Провод для проведения намотки трансформатора – это не то, что дилетанту в электротехнике, но и любому восьмикласснику будет понятно, один из важнейших элементов такого преобразующего энергию электротехнического оборудования.
Фундаментальность, не просто нормальной а в принципе возможной работы трансформатора напрямую зависит от типа, качества провода его конструкции и физических свойств, верного процесса его намотки и соблюдения всех регламентов. Электрический проводник обладает большим спектром характеристик, рассказ о которых будет подробно построен далее.
Основные особенности
Так как заряженные частицы при упорядоченном движении в проводнике сталкиваются с определенными силами внутреннего сопротивления материала на пути к осуществлению процессов электромагнитной индукции и трансформации напряжения электрического тока из одного класса в другой в зависимости от текущего функционала трансформатора, его обмотки, а именно провод образующих их форму, должны обладать хорошей проводимостью, иметь надежную изоляцию как между своими витками, так и с другой обмоткой и магнитопроводом устройства, наматываться строго по технологическим нормам и правилам предписанным для конкретного изделия, в ряде случаев иметь определенную форму, длину, сечение и другие подобные свойства.
Особенностей проводника в обмотках преобразователя напряжения громадное количество, но именно их исправность обеспечивает длительную нормальную работу устройств трансформации, независимо от их величины и применения. Исправность проводника в трансформаторе одинаково важна как для небольших бытовых сетевых устройств, так и для силовых электроагрегатов, питающих целые районы.
В заводских условиях, при выпуске с производства, в момент планово-предупредительных ремонтах, методиках приемо-сдаточных испытаний, осмотрах его обмоток преобразователь проходит не один десяток тестов на возможные скрытые дефекты или неполадки, и только после этого рабочий персонал выдает официальные заключения, по обследуемому оборудованию.
Бытового типа
Что касается менее серьезных по своей роли трансформирующих устройств бытового типа из современной электроники или другого оборудования, – очень часто радиолюбители, «самоделкины» берутся вести ремонт или даже личную перемотку обмоток устройства крайне легкомысленно подходя к вопросу. Без многочисленных знаний физических процессов проводников, понимания их типа, диаметра, сечения, длины, количества витков в конкретной катушке агрегата, используя подручную элементную базу в таких ремонтах все это заканчивается плачевно, как для техники в составе которой размещен трансформатор, так порой и для самих домашних ремонтников. В серьезных высоковольтных преобразователях такому деянию на практике нет места по понятным причинам.
Трансформаторы сложные электротехнические устройства от начала и до конца. Это приборы очень важные по функционалу и выходным характеристикам, плюс сюда добавляется и повышенная опасность для человека. А проводник на его катушке – это сердцевина оборудования. Он участвует, отвечает за главный процесс трансформации энергии на протяжении всей работы преобразователя.
Чтобы быть готовым к возможным потенциальным неисправностям в обмоточном секторе энерго агрегата, его проводники проходят тщательный подбор, расчёт и тесты, исходя из энерго систем, в ансамбле которых планируется устанавливаться весь передающий узел. Эти мероприятия проводят еще на заводе производителе. Те же знания, действия и анализ обмоточной проводки используют на этапах текущей эксплуатации.
Все проводники, применяемые в обмотках любых трансформаторов, имеют свою классификацию по спектру свойств и качеств, исходя из реальных нужд. О ней и дальше – рассказывает следующая глава статьи.
Подготовка к намотке
Первым делом необходимо произвести правильный расчет трансформатора. Следует вычислить нагрузку на трансформатор. Она вычисляется суммированием всех подключенных устройств (двигателей, передатчиков и т.д.), которые будут запитаны от трансформатора. Например, на радиостанции имеется 3 канала с мощностью 15, 10 и 15 Ватт. Суммарная мощность будет равна 15+10+15 = 40 Ватт. Далее берут поправку на КПД схемы. Так большинство передатчиков имеют КПД около 70% (точнее будет в описании конкретной схемы), поэтому такой объект следует запитать не 40 Вт, а 40/0,7 = 57,15 Вт. Стоит отметить, что и трансформатор имеет свой КПД. Обычно КПД трансформатора составляет 95-97 %, однако следует взять поправку на самоделку и принять КПД равном 85-90% (выбирается самостоятельно). Таким образом, требуемая мощность увеличивается: 57,15/0,9 = 63,5 Вт. Стандартно трансформаторы такой мощности весят около 1,2-1,5 кг.
