления, вытянув ее как можно дальше вперед). Чем дальше от каркаса направлять провод, тем точнее и легче укладывается провод.

    Выверенный и закрепленный на станке или дрели каркас обертывают тонкой бумажной полоской. Чтобы полоска держалась, ее можно слегка приклеить.
    Выводной проводник или конец самого наматываемого провода обмотки можно закрепить двумя способами. Если провод тонкий, то вывод делают другим, гибким проводом. Такой вывод должен быть достаточно длинным, чтобы, пропустив его сквозь отверстие в каркасе, можно было обернуть им (одним оборотом) гильзу каркаса. К заранее зачищенному и залуженному на 2—3 мм кончику выводного проводника припаивают зачищенный конец наматываемого провода и, изолировав место спайки сложенным вдвое кусочком бумаги или лакоткани, начинают намотку (фиг. 11,а). Изолирующая накладка прижимается при намотке последующими витками (фиг. 11,6). Продетый в отверстие каркаса вывод надо несколько раз обернуть вокруг оси (шпильки) намоточного станка или привязать его к ней, чтобы при дальнейшей намотке он не выдернулся из каркаса. Для большей надежности выводы можно привязывать к гильзе несколькими витками крепкой нитки. Другой способ заключается в том, что выводной провод после пропуска его сквозь отверстия в щечке каркаса захватывается полоской прокладочной бумаги, край которой загибается под провод (фиг. 11,в). Затем полоска, которая должна иметь ширину каркаса, обертывается вокруг гильзы и прижимает выводной провод. Под полоску при этом (у конца выводного провода) нужно подложить изолирующую накладку, которая потом прикроет место спайки выводного и наматываемого проводов.
    К выступающему из-под прокладки залуженному концу выводного провода, находящемуся у другой щечки каркаса, припаивают зачищенный кончик наматываемого провода и производят намотку. Изолирующая накладка при этом будет прижата первыми витками обмотки, а выводной конец— витками ее первого ряда (фиг. 11,г).

    Намотку нужно производить сначала не спеша, приспосабливая руку так, чтобы провод шел и ложился виток к витку с некоторым натяжением. В процессе намотки данного ряда левую руку следует равномерно передвигать за укладкой витков, стараясь сохранять угол натяжения. Таким образом, последующие витки первого ряда прижимают предыдущие. К&ждый ряд надо на 2—3 мм не доматывать до щечки каркаса, чтобы предотвратить этим проваливание витков вдоль щечки. Особенно это важно при намотке высоковольтных обмоток (например, повышающей в силовом или анодной в выходном трансформаторах).
    Перед началом намотки (когда заправлен и припаян первый вывод) счетчик оборотов нужно поставить на нуль или записать его показания. При отсутствии счетчика обороты считают про себя или вслух, причем каждая сотня оборотов отмечается на бумаге палочкой.
    После намотки каждого ряда провод надо оставлять натянутым, чтобы во время наложения бумажной прокладки намотанная часть обмотки не распускалась. Для этого можно прижать провод к щечке каркаса бельевым зажимом. Прокладка должна закрывать весь ряд обмотки. Она склеивается или же временно (до удержания ее витками следующего ряда) прижимается к обмотке резиновым кольцом, которое можно изготовить из тонкой шнуровой резинки.
    Последний вывод обмотки можно делать так же, как и первый. Перед намоткой последнего полного или неполного ряда этот выводной проводник вместе с бумажной прокладкой (фиг. 11,0) нужно уложить на каркасе и, обернув каркас полосой прокладки, прижать проводник резиновым кольцом. После намотки последнего ряда наматываемый провод обрезается и после зачистки припаивается к залуженному кончику выводного проводника (фиг. 11,д). Если выводной конец должен выходить из щечки, около которой кончается последний ряд обмотки, то заготовка выводного конца делается в виде петли (фиг. 11,е), которая укладывается на каркасе точно так же, как и обычный выводной проводник.
    Отводы от части витков обмотки, наматываемой не слишком тонким проводом (от 0,3 мм и более), можно делать в виде петли тем же проводом (не обрезая его), как это показано на фиг. 12,а. Петля в этом случае пропускается через отверстие сложенной вдвое бумажной полоски, которая затягивается после прижатия ее к обмотке последующими витками (фиг. 12,6). Можно обойтись и без-бумажной полоски, если на петлеобразный отвод надеть изоляционную трубку. Отводы от обмотки, выполняемой тонким проводом (менее 0,3 мм), делаются обычно гибким выводным проводником, который припаивается к проводу, как показано на фиг. 12,в.   

    Начало и конец обмоток из толстого провода выводятся непосредственно (без отдельных выводных проводов) через отверстия в щечках каркаса. На выходящие из каркаса концы нужно только надеть гибкие изоляционные трубки. Крепление концов обмотки производится с помощью узкой хлопчатобумажной ленты. Ленту складывают вдвое, образуя петлю, в которую пропускается первый выводной конец провода. Придерживая затем ленту рукой и намотав на нее туго 6—8 витков, петлю затягивают (фиг. 13,а). Так же закрепляется и второй выводной конец обмотки. Не домотав в этом случае 6—8 последних витков, на каркас кладут сложенную петлей ленту, наматывают последние витки, ко торые прижимают эту ленту к каркасу, и, пропустив в петлю конец обмотки, затягивают петлю (фиг. 13,6). Если обмотка из толстого провода содержит небольшое число витков (не более 10), то выводные концы можно закреплять лентой путем двусторонней затяжки, как показано на фиг. 13,в.
    В многослойных обмотках из толстого провода после каждого ряда рекомендуется делать бумажные прокладки. Если каркас не особенно прочный, то каждый последующий ряд надо делать на один-два витка меньше, а пустоты между обмоткой и щечками каркаса заполнить потом шпагатом или нитками. Это важно в том случае, когда сверху еще будут другие обмотки.
    При обрывах провода во время намотки или когда обмотка выполняется из отдельных кусков провода, концы проводов соединяют следующим образом. У проводов небольшого диаметра (до 0,3 мм) концы на 10—15 мм зачищают наждачной бумагой, аккуратно скручивают их и спаивают. Место соединения проводов затем изолируется кусочком прокладочной бумаги или лакоткани. Концы более толстых проводов обычно спаиваются без скрутки. Тонкие провода (0,1 мм и меньше) можно сваривать, скрутив концы на 10—15 мм (без зачистки изоляции) и помещая их затем в пламя спиртовки, газа или нескольких спичек. Соединение проводов в этом случае считается надежным, если на конце скрутки образуется небольшой шарик.
    Обмотки из тонкого провода с числом витков в несколько тысяч можно наматывать не виток к витку, а «в навал». Однако укладывать витки следует равномерно, чтобы обмотка не имела бугров и провалов. Примерно через каждый миллиметр толщины такой намотки надо делать бумажные прокладки.
    Для симметрирования двух обмоток или половин обмоток часто применяют каркасы, перегороженные посредине щечкой. Сначала наматывается одна половина обмотки, а затем каркас перевертывают на 180° и наматывается другая половина. Так как витки каждой половины обмотки будут при этом намотаны в разные стороны, то при последовательном включении половин нужно соединить их начала или концы. Выводы от обмоток в этом случае удобнее делать с противоположных сторон каркаса.
    Обмотки трансформатора или дросселя можно выполнять и без каркаса. Намотка производится в основном так же, как и с каркасом, но прокладки между обмотками (или рядами) делают очень широкими (в три раза шире обмотки) .
По окончании намотки каждой секции выступающие края прокладки разрезают на углах ножницами или лезвием безопасной бритвы и, загибая их, закрывают намотанную секцию (фиг. 14). Торцевые стороны намотанных обмоток
нужно залить потом смолкой (от сухих элементов и бата!рей).

    Снаружи, если верхний ряд витков последней обмотки намотан толстым проводом и выполнен достаточно аккуратно, катушку можно ничем не обертывать. Если же верхняя обмотка сделана из тонкого провода, да еще намотана не виток к витку, то катушку следует обернуть бумагой или дерматином.
    Для того чтобы при монтаже трансформатора можно было легко разобраться в выводах и отводах, желательно применять разноцветные выводные проводники. Например, выводы сетевой обмотки трансформатора делать желтыми, начало и конец повышающей обмотки — красными, отвод от середины повышающей обмотки и провод от экрана — черными и т. д. Можно, конечно, применять и одноцветные выводные проводники, но тогда необходимо на каждый вывод надевать картонную бирку с соответствующим обозначением.

СБОРКА СЕРДЕЧНИКА И МОНТАЖ ВЫВОДОВ ТРАНСФОРМАТОРА

    Закончив намотку трансформатора, приступают к сборке его сердечника. Если выводы обмоток сделаны с одной стороны щечки каркаса, то он кладется на стол выводами вниз. Если же выводы сделаны с обеих сторон щечек, то каркас надо расположить так, чтобы внизу оказалось наибольшее число выводов и наиболее толстые из них; верхние же выводы надо сложить в несколько раз и привязать их временно к обмотке, чтобы они не мешали при сборке сердечника (фиг. 15,я). Это особенно важно при форме пластин сердечника с просечкой на среднем керне.
    Пластины сердечника силового трансформатора собираются без зазора, в перекрышку (поочередно то слева, то справа), как показано на фиг. 15,6. Сердечники же выходных трансформаторов или дросселей фильтра часто собирают с воздушным зазором, вставляя пластины только с одной стороны (фиг. 15,е). Чтобы этот зазор оставался неизменным, в стык между пластинами и накладками сердечника вставляют полоску бумаги или картона. В пластинах с просечкой на среднем керне толщина зазора определяется толщиной просечки.
    Если каркас не очень прочен, то заполнять его пластинами (особенно в конце сборки) надо очень осторожно, так как иначе можно острым краем среднего керна разрезать гильзу и повредить обмотку. Для предотвращения этого желательно в окно каркаса вставить и загнуть защитную полоску из мягкой стали (фиг. 15,6).

    При сборке сердечника из пластин с просечкой среднего керна нужно применять вспомогательную направляющую пластинку (фиг. 15,г), вырезав ее, например, из одной пластины сердечника.
    Окно каркаса заполняется возможно большим числом пластин. Если трансформатор был разобран и перематывался, то при его новой сборке надо использовать все вынутые раньше пластины. В процессе сборки сердечник следует несколько раз поджимать, просунув для этого в окно каркаса линейку или пруток. Последние пластины, если они входят туго, можно забить молотком, легко ударяя им через деревянную подкладку. После этого, поворачивая трансформатор разными сторонами и ставя его на ровную поверхность, надо легкими ударами молотка через деревянную подкладку подравнять сердечник.
    Сердечник, после его сборки, должен быть хорошо стянут. Если в пластинах имеются отверстия, то он стягивается болтиками через накладные планки или угольники (фиг. 16,а и б). Вместе с этим> можно установить и щнток с лепестками для подпайки выводных концов обмоток.
    Сердечник небольшого размера, собранный из пластин без отверстий, можно стянуть одной общей скобой, вырезанной из нетолстой мягкой стали (фиг. 16,в).

    Очень удобно для крепления трансформатора и стягивания его сердечника использовать шасси, на котором трансформатор должен быть установлен. В шасси вырезают окно для прохода нижней части катушки с выводами, устанавливают трансформатор и стягивают сердечник болтиками через общую накладную рамку (фиг. 16,г). Выводные концы при этом соединяются с соответствующими участками схемы либо непосредственно, либо через установленный на шасси щиток с контактными лепестками.

ПРОСТЕЙШИЕ ИСПЫТАНИЯ

    Трансформатор, после его намотки и сборки необходимо испытать.
    Силовые трансформаторы испытываются путем включения первичной (сетевой) обмотки в электросеть.
Для проверки отсутствия коротких замыканий в обмотках трансформатора можно рекомендовать следующий простой способ. В сеть последовательно с первичной обмоткой / проверяемого трансформатора включается электрическая лампа Л (фиг. 17), рассчитанная на соответствующее напряжение сети. Для трансформаторов мощностью 50—100 вт берут лампу 15— 25 вт, а для трансформаторов 200—300 вт — лампу 50— 75 вт. При исправном трансформаторе лампа должна гореть примерно «в четверть накала». Если при этом замкнуть накоротко какую-либо из обмоток трансформатора, то лампа будет гореть почти полным накалом. Таким путем проверяются целость обмоток, правильность выводов и отсутствие короткозамкнутых витков в трансформаторе.   

    После этого, проследив за тем, чтобы выводы обмоток не были замкнуты, первичную обмотку трансформатора надо включить на один-два часа непосредственно в сеть (замкнув выключателем Вк лампу Л). В это время можно вольтметром измерить напряжение на всех обмотках трансформатора и убедиться в соответствии их величин с расчетными.
    Кроме того, нужно испытать надежность изоляции между отдельными обмотками трансформатора. Для этого одним из выводных концов повышающей обмотки // надо поочередно коснуться каждого из выводов сетевой обмотки /. В этом случае напряжение повышающей обмотки совместно с напряжением сетевой обмотки будет действовать на изоляцию между этими обмотками. Таким же образом, прикасаясь выводным концом повышающей обмотки // к выводным концам других обмоток, испытывается изоляция и этих обмоток. Отсутствие искры или слабое искрение (за счет емкости между обмотками) при этом показывает достаточность изоляции между обмотками трансформатора.
    Испытание трансформатора нужно производить внимательно, соблюдая осторожность, чтобы не попасть под высокое напряжение повышающей обмотки.
    Другие виды трансформаторов (выходные и т. п.) с обмотками из достаточно большого числа витков испытываются таким же образом. Измеряя при этом напряжения на обмотках трансформатора, можно определить коэффициент трансформации.
    Убедившись в результате испытания в исправности изготовленного трансформатора, последний можно считать готовым к установке и монтажу.
   
    Программу для расчета трансформатора можно скачать здесь

 

А. Н. ПОДЪЯПОЛЬСКИЙ


Адрес администрации сайта: [email protected]
   

 

Обмоточные провода. Виды и маркировка. Изоляция и применение

Обмоточные провода служат для производства обмоток трансформаторов, электродвигателей, электромагнитных реле и многих других механизмов.

