Силовые трансформаторы

Силовые трансформаторы

Из практики ремонта и конструирования

А Г. Зызюк, г. Луцк

 

Казалось бы, о сетевых трансформаторах сказано уже все или почти все. Однако в практике ремонта и конструирования встречаются очень интересные и неординарные ситуации, в плане практическото применения, на которых следует приостановиться, чтобы рассмотреть их более пристально.

 

В данной статье приводятся советы по применению и изготовлению сетевых трансформаторов, рассчитанные на самостоятельное повторение любым радиолюбителем. Поскольку в наше время вопросы энергосбережения выходят на основные позиции, то этим вопросам также уделено особое внимание.

За последние годы все большее распространение получают импульсные сетевые источники питания, — это не удивительно. Выигрыш получается как минимум по двум позициям: КПД и массогабаритным показателям. Это, естественно, позитивные факторы, склоняющие радиолюбителей на сторону повсеместного применения импульсных источников питания.

Не следует забывать о недостатках импульсных источников питания (ИИП). Стоит ли радиолюбителю ради престижа во всех своих конструкциях стараться применять ИИП? Ответ на вопрос лежит на поверхности, если вспомнить о ремонтопригодности конструкции ИИП, не говоря уже о затраченных материалах и времени на изготовление ИИП.

Итак, рассмотрим ситуации, когда сетевому ИИП сможет служить альтернативой сетевой трансформатор (СТ).

Безусловно, в низковольтной аппаратуре (при питающих напряжениях в несколько десятков вольт), особенно с большим потреблением тока, выгодно применять так называемые чопперы (импульсные понижающие преобразователи напряжения). С высоковольтными преобразователями напряжения (ПН), каковыми являются сетевые ИИП, дело обстоит несколько иначе. Популяризация схемотехники маломощных (от единиц до нескольких десятков ватт) сетевых ИИП зачастую не приносит ожидаемых результатов. Ситуация может измениться кардинально, когда ИИП рассчитан на сотни ватт и более.

Рассмотрим случай, когда потребляемая от сети мощность находится в пределах 1 …30 Вт.

Схемотехника сетевых ИИП самая простая только у дорогостоящих специализированных микросхем. Изготовление импульсного трансформатора сетевого ИИП -занятие не самое простое и благодарное. Простые моточные узлы применяются чаще в низковольтных схемах ИИП, нежели в сетевых ИИП.

Когда же требуется решение конкретных задач в вышеуказанном диапазоне мощностей, то можно обойтись без сетевого ИИП, тем более, если нет времени на эксперименты с ИИП и на его ремонты и изготовление. Надежной заменой сетевого ИИП может служить СТ. Надежность изготовления сетевых СТ не является чем-то труднореализуемым. СТ при качественном изготовлении надежнее ИИП, содержащего десятки радиокомпонентов, часто работающих в напряженном режиме.

Вся техника рано или поздно выходит из строя, а в последнее время наблюдается настоящий шквал внезапных отказов самой различной электронной техники, например мобильных телефонов (все возрастающая плотность монтажа и сомнительное происхождение комплектующих не могут не сказываться на снижении качества и надежности). Вывод однозначен: радиолюбителю необходимо избегать усложнения схемотехники повсеместно, где только это возможно. Есть возможность защититься от глобальной «чипизации», избегая нагромождения схемотехники, например, в сетевых блоках питания (БП).

 

Низковольтный мощный ИИП изготовить легче, чем мощный сетевой ИИП. К тому же комплектующие для низковольтного мощного ИИП широко распространены и стоят недорого, по сравнению с мощным сетевым ИИП. Углубимся в рассмотрение наиболее важных проблемных вопросов по применению СТ, а также наиболее эффективных и самых простых в реализации на практике методов разрешения характерных проблем.

Надежность СТ, в первую очередь, зависит от использованного обмоточного провода, типа его изоляции и способа намотки (внавал, что нынче распространено и у заводов-изготовителей маломощных СТ, или же послойно, с изоляцией между слоями), материала изоляции, магнитопровода, от режима работы СТ и т.д. Тему изоляционного материала можно было бы обойти стороной, но сложившиеся обстоятельства (например, безграмотные статьи в Интернете) предрасполагают к обратному.