Далее определяются с входными и выходными напряжениями. Для примера возьмем понижающий трансформатор с напряжениями 220 В входное и 12 В выходное, частота стандартная (50 Гц). Определяют количество витков. Так, на одной обмотке их количество равно 220*0,73 = 161 виток (округляется в большую сторону до целого числа), а на нижней 12*0,73 = 9 витков.
После определения количества витков приступают к определению диаметра провода. Для этого необходимо знать протекающий ток и плотность тока. Для установок до 1 кВт плотность тока выбирают в пределах 1,5 – 3 А/мм 2 , сам ток примерно рассчитывают, исходя из мощности. Так, максимальный ток для выбранного примера будет составлять около 0,5-1,5 А. Поскольку трансформатор будет работать максимум со 100Вт нагрузки с естественным воздушным охлаждением, то плотность тока принимаем равной около 2 А/мм 2 . Исходя из этих данных, определяем сечение провода 1/2 = 0,5 мм 2 . В принципе сечения достаточно для выбора проводника, однако иногда требуется и диаметр. Поскольку сечение находится по формуле pd 2 /2, то диаметр равен корню из 2*0,5/3,14 = 0,56 мм.
Таким же образом находят сечение и диаметр второй обмотки (или, если их больше, то всех остальных).
Классификация
Как раз само видовое различие части электротехнического устройства в свою очередь делится внутри себя на элементы, грубо сказать относящиеся к электрическим (полезной работе) параметрам оборудования, и второй подвид, отвечающий за безопасность и степень его безаварийной длительной работе.
По материалу проводника
Для проводников в обмотках трансформаторах напряжения в рамках электрических параметров эффективности, исходя из физики процессов внутренних сопротивлений проводником базово используют цветные металлы рудного типа. Их удельные сопротивления, токовая проводимость, магнитные характеристики, доступность и ценовая политика наиболее близко подходят к преобразователям и в целом для электрической проводки, если не учитывать последний из них.
Медные
В связи с своими отличными, значительно большими свойствами электропроводимости, по сравнению с другими электротехническими материалами, получило широкое распространение в использовании в качестве обмоточных проводников различной геометрии.
Медные провода обладают повышенной гибкостью и износостойкостью.
Тем не менее, в последнее время, есть ряд факторов подтверждающих замену медных проводников на более дешевые в связи с экономической составляющей.
Алюминиевые
Когда электрические свойства меди не были так широко исследованы научными методами, обмотки трансформаторов, линии электропередач выполнялись преимущественно из алюминия. Этот цветной металл по номинальному значению удельного сопротивления стоит на втором месте после меди, и вполне может заменить ее на обмотке трансформатора.
Однако, где необходимы большие мощности электротехнических устройств, без роста геометрических размеров обмоточных проводов все-таки используется медь. Алюминий к тому же имеет меньшую гибкость и стойкость.
Из сплавов сопротивления
В качестве таких материалов в большинстве случаев используется нихром. Его добыча, остатки в недрах Земли крайне малы. Поэтому, и исходя из высокой стоимости исполнения нихромовых проводников в обмотках преобразователе напряжения, подобные сплавы хоть и имеют ряд преимуществ, но используют в редких случаях. При проектировании специальных энергоустановок или устройств в основном.