Провод обмоточный в отличие от других типов проводников имеет в качестве основного параметра диаметр токопроводящей жилы, а не ее сечение. Существует очень тонкий провод для обмоток, и имеющий ничтожный слой изоляции. Тончайшие обмоточные проводники изготавливают по специальной технологии производства для особо тонких проводников и материалов электрической изоляции.

Длительное время обмоточные провода делались исключительно медными. Сегодня для них часто используют алюминий и другие сплавы, обладающие значительным сопротивлением. Алюминий позволяет экономить дорогостоящую и дефицитную медь.

Классификация

Обмоточные провода классифицируется по материалу изоляции, по форме сечения и материалу жилы.

Материал изоляции
Провод обмоточный изготавливается со следующими видами изоляции:
  • Волокнистая.
  • Эмаль.
  • Комбинированная.
Волокнистая

Провода, имеющие волокнистую изоляцию, имеют повышенную механическую прочностью. Толщина волокнистой изоляции довольно большая, и может достигать до 0,4 мм на сторону. Химическая стойкость и влагостойкость таких проводов невысока.

Волокнистая изоляция проводов, использующихся для перемотки электрических двигателей и производства катушек масляных трансформаторов, может включать в себя бумагу, хлопчатобумажную ткань, стеклянные, а также асбестовые волокна, лавсан, шелк. Эти волокна и ткани накладываются в несколько слоев по подобию плетеного чулка.

Эмалевая изоляция

Материалом эмалированной изоляции служит винифлекс, металвин, кремнийорганическая основа, полиэфиротерефталевая кислота, полиуретан.

Обмоточная проволока, покрытая специальной эмалью, обладает электрической прочностью, устойчивостью к влаге, агрессивным химическим веществам. Особенностью эмалевых обмоточных проводов является очень малая толщина изолированного слоя (наибольшая толщина 0,09 мм). Прочность эмали провода ПЭЛ небольшая, такой провод используется только для обмоток катушек, работающих в неподвижном состоянии.

Высокопрочный эмалевый провод ПЭТВ, а также ПЭТ-155 применяется для обмоток электродвигателей мощностью до 100 киловатт. Провод, покрытый эмалью, марки ПЭТ-155 используется для производства новой серии электродвигателей, прочность его изоляции позволяет наматывать провод на автоматических станках. Эмалевые провода обладают также высокой термостойкостью, и способны выдерживать температуру до 155°С.

Комбинированная

Провод обмоточный с комбинированной изоляцией по своим параметрам находится в промежуточном положении между рассмотренными двумя видами проводов. Комбинированный вид изоляции включает в себя несколько слоев. Наружное покрытие обычно состоит из волокнистого материала, а внутреннее покрытие – эмаль. Например, провод ПЭЛШО обозначает: провод медный обмоточный с изоляцией из шелка и лаковой эмали.

Если проводник пропитан термостойким лаком и покрыт стекловолокном, то его маркировка содержит букву «К». Этот вид проволоки стал популярным из-за своей высокой надежности, и используется для электродвигателей подъемно-транспортных механизмов, в том числе судостроительных кранов.

Форма сечения
Обмоточные провода бывают двух форм сечения:
  1. Круглой.
  2. Прямоугольной.

Круглое сечение провода используется в различных сферах. Такой провод обладает высокими прочностными и электрическими характеристиками.

Размеры прямоугольных сечений проводов стандартизированы. Такой провод часто применяется для обмоток трансформаторов. Толщина прямоугольных поводов достигает до 5,9 мм, а ширина до 14,5 мм.

Соотношение этих размеров может различаться. Есть некоторые недостатки, выражающиеся в применении обмоточных проводов плоского сечения. При его наматывании на бухту есть большая вероятность повредить изоляцию, а также, при очень маленьких сечениях провода визуально трудно отличить меньшую сторону сечения от большей.

В любой обмотке важным элементом является виток проводника вокруг сердечника. По мощности тока подбирается необходимое сечение провода. Круглая проволока обычно используется для небольших нагрузок, а прямоугольную проволоку применяют для более высокой нагрузки.

Материал токоведущей жилы
Большинство обмоточных проводов производят из следующих материалов:
  • Медь.
  • Алюминий.

Медные обмоточные провода составляют большую часть всех выпускаемых проводов. Они обладают малым удельным сопротивлением, значительным весом. Стоимость медных проводов высока.

В последнее время вместо медных проводов для обмоток стали использовать алюминиевый провод, который значительно легче по весу, имеет меньшую стоимость, но обладает более высоким удельным сопротивлением, по сравнению с медным проводником.

Маркировка
Для обозначения провода выполняют его маркировку, которая означает материал жилы и изоляции:
  • Вначале обозначения находится буква «П» для медной проволоки, и означает «провод».
  • Для отличия алюминиевых и медных проводов в конце маркировки имеется буква «А», например, ПЭВА.
  • Если жила сделана из сплава, имеющего большое удельное сопротивление, то в обозначении имеются дополнительные буквы, например, НХ – нихром, М – манганин, К – константан.
  • Для обозначения мягкого проводника ставят символ «М», для твердого – «Т». Например, провод ПЭМТ – медный провод из твердой проволоки, а провод ПЭММ – из мягкой проволоки.
Буквы для обозначения изоляции
  • ЭМ – высокопрочная поливиниловая эмаль.
  • ЭЛ – масляная основа.
  • ЭВ – высокопрочная поливинилацетатная эмаль.
  • Л – лавсан.
  • Ш – шелк натуральный.
  • Б – пряжа х/б.
  • О – один слой.
  • С – стекловолокно.
  • ШК – капрон.
  • Д – два слоя.

Если в маркировке стоит 2-я буква «П», это означает, что изоляция в виде пленки. Провод ППФ оснащен изоляцией в виде фторопластовой пленки.

Для маркировки комбинированной изоляции символы стоят в порядке нахождения слоев, начиная от внутреннего. ПЭЛШО – провод медный, эмаль на масляной основе и однослойной шелковой оплетки.

Требования
  • Провод обмоточный покрывается равномерной изоляцией. Допускаются в некоторых точках утолщения соответственно марке и типоразмеру провода.
  • Проволока перевозится в бухтах, барабанах и бобинах, в зависимости от типоразмеров и марки. Проводник в таких упаковках должен быть намотан ровно и плотно, без путаницы витков. Число отрезков провода в бухте или катушке должно соответствовать размеру и марке провода.
  • Упаковки должны упаковываться бумагой, способной защитить изоляцию провода от повреждений во время транспортировки. Наибольший вес ящика с проводом не должен быть тяжелее 80 кг.
  • К барабану и катушке прикладывается ярлык с обозначением завода изготовителя, массы, типоразмера и марки поволоки, а также других параметров.
Как выбрать обмоточные провода для двигателя

Подбор необходимого провода для перемотки электродвигателей, выполняется с учетом класса термостойкости, допускаемого слоя изоляции и другими требованиями.

Минимальной толщиной слоя изоляции обладают эмалевые обмоточные провода. Их используют при повышенном проценте заполнения паза во время намотки. Гладкая поверхность изоляции облегчает их укладку в пазы, а небольшая ее толщина при повышенной теплоотдаче обеспечивает защиту от перегрева.

Использование эмалированных проводов должно соответствовать определенным видам лаков и растворителей, используемых на конкретном предприятии, или тем маркам лаков, которыми предприятие в состоянии обеспечить. Существуют растворители и лаки, которые способны разрушить эмаль. А также, при нагревании до 170 градусов эта изоляция становится пластичной, что не позволяет применять ее для обмоток роторов, вращающихся с большой угловой скоростью.

Максимальную толщину изолированного слоя имеет проволока для обмотки с комбинированным и волокнистым слоем. Ее использование запрещается для обмоток, находящихся в агрессивной или влажной среде. Для таких целей целесообразно использовать обмоточные провода, оснащенные стеклянной изоляцией, но малая прочность изоляции накладывает определенные ограничения на использование таких проводов. Хотя по термостойкости провода со стеклянной изоляцией подходят для подобных классов обмоток. При приобретении обмоточной проволоки нужнее учитывать, что стоимость провода одного типоразмера зависит от марки. При производстве ремонта низковольтных электрических машин цена провода будет составлять большую часть финансовых затрат от полной стоимости ремонта. В связи с этим необходимо учесть технические и экономические факторы выбора, то есть, цену и технические параметры.

Похожие темы:

Перемотка трансформаторных катушек в Москве, изготовление и ремонт катушек

Такая услуга, как намотка катушек трансформаторов необходима при замене или ремонте проводников на устройствах трансформации напряжения. Ремонт данного типа требуется при пробоях изоляции, возникающих из-за старения изоляции или неправильной эксплуатации.


Принцип конструкции трансформаторов

Трансформатор состоит из сердечника, изготовленного на основе металлических пластин и катушек. Для их создания обычно применяют алюминиевый или медный проводник, который покрыт диэлектриком.

Во время своей работы трансформатор подвергается нагрузкам электрического и теплового характера. Оба эти фактора отрицательно сказываются на изоляции, влияя на срок эксплуатации всего изделия. Поэтому производя ремонт катушки для трансформаторов необходимо соблюдать определенные правила технологического процесса. Любое отклонение приведет к скорой поломке.

Шаги изготовления катушки

Порядок изготовления катушки трансформатора или ее ремонт выглядит следующим образом:

  1. Определяют число витков и их диаметр. Для этого пользуются технической документацией к изделию или считают витки на вышедшем из строя изделии
  2. Если производится ремонт, то следует аккуратно удалить старую обмотку. Очищают от старой изоляции и делается переизолировка проводника. В места обрыва проводника производится его пайка или сварка.
  3. Выполняется намотка проводника. Ее делают от витка к витку, контролируя количество провода.
  4. Создавая каждый слой обмотки, его отделяют изоляционной бумагой или другим диэлектриком.
  5. Если требует технология изготовления катушки производится пропитка лаком и сушка в печи.
  6. На заключительном этапе производятся электротехнические испытания готового изделия.

Цены указаны на 2020 год, с учетом НДС (в рублях)

тип
мощность
кВа		 ревизия рем.
комплект		 кап.
ремонт
без смены
обмоток		 рем.
комплект		 кап.
ремонт
со сменой
ВН		 кап.
ремонт 
со сменой  
НН		 кап.
ремонт
со сменой
ВН+НН		 рем.
комплект
ВН,НН		 рем.
комплект
ВН+НН
До 63 29400 8406 57490 22824 95130 99290 112370 29700 30640
100 34960 11170 65880 22900 108990 114570 121700 29780 33540
160 37520 11560 74340 25024 129470 131290 142906 33940 34840
180 39134 12016 90320 25974 134090 139660 150420 34460 39300
250 43340 12698 92510 26156 138910 144920 156420 38106 42180
320 57030 12902 109060 31956 171730 179948 188360 43360 45160
400 60090 12956 113740 32088 174040 191320 205978 41560 42894
560 65630 13970 135580 40400 178210 188900 218698 57470 60200
630 71260 16176 137760 41798 241860 237220 271840 56886 60680
1000 97120 20534 168260 49210 335600 357800 374900 88152 92368
1600 158818 25660 278580 68450 534900 625300 511740 115356 120836
2500 199740 35374 429500 84352 672480 908540 1153348 124170 129288

Производя изготовление катушек на заказ необходимо не только соблюдать технический процесс, но и уметь адаптировать его под конкретные характеристики определенного изделия. Именно такими навыками обладают специалисты нашей компании. Мы способны произвести ремонт или изготовить трансформатор самой разного назначения и мощности. Если же потребуется создание уникальной конструкции, то наши инженеры способны произвести все необходимые расчеты и создать требуемое устройство.

Диаметр обмоток трансформатора

(G5C16) | Радиолюбительское радио School.com

Это новый вопрос из пула общего класса 2015–2019 гг.
================================================= ============
G5C16: Почему проводник первичной обмотки многих повышающих трансформаторов напряжения больше по диаметру, чем проводник вторичной обмотки?

A. Для улучшения связи между первичной и вторичной
B.Для обеспечения более высокого тока первичной
C. Для предотвращения паразитных колебаний из-за резистивных потерь в первичной
D. Обеспечить, чтобы объем первичной обмотки был равен объему вторичной обмотки

Давайте сначала кратко опишем трансформатор, затем рассмотрим определение «повышающего» трансформатора и, наконец, рассмотрим диаметр обмоток.

Трансформаторы используются для переключения напряжения переменного тока от одного значения к другому.Например, трансформатор может использоваться в качестве компонента источника питания станции для переключения 120 В переменного тока коммерческой бытовой электросети до значения, более близкого к значению, требуемому для типичного трансивера, возможно, менее 20 В переменного тока, поскольку большинство современных трансиверов рассчитаны на работают при напряжении 13,8 В постоянного тока или около него. (Дальнейшее регулирование напряжения и выпрямление мощности ~ 20 В переменного тока выполняется другими компонентами источника питания помимо трансформатора, как описано в разделе 6 курса общей лицензии .5 .)

Трансформатор имеет первичную и вторичную обмотки на общем сердечнике из материала.

Физически трансформатор представляет собой две обмотки проводника (обычно проволоки), которые имеют общий сердечник, на который намотаны обмотки. Сердечник может быть изготовлен из порошкового железа, кремнистой стали, других металлических сплавов или феррита, в зависимости от конкретных требований к рабочим характеристикам. Напряжение переменного тока подается на одну из обмоток, называемую первичной обмоткой . Являясь тонким элементом индуктора, первичная обмотка создает магнитное поле переменной полярности вокруг себя и внутри материала сердечника.Вторичная обмотка на сердечнике также является тонким индуктором, и по принципу взаимной индуктивности во вторичной обмотке индуцируется переменное напряжение идентичной частоты за счет изменения магнитного поля первичной обмотки. То есть магнитный поток, возникающий из первичной обмотки, проходит через вторичную обмотку и индуцирует ЭДС (напряжение).

Step Up / Step Down: Напряжение, индуцируемое первичной обмоткой во вторичной обмотке, является функцией количества витков в каждой из двух катушек.Соотношение напряжений между двумя обмотками равно отношению количества витков в катушках, или

E S / E P = N S / N P
где N — количество витков для каждой соответствующей обмотки, обозначенное индексами.