Когда в качестве изоляционного материала между первичной (сетевой) и вторичной обмотками СТ советуют применять обычную бумагу или картон, то к таким советам следует относиться настороженно. Могу утверждать, полагаясь, в первую очередь, на свой практический опыт, что избежать проблем с изоляцией сомнительного качества, которые с течением времени обязательно возникают (по причине постепенной деградации параметров диэлектриков), можно только правильным выбором типа изоляционного материала. Никоим образом не следует использовать в качестве изоляционных материалов между первичной и вторичной обмотками обычную бумагу, особенно в тороидальных СТ.

Если СТ предполагается эксплуатировать в условиях повышенной влажности, к примеру, в составе зарядного устройства в гараже, то изоляция между первичной и вторичной обмотками СТ должна быть выполнена достаточно надежной. В герметичных конструкциях с понижением температуры может появляться водяной конденсат. Совместное воздействие влаги и температуры определяет так называемую термовлажностную агрессивность климата, которая вызывает ускоренное старение материалов. И диэлектрики никак не являются исключением. От гигроскопичности (способности сорбировать влагу из окружающей среды) и влагопроницаемости конкретного изоляционного материала, в конечном итоге, зависит его проводимость. Проводимость изоляции приводит к проблемам в эксплуатации СТ, к необходимости его замены или ремонта.

Самые простые в изготовлении (для производителя бытовой техники) СТ типов ТС-180, ТС-200 или ТС-270, в которых применена межслойная и межобмоточная специальная бумажная изоляция, обеспечивающая надежную долговременную изоляцию. Надежность трансформаторов, в этом случае, обеспечена применением специально обработанной бумаги.

В качестве межобмоточной и межслоевой изоляции до температур менее 130°С раньше применяли лакированные бумаги, на смену которым пришли синтетические пленки, обладающие повышенной электрической прочностью.

Для защиты СТ от воздействий внешней среды применяется пропитка, обволакивание и заливка. Эти высокоэффективные, но в то же время трудоемкие и дорогостоящие технологические решения обеспечения повышенной надежности СТ любители применяют только вынуждено, например, в высоковольтных СТ, где без таких способов изоляции пробой между обмотками происходит очень быстро.

Одна лишь низкокачественная изоляция может напрочь испортить СТ. Причем поначалу такой СТ может работать без каких-либо нареканий. С течением времени СТ начинает «биться» током, пощипывать за руки. Постепенно изоляция только ухудшается и со временем эксплуатация СТ становится крайне неприятной, а вскоре — опасной для жизни.

Чтобы избежать поражения электрическим током, не говоря уже о повторном наматывании вторичной обмотки (для замены изоляции надо вторичную обмотку сначала удалить), необходимо применять специальные изоляционные материалы, например лакоткань или (что еще лучше) стеклолакоткань. Эти материалы наиболее подходят для тороидальных СТ, как обеспечивающие наибольшую электрическую прочность при минимальной толщине изоляционной пленки (до 60 кВ/мм).

Хорошие результаты обеспечивает конденсаторная бумага (до 20 кВ/мм), уложенная в несколько слоев. Для тороидальных трансформаторов лучше применить лакоткань. Следует оговориться сразу, что для деградации диэлектрика совсем не обязательно име ь большой перепад температур и повышенную влажность. Если материал для изоляции выбран неудачно, то комнатных условий вполне достаточно, чтобы со временем убедиться во всем сказанном и осознать, насколько важен этот вопрос.

Еще одно очень важное обстоятельство — обязательное испытание межобмоточной изоляции СТ высоким напряжением. Но делать это нужно таким образом, чтобы обеспечить условия неразрушающего контроля, избегая возникновения (привнесения) новых дефектов в межобмоточной изоляции. Достигают этого ограничением тока в цепи испытательного напряжения на уровне нескольких десятков микроампер, .. не более 100 мкА. Величину испытательного напряжения определяют из соотношения:

 

Uncn=1000+2Upa6,

 

где Uраб — рабочее напряжение.