Способы ускорения процесса
Он сохраняет размер завершенных единиц, достаточно маленьких, чтобы легко транспортировать. Меньший размер медных трансформаторов требует меньше активной стали, а также структурных элементов, включая корпус, охлаждающее оборудование и другие аксессуары. Медь прочнее алюминия и, следовательно, выдерживает напряжения, налагаемые токами повреждения лучше, чем алюминий. Поскольку катушка сильнее и реже деформируется, срок службы трансформатора увеличивается, а затраты на обслуживание жизненного цикла снижаются. Улучшение соединения меди означает, что соединения внутри устройства остаются плотными, что снижает срок службы и продлевает срок службы. Начальная разница затрат между медь и алюминиевые трансформаторы в этом диапазоне размеров незначительна, а более низкое обслуживание и более высокая надежность делают медь более дешевым материалом на протяжении жизни трансформатора. Медь является логичным выбором для трансформаторов среднего и большого размера. . Медь отображает низкие уровни ползучести.
Многие радиолюбители часто имеют специальные примитивные устройства для осуществления намотки обмоток. Пример: примитивный станок для намотки обмоток представляет собой стол (часто подставку), на котором установлены бруски с вращающейся продольной осью. Длина оси выбирается в 1,5-2 раза больше длины каркаса катушек трансформирующего устройства (берется максимальная длина), на одном из выходов из брусков ось должна иметь ручку для вращения.
При экстремальных нагрузках и температурных условиях распределительных обмоток трансформатора скорость ползучести алюминия может быть в 25 раз выше, чем для меди. Это приводит к трансформаторам распределения алюминиевой раны, имеющим более высокую склонность к разрушению, чем медные раны.
Концы с медным проводом менее подвержены провалу, чем алюминиевые зажимы. Ключевой причиной этого является различное поведение их оксидов. Оксид меди мягкий, электропроводящий и легко разрушается. Оксид алюминия сильно прикреплен, трудно вытеснить и электрически изолировать. Он также предотвращает не-механические соединения, такие как пайка, что возможно только после нанесения слоя олова, меди или никеля.
На ось надевается катушечный каркас, который стопорится с двух сторон ограничительными шпильками (они не дают каркасу перемещаться вдоль оси).
Далее на катушку закрепляется обмоточный провод с одного из концов и осуществляется намотка путем вращения ручки оси. Такая примитивная конструкция существенно ускорит намотку обмоток и сделает ее более точной.
Медные провода не имеют гальванического действия, поскольку они являются тем же самым элементом, что и разъемы, которые обычно изготовлены из меди или латуни. Алюминий теряет материал благодаря гальваническому действию, что приводит к потере контакта.
Медь сложнее, прочнее и более пластична, чем алюминий, меньше расширяется и не течет при окончаниях. Следовательно, он не требует периодической проверки и затягивания винтов. Алюминий течет от окончания под давлением. Использование подходящего сорта меди считается наилучшим способом обеспечения высокой стойкости к короткому замыканию в силовых трансформаторах из-за выдающихся механических свойств меди, таких как предел текучести и модуль упругости. Внешние замыкания могут привести к значительному ослаблению активных частей трансформатора, что снижает его надежность.
Маркировка
Различное конструктивное исполнение геометрии проводника, использование разнообразных типов изоляции провода для обмоток трансформаторов, остальные электротехнические свойства в «ПУЭ» привели к созданию регламентированных аббревиатур их маркировки.
Первый буквенный символ в такой аббревиатуре обозначает сам материал проводника: «А» – дает понимание, что провод обмотки алюминиевый. Другой символ обозначает нихром, а его отсутствие принято считать, что проводник медного исполнения.
Второй поясняет о том, что это непосредственно сам провод для обмотки, а последующие дают обозначение к какому типу и материалу диэлектрика относится его изоляция.
В маркировке используются и цифровые символы, после буквенных. Ими принято обозначать сечение проводника, а также максимально допустимое напряжение изоляции, на который рассчитан провод. В других случаях цифры могут относится к количеству слоев изоляции. Примеры обмоточных проводов трансформаторов:
- ПЭМ-1 – медный провод с эмалированной изоляцией в один слой;
- ПКР-1 – медный провод с капроновой изоляцией в одну прядку.
Запомнить все маркировки проводников для обмоток практически невозможно. Главное знать принцип составления этих маркировок и обладать умением пользоваться справочной литературой для его верного подбора.