Итак, если мы хотим «понизить» напряжение от более высокого до более низкого значения, как в приведенном выше примере источника питания, мы должны спроектировать нашу вторичную обмотку с меньшим количеством обмоток, чем наша первичная.В частности, мы бы вычислили вторичное напряжение как

E S = E P (N S / N P )

При наличии первичного напряжения, например 120 В переменного тока, соотношение обмоток может быть выбрано таким образом, чтобы получить желаемое вторичное выходное напряжение переменного тока. Пример этого вычисления можно найти в Разделе 6.5 курса General License, связанном с вопросом G5C06 и обсужденном в этой предыдущей статье «Вопрос недели» (G5C06).

Теперь вы должны увидеть, что можно спроектировать «повышающий» трансформатор, изменяющий первичное напряжение на более высокое значение во вторичной обмотке, выбирая соотношение обмоток, при котором вторичная обмотка имеет большее количество витков, чем первичная.

По закону сохранения энергии мощность (P = IE) на обмотках трансформатора должна сохраняться. Таким образом, произведение тока и напряжения в первичной обмотке должно равняться произведению тока и напряжения во вторичной обмотке, или

I P E P = I S E S

Давайте рассмотрим корпус повышающего трансформатора, поскольку вопрос касается. Предположим, мы стремимся повысить с 12 до 120 В переменного тока, выбирая соотношение витков вторичной и первичной обмоток 10: 1, возможно, абсолютное количество витков первичной обмотки = 500 и вторичной обмотки = 5000.Согласно приведенному выше уравнению сохранения энергии это означает, что ток в первичной обмотке (I P ) должен быть в 10 раз больше, чем ток во вторичной обмотке (I S ). Для нашего примера:

(12 В) (50 А) = (120 В) (5 А) = 600 Вт
_ Первичный = Вторичный_

Диаметр обмотки: Из приведенного выше примера легко увидеть, что первичная обмотка повышающего трансформатора должна выдерживать больший ток, чем вторичный.Таким образом, провод первичной обмотки должен быть рассчитан на требуемый ток. Как правило, это означает, что диаметр провода, из которого построена первичная обмотка, должен быть достаточного диаметра для ожидаемого тока, и этот диаметр обязательно будет больше диаметра, необходимого вторичной обмотке, чтобы выдерживать ее более низкое значение тока.

Ответ на вопрос общего класса 2015 г. G5C16, «Почему провод первичной обмотки многих повышающих трансформаторов напряжения больше по диаметру, чем проводник вторичной обмотки? » -« B. Для обеспечения более высокого тока первичной обмотки ».

Вопросы по теме: G5C01, G5C02, G5C06, G5C07

Конструкция трансформатора

и конструкция сердечника трансформатора

Эта магнитная цепь, более известная как «сердечник трансформатора», предназначена для того, чтобы обеспечить проход для магнитного поля, которое необходимо для индукции напряжения между двумя обмотками.

Однако такая конструкция трансформатора , в которой две обмотки намотаны на отдельные ветви, не очень эффективна, поскольку первичная и вторичная обмотки хорошо разделены друг от друга.Это приводит к низкой магнитной связи между двумя обмотками, а также к большой утечке магнитного потока из самого трансформатора. Но помимо этой конструкции с O-образной формой, существуют различные типы «конструкции трансформатора» и доступные конструкции, которые используются для преодоления этих недостатков, создавая более компактный трансформатор меньшего размера.

Эффективность простой конструкции трансформатора может быть повышена за счет приведения двух обмоток в плотный контакт друг с другом, тем самым улучшая магнитную связь.Увеличение и концентрация магнитной цепи вокруг катушек может улучшить магнитную связь между двумя обмотками, но это также имеет эффект увеличения магнитных потерь сердечника трансформатора.

Сердечник не только обеспечивает путь для магнитного поля с низким сопротивлением, но и предотвращает циркуляцию электрических токов внутри самого стального сердечника. Циркулирующие токи, называемые «вихревыми токами», вызывают нагрев и потери энергии в сердечнике, снижая эффективность трансформатора.

Эти потери возникают в основном из-за напряжений, индуцированных в железной цепи, которая постоянно подвергается воздействию переменных магнитных полей, создаваемых внешним синусоидальным питающим напряжением. Один из способов уменьшить эти нежелательные потери мощности — сконструировать сердечник трансформатора из тонких стальных пластин.

В большинстве конструкций трансформаторов центральный железный сердечник изготавливается из высокопроницаемого материала, обычно из тонких пластин кремнистой стали. Эти тонкие пластины собраны вместе, чтобы обеспечить необходимый магнитный путь с минимальными магнитными потерями.Удельное сопротивление самого стального листа высокое, что снижает потери на вихревые токи за счет очень тонких слоев.

Эти листовые стальные трансформаторные листы различаются по толщине от 0,25 мм до 0,5 мм, и, поскольку сталь является проводником, листы и любые фиксирующие шпильки, заклепки или болты электрически изолированы друг от друга очень тонким слоем изоляционного лака или оксидного слоя на поверхности.

Конструкция сердечника трансформатора

Обычно название, связанное с конструкцией трансформатора, зависит от того, как первичная и вторичная обмотки намотаны вокруг центрального многослойного стального сердечника.Двумя наиболее распространенными и базовыми конструкциями трансформатора являются трансформатор с закрытым сердечником и трансформатор с корпусом-сердечником .

В трансформаторе с замкнутым сердечником (с сердечником) первичная и вторичная обмотки намотаны снаружи и окружают сердечник. В трансформаторе «оболочкового типа» (оболочковая форма) первичная и вторичная обмотки проходят внутри стальной магнитной цепи (сердечника), которая образует оболочку вокруг обмоток, как показано ниже.

Конструкция сердечника трансформатора

В обоих типах конструкции сердечника трансформатора магнитный поток, соединяющий первичную и вторичную обмотки, проходит полностью внутри сердечника без потери магнитного потока через воздух.В конструкции трансформатора с сердечником одна половина обмотки намотана вокруг каждого плеча (или плеча) магнитной цепи трансформатора, как показано выше.

Катушки не расположены так, что первичная обмотка на одном плече, а вторичная обмотка — на другом, вместо этого половина первичной обмотки и половина вторичной обмотки размещены друг над другом концентрически на каждом плече, чтобы увеличить магнитную связь, позволяющую практически все магнитные силовые линии проходят через первичную и вторичную обмотки одновременно.Однако при такой конструкции трансформатора небольшой процент силовых линий магнитного поля выходит за пределы сердечника, и это называется «потоком рассеяния».

Сердечники трансформатора

типа оболочки преодолевают этот поток рассеяния, поскольку и первичная, и вторичная обмотки намотаны на одну и ту же центральную ветвь или ветвь, площадь поперечного сечения которой в два раза больше, чем у двух внешних ветвей. Преимущество здесь состоит в том, что магнитный поток имеет два замкнутых магнитных пути, которые обтекают катушки как с левой, так и с правой стороны, прежде чем вернуться обратно к центральным катушкам.

Это означает, что магнитный поток, циркулирующий вокруг внешних сторон трансформатора этого типа, равен Φ / 2. Поскольку магнитный поток имеет замкнутый путь вокруг катушек, это дает преимущество уменьшения потерь в сердечнике и повышения общей эффективности.

Ламинирование трансформатора

Но вам может быть интересно, как первичная и вторичная обмотки намотаны на эти многослойные железные или стальные сердечники для этого типа трансформаторных конструкций.Катушки сначала наматываются на каркас, который имеет поперечное сечение цилиндрического, прямоугольного или овального типа, чтобы соответствовать конструкции многослойного сердечника. В трансформаторных конструкциях с корпусом и сердечником для установки обмоток катушки отдельные листы штампуются или вырубаются из более крупных стальных листов и формуются в полосы из тонкой стали, напоминающие буквы «E», «L», «П» и «И», как показано ниже.

Типы сердечников трансформатора

Эти ламинированные штампы при соединении образуют необходимую форму сердечника.Например, два штампа «E» плюс два штампа «I» для замыкания концов, чтобы получить сердечник E-I, образующий один элемент стандартного сердечника трансформатора кожухового типа. Эти отдельные листы плотно стыкуются вместе во время строительства, чтобы уменьшить сопротивление воздушного зазора в стыках, создавая сильно насыщенную плотность магнитного потока.

Пластины сердечника трансформатора обычно накладываются друг на друга поочередно, образуя соединение внахлест, с добавлением большего количества пар пластин, чтобы обеспечить правильную толщину сердечника.Такое чередование слоев пластин также дает трансформатору преимущество в виде уменьшения утечки магнитного потока и потерь в стали. Конструкция многослойного трансформатора с сердечником E-I в основном используется в изолирующих трансформаторах, повышающих и понижающих трансформаторах, а также в автотрансформаторе.

Обмотки трансформатора

Обмотки трансформатора — еще одна важная часть конструкции трансформатора, поскольку они являются основными проводниками с током, намотанными вокруг многослойных частей сердечника.В однофазном двухобмоточном трансформаторе будут присутствовать две обмотки, как показано. Та, которая подключена к источнику напряжения и создает магнитный поток, называемый первичной обмоткой, а вторая обмотка, называемая вторичной, в которой напряжение индуцируется в результате взаимной индукции.

Если вторичное выходное напряжение меньше первичного входного напряжения, трансформатор известен как «понижающий трансформатор». Если вторичное выходное напряжение больше, чем первичное входное напряжение, это называется «повышающим трансформатором».

Конструкция сердечника

Тип провода, используемого в качестве основного токоведущего проводника в обмотке трансформатора, — медный или алюминиевый. Хотя алюминиевый провод легче и, как правило, дешевле, чем медный провод, необходимо использовать провод с большей площадью поперечного сечения, чтобы пропускать такой же ток, как и с медью, поэтому он используется в основном в более крупных силовых трансформаторах.

Трансформаторы мощности и напряжения малой кВА, используемые в электрических и электронных схемах низкого напряжения, как правило, используют медные проводники, поскольку они имеют более высокую механическую прочность и меньший размер проводников, чем аналогичные типы алюминия.Обратной стороной является то, что в комплекте с сердечником эти трансформаторы могут быть намного тяжелее.

Обмотки и катушки трансформатора можно в целом разделить на концентрические катушки и катушки с прослойкой. В конструкции трансформатора с сердечником обмотки обычно располагаются концентрически вокруг плеча сердечника, как показано выше, при этом первичная обмотка с более высоким напряжением наматывается на вторичную обмотку с более низким напряжением.

Зажимные или «блинные» катушки состоят из плоских проводников, намотанных по спирали, и названы так из-за расположения проводников в виде дисков.Чередующиеся диски выполнены по спирали снаружи к центру в чередующемся расположении с отдельными катушками, сложенными вместе и разделенными изоляционными материалами, такими как бумага или пластиковый лист. Сэндвич-катушки и обмотки чаще встречаются с сердечником оболочкового типа.

Спиральные обмотки , также известные как винтовые обмотки, являются еще одним очень распространенным устройством цилиндрической катушки, используемым в низковольтных трансформаторах высокого тока. Обмотки состоят из прямоугольных проводников с большим поперечным сечением, намотанных сбоку, с изолированными жилами, намотанными параллельно, непрерывно по длине цилиндра, с соответствующими прокладками, вставленными между соседними витками или дисками, чтобы минимизировать циркулирующие токи между параллельными жилами.Змеевик продвигается наружу по спирали, напоминающей спираль штопора.

Сердечник трансформатора

Изоляция, используемая для предотвращения короткого замыкания проводов в трансформаторе, обычно представляет собой тонкий слой лака или эмали в трансформаторе с воздушным охлаждением. Этим тонким лаком или эмалевой краской наносится на проволоку перед тем, как она наматывается на сердечник.

В более мощных трансформаторах и трансформаторах распределительного типа проводники изолированы друг от друга с помощью пропитанной маслом бумаги или ткани.Весь сердечник и обмотки погружаются и герметизируются в защитном баке, содержащем трансформаторное масло. Трансформаторное масло действует как изолятор, а также как хладагент.

Трансформатор с ориентацией точек

Мы не можем просто взять ламинированный сердечник и обернуть вокруг него одну из конфигураций катушки. Мы могли бы, но можем обнаружить, что вторичное напряжение и ток могут не совпадать по фазе с первичным напряжением и током. Обмотки двух катушек имеют различную ориентацию одна относительно другой.Любая катушка может быть намотана на сердечник по часовой стрелке или против часовой стрелки, поэтому для отслеживания их относительной ориентации используются «точки» для обозначения данного конца каждой обмотки.

Этот метод определения ориентации или направления намотки трансформатора называется «точечным соглашением». Затем обмотки трансформатора наматываются таким образом, чтобы между напряжениями обмоток существовали правильные фазовые отношения, при этом полярность трансформатора определялась как относительная полярность вторичного напряжения по отношению к первичному напряжению, как показано ниже.

Конструкция трансформатора с точечной ориентацией

Первый трансформатор показывает две «точки» рядом на двух обмотках. Ток, выходящий из вторичной точки, является «синфазным» с током, поступающим в первичную точку. Таким образом, полярности напряжений на пунктирных концах также синфазны, поэтому, когда напряжение положительно на точечном конце первичной катушки, напряжение на вторичной катушке также будет положительным на отмеченном пунктиром конце.

Второй трансформатор показывает две точки на противоположных концах обмоток, что означает, что первичная и вторичная обмотки трансформатора намотаны в противоположных направлениях. В результате ток, выходящий из вторичной точки, будет на 180 o «не в фазе» с током, входящим в первичную точку. Таким образом, полярности напряжений на пунктирных концах также не совпадают по фазе, поэтому, когда напряжение на отмеченном точками конце первичной катушки положительное, напряжение на соответствующей вторичной катушке будет отрицательным.

Тогда конструкция трансформатора может быть такой, что вторичное напряжение может быть «синфазным» или «не синфазным» по отношению к первичному напряжению. В трансформаторах, которые имеют несколько различных вторичных обмоток, которые электрически изолированы друг от друга, важно знать полярность точек каждой вторичной обмотки, чтобы их можно было соединить вместе последовательно (вторичное напряжение суммируется) или последовательно встречно. (вторичное напряжение — разница) конфигурации.

Способность регулировать коэффициент трансформации трансформатора часто бывает желательной для компенсации влияния изменений первичного напряжения питания, регулирования трансформатора или изменения условий нагрузки. Регулировка напряжения трансформатора обычно выполняется путем изменения отношения витков и, следовательно, его отношения напряжений, в результате чего часть первичной обмотки на стороне высокого напряжения отводится, что упрощает регулировку. Отводы предпочтительнее на стороне высокого напряжения, поскольку напряжение на виток ниже, чем на вторичной стороне низкого напряжения.