Пробивное напряжение изоляции должно быть в 1,5-2 раза больше испытательного. Поэтому в ТУ по испытаниям указана величина 3850 В испытательного напряжения для межобмоточной изоляции СТ, которую он должен выдерживать в течение 5 мин.

Не удивляйтесь, что многие из самодельных СТ (и не только самодельных!) не смогут пройти данный тест. Если в СТ использован материал межобмоточной изоляции надлежащего качества, то переделывать СТ нет надобности, даже если он выдерживает пониженное испытательное напряжение, но эксплуатируется СТ исключительно в комнатных условиях, т.е. обеспечена стабильность параметров изоляции. Автор статьи в качестве испытательного напряжения использует постоянное напряжение 3000В от портативного прибора, содержащего в своем составе преобразователь напряжения и микроамперметр для измерения тока по цепи 0…3000 В.

Именно постепенное увеличение испытательного напряжения на СТ с обязательным ограничением тока обеспечивает неразрушающий метод контроля. Собственно измерительный прибор изготовлялся для проверки, в первую очередь, высоковольтных транзисторов строчных блоков телевизоров, а также для проверки диодов и конденсаторов.

Увеличение температуры сокращает срок службы изоляции. Вот почему так важно, чтобы СТ поменьше нагревался, т.е. уменьшая коэффициент нагрузки СТ, мы непременно увеличиваем надежность СТ.

Ток «холостого хода» (1хх) должен быть незначительным, если хотим приблизиться к сетевым ИИП в плане экономичности (КПД). В современных СТ потери «холостого хода» составляют от 0,1 до 2% их номинальной мощности, а 1хх — от 0,5 до 10% номинального тока первичной обмотки. Большие значения относятся к СТ небольшой мощности, т.е. у маломощных СТ токи 1хх явно завышены. К сожалению, у маломощных СТ промышленного изготовления 1хх может значительно превышать 10% от максимального тока первичной обмотки или же от максимально используемого тока в конкретной ситуации (конструкции устройства). При крупносерийном производстве идет экономия каждого грамма расходных материалов, тем более медного провода, особенно сейчас, когда цены на медь резко возросли (например, 1 м эмалированного провода диаметром 1 мм стоит уже 85 коп.). Об азиатских СТ говорить не обязательно, поскольку многие читатели с ними познакомились на личном опыте.

 

Итак, в свете подъема цен на электроэнергию становится весьма актуальным минимизация 1хх любых СТ, особенно тех, у которых этотток слишком велик. Рассмотрим вкратце три основных способа снижения величины 1хх.

 Первый способ заключается в пропорционально увеличенном количестве числа витков всех обмоток и особенностей не имеет. Число витков всех обмоток увеличивают в 1,2-1,4 раза выше расчетного значения. Но здесь имеются некоторые нюансы. Для обеспечения меньших просадок напряжения на вторичных обмотках выбирают с запасом. Величина 1хх при таком исполнении СТ, в зависимости от коэффициента увеличения числа витков (1,2-1,4), снижается в несколько раз.

 

Второй способ снижения 1хх заключается в некотором уменьшении напряжения на первичной обмотке СТ за счет последовательно включенной с ней лампы накаливания (ЛН). Как правило, используются ЛН, рассчитанные на рабочее напряжение 220 В. Нередко применяются ЛН на другие рабочие напряжения. Использование ЛН 220 В более предпочтительны в тех ситуациях, когда требуется эффективная защита СТ в режимах, близких к КЗ по вторичной обмотке СТ, а также при аварийном повышении сетевого напряжения до 300…380 В. Предельно допустимое напряжение для рассматриваемого тандема из ЛН на 220 В и СТ на 220 В составляет не меньше 440 В. Такая система надежно обеспечивает работу СТ практически во всех нештатных для СТ ситуациях. Метод привлекателен именно тем, что не требует значительных материальных затрат и производимых работ, но в то же время эффективен не только в маломощных СТ на единицы ватт, но может успешно применяется на больших мощностях, от десятков до сотен ватт.