↑ Механика
Головоломкой оказалось придумывание способа подачи провода от катушек к каркасу. С одной стороны, всё просто и понятно – насаживай катушку на стержень и мотай. С другой, провод тонкий (0.05…0.08мм), и попытка просто потянуть за его кончик тут же заканчивается обрывом. Ведь каждая катушка весит от 300граммов до 1,5 килограммов.
Вывод: катушки должны вращаться свободно и легко, как хорошо смазанное велосипедное колесо. Другими словами, необходимо сделать некие бобины или буксы на лёгких подшипниках. Для одной бобины подвернулся кожух от какого-то мотора.
Правда железяка оказалась массивной, пришлось отрезать от неё всё лишнее.
Для второй бобины подошла аналогичная деталь от мотора пылесоса.
Обмоточный провод для высоких частот
Основной нюанс в выборе обмоточной проволоки, как раз играет частота протекающего через нее тока. В случае базовых значений переменного тока с частотой в 50Гц или постоянного тока протекание упорядоченных частиц по обмоточным проводникам проходит в нормальном, равномерном режиме.
Как только частота протекания тока увеличивается, начинается смещение течения заряженных частиц. Электроны при этом начинают свое движение по внешнему слою проводника. К тому же в случае повышенной частоты тока увеличивается сопротивление протекания тока и нагрев обмотки.
Учитывая все физические факторы для изготовления обмоток для оборудования с высокой частотой протекания электрического тока применяют ряд мер, способствующих выравниванию всех факторов, обеспечивающих работу такого оборудования. Намотку проволоки обмотки производят по методу «жгута» из множества многопроволочных изолированных проводов.
При этом, чем выше частота тока в оборудовании, тем меньше должен быть диаметр провода обмотки.
↑ Намотка в один провод
Конечно же, проектируемый агрегат должен уметь мотать и одним проводом тоже. Здесь как раз лучшим расположением катушки будет горизонтальное – отклонения провода от оси не более 5см, а по вертикали биения провода вообще отсутствуют.
Для работы обе вертикальные бобины снимаются и устанавливается другая железяка, загнутая в тисках буквой “зю” всё из того же вала протяжки бумаги.
Один конец привинчивается через муфту к столу, на второй надевается ещё один вал на латунных бушингах (что так же делает вращение лёгким) с резинками-уплотнителями для катушки, который фиксируется Е-кольцом. Для дополнительного натяжения и выравнивания провода во время намотки можно установить ещё одну “цапу” в виде двух роликов с жёлобом (ролики для тросиков системы оптики копира).
Наклоняя пластину с роликами, меняем силу натяжения.
Хочу сделать акцент на том, что станок разрабатывался для работы именно с тонким проводом, диаметром примерно до 0.3мм, т. к. для более толстого провода не создать достаточного натяжения (бобины, наоборот, должны вращаться с отягощением), да и мотор нужен помощнее. Ну а просмотр видеороликов нагляднее отобразит возможности станка. На видео показано испытание на картонной коробке, имитирующей каркас трансформатора, причём довольно большой. Предполагаемые реальные каркасы намного меньше, а значит и биения проводов, возникающие при их переходе от одной грани каркаса к другой через ребро, будут ещё меньше. Для равномерного распределения проводов по каркасу я использую вот такие крючочки.
Все детали, контактирующие с проводом, не повреждают его эмалевого слоя, т. к. использовались они в точной механике узлов транспортировки бумаги копировальных машин и имеют гладкую, почти зеркальную, поверхность.
Рекомендации по выбору материалов
При создании преобразовательных устройств в электротехники, радиолюбителями, опытными и не очень, в силу опыта фактического проведения таких работ, сложились определенные полезные советы для будущих проектантов и создателей, которые регламентируются в трех сегментах.
Каркас
В зависимости от конкретики конечного трансформаторного устройства, для верной, удобной и качественной намотки их обмоток существует ряд каркасных механизмов и приспособлений самостоятельного изготовления из подручных инструментов, использования заводских станков для правильной намотки проводника и других.