Изменение первичной обмотки трансформатора

В этом простом примере переключение ответвлений первичной обмотки рассчитано для изменения напряжения питания на ± 5%, но можно выбрать любое значение. Некоторые трансформаторы могут иметь две или более первичных или две или более вторичных обмотки для использования в различных приложениях, обеспечивающих разные напряжения от одного сердечника.

Потери в сердечнике трансформатора

Способность железа или стали переносить магнитный поток намного выше, чем в воздухе, и эта способность пропускать магнитный поток называется проницаемостью .Большинство сердечников трансформаторов изготовлено из низкоуглеродистой стали, которая может иметь проницаемость порядка 1500 по сравнению с 1,0 для воздуха.

Это означает, что многослойный стальной сердечник может переносить магнитный поток в 1500 раз лучше, чем поток воздуха. Однако, когда магнитный поток течет в стальном сердечнике трансформатора, в стали возникают два типа потерь. Один назвал «потери на вихревые токи», а другой — «гистерезисными потерями».

Гистерезис потерь

Потери на гистерезис трансформатора возникают из-за трения молекул о поток магнитных силовых линий, необходимых для намагничивания сердечника, которые постоянно меняются по величине и направлению сначала в одном направлении, а затем в другом из-за влияния синусоидальное напряжение питания.

Это молекулярное трение вызывает выделение тепла, которое представляет собой потерю энергии в трансформаторе. Чрезмерные потери тепла могут со временем сократить срок службы изоляционных материалов, используемых при изготовлении обмоток и конструкций. Поэтому охлаждение трансформатора важно.

Кроме того, трансформаторы рассчитаны на работу с определенной частотой питания. Снижение частоты питания приведет к увеличению гистерезиса и повышению температуры в железном сердечнике.Таким образом, уменьшение частоты питания с 60 Гц до 50 Гц приведет к увеличению имеющегося гистерезиса и уменьшению мощности трансформатора в ВА.

Потери на вихревые токи

С другой стороны, потери на вихревые токи трансформатора

вызваны протеканием циркулирующих токов, индуцированных в стали, вызванных течением магнитного потока вокруг сердечника. Эти циркулирующие токи возникают из-за того, что для магнитного потока сердечник действует как одиночная петля из проволоки. Поскольку железный сердечник является хорошим проводником, вихревые токи, индуцируемые твердым железным сердечником, будут большими.

Вихревые токи ничего не влияют на полезность трансформатора, но вместо этого они противодействуют потоку индуцированного тока, действуя как отрицательная сила, вызывая резистивный нагрев и потери мощности внутри сердечника.

Ламинирование железного сердечника

Потери на вихревые токи в сердечнике трансформатора нельзя полностью исключить, но их можно значительно уменьшить и контролировать, уменьшив толщину стального сердечника. Вместо того, чтобы иметь один большой твердый железный сердечник в качестве материала магнитного сердечника трансформатора или катушки, магнитный путь разделен на множество тонких штампованных стальных форм, называемых «пластинами».

Пластины, используемые в конструкции трансформатора, представляют собой очень тонкие полосы изолированного металла, соединенные вместе для получения твердого, но многослойного сердечника, как мы видели выше. Эти слои изолированы друг от друга слоем лака или бумаги для увеличения эффективного удельного сопротивления сердечника, тем самым увеличивая общее сопротивление для ограничения протекания вихревых токов.

Результатом всей этой изоляции является то, что нежелательные потери мощности наведенные вихревые токи в сердечнике значительно снижаются, и именно по этой причине цепи магнитного железа каждого трансформатора и других электромагнитных машин все ламинированы.Использование пластин в конструкции трансформатора снижает потери на вихревые токи.

Потери энергии, которые проявляются в виде тепла из-за гистерезиса и вихревых токов на магнитном пути, обычно известны как «потери в сердечнике трансформатора». Поскольку эти потери возникают во всех магнитных материалах в результате действия переменных магнитных полей. Потери в сердечнике трансформатора всегда будут присутствовать в трансформаторе, когда первичная обмотка находится под напряжением, даже если к вторичной обмотке не подключена нагрузка.Кроме того, сочетание гистерезисных потерь и потерь на вихревые токи обычно называют «потерями в стали трансформатора», поскольку магнитный поток, вызывающий эти потери, является постоянным при всех нагрузках.

Потери меди

Но есть также другой тип потерь энергии, связанный с трансформатором, который называется «потери в меди». Трансформатор Медные потери в основном связаны с электрическим сопротивлением первичной и вторичной обмоток. Большинство катушек трансформатора намотаны с использованием медного провода, сопротивление которого измеряется в Ом (Ом), и, как мы знаем из закона Ома, сопротивление медного провода будет противодействовать любым токам намагничивания, протекающим через него.

Когда электрическая нагрузка подключена ко вторичной обмотке трансформатора, большие электрические токи начинают течь как в первичной, так и во вторичной обмотках, потери электроэнергии и мощности (I 2 R) возникают в виде тепла. Обычно потери в меди меняются в зависимости от тока нагрузки, они почти равны нулю на холостом ходу и максимальны при полной нагрузке, когда ток протекает на максимуме.

Номинальное значение вольт-ампер (ВА) трансформатора может быть увеличено за счет улучшения конструкции и конструкции, чтобы уменьшить эти потери в сердечнике и меди.Трансформатору с высоким номинальным напряжением и током требуются проводники большого сечения, чтобы минимизировать потери в меди. Увеличение скорости рассеивания тепла (лучшее охлаждение) за счет нагнетания воздуха или масла или за счет улучшения изоляции, чтобы она могла выдерживать более высокие температуры, тем самым увеличивая номинальную мощность трансформатора в ВА.

Тогда мы можем определить идеальный трансформатор как имеющий:

  • Отсутствие петель гистерезиса или потерь на гистерезис → 0
  • Бесконечное сопротивление материала сердечника, дающее нулевые потери на вихревые токи → 0
  • Нулевое сопротивление обмотки, дающее ноль I 2 * R потери в меди → 0

В следующем уроке о трансформатора мы рассмотрим нагрузку трансформатора вторичной обмотки по отношению к электрической нагрузке и увидим влияние, которое «нормально разомкнутый» и «включенный» трансформатор оказывают на трансформатор. ток первичной обмотки.

Проводники в низковольтных трансформаторах сухого типа

Преимущественный выбор материала обмоток

В Северной Америке алюминий является преобладающим материалом для обмоток низковольтных сухих трансформаторов мощностью более 15 киловольт-ампер (кВА). В большинстве других регионов мира медь является преобладающим материалом для обмоток. Основная причина выбора алюминиевых обмоток — их более низкая начальная стоимость.

Исторически доказано, что стоимость основного металла меди намного более изменчива, чем стоимость алюминия, поэтому закупочная цена медного проводника обычно является наиболее дорогим выбором. Кроме того, поскольку алюминий обладает большей пластичностью и легче сваривается, это более дешевый производственный выбор. Однако надежные алюминиевые соединения требуют большей дисциплины и опыта со стороны монтажников трансформаторов, чем те, которые необходимы для медных соединений.

Алюминиевая лента для обмотки электрических трансформаторов

Технические аргументы в пользу преимуществ и недостатков алюминия по сравнению сМедь продавалась в электротехнической промышленности много лет назад. Большинство этих аргументов несущественны, а некоторые могут быть классифицированы просто как дезинформация. Цель этого краткого описания применения — обсудить некоторые общие проблемы, связанные с выбором между этими двумя материалами обмотки.

Общие причины выбора материала обмотки

Таблица 1
Верно Неверно
Концевые заделки трансформатора с алюминиевой обмоткой несовместимы с медными линиями и нагрузочными кабелями. X
Для трансформаторов с алюминиевой обмоткой сложнее правильно выполнить оконцевание линии и подключения нагрузки. X
Подключение линии и нагрузки к трансформаторам с медной обмоткой более надежно, чем к трансформаторам с алюминиевой обмоткой. X
Трансформаторы с алюминиевой обмоткой легче по весу, чем эквиваленты с медной обмоткой. X
Низковольтные трансформаторы с медной обмоткой лучше подходят для «ударных» нагрузок, поскольку медь имеет более высокий предел прочности на разрыв, чем алюминий. X
Трансформаторы с алюминиевой обмоткой имеют более высокие потери, поскольку медь является лучшим проводником. X
Трансформаторы с алюминиевой обмоткой имеют более высокие температуры перегрева, поскольку медь является лучшим проводником тепла, чем алюминий. X

Различия между медью и алюминием

Большинство проблем, связанных с выбором материала обмотки, отражают пять характерных различий между медью и алюминием:

Пять характерных различий между медью и алюминием Медь
Коэффициент расширения на ° C x 10 -6 при 20 ° C 23 16.6
Теплопроводность БТЕ / фут / час / фут 2 / ° F при 20 ° C 126 222
Электропроводность% IAS при 20 ° C 61101
Предел прочности на разрыв, ib / дюйм 2 (мягкий) 12000 32000

Связность

Оксиды, хлориды или сульфиды основного металла гораздо более проводящие для меди, чем для алюминия. Этот факт делает очистку и защиту стыков алюминиевых соединений более важной задачей.Некоторые считают соединения меди с алюминием несовместимыми. Также сомнительны переходные соединения между алюминиевыми трансформаторами и медным строительным проводом.

Коэффициент расширения

Алюминий расширяется почти на треть больше, чем медь, при изменении температуры. Это расширение, наряду с пластичностью алюминия, вызвало некоторые проблемы при неправильной установке болтовых соединений.

Чтобы избежать расшатывания соединения, необходимо пружинное соединение определенного типа.Использование чашеобразных или разрезных шайб обеспечивает необходимую эластичность соединения без сжатия алюминия.

При использовании надлежащего оборудования алюминиевые соединения могут быть равны по качеству медным соединениям.

Теплопроводность

Некоторые утверждают, что теплопроводность меди превосходит теплопроводность алюминия в плане снижения повышения температуры горячих точек в обмотках трансформатора. Это верно только при сравнении медных и алюминиевых обмоток с одинаковым размером провода, геометрией и конструкцией.Следовательно, для любого данного трансформатора мощностью кВА характеристики теплопроводности алюминия могут быть очень близки к характеристикам меди. Чтобы алюминиевые катушки имели такую ​​же токонесущую способность, что и медные, алюминиевая катушка должна быть примерно на 66% больше по площади поперечного сечения. Ответственные производители проектируют и тестируют характеристики горячих точек своих конструкций и используют площадь охлаждающей поверхности, геометрию змеевика, воздуховоды и форму проводника для получения приемлемых градиентов горячих точек независимо от материала обмотки.

Электропроводность

Часто аргументы указывают на меньшую проводимость алюминия, ссылаясь на тот факт, что алюминий имеет только 61% проводимости меди, что вызывает более высокие потери энергии в алюминиевых трансформаторах. Дизайнеров всегда заботит температура обмотки. Чтобы поддерживать температуру ниже номинальной, алюминиевые трансформаторы имеют алюминиевые проводники с большим поперечным сечением, чем медные. В среднем это приводит к потерям энергии, которые для алюминия такие же, как и для меди.Следовательно, трансформаторы аналогичной конструкции с одинаковым превышением температуры имеют примерно эквивалентные потери независимо от материала проводника.

Производители трансформаторов ограничивают разнообразие имеющихся в наличии проводов. Из-за этого некоторые конструкции из алюминия могут иметь меньшие потери, чем медь, просто потому, что выбор сечения провода ограничен. В других конструкциях медь более эффективна. Немногие производители сухих трансформаторов низкого напряжения меняют размер корпуса сердечника при переходе с алюминия на медь, если таковые имеются, поэтому потери в сердечнике остаются примерно одинаковыми независимо от материала обмотки.Если одинаковый КПД может быть получен путем изменения размера провода, а потери в сердечнике остаются неизменными, нет никаких практических причин ожидать, что одна конструкция будет более эффективной, чем другая. Разница в стоимости между медью и алюминием часто позволяет использовать алюминиевые проводники большего диаметра, что приводит к меньшим потерям нагрузки при меньших затратах, чем при использовании медных проводников.

Прочность на растяжение

Низкий предел прочности на растяжение и предел текучести алюминия вызвал некоторые опасения по поводу его использования при циклических нагрузках.Нагрузки, потребляющие высокие пики тока, такие как приводы постоянного тока и другие контроллеры SCR, создают электромагнитные силы, которые могут вызвать движение проводников и выводов катушек. Как показано в Таблице 2, алюминий имеет только 38% прочности на разрыв меди. Однако сравнение таблиц основано на равной площади поперечного сечения. Как отмечалось ранее, для получения равных номиналов алюминиевых трансформаторов обычно требуется на 66% больше площади поперечного сечения, чем у медных проводников. Использование проводов большего размера приводит к тому, что прочность алюминиевой обмотки почти равна прочности медных обмоток.Способность трансформатора противостоять долгосрочным механическим воздействиям «сильных ударных» нагрузок больше зависит от надлежащего баланса катушки и опоры выводов, чем от выбора проводника. Между медными или алюминиевыми низковольтными трансформаторами не наблюдалось существенной разницы в механических повреждениях.

Возможности подключения

Возможности подключения являются наиболее частой причиной «предубеждений» против использования трансформаторов с алюминиевой обмоткой. И медь, и алюминий подвержены окислению или другим химическим изменениям при воздействии атмосферы.Проблема в том, что оксид алюминия является очень хорошим изолятором, тогда как оксид меди, хотя и не считается хорошим проводником, не так опасен для болтовых соединений. Очистка и обработка щеткой качественным герметиком для предотвращения окисления рекомендуется для любого материала и, что более важно, для алюминия. Большинство электриков хорошо обучены этим процедурам, а техника выполнения алюминиевых болтовых соединений является хорошо зарекомендовавшей себя и проверенной практикой.