Повышение экономичности и надежности СТ достигается уменьшением 1хх за счет падения некоторого напряжения на ЛН. При этом в СТ, если необходимо, доматывают вторичную обмотку (только вторичную, что сделать намного проще и быстрее, чем в случае переделки первичной обмотки). Неоднократно происходило так, что не требовалось доматывать вторичную обмотку, несмотря на падение напряжения на ЛН в несколько десятков вольт. Например, выпрямитель на двух диодах (двухполупериодный, со средней точкой, с отводом от СТ) можно переделать в мостовой.Сетевые силовые трансформаторы-ремонт и исследование      

За счет двукратного использования переменного напряжения мостовым выпрямителем, в сравнении с заводским вариантом на двух диодах, где вся обмотка выдавала в итоге в два раза меньшее постоянное напряжение, мостовой выпрямитель позволял иметь запас выходного напряжения, чтобы его можно было применить для снижения, но уже по первичной обмотке СТ (рис.1).

Ранее фазированием обмоток заменяли их последовательное соединение параллельным, т.е. при том же токе нагрузки уменьшали просадки напряжений и на входе выпрямителя, и на его выходе. Когда потребуется увеличить КПД всей системы в целом, мост запитывают от всей штатно последовательно соединенной обмотки. Имея почти двойной запас по выпрямленному выходному напряжению, можно последовательным включением ЛН значительно облегчить режим работы СТ. Ток 1хх в результате снизился в несколько раз.

Когда нет возможности домотать вторичную обмотку, СТ заменяют СТ другого типа, у которого напряжение на вторичной обмотке при последовательном включении ЛН такое, как нужно.

Тип и мощность ЛН требуется подобрать уже под каждую конкретную ситуацию. Ничего сложного в этом мероприятии нет. С помощью ЛАТРа добиваются работы подключенного к СТ устройства в нужных пределах сетевого напряжения, как правило, 180…260 В. Можно приятно удивиться, что с ЛН диапазон легче расширить, особенно в сторону больших значений, до 270 В, а то и более.

             
  Надежность силовых трансформаторов

Обнаруживаются весьма приятные перспективы резкого повышения надежности СТ, поскольку правильный выбор ЛН позволит реально обеспечить практически безотказную работу СН в любой нештатной для него ситуации (от режима «холостого хода» при аварийном повышении сетевого напряжения и до ситуации режима КЗ вторичных обмоток). Здесь ЛН уже выполняет функции предохранителя, но делает это гибко, не перегорая, как предохранитель, не отключая технику от сети.

Подобным способом можно спасти СТ различных зарубежных аппаратов: от самых дешевых, включая и распространенные универсальные светильники (с преобразователями напряжения для питания ЛДС, с радиоприемником, мигалками и музыкальными чипами), с их зарядными устройствами, и до более дорогостоящих изделий, как промышленного, так и самостоятельного изготовления.

 

Третий способ повышения экономичности СТ. Суть данного варианта заключаются в одновременном использовании двух экземпляров однотипных СТ (рис.2), т.е. два СТ одного типа должны совместно работать от одной электросети на одну общую нагрузку. С этой целью сетевые обмотки обоих СТ соединяют согласно последовательно (т.е. сфазированно). С вторичными обмотками поступают либо таким же образом, либо включают их параллельно.

В итоге получается составной СТ, который подобен по нагрузочным характеристикам единичному исполнению СТ, но по некоторым характеристикам сильно превосходит свой прототип. Так, например, максимально допустимое сетевое напряжение составляет более 400 В. Ток 1хх может снизиться при работе в сети 220 В не менее чем в 4 раза. Недостаток данного варианта заключается в том, что проявляются просадки напряжения на обмотках СТ. Для их устранения после выпрямителя используют стабилизатор напряжения.

Источник: www.electrician.com.ua

Всего комментариев: 0

Оставить комментарий

Ваш email не будет опубликован.

Left Menu Icon
Right Menu Icon