Сердечник
Здесь тоже исходят изначально из назначения, мощности трансформатора, который есть желание или отремонтировать или создать заново. Цели и назначение преобразовательного устройства позволят точнее выбрать и форму его сердечника и материалы, из которого он будет состоять. Исходя из предназначения оборудования станет ясно, что будет проще – перепаковать имеющиеся под рукой старые шихтованные сердечники, модернизировать и улучшить их электрические и магнитные свойства или купив в радио магазинах специальные материалы создать его с нуля самому, заказать создание на производстве.
Провод
Выбор этой составной части подробно описан выше, исходя также из назначения устройства, его электрических характеристик, мощности и сферы использования, включая полезные параметры и необходимую длительность, безопасность использования.
Подкладки изоляционные
В качестве прокладок диэлектрика самым распространенным диэлектриком является бумага или электротехнический картон. Иногда возможно использование полимерных сред.
↑ Питание устройства
Одним из первых трансов попался ТПП-243. Обмотки позволяют извлечь 5В для питания логики и 24В для питания движка. Порядок включения обмоток смотри на схеме.
Для плавного пуска движка и изменения скорости его вращения я применил стандартную схему стабилизатора на двух транзисторах с регулятором на переменнике R2, собранную в отдельный блок управления. Специально травить новую печатку под выпрямители было влом, поэтому все КЦэшки, КРЕНку, элетролиты и прочую мелочь распаял на старой плате от какого-то дивайса. На ней же припаял и кнопку “сброс”. Реверс вращения полезно использовать для каркасов разного размера. Иногда провод лучше заводить снизу, иногда сверху, опять же определяется экспериментально – как легче пойдёт. Для реверса необходим тумблер на три группы контактов, единственным, что попалось под руку, оказался мощнецкий трёхфазный.
Две группы контактов на переполюсовку питания двигателя, третья – на реверс счётчиков ИЕ6.
Определение направления витков обмотки катушек
В зависимости от параметрических данных самого устройства, формы его магнитопровода, типе и геометрии провода встречается или выбирается определенное направление обмотки из витков на катушке.
При использовании обмотки в одну сторону встречается левое и правое направление обмотки катушки или же с применяя необходимый шаблон с помощью намоточного станка выполняется левосторонняя или правосторонняя цилиндрическая намотка проводника.
Встречается многослойный тип намотки катушек преобразователей, если этим обусловлено дальнейшее использование устройства и техническая необходимость. При этом цилиндрическая обмотка в несколько слоев на станке может накладываться в виде
- встречной направленности – где новый слой проходит встречным направлением по старому слою проводников;
- в одном направлении – несколько слоев прямоугольного проводника накладываются друг на друга в одном направлении.
Каждый слой при этом проходит прокладку изоляционного слоя из бумаги и полимеров. Осевые каналы создаются в момент проведения намотки на станке. В сердечник закладываются специальные рейки, которые по окончании процесса создания обмоток демонтируются, оставляя необходимые каналы.
Иногда требуется создание зазоров в намоточных проводниках. Их расчеты проводят с помощью специальных базовых форм, используя параметры проводников, конструктивного исполнения будущей обмотки и других параметров, которые берутся из технической литературы.
Разницу между фактически полученными значениями при расчете сравнивают с табличными значениями.
При допустимых отклонениях работу продолжают, если требуются корректировки – вносят.
Намотку резонансных катушек преобразовательных устройств электрической энергии проводят, дополнительно руководствуясь их значениями номинальной индуктивности, необходимой собственной емкости и стойкости, и длительности работы.
Как правильно мотать
Получив большинство технических данных, определив точное назначение и сферу использования будущего устройства, элементов обмоток катушки трансформатора, получив заводские шаблоны для выбранного вида обмотки приступают к практической реализации намоточных процессов.
Здесь большую роль будет играть опытность исполнения таких работ, наличие инструментов для такой работы, а также терпение.
Требуется использовать обязательный алгоритм действий в таком формате работ и приготовится к нескольким неудачам заблаговременно, если опыта проведения намотки витков катушки трансформатора ранее не было. В настоящее время как электронных, так и бумажных обучающих источников по всем правилам намотки обмотки трансформатора достаточно много для того, чтобы новичок через некоторое время в этих работах смог стать профессионалом.