Как правило, не рекомендуется болтовое соединение алюминия без покрытия с медью.Хотя для соединения двух металлов можно выполнить несколько надежных сварочных процессов и методов соединения взрывом, ни один из них не используется в значительной степени в современном производстве трансформаторов. Большинство соединений алюминия с медью выполняется путем нанесения серебряного или луженого покрытия на один или оба металла проводника в болтовом соединении. В большинстве кабельных соединений с трансформаторами с алюминиевой обмоткой используются алюминиевые наконечники с луженым покрытием. Эти наконечники специально рассчитаны (Al / Cu) для подключения медного строительного провода к любому металлу.Эта практика повсеместно признана и доказала свою надежность на протяжении более 30 лет использования трансформаторов с алюминиевой обмоткой.

Теория против практического использования

Большинство аргументов в пользу меди были основаны на теориях, которые на практике не имеют ничего общего с существенным. Также существует несколько теорий в пользу использования алюминия.

Один аргумент касается различных методов, используемых для изготовления соединений из меди и алюминия. Внутренние соединения трансформатора, сделанные из меди, как правило, паяны, тогда как те же самые соединения из алюминия свариваются с использованием инертного газа.Технически метод пайки приводит к тому, что медное соединение имеет более низкую проводимость, чем основной металл меди. Сварка алюминия в среде инертного газа дает сплошное алюминиевое соединение без ухудшения проводимости. Кроме того, некоторые утверждают, что со временем оксид меди продолжает образовываться, отслаивая обнаженную медь и в конечном итоге повреждая весь проводник. С другой стороны, оксид алюминия образует прочное защитное покрытие на незащищенном металле, которое останавливает окисление всего через несколько миллионных долей дюйма.Да, это могут быть действительные точки, которые могут иметь влияние в необычно агрессивной атмосфере или в экстремальных условиях нагрузки. Однако рядовому пользователю не стоит слишком беспокоиться об этих теоретических соображениях, потому что и медные, и алюминиевые трансформаторы имеют отличные показатели за долгие годы практического использования.

Единственной веской инженерной причиной выбора меди вместо алюминия, по-видимому, является недостаток места. Неопровержимым фактом является то, что трансформатор с медной обмоткой может быть меньше алюминиевого.Преимущественно OEM-клиенты, которые покупают трансформаторы с открытым сердечником и катушкой для установки в свои собственные устройства, пользуются преимуществом экономии места. Большинство закрытых трансформаторов общего назначения продаются с одинаковым размером корпуса для алюминия или меди, так что даже это небольшое преимущество для меди не реализуется.

Заключение

Выбор между алюминиевыми или медными обмотками трансформатора зависит от личных предпочтений. Высокая цена на медь часто требует обоснования покупки, но в данном бюллетене эти аргументы опровергнуты.По правде говоря, отраслевой опыт просто не подтверждает ни одну из обычно заявленных причин выбора меди вместо алюминия. Трансформаторы низкого напряжения с алюминиевой обмоткой, вероятно, будут продолжать получать все большее признание из-за их значительного преимущества по стоимости по сравнению с медью.

По мере того, как некоторые старые мифы исчезают из-за огромного успеха алюминия, все больше пользователей будут чувствовать себя комфортно с относительно незначительным дополнительным вниманием к деталям, необходимым для создания надежных алюминиевых соединений.Предполагается, что дополнительное внимание, уделяемое алюминиевым соединениям, на улучшит соединений в алюминии, чем в меди.

Однако передовые методы выполнения электрических соединений являются преимуществом для всех в отрасли, независимо от того, используется ли алюминий или медь. Прежде чем вкладывать средства в дополнительные расходы на медные трансформаторы, изучите причины предпочтения меди в спецификациях.

Ссылка // Aluminium vs.Медь: проводники в низковольтных трансформаторах сухого типа по площади D

Потери в трансформаторе:

Потери трансформатора:

Потеря меди

Всякий раз, когда в проводнике течет ток, рассеивается мощность. в сопротивлении проводника в виде тепла. Количество мощности рассеивается проводником

прямо пропорционален сопротивлению провода, а к квадрату проходящего через него тока.Чем больше значение сопротивление или ток, тем больше

рассеиваемая мощность. Первичная и вторичная обмотки Трансформаторы обычно изготавливают из медной проволоки с низким сопротивлением.

Сопротивление данной обмотки является функцией диаметр проволоки и ее длина. Потери меди можно минимизировать, используя проволока нужного диаметра. Большой

Для сильноточных обмоток требуется провод диаметром

, тогда как Для слаботочных обмоток можно использовать проволоку малого диаметра.

Вихретоковые потери

Сердечник трансформатора обычно состоит из тип ферромагнетика, потому что он хороший проводник магнитных линий потока.

Когда первичная обмотка трансформатора с железным сердечником возбуждаемое источником переменного тока, флуктуирующее магнитное поле произведено. Это магнитное поле режет

проводящий материал сердечника и индуцирует в нем напряжение.В индуцированное напряжение вызывает прохождение случайных токов через сердечник, которые рассеивает мощность в виде

тепло. Эти нежелательные токи называются вихревыми токами. Вихревой ток, произведенный из-за

к резистивной природе сердечника и, следовательно, Вихревой текущий убыток пропорционален

Квадрат тока в обмотке.

Чтобы минимизировать потери из-за вихревых токов, Сердечники трансформатора ЛАМИНИРОВАНЫ.Поскольку тонкие изолированные листы не обеспечить легкий путь для тока,

Значительно уменьшены вихретоковые потери.

Гистерезис потери

Когда магнитное поле проходит через сердечник, сердечник материал намагничивается. Чтобы стать намагниченными, домены внутри сердечника должны выровняться

с внешним полем. Если направление поля перевернутые, домены должны повернуться так, чтобы их полюса были выровнены с новым направление внешнего поля.

Силовые трансформаторы обычно работают от 60 Гц или Переменный ток 400 Гц. Каждый крошечный домен должен дважды перестроиться во время каждый цикл, или всего 120

раза в секунду при использовании переменного тока 60 Гц. В энергия, используемая для поворота каждого домена, рассеивается в виде тепла внутри железного сердечника. Эта потеря называется

ПОТЕРЯ ГИСТЕРЕЗИСА, может рассматриваться как результат молекулярное трение. Потери на гистерезис могут быть уменьшены до небольшого значения за счет надлежащего выбор основных материалов.

Базовые силовые трансформаторы

Льюис Лофлин

В этом разделе мы рассмотрим широкий круг тем, связанных с трансформаторами. Это будет ограничиваться в основном силовыми трансформаторами, их работой и способами их использования / тестирования. Я предполагаю, что у читателя есть базовые знания о постоянном токе и законе Ома, а также основы магнетизма. Если нужно рассмотреть эти темы, см. Следующее:

На схеме выше базовый трансформатор состоит как минимум из двух катушек с проволокой, намотанной на железный сердечник.Пульсирующее магнитное поле, создаваемое в первичной обмотке переменным током, индуцирует напряжение во вторичной обмотке, когда расширяющееся и сжимающееся магнитное поле первичной обмотки пересекает вторичную обмотку. Выходное напряжение вторичной обмотки пропорционально входному напряжению и отношению первичных обмоток (количества витков) к вторичным обмоткам.


Рисунок 1 Основные типы трансформаторов.

На рисунке 1 выше показан основной электрический символ трансформатора. Базовый трансформатор состоит как минимум из двух катушек с проволокой, намотанной на железный сердечник.Хотя есть много вариантов, перечисленных выше:

T1: разделительный трансформатор «один к одному». Напряжение на входе такое же, как на выходе. Они используются для изоляции «горячей» стороны линии электропередачи от пользователя на вторичной стороне. Фактически, за исключением автотрансформаторов, это свойство всех трансформаторов — электрическая изоляция между первичной и вторичной обмотками.

T2: базовый понижающий трансформатор. Количество обмоток в первичной обмотке больше, чем количество обмоток во вторичной обмотке, что дает более низкое выходное напряжение, чем входное.Понижающее напряжение основано на соотношении первичных обмоток и вторичных обмоток.

T3: базовый повышающий трансформатор. Количество обмоток в первичной обмотке меньше, чем во вторичной. Повышающее напряжение основано на соотношении первичных обмоток и вторичных обмоток.

T4: трансформатор с центральным отводом вторичной обмотки. Напряжение, измеренное от центрального отвода к любому концу, должно быть одинаковым.

T5: трансформатор с отводом по центру первичной и вторичной обмоток.

T6: понижающий трансформатор с отводом вторичной обмотки. Так устроен обычный «полюсный трансформатор», питающий дом.

T7: трансформатор с несколькими вторичными обмотками. Отдельные обмотки могут иметь любую комбинацию повышающей или понижающей.


Рисунок 2

Напряжение и ток в силовых трансформаторах

На рисунке показан теоретический трансформатор с входным напряжением 120 В переменного тока и выходным напряжением 20 В переменного тока на один ампер (I).Допустим, резистор R1 составляет 20 Ом. Какой ток будет протекать через предохранитель F1? В данном случае соотношение обмоток 120: 20 = 6: 1.

Для решения подобных проблем я использую формулу «мощность равна выходной мощности». (Я расскажу о потерях в ближайшее время.) Во вторичном резисторе R1 составляет 20 Ом (R) и 20 В (E), поэтому E / R = I; 20/20 = 1 ампер. Мощность = E * I = 20 * 1 = 20 Вт. Итак, в этой задаче вторичный потребляет 20 Вт, поэтому первичный должен обеспечивать 20 Вт. В приведенном выше примере 1 ампер протекает через амперметр 2.

В первичной обмотке мы знаем, что входное напряжение (E) составляет 120 вольт, а подаваемая мощность (P) — 20 ватт. Чтобы найти ток (I), мы используем формулу P / E = 20/120 = 0,167 ампер или 167 мА. Это также ток через амперметр 1 и предохранитель, поэтому для безопасности мы должны использовать предохранитель не более стандартного предохранителя на 1/4 ампера.

Это, кажется, сбивает с толку многих студентов, что такой небольшой ток при гораздо более высоком напряжении может быть таким же уровнем мощности, как и большой ток при низком напряжении. Мы говорим о мощности как о произведении тока и напряжения, а не только о напряжении или токе.


Трансформатор с многослойным сердечником, показывающий
кромок пластин в верхней части рисунка.

Является ли первичный источник питания всего лишь 20 Вт для передачи 20 Вт на нагрузку? Нет, скорее всего 23 Вт. В самом трансформаторе есть потери, по крайней мере, несколько ватт в этой простой схеме. Существует три основных типа потерь мощности в трансформаторах:

Гистерезис: сопротивление изменению магнитных полей в магнитном материале. Другими словами, железный сердечник трансформатора противостоит изменению магнитных полей, вызванному переменным током.Молекулы железа сопротивляются изгибу, вызванному магнитным полем, выделяющим отходящее тепло.

Вихревые токи: небольшой ток, индуцируемый в железном сердечнике трансформатора. Сердечник трансформатора часто состоит не из прочного железа / стали, а из ламинированных листов, соединенных вместе. Я не буду вдаваться в подробности о нескольких других типах магнитных потерь.

Потери в меди: нагрев, вызванный сопротивлением медной проволоки в обмотках. Термин применяется независимо от того, сделаны ли обмотки из меди или другого проводника, например алюминия.Следовательно, термин «потери в обмотке» часто является предпочтительным.

Потери меди возникают из-за джоулева нагрева, поэтому их также называют «квадратичными потерями R» в соответствии с Первым законом Джоуля. Это означает, что энергия, теряемая каждую секунду, или мощность, увеличивается пропорционально квадрату тока через обмотки и пропорционально электрическому сопротивлению проводников.

Потери в меди = I * I * R, где I — ток, протекающий в проводнике, а R — сопротивление проводника. Если I в амперах, а R в омах, расчетная потеря мощности выражается в ваттах.

Чем больше ток в проводе, тем выше потери из-за тепла. Кроме того, сопротивление медной проволоки (и большинства металлов) увеличивается с температурой. Используя рисунок 2 в качестве примера с одним ампером, мы действительно имеем потери в проводе, но тот же провод при двух амперах будет производить в четыре раза больше потерь (в виде тепла), чем на один ампер!

Сопротивление меди напрямую зависит от диаметра (калибра) провода и его длины. Например, провод AWG 28 имеет сопротивление 64.9 Ом на 1000 футов провода и диаметром 0,013 дюйма. AWG 12 калибра имеет сопротивление 1,588 Ом на 1000 футов и диаметр провода 0,081 дюйма. Он используется в домашней проводке и может выдерживать 41 ампер, в то время как AWG 28 может выдерживать только 1,4 ампера.

Примечание: чем выше номер AWG, тем тоньше провод. Другими словами, AWG 28 может пропускать ток, достаточный для безопасной работы лампочки мощностью 150 Вт, в то время как AWG 12 может проводить ток для безопасной эксплуатации большой микроволновой печи или электрического обогревателя на 3600 Вт.

Глядя на наш трансформатор выше на рисунке 2, мы имеем первичный ток 0,167 ампер и вторичный ток 1 ампер. Очевидно, что мы можем использовать провод меньшего диаметра в первичной обмотке, чем во вторичной. При проектировании трансформатора калибры проводов, используемых в первичной и вторичной обмотках, часто бывают как можно более тонкими, чтобы снизить стоимость при пропускании указанного тока. Но более тонкий провод имеет большее сопротивление, чем более толстый. Это необходимо учитывать при выборе трансформатора.

Давайте поспорим, наш трансформатор на рисунке 2 измеряет 50 Ом в первичной обмотке и 2 Ом во вторичной. Сколько мощности будет потеряно из-за потерь в меди?

Для первичного: I * I * R = 0,167 * 0,167 * 50 = 1,39 Вт.

Для вторичной обмотки: I * I * R = 1 * 1 * 2 = 2 Вт.

Суммарные потери в ваттах из-за потерь в меди = 3,39 Вт плюс около 2 Вт различных магнитных потерь. С трансформатором на 20 Вт это значительные потери — почти 22%. Использование проволоки большего сечения (по более высокой цене) для уменьшения этого нагрева жизненно важно.В действительности хороший трансформатор часто имеет КПД более 95%.

Подводя итог, калибр провода напрямую связан с допустимой нагрузкой по току. Напряжение зависит от качества электрической изоляции. Мощность — это произведение напряжения и тока. Если мы передаем мощность с более высоким напряжением, но с меньшим током, мы можем доставить мощность с меньшими затратами, используя провод меньшего сечения. Давайте рассмотрим это подробнее.

В заключение, эти показания могут быть неточными как таковые. Трансформаторы — это индуктивные устройства, в которых индуктивное реактивное сопротивление искажает показания переменного тока.


Трансформаторы для питания дома

Без использования трансформаторов современная электроэнергия была бы невозможна или намного дороже. Здесь я рассмотрю современный дом и то, как используются трансформаторы. (Приведенные ниже примеры могут не соответствовать местным кодам и являются только примерами.)

Опять же, мощность — это произведение напряжения и тока. (E * I) Современное домашнее электроснабжение составляет 200 ампер при 240 вольт. (Взгляните на домашнюю коробку выключателя.) При использовании воздушной линии для проводки от погодозависимой головки, где энергокомпания подключается к дому, до самой коробки выключателя часто используется провод AWG 00.

Если медь, то она может выдерживать 283 ампера свободного воздуха, этого достаточно для работы на 200 ампер. Но это очень дорогой провод диаметром 0,365 дюйма и весом 403 фунта на 1000 футов. Миля этого провода будет весить более одной тонны, и это всего лишь для одной сети на 200 ампер в одном доме. Алюминиевый провод дешевле, но он должен быть большего диаметра, чтобы пропускать ток, равный медному. Стоимость здесь с обоими будет непомерно высокой.

Решение — использование трансформаторов. Когда генерируется энергия, напряжение повышается до напряжения передачи до 400 000 вольт на большие расстояния.Можно использовать провод гораздо меньшего диаметра (а значит, и более дешевый и легкий) для подачи питания на местную подстанцию. Здесь высокое напряжение понижается до напряжения распределения 7200 вольт для домов и предприятий.

На рисунке выше показан типичный однофазный полюсный трансформатор. В верхней части полюса находится напряжение распределения 7200 вольт, а используемое выходное напряжение — 240 вольт. Дом на 200 ампер может потреблять 48 000 ВА (E * I) или 48 кВА. Трансформатор на 150 кВА может обслуживать три дома или легко подавать 600 ампер на три дома.Это будут очень короткие отрезки провода по трем разным токопроводящим путям.

Даже 1000 футов AWG 00 ​​имеют 0,0799 Ом, поэтому, скажем, 100 футов при 200 А приведут к небольшим потерям мощности. Скорее всего, для такого короткого пробега они будут использовать, скажем, AWG 10 при 1,2 Ом на 1000 футов. 1000 футов AWG 10 весит около 30 фунтов.

Обратите внимание на то, что на рисунке выше провод высокого напряжения в верхней части полюса тоньше, чем вторичная сторона, идущая к трем домам. Провода какого калибра я могу использовать для передачи 7200 вольт для питания полюсного трансформатора? Для подачи 150 кВА при 7200 вольт верхние проводники должны выдерживать около 21 ампер.Это может быть выполнено с помощью AWG 14 диаметром 0,064 дюйма с сопротивлением 2,5 Ом на 1000 футов. Общий вес 1000 футов проволоки составляет менее 13 фунтов. (Я предполагаю за вычетом веса изоляции.) Таким образом, из 150 000 ватт мы потеряем около 52 ватт из-за потерь в меди на 1000 футов провода.

Наконец, трансформатор имеет коэффициент трансформации 7200: 240 = 30: 1.

CONDUCTORS — прикладное промышленное электричество

К настоящему времени вы должны быть хорошо осведомлены о взаимосвязи между электропроводностью и некоторыми типами материалов.Материалы, обеспечивающие легкий проход свободных электронов, называются проводниками , а материалы, препятствующие прохождению свободных электронов, называются изоляторами .

К сожалению, научные теории, объясняющие, почему одни материалы проводят, а другие нет, довольно сложны и основаны на квантово-механических объяснениях того, как электроны располагаются вокруг ядер атомов. В отличие от хорошо известной «планетарной» модели электронов, вращающихся вокруг ядра атома в виде четко определенных кусков материи по круговым или эллиптическим орбитам, электроны на «орбите» на самом деле вообще не действуют как кусочки материи.Скорее, они демонстрируют характеристики как частицы, так и волны, их поведение ограничивается размещением в отдельных зонах вокруг ядра, называемых «оболочками» и «подоболочками». Электроны могут занимать эти зоны только в ограниченном диапазоне энергий в зависимости от конкретной зоны и того, насколько эта зона занята другими электронами. Если бы электроны действительно действовали как крошечные планеты, удерживаемые на орбите вокруг ядра за счет электростатического притяжения, их действия описывались бы теми же законами, что и движения реальных планет, не могло бы быть реального различия между проводниками и изоляторами, и химические связи между атомами не могли бы быть существуют так, как они есть сейчас.Именно дискретная, «количественная» природа энергии и расположения электронов, описываемая квантовой физикой, придает этим явлениям их регулярность.

Атом в возбужденном состоянии

Когда электрон может свободно принимать более высокие энергетические состояния вокруг ядра атома (из-за его размещения в определенной «оболочке»), он может свободно отрываться от атома и составлять часть электрического тока, протекающего через вещество.

Основной атом

Однако, если квантовые ограничения, наложенные на электрон, лишают его этой свободы, электрон считается «связанным» и не может оторваться (по крайней мере, нелегко), чтобы образовать ток.Первый сценарий типичен для проводящих материалов, а второй — для изоляционных материалов.

Некоторые учебники скажут вам, что электропроводность элемента определяется исключительно количеством электронов, находящихся во внешней «оболочке» атомов (называемой валентной оболочкой ), но это чрезмерное упрощение, поскольку любое исследование проводимости по сравнению с валентностью электроны в таблице элементов подтвердят. Истинная сложность ситуации раскрывается далее при рассмотрении проводимости молекул (совокупностей атомов, связанных друг с другом электронной активностью).

Хорошим примером этого является элемент углерода, который состоит из материалов с сильно различающейся проводимостью: графита и алмаза . Графит — хороший проводник электричества, а алмаз — практически изолятор (что еще более странно, технически он классифицируется как полупроводник , который в чистом виде действует как изолятор, но может проводить при высоких температурах и / или воздействии примеси). И графит, и алмаз состоят из атомов одного и того же типа: углерода с 6 протонами, 6 нейтронами и 6 электронами каждый.Принципиальное различие между графитом и алмазом состоит в том, что молекулы графита представляют собой плоские группы атомов углерода, а молекулы алмаза представляют собой тетраэдрические (пирамидальные) группы атомов углерода.

Преднамеренное введение примесей в собственный полупроводник с целью изменения его электрических, оптических и структурных свойств называется легированием . Если атомы углерода присоединяются к другим типам атомов с образованием соединений, электрическая проводимость снова изменяется.Карбид кремния, соединение элементов кремния и углерода, демонстрирует нелинейное поведение: его электрическое сопротивление уменьшается с увеличением приложенного напряжения! Углеводородные соединения (например, молекулы масел), как правило, очень хорошие изоляторы. Как видите, простой подсчет валентных электронов в атоме — плохой индикатор электропроводности вещества.

Все металлические элементы являются хорошими проводниками электричества благодаря способу связи атомов друг с другом.Электроны атомов, составляющих массу металла, настолько раскованы в своих допустимых энергетических состояниях, что свободно перемещаются между различными ядрами в веществе, легко мотивируемые любым электрическим полем. Фактически, электроны настолько подвижны, что иногда ученые описывают их как электронный газ или даже море электронов , в котором покоятся атомные ядра. Эта подвижность электронов объясняет некоторые из других общих свойств металлов: хорошую теплопроводность, пластичность и пластичность (легко формуются в различные формы) и блестящую поверхность в чистом виде.

К счастью, физика, лежащая в основе всего этого, в основном не имеет отношения к нашим целям. Достаточно сказать, что некоторые материалы являются хорошими проводниками, некоторые — плохими проводниками, а некоторые находятся посередине. На данный момент достаточно просто понять, что эти различия определяются конфигурацией электронов вокруг составляющих атомов материала.

Важным шагом на пути к тому, чтобы электричество соответствовало нашим требованиям, является возможность прокладывать пути для прохождения тока с контролируемым сопротивлением.Также жизненно важно, чтобы мы могли предотвратить протекание тока там, где мы этого не хотим, с помощью изоляционных материалов. Однако не все проводники и изоляторы одинаковы. Нам необходимо понимать некоторые характеристики обычных проводников и изоляторов и уметь применять эти характеристики в конкретных приложениях.

Почти все проводники обладают определенным измеримым сопротивлением (особые типы материалов, называемые сверхпроводниками , не обладают абсолютно никаким электрическим сопротивлением, но это не обычные материалы, и они должны храниться в особых условиях, чтобы быть сверхпроводящими).Обычно мы предполагаем, что сопротивление проводников в цепи равно нулю, и ожидаем, что ток проходит через них, не вызывая заметного падения напряжения. В действительности, однако, почти всегда будет падение напряжения вдоль (нормальных) проводящих путей электрической цепи, хотим мы, чтобы там было падение напряжения или нет:

Рисунок 11.1

Чтобы рассчитать, какими будут эти падения напряжения в любой конкретной цепи, мы должны уметь определять сопротивление обычного провода, зная размер и диаметр провода.В некоторых из следующих разделов этой главы будут рассмотрены подробности этого.

  • Электропроводность материала определяется конфигурацией электронов в атомах и молекулах этого материала (группы связанных атомов).
  • Все обычные проводники в той или иной степени обладают сопротивлением.
  • Ток, протекающий по проводнику с (любым) сопротивлением, вызовет некоторое падение напряжения по длине этого проводника.

Это должно быть здравым смыслом, что жидкость течет по трубам большого диаметра легче, чем по трубам малого диаметра (если вам нужна практическая иллюстрация, попробуйте пить жидкость через соломинку разного диаметра).Тот же общий принцип действует для потока электронов через проводники: чем шире площадь поперечного сечения (толщина) проводника, тем больше места для протекания электронов и, следовательно, тем легче возникает поток (меньшее сопротивление). .

Два основных вида электрического провода: одножильный и многожильный

Электрический провод обычно имеет круглое поперечное сечение (хотя есть некоторые уникальные исключения из этого правила) и бывает двух основных разновидностей: , , одножильный, и многожильный, , . Сплошной медный провод звучит так, как звучит: одна сплошная медная жила по всей длине провода. Многожильный провод состоит из более мелких жил сплошного медного провода, скрученных вместе в один провод большего размера. Самым большим преимуществом многожильного провода является его механическая гибкость, способность выдерживать многократные изгибы и скручивания намного лучше, чем сплошная медь (которая со временем склонна к усталости и ломается).

Размер провода можно измерить несколькими способами.Мы могли бы говорить о диаметре провода, но поскольку на самом деле площадь поперечного сечения имеет наибольшее значение для потока электронов, нам лучше определять размер провода в терминах площади. 2 [/ латекс]

[латекс] = (3.2 [/ латекс]

Расчет круглого сечения провода в миле

Однако электрики и другие лица, часто озабоченные размером провода, используют другую единицу измерения площади, специально разработанную для круглого сечения провода. Эта специальная единица называется круговых мил (иногда сокращенно см ). Единственная цель наличия этой специальной единицы измерения — избавить от необходимости использовать множитель π (3,1415927.2 [/ латекс]

Поскольку это единица измерения площади , математическая степень 2 все еще действует (удвоение ширины круга всегда будет в четыре раза увеличивать его площадь, независимо от того, какие единицы используются, или если ширина этого круга выражается в единицах радиуса или диаметра). Чтобы проиллюстрировать разницу между измерениями в квадратных милях и измерениями в круглых милах, я сравню круг с квадратом, показывая площадь каждой формы в обеих единицах измерения:

Рисунок 11.4

А для провода другого размера:

Рисунок 11.5

Очевидно, круг заданного диаметра имеет меньшую площадь поперечного сечения, чем квадрат ширины и высоты, равный диаметру круга: обе единицы измерения площади отражают это. Однако должно быть ясно, что единица «квадратный мил» действительно предназначена для удобного определения площади квадрата, в то время как «круговой мил» адаптирован для удобного определения площади круга: соответствующую формулу для каждого проще работать с.Следует понимать, что обе единицы действительны для измерения площади формы, независимо от того, какой формы она может быть. Преобразование между круговыми милами и квадратными милами представляет собой простое соотношение: на каждые 4 круговых мила приходится π (3,1415927 …) квадратных милов.

Измерение площади поперечного сечения провода с помощью калибра

Еще одним средством измерения площади поперечного сечения провода является калибр . Шкала датчика основана на целых числах, а не на дробных или десятичных дюймах. Чем больше номер калибра, тем тоньше провод; чем меньше номер калибра, тем толще проволока.Для тех, кто знаком с ружьями, эта обратно пропорциональная шкала измерения должна показаться знакомой.

Таблица в конце этого раздела приравнивает калибр к диаметру в дюймах, круглые милы и квадратные дюймы для сплошной проволоки. Провода большего диаметра достигают конца общей шкалы калибра (которая, естественно, достигает максимума, равного 1), и представлены серией нулей. «3/0» — это еще один способ обозначения «000», который произносится как «тройной дол». Опять же, тем, кто знаком с ружьями, следует признать терминологию, как бы странно это ни звучало.Что еще больше усложняет ситуацию, в мире существует более одного «стандарта» калибра. Для определения размеров электрических проводов предпочтительной системой измерения является калибр American Wire Gauge (AWG), также известный как калибр Brown и Sharpe (B&S). В Канаде и Великобритании Британский стандартный калибр проводов (SWG) является официальной системой измерения электрических проводов. В мире существуют и другие системы калибровки проволоки для классификации диаметра проволоки, такие как калибр для стальной проволоки Stubs и калибр Steel Music Wire Gauge (MWG), но эти системы измерения применимы к неэлектрическим проводам.

Система измерения American Wire Gauge (AWG), несмотря на ее странности, была разработана с целью: на каждые три шага на шкале калибра площадь провода (и вес на единицу длины) примерно удваивается. Это удобное правило, которое следует помнить при приблизительной оценке диаметра проволоки!

Для очень проводов большого диаметра (толще 4/0) обычно отказываются от системы калибровки проволоки для измерения площади поперечного сечения в тысячах круглых мил (MCM), заимствуя старую римскую цифру «M» для обозначения кратного от «тысячи» перед «CM» для «круговых мил.В следующей таблице размеров проводов не указаны размеры, превышающие калибр 4/0, потому что сплошная медная проволока становится непрактичной для работы с такими размерами. Вместо этого отдается предпочтение многопроволочной конструкции.

Таблица проводов для твердых, круглых медных проводников

Размер Диаметр Площадь поперечного сечения Вес
AWG дюймов Cir. мил кв.в дюймах фунтов / 1000 футов
4/0 0,4600 211 600 0,1662 640,5
3/0 0,4096 167 800 0,1318 507,9
2/0 0,3648 133,100 0,1045 402,8
1/0 0,3249 105 500 0,08289 319,5
1 0.2893 83 690 0,06573 253,5
2 0,2576 66,370 0,05213 200,9
3 0,2294 52 630 0,04134 159,3
4 0,2043 41740 0,03278 126,4
5 0,1819 33 100 0,02600 100.2
6 0,1620 26 250 0,02062 79,46
7 0,1443 20 820 0,01635 63,02
8 0,1285 16 510 0,01297 49,97
9 0,1144 13 090 0,01028 39,63
10 0.1019 10,380 0,008155 31,43
11 0,09074 8 234 0,006467 24,92
12 0,08081 6 530 0,005129 19,77
13 0,07196 5 178 0,004067 15,68
14 0,06408 4,107 0.003225 12,43
15 0,05707 3 257 0,002558 9,858
16 0,05082 2,583 0,002028 7,818
17 0,04526 2,048 0,001609 6.200
18 0,04030 1,624 0,001276 4,917
19 0.03589 1,288 0,001012 3,899
20 0,03196 1 022 90 3 18 0,0008023 3,092
21 0,02846 810,1 0,0006363 2.452
22 0,02535 642,5 0,0005046 1,945
23 0,02257 509,5 0.0004001 1,542
24 0,02010 404,0 0,0003173 1,233
25 0,01790 320,4 0,0002517 0,9699
26 0,01594 254,1 0,0001996 0,7692
27 0,01420 201,5 0,0001583 0,6100
28 0.01264 159,8 0,0001255 0,4837
29 0,01126 126,7 0,00009954 0,3836
30 0,01003 100,5 0,00007894 0,3042
31 0,008928 79,70 0,00006260 0,2413
32 0,007950 63,21 0.00004964 0,1913
33 0,007080 50,13 0,00003937 0,1517
34 0,006305 39,75 0,00003122 0,1203
35 0,005615 31,52 0,00002476 0,09542
36 0,005000 25,00 0,00001963 0.07567
37 0,004453 19,83 0,00001557 0,06001
38 0,003965 15,72 0,00001235 0,04759
39 0,003531 12,47 0,000009793 0,03774
40 0,003145 9,888 0,000007766 0,02993
41 0.002800 7,842 0,000006159 0,02374
42 0,002494 6,219 0,000004884 0,01882
43 0,002221 4,932 0,000003873 0,01493

Для некоторых сильноточных приложений требуются провода сечением, превышающим практический предел размера круглого провода. В этих случаях в качестве проводников используются толстые шины из цельного металла, называемые шинами .Шины обычно изготавливаются из меди или алюминия и чаще всего неизолированы. Они физически поддерживаются вдали от каркаса или конструкции, удерживающей их, с помощью опор изолятора. Хотя квадратное или прямоугольное поперечное сечение очень распространено для формы шин, используются также и другие формы. Площадь поперечного сечения шин обычно измеряется в круглых милах (даже для квадратных и прямоугольных шин!), Скорее всего, для удобства возможности напрямую приравнять размер шины к круглому проводу.

  • Ток течет по проводам большого диаметра легче, чем по проводам малого диаметра, из-за большей площади поперечного сечения, по которой они могут двигаться.
  • Вместо того, чтобы измерять небольшие размеры проволоки в дюймах, часто используется единица измерения «мил» (1/1000 дюйма).
  • Площадь поперечного сечения провода может быть выражена в квадратных единицах (квадратные дюймы или квадратные милы), круговые милы или «калибровочная» шкала.
  • При вычислении площади квадратной единицы для круглого провода используется формула площади круга:
  • A = πr 2 (квадратные единицы)
  • Расчет площади круглой проволоки в миле для круглой проволоки намного проще из-за того, что единица измерения «круговой мил» была выбрана именно для этой цели: чтобы исключить факторы «пи» и d / 2 (радиус) в формула.
  • A = d 2 (круглые единицы)
  • На каждые 4 круговых мил приходится π (3,1416) квадратных милов.
  • Система калибровки проводов калибра основана на целых числах, большие числа представляют провода меньшего сечения и наоборот. Провода толщиной более 1 калибра обозначаются нулями: 0, 00, 000 и 0000 (произносятся «одинарная», «двойная», «тройная» и «четверная».
  • Очень большие сечения проводов измеряются в тысячах круглых милов (MCM), что типично для шин и проводов сечением выше 4/0.
  • Шины — это сплошные шины из меди или алюминия, используемые в конструкции сильноточных цепей. Соединения, выполняемые с шинами, обычно являются сварными или болтовыми, а шины часто голые (неизолированные) и поддерживаются вдали от металлических каркасов за счет использования изолирующих стоек.

Чем меньше площадь поперечного сечения любого данного провода, тем больше сопротивление для любой данной длины при прочих равных условиях. Провод с большим сопротивлением будет рассеивать большее количество тепловой энергии при любом заданном значении тока, мощность равна P = I 2 R.

Рассеиваемая мощность из-за сопротивления проводника проявляется в виде тепла, и чрезмерное тепло может повредить провод (не говоря уже об объектах рядом с проводом), особенно с учетом того факта, что большинство проводов изолированы с помощью пластиковое или резиновое покрытие, которое может плавиться и гореть. Таким образом, тонкие провода будут выдерживать меньший ток, чем толстые, при прочих равных условиях. Предел пропускной способности проводника известен как его допустимая нагрузка .

В первую очередь из соображений безопасности определенные стандарты для электропроводки были установлены в США и указаны в Национальном электротехническом кодексе (NEC) . В типичных таблицах допустимой токовой нагрузки проводов NEC указаны допустимые максимальные токи для различных размеров и применений проводов. Хотя точка плавления меди теоретически накладывает ограничение на допустимую нагрузку на провод, материалы, обычно используемые для изоляции проводов, плавятся при температурах намного ниже точки плавления меди, и поэтому практические значения допустимой нагрузки основаны на тепловых пределах изоляции . .Падение напряжения в результате чрезмерного сопротивления проводов также является фактором при выборе размеров проводников для их использования в цепях, но это соображение лучше оценивать с помощью более сложных средств (которые мы рассмотрим в этой главе). Таблица, полученная из списка NEC, показана, например:

Таблица 11.2 Сенсорность медных проводников на открытом воздухе при 30 градусах Цельсия

Изоляция: RUW, Т THW, THWN FEP, FEPB
Тип: TW RUH THHN, XHHW
Размер Текущий рейтинг Текущий рейтинг Текущий рейтинг
AWG при 60 градусах Цельсия при 75 градусах Цельсия при 90 градусах Цельсия
20 * 9– * 12.5
19 * 13– 18
16 * 18– 24
14 25 30 35
12 30 35 40
10 40 50 55
8 60 70 80
6 80 95 105
4 105 125 140
2 140 170 190
1 165 195 220
1/0 195 230 260
2/0 225 265 300
3/0 260 310 350
4/0 300 360 405

* = оценочные значения; как правило, провода малого диаметра не производятся с изоляцией такого типа

Обратите внимание на существенные различия в допустимой нагрузке между проводами одинакового сечения с разными типами изоляции.Это связано, опять же, с тепловыми пределами (60 °, 75 °, 90 °) каждого типа изоляционного материала.

Эти значения допустимой нагрузки даны для медных проводов в «свободном воздухе» (максимальная типичная циркуляция воздуха), в отличие от проводов, помещенных в кабелепровод или кабельные лотки. Как вы заметите, в таблице не указаны значения силы тока для проводов малого диаметра. Это связано с тем, что NEC занимается в первую очередь силовой проводкой (большие токи, большие провода), а не проводами, обычными для слаботочных электронных устройств.

Последовательности букв, используемые для обозначения типов проводников, имеют значение, и эти буквы обычно относятся к свойствам изолирующего слоя (слоев) проводника. Некоторые из этих букв символизируют индивидуальные свойства провода, а другие — просто аббревиатуры. Например, буква «Т» сама по себе означает «термопластик» в качестве изоляционного материала, как в «TW» или «THHN». Однако трехбуквенная комбинация «MTW» является аббревиатурой для Machine Tool Wire , типа провода, изоляция которого сделана так, чтобы быть гибкой для использования в машинах, испытывающих значительные движения или вибрацию.

Изоляционный материал

  • C = Хлопок
  • FEP = фторированный этиленпропилен
  • MI = минерал (оксид магния)
  • PFA = перфторалкокси
  • R = резина (иногда неопрен)
  • S = силиконовая «резина»
  • SA = силикон-асбест
  • T = термопласт
  • TA = Термопласт-асбест
  • TFE = политетрафторэтилен («тефлон»)
  • X = сшитый синтетический полимер
  • Z = модифицированный этилентетрафторэтилен

Тепловая нагрузка

  • H = 75 градусов Цельсия
  • HH = 90 градусов Цельсия

Наружное покрытие («Оболочка»)

Особые условия обслуживания

  • U = Подземный
  • Вт = мокрый
  • -2 = 90 градусов Цельсия и влажный

Таким образом, проводник «THWN» имеет изоляцию из термопласта T , устойчив к потреблению пищи H при температуре 75 ° C, рассчитан на Вт, и другие условия и поставляется с внешней оболочкой из илона N .

Подобные буквенные коды используются только для проводов общего назначения, например, используемых в домашних условиях и на предприятиях. Для приложений с большой мощностью и / или тяжелых условий эксплуатации сложность технологии проводов не поддается классификации по нескольким буквенным кодам. Проводники воздушных линий электропередачи обычно изготавливаются из чистого металла и подвешиваются к опорам с помощью стеклянных, фарфоровых или керамических опор, известных как изоляторы. Даже в этом случае фактическая конструкция провода, способного выдерживать физические нагрузки, как статические (собственный вес), так и динамические (ветер) нагрузки, может быть сложной, с несколькими слоями и разными типами металлов, намотанными вместе, чтобы сформировать единый проводник.Большие подземные силовые провода иногда изолируются бумагой, а затем заключаются в стальную трубу, заполненную сжатым азотом или маслом, чтобы предотвратить проникновение воды. Такие проводники требуют вспомогательного оборудования для поддержания давления жидкости по всей трубе.

Другие изоляционные материалы находят применение в малых масштабах. Например, провод небольшого диаметра, используемый для изготовления электромагнитов (катушек, создающих магнитное поле из потока электронов), часто изолируют тонким слоем эмали.Эмаль является прекрасным изоляционным материалом и очень тонкая, что позволяет наматывать множество «витков» проволоки на небольшом пространстве.

  • Сопротивление провода создает тепло в рабочих цепях. Это тепло представляет собой потенциальную опасность возгорания.
  • Тонкие провода имеют более низкий допустимый ток («допустимую нагрузку»), чем толстые провода, из-за их большего сопротивления на единицу длины и, следовательно, большего тепловыделения на единицу тока.
  • Национальный электротехнический кодекс (NEC) определяет допустимую силу тока для силовой проводки в зависимости от допустимой температуры изоляции и применения проводов.

Расчет сопротивления проводов

Номинальная допустимая нагрузка проводника — это грубая оценка сопротивления, основанная на потенциальной опасности возникновения пожара по току. Однако мы можем столкнуться с ситуациями, когда падение напряжения, вызванное сопротивлением проводов в цепи, вызывает другие проблемы, кроме предотвращения возгорания. Например, мы можем проектировать схему, в которой напряжение на компоненте является критическим и не должно опускаться ниже определенного предела. В этом случае падение напряжения из-за сопротивления проводов может вызвать технические проблемы, будучи в пределах безопасных (пожарных) пределов допустимой нагрузки:

Если нагрузка в приведенной выше схеме не выдерживает напряжения ниже 220 В при напряжении источника 230 В, то лучше убедиться, что проводка не упадет более чем на 10 вольт по пути.Если считать как питающие, так и обратные проводники этой цепи, это оставляет максимально допустимое падение в 5 вольт по длине каждого провода. Используя закон Ома (R = E / I), мы можем определить максимально допустимое сопротивление для каждого отрезка провода:

[латекс] R = \ frac {E} {I} [/ латекс]

[латекс] = \ frac {5V} {25A} [/ латекс]

[латекс] R = 0,2 Ом [/ латекс]

Мы знаем, что длина каждого куска провода составляет 2300 футов, но как определить величину сопротивления для определенного размера и длины провода? Для этого нам понадобится другая формула:

[латекс] \ tag {11.2} \ text {R} = \ rho \ ell / \ text {A} [/ latex]

Эта формула связывает сопротивление проводника с его удельным сопротивлением (греческая буква «ро» (ρ), которая похожа на строчную букву «p»), его длиной («l») и поперечным сечением. площадь сечения («А»). Обратите внимание, что с переменной длины в верхней части дроби значение сопротивления увеличивается по мере увеличения длины (аналогия: труднее протолкнуть жидкость через длинную трубу, чем через короткую) и уменьшается по мере увеличения площади поперечного сечения ( аналогия: жидкость легче течет по толстой трубе, чем по тонкой).Удельное сопротивление является константой для типа рассчитываемого материала проводника.

Удельное сопротивление нескольких проводящих материалов можно найти в следующей таблице. Внизу таблицы мы находим медь, уступающую только серебру по низкому удельному сопротивлению (хорошей проводимости):

Таблица 11.3 Удельное сопротивление при 20 градусах Цельсия

Материал Элемент / Сплав (Ом-смил / фут) (мкОм-см)
Нихром Сплав 675 112.2
Нихром В Сплав 650 108,1
Манганин Сплав 290 48,21
Константан Сплав 272,97 45,38
Сталь * Сплав 100 16,62
Платина Элемент 63,16 10,5
Утюг Элемент 57.81 9,61
Никель Элемент 41,69 6,93
цинк Элемент 35,49 5,90
молибден Элемент 32,12 5,34
Вольфрам Элемент 31,76 5,28
Алюминий Элемент 15,94 2.650
Золото Элемент 13,32 2,214
Медь Элемент 10,09 1.678
Серебро Элемент 9,546 1,587

* = Стальной сплав с содержанием железа 99,5%, углерода 0,5%

Обратите внимание, что значения удельного сопротивления в приведенной выше таблице даны в очень странной единице «Ом-см-мил / фут» (Ом-см-мил / фут). Эта единица указывает, какие единицы мы должны использовать в формуле сопротивления ( [латекс] \ text {R} = \ rho \ ell / \ text {A} [/ latex]).В этом случае эти значения удельного сопротивления предназначены для использования, когда длина измеряется в футах, а площадь поперечного сечения измеряется в круглых милах.

Метрической единицей измерения удельного сопротивления является ом-метр (Ом-м) или ом-сантиметр (Ом-см), при этом 1,66243 x 10 -9 Ом-метров на Ом-см-мил / фут (1,66243 x 10 ). -7 Ом-см на Ом-см-дюйм). В столбце таблицы Ом-см цифры фактически масштабированы в мкОм-см из-за их очень малых величин. Например, железо указано как 9.61 мкОм-см, что можно представить как 9,61 x 10 -6 Ом-см.

При использовании единицы измерения удельного сопротивления Ом-метр в формуле [латекс] \ text {R} = \ rho \ ell / \ text {A} [/ latex] длина должна быть в метрах, а площадь — в квадратные метры. При использовании единицы Ω-сантиметр (Ω-см) в той же формуле длина должна быть в сантиметрах, а площадь — в квадратных сантиметрах.

Все эти единицы измерения удельного сопротивления действительны для любого материала (Ом-см / фут, Ом-м или Ом-см).Однако можно предпочесть использовать Ом-см-мил / фут при работе с круглым проводом, площадь поперечного сечения которого уже известна в круглых милах. И наоборот, при работе с шиной нестандартной формы или изготовленной по индивидуальному заказу шиной, вырезанной из металлической заготовки, где известны только линейные размеры длины, ширины и высоты, более подходящими могут быть единицы измерения удельного сопротивления Ом-метр или Ом-см.

Возвращаясь к нашей примерной схеме, мы искали провод с сопротивлением 0,2 Ом или меньше на длине 2300 футов.Предполагая, что мы собираемся использовать медный провод (самый распространенный тип производимого электрического провода), мы можем настроить нашу формулу следующим образом:

[латекс] R = ρ \ frac {e} {A} [/ латекс]

Решение для области (A):

[латекс] A = ρ \ frac {e} {R} [/ латекс]

[латекс] = (10,09 Ом-см / фут) (\ frac {2300feet} {0,2 Ом}) [/ латекс]

[латекс] = 116 035 см [/ латекс]

Алгебраически решая относительно A, мы получаем значение 116 035 круговых милов.Ссылаясь на нашу таблицу размеров сплошных проводов, мы обнаруживаем, что проволока «двойной длины» (2/0) с длиной 133 100 см является достаточной, в то время как следующий меньший размер, «одинарная проводка» (1/0) с длиной 105 500 см слишком мала. . Имейте в виду, что ток в нашей цепи составляет скромные 25 ампер. Согласно нашей таблице допустимой токовой нагрузки для медного провода на открытом воздухе, достаточно было бы провода калибра 14 (если речь идет о , а не о при возгорании). Однако с точки зрения падения напряжения провод 14 калибра был бы очень неприемлемым.

Ради интереса, давайте посмотрим, как провод 14 калибра повлияет на характеристики нашей силовой цепи. Глядя на нашу таблицу размеров проводов, мы обнаруживаем, что проволока калибра 14 имеет площадь поперечного сечения 4 107 круглых милов. Если мы по-прежнему используем медь в качестве материала для проволоки (хороший выбор, если только мы не на действительно богаты и не можем позволить себе 4600 футов серебряной проволоки 14-го калибра!), То наше удельное сопротивление все равно будет 10,09 Ом-см / фут. :

[латекс] R = ρ \ frac {e} {A} [/ латекс]

[латекс] = (10.09 Ом-см / фут) (\ frac {2300feet} {4107}) [/ латекс]

[латекс] = 5,651 Ом [/ латекс]

Помните, что это 5,651 Ом на 2300 футов медного провода калибра 14, и что у нас есть два участка по 2300 футов во всей цепи, поэтому каждый кусок провода в цепи имеет сопротивление 5,651 Ом:

Общее сопротивление проводов нашей схемы составляет 2 раза 5,651 или 11,301 Ом. К сожалению, это , а на слишком большое сопротивление, чтобы обеспечить ток в 25 ампер при напряжении источника 230 вольт.Даже если бы сопротивление нагрузки было 0 Ом, сопротивление нашей проводки 11,301 Ом ограничило бы ток цепи до 20,352 ампер! Как видите, «небольшое» сопротивление провода может иметь большое значение в характеристиках схемы, особенно в силовых цепях, где токи намного выше, чем обычно встречаются в электронных схемах.

Давайте рассмотрим пример проблемы сопротивления для отрезка сборной шины, изготовленной по индивидуальному заказу. Предположим, у нас есть кусок сплошного алюминиевого стержня шириной 4 см, высотой 3 см и длиной 125 см, и мы хотим рассчитать сквозное сопротивление по длине (125 см).2}) [/ латекс]

[латекс] = 27,604 мкОм [/ латекс]

Как видите, из-за большой толщины шины имеет очень низкое сопротивление по сравнению со стандартными размерами проводов, даже при использовании материала с большим удельным сопротивлением.

Процедура определения сопротивления шины принципиально не отличается от процедуры определения сопротивления круглого провода. Нам просто нужно убедиться, что площадь поперечного сечения рассчитана правильно и что все единицы соответствуют друг другу, как должны.

  • Сопротивление проводника увеличивается с увеличением длины и уменьшается с увеличением площади поперечного сечения, при прочих равных условиях.
  • Удельное сопротивление («ρ») — это свойство любого проводящего материала, показатель, используемый для определения сквозного сопротивления проводника данной длины и площади в этой формуле: R = ρl / A
  • Удельное сопротивление материалов указывается в единицах Ом-см / фут или Ом-метр (метрическая система). Коэффициент преобразования между этими двумя единицами равен 1.66243 x 10 -9 Ом-метров на Ом-см-дюйм / фут или 1,66243 x 10 -7 Ом-см на Ом-см-дюйм / фут.
  • Если падение напряжения в цепи критично, необходимо произвести точный расчет сопротивления проводов до выбора сечения проводов.

Вы могли заметить в таблице удельных сопротивлений, что все значения указаны для температуры 20 ° C. Если вы подозревали, что это означает, что удельное сопротивление материала может изменяться с температурой, вы были правы!

Значения сопротивления для проводников при любой температуре, отличной от стандартной (обычно указываемой на уровне 20 Цельсия) в таблице удельного сопротивления, должны определяться по еще одной формуле:

[латекс] R = R_ {ref} [1 + α (T-T_ {ref})] \ tag {11.3} [/ латекс]

Где,

[латекс] R = \ text {Сопротивление проводимости при температуре «T»} [/ латекс]

[латекс] R_ {ref} = \ text {Сопротивление проводимости при эталонной температуре} [/ латекс]

[латекс] T_ {ref} = \ text {обычно} 20 ° C \ text {, но иногда} 0 ° C [/ латекс]

[латекс] α = \ text {Температурный коэффициент сопротивления материала проводника} [/ латекс]

[латекс] \ text {T = Температура проводника в градусах Цельсия} [/ латекс]

[латекс] T_ {ref} = \ text {Эталонная температура, при которой указана α для проводника} [/ латекс]

Константа «альфа» (α) известна как температурный коэффициент сопротивления и символизирует коэффициент изменения сопротивления на градус изменения температуры.Так же, как все материалы имеют определенное удельное сопротивление (при 20 ° C), они также изменяют сопротивление в зависимости от температуры на определенную величину. Для чистых металлов этот коэффициент является положительным числом, что означает, что сопротивление увеличивается на с повышением температуры. Для элементов углерода, кремния и германия этот коэффициент является отрицательным числом, что означает, что сопротивление уменьшается на с повышением температуры. Для некоторых металлических сплавов температурный коэффициент сопротивления очень близок к нулю, а это означает, что сопротивление практически не изменяется при изменении температуры (хорошее свойство, если вы хотите построить прецизионный резистор из металлической проволоки!).В следующей таблице приведены температурные коэффициенты сопротивления для нескольких распространенных металлов, как чистых, так и сплавов:

Таблица 11.4 Температурные коэффициенты сопротивления при 20 градусах Цельсия

Материал Элемент / Сплав «альфа» на градус Цельсия
Никель Элемент 0,005866
Утюг Элемент 0,005671
молибден Элемент 0.004579
Вольфрам Элемент 0,004403
Алюминий Элемент 0,004308
Медь Элемент 0,004041
Серебро Элемент 0,003819
Платина Элемент 0,003729
Золото Элемент 0,003715
цинк Элемент 0.003847
Сталь * Сплав 0,003
Нихром Сплав 0,00017
Нихром В Сплав 0,00013
Манганин Сплав +/- 0,000015
Константан Сплав -0,000074

* = Стальной сплав с содержанием железа 99,5%, углерода 0,5% тыс.

Давайте посмотрим на пример схемы, чтобы увидеть, как температура может повлиять на сопротивление провода и, следовательно, на характеристики схемы:

Эта цепь имеет полное сопротивление проводов (провод 1 + провод 2) 30 Ом при стандартной температуре.Составив таблицу значений напряжения, тока и сопротивления получаем:

При 20 ° C мы получаем 12,5 В на нагрузке и всего 1,5 В (0,75 + 0,75) падаем на сопротивление провода. Если бы температура поднялась до 35 ° по Цельсию, мы могли бы легко определить изменение сопротивления для каждого отрезка провода. Предполагая использование медной проволоки (α = 0,004041), получаем:

[латекс] R = R_ {ref} [1 + α (T-T_ {ref})] [/ латекс]

[латекс] = (15 Ом) [1 + 0.004041 (35 ° -20 °)] [/ латекс]

[латекс] = 15,909 Ом [/ латекс]

Пересчитав значения нашей схемы, мы увидим, какие изменения принесет это повышение температуры:

Как видите, в результате повышения температуры напряжение на нагрузке упало (с 12,5 до 12,42 вольт), а на проводах увеличилось (с 0,75 до 0,79 вольт). Хотя изменения могут показаться незначительными, они могут быть значительными для линий электропередач, протянувшихся на несколько километров между электростанциями и подстанциями, подстанциями и нагрузками.Фактически, электроэнергетические компании часто должны учитывать изменения сопротивления линии в результате сезонных колебаний температуры при расчете допустимой нагрузки системы.

  • Большинство проводящих материалов изменяют удельное сопротивление при изменении температуры. Вот почему значения удельного сопротивления всегда указываются для стандартной температуры (обычно 20 или 25 ° C).
  • Коэффициент изменения сопротивления на градус Цельсия изменения температуры называется температурным коэффициентом сопротивления .Этот коэффициент представлен греческой строчной буквой «альфа» (α).
  • Положительный коэффициент для материала означает, что его сопротивление увеличивается с повышением температуры. Чистые металлы обычно имеют положительный температурный коэффициент сопротивления. Коэффициенты, приближающиеся к нулю, могут быть получены путем легирования некоторых металлов.
  • Отрицательный коэффициент для материала означает, что его сопротивление уменьшается с повышением температуры. Полупроводниковые материалы (углерод, кремний, германий) обычно имеют отрицательные температурные коэффициенты сопротивления.

Атомы в изоляционных материалах имеют очень плотно связанные электроны, очень хорошо сопротивляющиеся свободному потоку электронов. Однако изоляторы не могут выдерживать неопределенное количество напряжения. При достаточном напряжении любой изолирующий материал в конечном итоге поддастся электрическому «давлению», и тогда возникнет ток. Однако, в отличие от ситуации с проводниками, где ток линейно пропорционален приложенному напряжению (при фиксированном сопротивлении), ток через изолятор весьма нелинейен: при напряжениях ниже определенного порога ток практически не протекает, но если приложенное напряжение превышает это пороговое напряжение (известное как напряжение пробоя или диэлектрическая прочность ), произойдет выброс тока.

Электрическая прочность — это напряжение, необходимое для пробоя диэлектрика , то есть для проталкивания тока через изоляционный материал. После диэлектрического пробоя материал может больше не вести себя как изолятор, поскольку молекулярная структура изменилась в результате нарушения. Обычно происходит локальный «прокол» изолирующей среды, по которому при пробое протекал ток.

Толщина изоляционного материала играет роль в определении его напряжения пробоя.Удельная диэлектрическая прочность иногда указывается в вольтах на мил (1/1000 дюйма) или киловольтах на дюйм (эти две единицы эквивалентны), но на практике было обнаружено, что связь между напряжением пробоя и толщиной не является точно линейный. Изолятор в три раза толще имеет электрическую прочность чуть менее чем в три раза. Однако для приблизительной оценки допустимы значения вольт на толщину.

Материал * Диэлектрическая прочность (кВ / дюйм)
Вакуум 20
Воздух от 20 до 75
Фарфор от 40 до 200
Парафиновый воск от 200 до 300
Трансформаторное масло 400
Бакелит от 300 до 550
Резина 450 до 700
Шеллак 900
Бумага 1250
тефлон 1500
Стекло от 2000 до 3000
Слюда 5000

* = Перечисленные материалы специально подготовлены для использования с электричеством.

  • При достаточно высоком приложенном напряжении электроны могут быть освобождены от атомов изоляционных материалов, в результате чего через этот материал будет протекать ток.
  • Минимальное напряжение, необходимое для «разрушения» изолятора путем пропускания через него тока, называется напряжением пробоя или , диэлектрическая прочность .
  • Чем толще кусок изоляционного материала, тем выше напряжение пробоя при прочих равных условиях.
  • Удельная диэлектрическая прочность обычно измеряется в одной из двух эквивалентных единиц: вольт на мил или киловольт на дюйм.

% PDF-1.5 % 27 0 объект >>> эндобдж 96 0 объект > поток конечный поток эндобдж 23 0 объект > эндобдж 28 0 объект > / ExtGState> / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Rotate 0 / TrimBox [0.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *