Сварочные трансформаторы

      Сварочные трансформаторы 
 
    В.О.Кучеренко г. Киев

   

      

    Основной объем работ из сварки выполняется дуговим свариванием, в том числе с применением сварочных трансформаторов. Доступность електро технических материалов, относительная о сей и конструкции побуждает широкий круг почитателей техники конструировать и изготовлять оригинальные конструкции сварочных трансформаторов. Но ожидаемый результат часто не достигается в результате недостаточного количества информации об особенностях конструкции, схемных ришений и технологических сварочных трансформаторов. Учитывая это, журнал начинает публикацию ряда статей, которые систематизируют знание о сварочных трансформаторах и особенностях их конструкции. Технологические свойства сварочных транфюрматоров. Электрическая сварочная дуга.

    Основной oбьем сварочных робот в промышленности и особенно в быту выполняется с помощью сварочных трансформаторов с использованием искусственных электродов. Так из всего обся- гу сварочных источников питания на сварочные трансформаторы приходится больше половины. Значительное распространение сварочных трансформаторов в народном хозяйстве поясняется широким выбором дешевых сварочных электродов со специальным покрытием и несложной техникой исполнения самого процесса сварки, который может выполнять любой человек, вооруженный защитной маской и имеющий элементарные знания из правил применения электрических устройств, техники безопасности и техники исполнения процесса сварки. Эта, на первый взгляд, несложная операция приводит к желаемому результату благодаря свойствам как сварочных электродов, ток и сварочных трансформаторов, усовершенствование  сварочных свойств которых происходит уже в течение почти ста лет от изобретения этого этого процесса в 1885 г. нашим земляком Николаем Николаевичем Бенардосом, и над последующим усовершенствованием которых работают производители сварочных материалов и оборудования всего мира и поныне. Причем сварочные трансформатори и сварочные материалы дополняют друг друга, создавая единственную систему и только благодаря такому сочетанию дают такой значительный и легко доступный, но первый взгляд, результат. Но если в эту систему привнести электрод или трансформатор с другими свойствами, то это приведет к ухудшению процессу сварки, или невозможности его осуществления, вообще.
    Рассмотрим технологические и электрические особенности сваривания, потому что конструкция сварочного трансформатора сложная и человек, владея элементарными знаниями из електротехники  самостоятельно может изготовить трансформатор. Но в результате таких экспериментов очень часто, после того как трансформатор изготовлен, возникают вопросы с реализацией безпосредственно процессу сварки. Такие конструкторы жалуются на плохое первичное зажжение дуги, невозможность подерживать процесс сварки, частые обрывы дуги, значительное розбрызгивание расплавленного металла, погоне формирования сварного шво. Это все влечется тем, что эксплуатационные требования к сварочных трансформаторов значительно отличаются от требований к энергетическим трансформаторам, которые очень хорошо описаны в литературе. В то же время особенности конструкции сварочных  трансформаторов есть то, что они должны согласовывать электрическую характеристику сварочной дуги с характеристикой общей сети питания в отличие от обычных трансформаторов, но которые возлагается функция изменения напряжения  тока. Потому для конструирования и изготовления сварочного трансформатора  с необходимыми технологическими свойствами необходимо понимать, какие особенности конструкции влияют на технологические свойства трансформатора. 

Потери в силовом трансформаторе и как их уменьшить

 Геннидий Котов

                  
   В предлагаемом материале рассказывается о принципах и некоторых тонкостях процесса трансформации электроэнергии, как избежать некоторых ошибок при конструировании трансформаторов, а также о том, почему коэффициент трансформации — величина не всегда постоянная.
    
     Трансформатор — это статический (без вращающихся частей) электромагнитный аппарат, осуществляющий преобразование электрической энергии переменного тока с одним значением напряжения (тока) в электрическую энергию с другим значением напряжения (тока) такой же частоты. Простейший трансформатор состоит из сердечника, изготовленного из электротехнической стали, и двух надетых на этот сердечник обмоток I и II (рис.1). Та из обмоток, которая, будучи присоединена к сети с известным напряжением, получает от нее переменный ток, например обмотка I называется первичной, другая обмотка, отдающая переменный ток в другую сеть или нагрузку, например, обмотка II называется вторичной.

При пропускании через первичную обмотку переменного тока определенной частоты, появляющийся в магни-топроводе магнитный поток, пересекая витки вторичной обмотки, индуктирует в ней электродвижущую силу (ЭДС), обусловливающую, в случае замыкания обмотки на какую-нибудь цепь, появление в нагрузке переменного тока такой же частоты.

Так как магнитный поток в своих изменениях пересекает одновременно и витки первичной обмотки, находящиеся уже под напряжением, в ней индуктируется электродвижущая сила, совпадающая по фазе с электродвижущей силой, индуктируемой во вторичной обмотке.
  Ток «холостого хода»

Если вторичная обмотка разомкнута (вторичная сеть выключена), тогда ток в первичной обмотке протекает минимальный, и обмотка может рассматриваться как обыкновенная индукционная катушка с ферромагнитным сердечником. Электродвижущая сила, индуктируемая при этом в первичной обмотке, или так называемая первичная электродвижущая сила, составит [1]:
                                                                                                                            
                                                                                                                                           E1 = 4,44 * Фм * f * Z1 * 10-8
    Ток, протекающий в первичной обмотке при разомкнутой вторичной цепи, весьма мал, также весьма мала производимая в этой обмотке потеря напряжения, поэтому можно считать, что первичная электродвижущая сила почти равна и противоположна приложенному к первичной обмотке напряжению V1, т.е.

                                                                                                                                          E1 = V1     и поэтому V1=4?44*Фм *f*Z1 *10-8 [2]

   Здесь сразу нужно пояснить, что ток в обмотке, подключенной к внешнему источнику переменного напряжения, при разомкнутых зажимах вторичной обмотки будет мал только в том случае, если выполняется условие:
                                                                                                                                            V * Z = {A / Bm * Qc  }* V   [3]
                                                                                                                                                                     
   где А — некое эмпирическое число, его значение может быть от 40 до 60 (чаще всего при расчетах используется значение 50). Это число зависит от марки трансформаторной стали (Э41-Э43 — изотропная горячекатаная, Э310-Э330 — текстурованная холоднокатаная, Э340-Э360 -текстурованная холоднокатаная с уменьшенной проницаемостью и т.д.), формы сердечника (Ш, ШЛ, П, ПЛ, Ои т.д.), технологии производства и качества сборки сердечника. Справедливость этого утверждения можно легко продемонстрировать, если разобрать сердечник, собранный, к примеру, из Ш-образных пластин, а затем при сборке некоторую часть пластин «забыть». Ток «холостого хода» такого трансформатора при неизменном напряжении, поданном на первичную обмотку, заметно увеличится.      

 Для вторичной электродвижущей силы, т.е. электродвижущей силы, возбуждаемой во вторичной обмотке, состоящей из z2витков и пересекаемой тем же магнитным потоком Фд4, можно считать:

                                                                            Е2 =4,44 * Фм * f * Z2* 10-8  [3a]

А т.к. E2=V2, и при этом формулы (1) и (За) отличаются только лишь количеством витков Z1иZ2  то принято считать, что коэффициент трансформации равен соотношению витков первичной и
вторичной обмоток: U = Z1/ Z2
Величина максимального ма’нитного потока при «холостом ходе» трансформатора равна:    Фм = ( Е * 108 ) /( 4,44 * f * Z1)   [4]

  где первичная электродвижущая сила Е, как видно, почти равна напряжению у зажиме в V. Если трансформатор нагрузить, т.е. к его вторичной обмотке подключить какое-нибудь сопротивление, то сила тока в первичной обмотке увеличится, также увеличится потеря напряжения в ней, отчего при постоянстве первичною напряжения у зажимов должна уменьшиться первичная электродвижущая сила Б и, как следствие, величина магнитного потока Фм.

Так как при нагрузке трансформатора вторичный ток производит упомянутое размагничивающее действие, то можно допустить, что при подключенной нагрузке в первичную цепь поступает ток такой силы, при котором приблизительно восстанавливается магнитный поток [1 ].

Когда трансформатор работает с нагрузкой, то полная мощность, потребляемая первичной обмоткой Р1, расходуется на полезную мощность, отдаваемую во вторичную цепь Р2, и на потери в самом трансформаторе, состоящие из потерь в сердечнике (железе) магнитопровода и в меди обмоток. Отсюда КПД:  N=P2/ P1            [5]

  Выше было отмечено, что максимальный магнитный пэток, пронизывающий обмотки трансформатора, почти не изменяется при изменении нагрузки, следовательно, потери в сердечнике трансформатора можно считать постоянными и одинаковыми как для «холостого хода», так и для работы трансформатора с нагрузкой. Неизменность магнитного потока в стали сердечника Фст имеет место при постоянстве магнитодвижущей силы (МДС) Fm и напряженности магнитного поля Hст.

   Потери в меди обмоток


Что касается потерь в меди обеих обмоток, то они, очевидно, находятся в сильной зависимости от нагрузки. При этом сопротивление первичной обмотки равно сумме ее активного и индуктивного сопротивлений. В соответствии со вторым законом Кирхгофа напряжение, подведенное к первичной обмотке, равно сумме падения напряжения на амивном сопротивлении обмотки и двух ЭДС, обусловленных магнитными потоками, сцепленными с первичной обмоткой. При этом имеется в виду, что один магнитный поток замотается через сердечник трансформатора, а второй — через воздух. Так как эти магнитные потоки «ведут» себя по-разному, то в законе Кирхгофа они описываются по-разному. Сопротивление вторичной обмотки также состоит из активного и индуктивного сопротивлений. Активное сопротивление играет роль только при подключенной к вторичной обмотке нагрузке, а индуктивное сопротивление
                                                                                                                                           XD = w * LD              [6]
   характеризуется индуктивностью рассеяния
                                                                                                                                  LD = w * ФD  * I                 [7]
  и, в свою очередь, обусловлено магнитным потоком ФD, замыкающимся, помимо магнитопровода, еще и по воздуху, минуя первичную обмотку [1].

    Потери в сердечнике


Что касается потерь в магнитопроводе трансформатора, то на этом нужно остановиться подробно. Переменный магнитный поток в сердечнике, индуцируемый переменным напряжением в первичной обмотке, вызывает в магнитопроводе вихревые токи, зависящие от частоты, проводимости материала магнитопровода и его формы. Помимо потерь вихревые токи размагничивают магнитопровод, вытесняя магнитный поток к поверхности. Именно для снижения влияния вихревых токов (токов Фуко) магнитопровод собирают из отдельных электрически изолированных тонких пластин. При этом величина вихревых токов значительно уменьшается (до 1 % от их величины в монолитном сердечнике [1]). Удельные потери в сердечнике трансформатора имеют одну природу — нелинейность процесса намагничивания. Известно, что ферромагнитные тела состоят из областей самопроизвольного (спонтанного) намагничивания. Магнитное состояние каждой области характеризуется вектором намагниченности. Направление вектора намагниченности зависит от внутренних упругих напряжений и кристаллической структуры ферромагнитного тела.

Векторы намагниченности отдельных областей ферромагнитного тела, на которые не воздействует внешнее магнитное поле, равновероятно направлены в различные стороны. Поэтому во внешнем относительно этого тела пространстве намагниченность тела не проявляется. Если же его поместить во внешнее поле, то под его воздействием векторы намагниченности отдельных областей повернутся в соответствии с направлением поля. При этом индукция результирующего поля в теле может оказаться во много раз больше, чем магнитная индукция внешнего поля до помещения в него ферромагнитного тела [2]. При периодическом перемагничивании ферромагнетика в нем совершаются необратимые процессы, на которые расходуется энергия от намагничивающего источника. В общем случае потери в ферромагнитном сердечнике обусловлены гистерезисом, токами Фуко и магнитной вязкостью. Степень проявления различных видов потерь зависит от скорости перемагничивания ферромагнитного материала. Если сердечник из трансформаторной стали перемаг-ничивается во времени замедленно, то потери в сердечнике обусловлены практически только гистерезисом (потери от макроскопических вихревых токов и магнитной вязкости при этом стремятся к нулю).
   Физически потери, обусловленные гистерезисом, вызваны инерционностью процессов роста зародышей пере-магничивания, инерционностью процессов смещения доменных границ и необратимыми процессами вращения векторов намагниченности. Удельные потери энергии от гистерезиса за 1 цикл перемагничивания равны площади петли гистерезиса. Уменьшение максимальной индукции, разумеется, уменьшает высоту петли, но даже при малых значениях индукции и при наличии подмагничивания, например, постоянным током, ширина петли частного цикла у низкосортных сталей остается значительной. Другими словами, уменьшение индукции в магнитопроводе с целью уменьшения площади петли гистерезиса имеет ограниченный смысл.
                                                                                                                                
Теперь вспомним курс физики. Вокруг проводника, по которому протекает ток, создается магнитное поле. Причем направление (вектор) магнитного поля зависит от направления тока в проводнике и постулируется правилом правой руки: «Если ладонь правой руки расположить так, чтобы в нее входили силовые линии магнитного поля, а отогнутый большой палец направить по движению проводника, то четыре вытянутых пальца укажут направление индукционного тока» (рис.2). Если пойти дальше, зная, что электрические и магнитные силы имеют общую природу (уравнение Максвелла), то можно предположить, что если по одному проводнику течет ток, при этом вокруг него наводится магнитное поле, а рядом расположен другой проводник, то магнитное поле должно наводить в другом проводнике электрический ток. (Сразу нужно оговориться, что ток и магнитное поле должны изменяться во времени и в пространстве и совсем не обязательно по закону синусоиды и даже не обязательно от положительных до отрицательных значений.) Это явление известно как электромагнитная индукция.

 С точки зрения передачи энергии вышеприведенная модель из двух проводников никуда не годится, но не стоит ее недооценивать, так как появление наводок в аудио-усилителях и радиоприемных трактах — это проявление признаков, описываемых данной моделью, и она может испортить немало нервов конструкторам-разработчикам.                                          

 Если пойти еще дальше и свить проводник в спираль, а еще лучше в многослойную спираль, то возникающие вектора магнитного поля у находящихся рядом проводников будут суммироваться. Суммарный индукционный ток будет равен произведению тока вокруг одного проводника на их количество. Здесь нужна еще одна оговорка. Все дело в том, что вышеприведенное утверждение будет справедливо лишь в том случае, если физическая форма и размеры позволяют сблизить свитые в спираль проводники на минимальное расстояние. Но по вполне понятным причинам это далеко не всегда возможно. Именно поэтому суммарный индукционный ток будет равен произведению тока вокруг одного проводника на их количество лишь приближенно, и именно поэтому провод, которым намотаны очень мощные трансформаторы, имеет чаще всего не круглое, а прямоугольное сечение. Это связано, в основном, с тем, что, как говорилось выше, силовое поле вокруг проводника (каждого отдельного витка) не в полной мере наводится в соседнем витке (сердечнике), а с некоторыми потерями, частично рассеиваясь «в воздухе» (рис.3).

     Потери в катушке


Вернемся к нашей модели проводника свитого в многослойную спираль. Подобная конструкция называется катушкой. Она обладает значительной индуктивностью, которая зависит от протекающего в проводнике тока, диаметра и удельной проводимости проводника, количества витков и т.д. Конечно, обычный проводник, по которому протекает электрический ток, также обладает собственной индуктивностью, но при незначительной длине проводника ее величина настолько мала, что ею, как правило, пренебрегают.
                                                                                                                           
Совсем другое дело, если длина проводников сотни и даже тысячи метров, и по ним протекают значительные токи и напряжения, как, например, в высоковольтных ЛЭП. Такие системы обладают значительными индуктивными и емкостными сопротивлениями, и при инженерных расчетах это обязательно учитывается. Раз уж речь зашла о ЛЭП и трансформации, то необходимо напомнить о требовании ПТЭ, что при работах на высоковольтных ЛЭП нужно отключать напряжение помимо основной еще и на параллельно идущей линии ЛЭП. Игнорирование данного требования ПТЭ стоило здоровья, а иногда и жизни не одному электрику.
  Если вспомнить, что катушка — это проводник длиной в десятки или сотни, а иногда даже тысячи метров, свитый в многослойную спираль, то индуктивность, «растянутая» по всей его длине, концентрируется в физических размерах данной катушки. Если рядом (а лучше внутри или поверх) с вышеупомянутой катушкой расположить еще одну, то магнитные силовые линии, образованные за счет индуктивности, при подключении напряжения к первой будут наводить напряжение во второй. Конечно же, большая их часть будет рассеиваться в окружающем пространстве и теряться безвозвратно, так как окружающее пространство (воздух) обладает некоторым сопротивлением для магнитного поля, и данная модель, являясь, по сути, трансформатором, для передачи электрической энергии также не годится. Если катушки разместить на сердечнике (рис.1) из материала со значительной магнитной проницаемостью (ферромагнетиком), то такая модель уже будет полноценным трансформатором и вполне подойдет для передачи электрической энергии. Если обратиться к рис.1, то можно увидеть, что магнитные силовые линии в подобном трансформаторе замыкаются не только через магнитопровод, но и «по воздуху». Так и есть на самом деле.

В некоторых публикациях иногда можно встретить утверждение, что сердечник способен «притягивать», даже «концентрировать в себе» эти самые линии. С этим никак нельзя согласиться, так как в подобном случае достаточно было бы просто надеть катушки на замкнутый магнитопровод произвольной формы и сечения и не следовало изобретать броневых сердечников, сердечников марки УШ, О и т.д. Еще раз повторюсь, что векторы намагниченности отдельных областей ферромагнитного тела, на которые не воздействует внешнее магнитное поле, направлены в разные стороны. Поэтому во внешнем относительно этого тела пространстве намагниченность тела не проявляется, но если ферромагнетик поместить во внешнее поле (например, подключив первичную обмотку к сети 220 В / 50 Гц), то под его воздействием векторы намагниченности отдельных областей повернутся в соответствии с направлением поля. При этом индукция результирующего поля в теле станогится во много paj больше, чем магнитная индукция внешнего поля.
                                                                                                                                  
Магнитные силовые линии, наведенные вокруг катушки, по которой протекает ток, распределяются вокруг нее равномерно (рис.4). При увеличении тока в первичной обмотке напряженность магнитных силовых линий будет увеличиваться для всех одинаково: и для тех, которые замыкаются через магнитопровод, и для тех, которые замыкаются через воздух. Просто нужно помнить, что те линии, которые «идут по воздуху», из-за сопротивления окружающей среды затухают в ней, а те, чей путь пролегает по сердечнику, из-за его физико-механических свойств оказывать минимальное сопротивление магнитному полю способны из-за минимального затухания донести свою энергию до второй катушки. Однако уменьшение индукции в сердечнике все равно имеет место. И зависит оно не только от свойств материала, но и от наличия магнитного зазора, отверстий в сердечнике, качества сборки сердечника и т.д. (рис.1). Магнитный поток Ф через некоторую поверхность S — это поток вектора магнитной индукции через эту поверхность
                                                                                                                                        
    

  Сечение магнитопровода


Площадь сечения S магнитопровода трансформатора зависит от многих факторов, в частности от технологических отверстий. Сначала остановимся на отверстиях. Увеличение сопротивления в магнитопроводе связано напрямую с таким эмпирическим понятием, как «домены». Выше уже упоминалось про области спонтанного намагничивания. Другими словами, эти области и есть «домены», как иногда пишут в литературе, «…области в ферромагнитном материале, в которых осуществляется упорядоченное перемагничивание материала под действием изменяющегося магнитного поля». Количество их велико, но не бесконечно и напрямую зависит от физико-механических свойств материала. Если вспомнить постоянный магнит, то его свойство «притягивать железо» напрямую зависит от этих самых «доменов», их стабильности и полярной ориентации в материале.

В ферромагнетике «домены» расположены хаотично и лишь под действием магнитного поля способны менять полярную направленность и ориентироваться вдоль магнитных силовых линий. Кстати, размеры, количество и скорость изменения ориентации «доменов» способны объяснить, почему одни материалы (например, ВЧ ферриты) хорошо работают в качестве магнитопроводов на высоких частотах и напрочь отказываются работать на низких, а другие (например, электротехническая сталь) наоборот. Количество «доменов» объясняет также и величину максимальной индукции и индукцию насыщения. Поэтому для получения хороших энергетических характеристик трансформатора следует избегать применения сердечников с отверстиями в магнитопроводе.

                                                                                                                      
   Теперь сделаем еще одно небольшое отступление. Раз уж речь зашла о понятии «насыщение магнитопровода», то для лучшего понимания термина образно продемонстрируем его на простом примере. Для этого вспомним классический пример из курса физики. Возьмем подковообразный магнит, лист бумаги и железные опилкк На стол кладут магнит, сверху на него — лист бумаги и на бумагу насыпают небольшую горсть опилок. При этом железные опилки выстраиваются в характерный узор, демонстрируя направление магнитных силовых линий (на рис.5 узор изображен для стержневого магнита). А теперь мысленно представим, что напряженность магнитного поля, создаваемого магнитом, не постоянна, а медленно увеличивается от нуля до максимума. При этом железные опилки, лежащие сначала хаотично, будут понемногу, вслед за увеличением поля, выстраиваться по линиям от полюса N к полюсу S. Сначала те, которые ближе к полюсам, затем те, которые дальше, и наконец наступит момент, когда все опилки выстроятся вдоль магнитных силовых линий, и дальнейшее увеличение напряженности магнитного поля ничего не изменит, ведь количество частичек железа (опилок-«доменов») хоть и велико, но не бесконечно. В этом случае можно будет говорить о насыщении применительно к магнитопроводу. А теперь идем дальше. Сопротивление магнитного зазора объясняется все тем же затуханием магнитного поля в воздухе и зависит напрямую от физических размеров этого зазора. В [1] магнитный поток в сердечнике сравнивается с электрическим током в проводнике, следовательно, магнитный зазор можно сравнить с нелинейным сопротивлением, а значит, зазор — это плохо? Все зависит от конкретных требований, предъявляемых к трансформатору. Если он будет применяться в качестве источника питания, например, УМЗЧ или в трансформаторной подстанции, то да.

                                                                                                                      
    С другой стороны, например, сварочные агрегаты изготавливались в виде трансформаторов с регулируемым магнитным зазором в сердечнике (рис.6). Здесь сварочный агрегат показан довольно условно. Первичная и вторичная обмотки разделены на равные части и размещены на левой и правой части магнитопровода. Таким способом решались сразу две проблемы. Изменяя величину магнитного зазора в сердечнике, регулировалась величина затухания магнитного потока, а следовательно, и напряжения во вторичной обмотке, а также величина тока в сварочной дуге. Помимо этого достигалась падающая нагрузочная характеристика сварочного агрегата, что благоприятно сказывается на его работе. Для источника питания, к примеру, УМЗЧ падающая нагрузочная характеристика крайне нежелательна, так как просадки напряжения питающего УМЗЧ при максимумах музыкального пик-фактора должны быть минимальны для более верного этого самого пик-фактора воспроизведения.

Если речь зашла о сварочных агрегатах, то нужно еще добавить некоторые моменты. Напряжение вторичной обмотки сварочного трансформатора на «холостом ходу» примерно 70…80 В, а при зажигании дуги — должно снижаться до 20…25 В. Этим достигается наиболее благоприятный режим для сварки. Одним из способов достижения указанного режима работы является получение падающей нагрузочной характеристики. Методов достижения подобного эффекта несколько. Самыми распространенными являются методы: создание магнитного зазора в маг-нитопроводе и разнесении в пространстве первичной и вторичной обмоток.
                                                                                                                                        
Метод разнесения в пространстве обмоток — это ухудшение потокосцепления между первичной и вторичной обмотками, а значит, уменьшение напряжения во вторичной обмотке под нагрузкой.

Таким образом, для максимального улучшения нагрузочных свойств трансформатора и обеспечение постоянного коэффициента трансформации необходимо, применительно к обмоткам, добиться максимального потокосцепления между ними. Сделать это можно, например, чередуя поочередно в рядах обмотки витки первичной и вторичной обмоток (рис.7). Однако, при кажущейся простоте, сделать это крайне затруднительно.

Во-первых, количество витков в первичной и вторичной обмотках очень сильно разнятся.

Во-вторых, нередко вторичных обмоток несколько.

В-третьих, разнятся диаметры проводов первичной и вторичной обмоток.                                                               

  Но самая весомая причина — свойства изоляционного покрытия проводников должны быть крайне высоки, ведь при пробое изоляции находящихся впритык витков первичной и вторичной обмоток последствия будут печальные.
                                                                                                                                                      
Поэтому существуют несколько иные методы получения максимального потокосцепления. Один из методов давно и с успехом применяется при намотке выходных и межкаскадных трансформаторов ламповых УМЗЧ. Заключается он в укладке обмоток чередующимися слоями с обязательной межслоевой изоляцией. Следующий способ заключается в том, что каркас обмотки делят на несколько секций щечками и каждую секцию заполняют витками первичной и вторичной обмотки, также чередуя их (рис.8). Еще один способ таков: разделительный трансформатор УМЗЧ мотают жгутом проводов, в который входят проводники, относящиеся к разным обмоткам. После окончания намотки проводники, каждый для своей обмотки, «вызванивают» и соединяют последовательно. Нужно учесть, что напряжение питания подобных УМЗЧ всего лишь ±15 В. Для обмоток же, которые в процессе эксплуатации будут находиться под высоким напряжением 1 ООО В и более, или даже просто подключаться к сети 220 В, такой способ намотки крайне нежелателен, а в некоторых случаях опасен.

Подведем итоги:

  1. Потери в магнитопроводе трансформатора характеризуются гистерезисом, токами Фуко и магнитной вязкостью. Для уменьшения токов Фуко сердечник трансформатора собирают из тонких пластин. Избежать потерь на перемагничивание вряд ли удастся, но кое-что сделать можно. Чтобы не «нарваться» используя в своей разработке магнитопровод от сгоревшего трансформатора, нужно применять не расчетный, а оценочный метод по определению количества витков на вольт, неоднократно описанный в литературе.
  2. В ответственных конструкциях, например в УМЗЧ, лучше избегать применения магнитопроводов с технологическими отверстиями. Сердечники с технологическим зазором типа П, ПЛ стараться брать «родные», а не какие попало, зазор перед сборкой очищать мелким наждаком и при склейке в клей добавлять! ферритовый порошок.
  3. Что касается намотки, то правилами ее выполнения также пренебрегать не стоит. На тех же самых сердечниках типа П, ПЛ первичную обмотку следует располагать, разделив поровну на правой и левой части. Также желательно поступать и с вторичной обмоткой. На сердечниках типа О (тороидальном) все обмотки следует, если нет специальных указаний в описании конструкции, укладывать равномерно по всему диаметру. Этим удастся несколько уменьшить поле рассеяния.
  4. При использовании в своих конструкциях в источниках питания работающих от сети 220 В/50 Гц трансформаторов от старых ламповых телевизоров типа ТВЗ, ТВК нужно помнить, что они изготавливались с магнитным зазором в сердечнике, поэтому его необходимо ликвидировать, а если магнитопровод Ш-образный, то его нужно разобрать и собрать заново вперекрышку.

журнал  «Электрик»
 

Стабилизаторы напряжения

  Назначение стабилизатора (нормализатора) напряжения

 

В домах и квартирах сегодня присутствует большое количество  электроприборов: котлы отопления, компьютеры, холодильники, стиральные машины, микроволновые печи и т.д. Вся эта электротехника рассчитана на электропитание, которое отвечает требованиям стандарта Украины — напряжение в сети должно быть 220 В ± 10%, то есть в диапазоне от 198 В до 242 В. Импортная техника, а  мы используем в первую очередь импортную технику, рассчитана на более требовательные рамки напряжения — в Европе допустимой нормой отклонения от 220 В есть 6%, то есть возможны колебания от 207 В до 233 В.
     
В нашей реальной жизни колебания напряжения выходят далеко за рамки стандарта. Так в небольших городах и поселках  напряжение вечером снижается до 150 В, а в некоторых зонах и до 110 В. В других местах, где исчезли крупные промышленные предприятия, напряжение днем ​​повышается до 250-280 В. При высоком напряжении электроприборы могут запросто выйти из строя. Так электроника систем управления котлов отопления и стиральных машин сгорают при напряжении  более 240 В. Даже электролампы сгорают при 280 В. При низком напряжении сгорают водяные насосы и компрессоры холодильников. Если электроприборы не выходят из строя сразу, то несоответствие напряжения нормам, ведет к сбою программ управления микропроцессорными системами ,работе оборудования  в плохих режимах, а в результате к существенному  сокращению срока эксплуатации до 
40-45%. Отклонение напряжения от нормы ведет к существенному (10-20%) увеличению расходов электроэнергии, стоимость которой растет постоянно.
     
О плохом напряжении в первую очередь сигнализируют обычные лампы. При малом напряжении они начинают светить  тускло. Снижение напряжения на 10% уменьшает яркость свечения лампы на 40%. При большом напряжении лампы светят ярко и часто перегорают. Это первый признак нарушения уровня напряжения, который требует коррекции в вашем доме. Измерять напряжение необходимо днем ​​и вечером. Днем напряжение может сильно повышаться, а вечером  наоборот-падать. Определив уровни напряжения в доме Вы примете оправданное решение о приобретении стабилизатора. Защитить ваши приборы от аварийного уровня напряжения в электросети могут стабилизаторы напряжения. Они нормализуют напряжение таким образом, что оно находиться в рамках строгих нормативов. Дорогая электроаппаратура  будет служить долго и надежно ,если она защищена при помощи стабилизатора напряжения.

Выбор стабилизатора напряжения

Когда выбираете стабилизатор напряжения нужно учитывать несколько положений. Можно установить один мощный стабилизатор, который будет обеспечивать работоспособность и защищать от перепадов напряжения все электроприборы в вашем доме, квартире или офисе. В этом случае Вам нужен мощный прибор, обеспечивающий 7-10 кВт потребления. Этот выбор вполне оправдан в условиях, когда дом расположен в зоне плохого электропитания.   Если необходимо защитить только один прибор, например, котел отопления (они очень чувствительны к повышению или понижению напряжения), то Вам будет нужен маломощный стабилизатор напряжения на 300 Вт. Для стиральной машины и большинства водяных насосов достаточно стабилизатора напряжения мощностью 2 кВт. Таким образом, когда выбираешь стабилизатор, в первую очередь, нужно оценить мощность электроприборов, требующих защиты и работоспособность которых требуется обеспечить в первую очередь.
      При оценке мощности прибора нужно учитывать так называемые пусковые токи. Такие токи возникают, когда идет запуск насоса, станка и других приборов, имеющих электродвигатели. Двигатель в момент запуска потребляет в 3-4 раза большую мощность чем при работе в номинальном режиме. Так, например, котлы отопления требуют стабилизатор, который рассчитан на мощность 300 Вт, хотя при работе насос котла потребляет около 100 Вт.
    Таким образом, когда выбираете стабилизатор, который будет обеспечивать работу одного прибора, нужно учитывать его мощность с учетом пускового тока (если он имеет место), а когда выбираете стабилизатор для целого дома необходимо считать суммарную мощность всех одновременно включенных электроприборов.
   
После этого необходимо принять поправку на коэффициент, который зависит от напряжения в электросети. Эти коэффициенты приведены в таблице:
 

Напряжение,В 130 150 170 210 220 230 250 270
Коэффициент 1,67 1,47 1,29 1,05 1,00 1,05 1,29 1,47


Если суммарная потребляемая мощность Ваших приборов с учетом пусковых токов составляет, например, 6 кВт, а входное напряжение на уровне 130 В, то Вам нужен стабилизатор 6 кВт х 1,69 =10 кВт. Такую же поправку следует учитывать когда выбираете стабилизатор для защиты одного прибора.
     
Кроме мощности стабилизатора следует учитывать быстродействие — время реакции прибора на скачки напряжения в электросети. Есть стабилизаторы с быстродействием 20 миллисекунд, то есть стабилизатор отреагирует на скачок напряжения через 0,02 секунды. А есть инерционные стабилизаторы, которые среагируют только за несколько секунд. Так сервоприводные стабилизаторы нормализуют выходное напряжение со скоростью 10 В/сек. Такой стабилизатор при скачкообразном повышении сетевого напряжения достаточно долго (в течение нескольких секунд) будет снижать опасную для прибора напряжение на выходе. За это время прибор может выйти из строя окончательно.
    
Стабилизаторы обеспечивают защиту электроприборов от различных предельных колебаний в электросети. Есть приборы, которые начинают работать от 160 В и есть такие, которые работают от 110-130 В. Есть стабилизаторы, которые отключатся при повышении напряжения до 250 В, а есть такие, которые надежно работают при 285 В. Таким образом следует учитывать диапазон колебаний напряжения в доме и лучше брать прибор с соответствующим диапазоном рабочих входных напряжений. Оптимальные стабилизаторы, которые будут защищать ваш прибор как от чрезмерно низкого сетевого напряжения, при которой горят обмотки двигателей и компрессоров, так и от слишком высокого напряжения, которое выводит из строя системы электроники. Необходимая также защита от слишком большой потребляемой мощности, которая выведет из строя трансформатор стабилизатора.

Системы защиты,которые необходимы для нормальной работы стабилизатора.

Защита по току это защита от превышения мощности стабилизатора потребителем.
То есть, если вы приобрели стабилизатор на 5кВт, то при подключении потребителей на 6 кВт ,в стабилизаторе сработает защита от превышения мощности (защита по току). Эта защита может быть реализована двумя способами:
   
В стабилизаторое установленном на отдельный прибор есть два вида защиты по току электронный и плавкая вставка. Электронная защита должна срабатывать после некоторой паузы, для того чтобы игнорировать пусковые токи, если прибор и плавкая вставка рассчитаны на наличие этих пусковых токов (это может быть насос котла, компрессор холодильника или двигатель стиральной машины).
В стабилизаторе установленном на целый дом защитой по току есть автоматический выключатель. Автоматические выключатели, как правило, не тарированные очень четко на определенные значения и допускают некоторое превышение мощности на короткое время. В некоторых приборах существует перегрузки по току, в основном это пусковые токи двигателей.
     
Если перегрузка по току (мощности) по времени не превысит время срабатывания автомата, то этот перегрузочный импульс проигнорируется. Поэтому, если вы немного ошиблись при выборе мощности стабилизатора, то автоматический выключатель позволит некоторое превышение мощности.
    
Защита от высокого напряжения это способность стабилизатора понижать напряжение при превышении ее выше уровня 240В. Как ни странно, существует множество стабилизаторов, которые только повышают напряжение до определенного уровня, а при превышении напряжения в сети выше 240В пропускают ее на прибор. Это может подойти тем потребителям, которые уверены что у них стабильное заниженое напряжение. Но как показывает практика, сезонные колебания напряжения могут быть как в сторону увеличения так и в сторону уменьшения. Есть примеры когда у потребителя всю зиму напряжение не превышало 180В, а с приходом весны уровень напряжения вырос до 260В!
    
В стабилизаторе должен быть предусмотрен коммутирующий элемент (симистор или реле) предназначенный для отключения потребителя в случае поломки самого стабилизатора, при которой на выходе стабилизатора напряжение может подняться выше уровня 240В. Этим элементом может служить дополнительное реле которое не участвует в стабилизации напряжения, и поэтому имеет минимальный износ, а значит гарантирует надежное отключение в аварийной ситуации.
   
 Защита от перегрева (термозащита).
В каждом стабилизаторе должно быть реализована защита от перегрева трансформатора. А также, если коммутационными элементами являются тиристоры или симистор, должна быть предусмотрена защита от их перегрева. Качество этого вида защиты является очень важным для предотвращения возгорание стабилизатора, а следовательно для предотвращения пожара.

 

Быстродействие стабилизатора напряжения

Под быстродействием стабилизатора напряжения следует понимать время реакции стабилизатора на изменение напряжения в сети или просто время за которое стабилизатор отработает изменение входного напряжения и выдаст на своем выходе стабилизированное напряжение. Понятно, что чем выше быстродействие или чем ниже время срабатывания стабилизатора, тем лучше. Поскольку быстродействие стабилизатора определяет время в течение которого нестабилизированное сетевое напряжение будет подано на ваши приборы. По быстродействию проигрывают сервоприводные стабилизаторы скорость регулирования которых колеблется 15-150 В\сек. Наивысшую производительность имеют электронные (компенсационные, дискретные) стабилизаторы напряжения. Электронные стабилизаторы регулируют напряжение, при помощи переключения электронными ключами обмоток специального автотрансформатора. Ключи управляются микропроцессором по специальной программе. Изготовляют два типа электронных стабилизаторов напряжения: с полупроводниковыми (тиристоры или симистор) и релейными ключами. Стабилизаторы этого типа имеют высокое быстродействие, поэтому устанавливаются в комплексе с дорогим оборудованием, которое требует защиты от всех аномалий сети. Их также используют в жилых домах и на производстве. Под быстродействием, таких стабилизаторов, нужно понимать время измерения напряжения в сети плюс время срабатывания коммутационного элемента (тиристора или реле). Для достоверной оценки сетевого напряжения понадобится измерения течение 20мс (один период синусоиды). Время переключения тиристора, симистора и маломощных реле не превышает 10мс, мощных реле (для стабилизаторов от 5 КВт до 10 КВт) не превышает 20мс. Поэтому быстродействие симисторных (тиристорных) стабилизаторов напряжения можно приравнять к быстродействию релейных.

Трехфазные стабилизаторы

Трехфазные стабилизаторы комбинация трех однофазных стабилизаторов, которые собраны в одном или в трех различных корпусах. При подключении к электросети каждая из фаз подключается к одному из трех стабилизаторов. Таким образом обеспечивается стабилизация всех трех фаз. Технические характеристики трехфазных стабилизаторов полностью идентичны характеристикам однофазных стабилизаторов, которые описаны в соответствующем разделе(см.выше).

К списку статей

Методы проверки импульсных трансформаторов

Автор считает, что методы проверки импульсных трансформаторов сигналами низкого уровня без выпаивания из схемы недостоверны. Он предлагает два простых метода тестирования трансформаторов в режиме, близком к рабочему. Конечно, требуется их демонтаж, но зато достоверность результатов проверки гарантируется!

   Импульсные трансформаторы блоков питания и строчных разверток выходят из строя чаще всего по причине перегрева обмоток. При пробое силовых ключей резко повышается ток в обмотке, что приводит к ее локальному разогреву с последующим нарушением изоляции обмоточного провода. Чаще это происходит в малогабаритных трансформаторах, намотанных тонким проводом, например, в блоках питания современных видеомагнитофонов, видеоплееров и строчных трансформаторах (ТДКС) телевизоров. В результате перегрева обмоточного провода возникают межвитковые замыкания, резко снижающие добротность трансформатора, что нарушает режим работы автогенератора импульсного источника питания (ИИП) или каскада строчной развертки.
   Проверка импульсных трансформаторов блоков питания и ТДКС — тема достаточно актуальная, методов обнаружения межвитковых замыканий описано немало. Результаты тестирования импульсных трансформаторов методами измерения резонансной частоты, индуктивности или добротности обмотки недостоверны. Резонансная частота трансформатора, в частности, зависит от числа витков, емкости между слоями обмоток, свойств материала сердечника и высоты зазора. Межвитковые замыкания не устраняют резонанс, а только повышают резонансную частоту и снижают добротность катушки. Форма тестового синусоидального напряжения закороченными обмотками не искажается, а применять прямоугольные импульсы вообще неразумно по причине возникновения импульсов ударного возбуждения. На этом принципе тоже существуют приборы, но они малоэффективны. Влиять на форму импульса может насыщение сердечника, но в этом случае нужен генератор большой мощности. Видимо, по этим причинам эффективность известных способов очень низка, а результаты проверки малодостоверны.
   Ниже предлагаются простые достоверные методы проверки импульсных трансформаторов в режиме, близком к рабочему. В качестве генератора сигнала используется выходной каскад строчной развертки телевизора или его импульсный источник питания (ИИП). Предлагаемые методы позволяют безопасно обнаружить места пробоя изоляции корпуса ТДКС, так называемые «свищи».
   Для проверки по первому методу необходим исправный телевизор, строчная развертка которого используется в качестве генератора. Проверяемый ТДКС необходимо демонтировать, и его накальную обмотку подключить к выводам напряжения накала на плате кинескопа, как показано на рис. 1.
   Для второго метода в качестве генератора используется исправный ИИП, можно даже от ремонтируемого телевизора. Для проверки ТДКС обмотка, предназначенная для подключения строчного транзистора, подсоединяется ко вторичной обмотке трансформатора ИИП, предназначенной для формирования напряжения 110…140 В (рис. 2].
Трансформаторы ТДКС
                                                                                 

   
                  Подключение тестируемого ТДКС через накальную обмотку                                                                   строчный трансзистор

   В обоих случаях ТДКС оказывается в режиме, близком к рабочему, и критерием его исправности можно считать появление на анодном выводе высокого напряжения, способного «пробить» 2…3 см воздушного пространства. Для изготовления разрядника можно использовать провод с двумя зажимами типа «крокодил». Один «крокодил» подключается к отрицательному выводу анодной обмотки, а второй вешается на «присоску», где и образуется разрядник. Наличие короткозамкнутых витков легко определяется по перегрузке генератора [строчной развертки или ИИП] и отсутствию разрядов в высоковольтной цепи.
   Подозрительные трансформаторы ИИП можно проверять по второму методу, подключая к выходу генератора обмотку, предназначенную для силового ключа. Признаком наличия в тестируемом трансформаторе короткозамкнутых витков служит перегрузка ИИП, срыв генерации и срабатывание защиты.
   Напоследок напоминание: работая с высокими напряжениями, помните о правилах техники безопасности!

                  Александр Омельяненко
К списку статей

Трансформаторы типа ТП

                                                                                                                             
Трансформаторы типа ТП с частотой питающей сети 1 000 Гц

    Малогабаритные низковольтные трансформаторы питания типа ТП предназначены для работы в условиях умеренно холодного климата при температуре окружающей среды -60…+ 85°С и относительной влажности воздуха до 98% при температуре + 40 °С. Трансформаторы типа ТП применяются в устройствах электропитания РЭА, АСС и приборов для питания функциональных узлов и блоков, изготавливаемых на ППП и микросхемах с применением схем печатного монтажа. Трансформаторы типа ТП (на броневых магнитопроводах) имеют мощность 5, 200 В А, и рассчитаны на напряжение питающей сети переменного тока 20 х 2,40 и 115В и частоту 1 000 Гц.

  Конструкция и размеры

Общий вид, габаритные и установочные размеры трансформаторов питания типа ТП показаны на рис. 2.15. При изготовлении трансформаторов используются броневые магнитопроводы стандартизованного ряда, типов ШЛ и ШЛО. Перечень, применяемых магни-топроводов приведен в табл. 2.24.Конструкция трансформаторов и современная технология их изготовления обеспечивают прочность и надежную работу при механических и климатических воздействиях, рассмотренных в первой главе справочника. Она способна сохранять работоспособность при повышенной влажности и во всех случаях температурных воздействий, обеспечивать необходимый запас прочности изоляции обмоток. Основные конструктивные размеры трансформаторов типа ТП приведены в табл. 2.24.
 
                                                                                                          

                                                    
     Трансформаторам типа ТП присвоены условные обозначения, которые применяются при разработке конструкторской документации и при заказе заводу-изготовителю. В условное обозначение трансформатора входит его сокращенное обозначение и обозначение ГОСТ или ТУ, по которым производится их поставка потребителю. Пример записи малогабаритного трансформатора типа ТП для схем печатного монтажа в конструкторской документации — «Трансформатор ТП86-20-1000Т».
    Принципиальные электрические схемы трансформаторов типа ТП показаны на рис. 2.16.
    При монтаже трансформаторы устанавливаются в гнезда печатных плат, изготовленных с шагом сетки 2,5 мм. Предельные отклонения установочных размеров и зазора между осями базового вывода и других выводов трансформатора, показанных на рис. 2.14 составляют ± 0,05 мм. Базовый вывод трансформатора обозначен цифрой «0».
     
                                                                                            
   
                  
                        

      Основные параметры

   Технические характеристики и основные параметры трансформаторов питания для схем печатного монтажа типа ТП, рассчитанных на частоту питающей сети 1 000 Гц в режиме номинальной нагрузки приведены в табл. 2 25. Электрические параметры трансформаторов в режиме холостого хода-приведены в табл. 2.26. Сопротивление изоляции между обмотками трансформатора в нормальных климатических условиях составляет 100 МОм. Сопротивление изоляции между обмотками и корпусом составляет 20 МОм. При кратковременном воздействии повышенной влажности сопротивление изоляции снижается до 10 МОм, а при длительном воздействии — до 1 МОм. Без обрывов в обмотках и изменения тока холостого хода трансформаторы выдерживают многократное циклическое воздействие пониженной и повышенной температур, с учетом перегрева обмоток.
   Минимальное значение вероятности безотказной и высоконадежной работы трансформаторов в течение 1 000 ч при достоверности равной 0,9 обеспечивается в пределах 0,997,..0,999.
Электропитание трансформаторов от первичной сети переменного тока напряжением 20 х 2,40 и 115 В осуществляется при колебаниях напряжения и частоты в пределах ± 5% Допускается эксплуатация трансформаторов с номинальным напряжением 40 В от сети 37,6…42,4 Вис номинальным напряжением 115 В от сети 108. .122 В при подаче напряжения на соответствующие отводы и клеммы. Устойчивая работа трансформаторов обеспечивается при изменении частоты питающей сети в пределах 950 5 000 Гц. Напряжение питающей сети подается на выводы «1» и «2» или «1» и «4» трансформатора При нормальных условиях эксплуатации трансформатор имеет долговечность не менее 10 000 ч.

    Электрические параметры трансформаторов ТП

     

Трансформаторы сетевые малой мощностиТрансформаторы сетевые малой мощности 2

Заказать трансформаторы    

Трансформаторы типа ТПИ

  Импульсные трансформаторы питания (ТПИ) применяются в импульсных устройствах электропитания бытовой и офисной аппаратуры с промежуточным преобразованием напряжения питающей сети 127 или 220 В с частотой 50 Гц в импульсы прямоугольной формы с частотой следования до 30 кГц, выполненные в виде модулей или блоков питания: БП, МП-1, МП-2, МП-З, МП-403 и др. Модули имеют одинаковую схему и отличаются только типом используемого импульсного трансформатора и номиналом одного из конденсаторов на выходе фильтра, что определяется особенностями модели, в которой они применяются.
     Мощные трансформаторы ТПИ для импульсных источников питания используются для развязки и передачи энергии во вторичные цепи. Накопление энергии в этих трансформаторах нежелательно. При проектировании таких трансформаторов в качестве первого шага необходимо определить размах колебаний магнитной индукции ДВ в установившемся режиме. Трансформатор должен быть рассчитан на работу при возможно большем значении ДВ, что позволяет иметь меньшее число витков в намагничивающей обмотке, увеличить номинальную мощность и уменьшить индуктивность рассеивания На практике значение ДВ может ограничиваться либо индукцией насыщения сердечника Bs, либо потерями в магнитопроводе трансформатора.
     В большинстве полномостовых, полумостовых и двухполупериодных (балансных) схем со средней точкой трансформатор возбуждается симметрично. При этом значение магнитной индукции изменяется симметрично относительно нуля характеристики намагничивания, что дает возможность иметь теоретическое максимальное значение ДВ, равное удвоенному значению индукции насыщения Bs. В большинстве одно-тактных схем, используемых, например, в однотактных преобразователях, магнитная индукция колеблется полностью в пределах первого квадранта характеристики намагничивания от остаточной индукции Br до индукции насыщения Bs ограничивая теоретический максимум ДВ до значения (Bs — BR). Это означает, что если ДВ не ограничено потерями в магнитопроводе (обычно на частотах ниже 50…100 кГц), для однотактных схем потребуется трансформатор больших размеров при одной и той же выходной мощности.
     В питаемых напряжением схемах (которые включают все схемы понижающих стабилизаторов), в соответствии с законом Фарадея, значение ДВ определяется произведением «вольт-секунда» на первичной обмотке. В установившемся режиме произведение «вольт-секунда» на первичной обмотке устанавливается на постоянном уровне. Размах колебаний магнитной индукции, таким образом, также постоянен.
     Однако, при обычном методе управления рабочим циклом, который используется большинством микросхем для импульсных стабилизаторов, при запуске и во время резкого увеличения тока нагрузки величина ДВ может достигать удвоенного значения от значения в установившемся режиме Поэтому, чтобы сердечник не насыщался при переходных процессах, установившееся значение ДВ должно быть в два раза меньше теоретического максимума Однако же, если используется микросхема, позволяющая контролировать значение произведения «вольт-секунда» (схемы с отслеживанием возмущения входного напряжения), то максимальное значение произведения «вольт-секунда» фиксируется на уровне, немного превышающем установившийся Это позволяет увеличить значение ДВ и улучшает производительность трансформатора.
     Значение индукции насыщения Bs для большинства ферритов для сильных магнитных полей типа 2500НМС превышает значение 0.3 Тл. В двухтактных питаемых напряжением схемах величина приращения индукции ДВ обычно ограничивается значением 0,3 Тл. При увеличении частоты возбуждения до 50 кГц потери в магнитопроводе приближаются к потерям в проводах. Увеличение потерь в магнитопроводе на частотах выше 50 кГц приводит к уменьшению значения ДВ.
      В однотактных схемах без фиксации произведения «вольт-секунда» для сердечников с (Bs — Br), равным 0,2 Тл, и с учетом переходных процессов установившееся значение ДВ ограничивается на уровне только 0,1 Тл Потери в магнитопроводе на частоте 50 кГц будут незначительными вследствие небольшого размаха колебаний магнитной индукции. В схемах с фиксированным значением произведения «вольт-секунда» величина ДВ может принимать значения до 0,2 Тл, что дает возможность значительно сократить габаритные размеры импульсного трансформатора.
       В питаемых током схемах источников питания (повышающие преобразователи и управляемые током понижающие стабилизаторы на связанных катушках индуктивности), значение ДВ определяется произведением «вольт-секунда» на вторичной обмотке при фиксированном выходном напряжении. Так как произведение «вольт-секунда» на выходе не зависит от изменений входного напряжения, то питаемые током схемы могут работать со значением ДВ, близким к теоретическому максимуму (если не учитывать потери в сердечнике), без необходимости ограничения величины произведения «вольт-секунда».
      На частотах выше 50 . 100 кГц значение ДВ обычно ограничивается потерями в магнитопроводе.
      Вторым шагом при проектировании мощных трансформаторов для импульсных источников питания необходимо произвести правильный выбор типа сердечника, который не будет насыщаться при заданном произведении «вольт-секунда» и обеспечит приемлемые потери в магнитопроводе и обмотках Для этого можно использовать итерационный процесс вычисления, однако приводимые ниже формулы (3 1) и (3 2) позволяют вычислить приближенное значение произведения площадей сердечника SoSc (произведение площади окна сердечника So и площади поперечного сечения магнитопровода Sc) Формула (3 1) применяется, когда значение ДВ ограничено насыщением, а формула (3.2) — когда значение ДВ ограничено потерями в магнитопроводе в сомнительных случаях вычисляются оба значения и используется наибольшее из таблиц справочных данных для различных сердечников выбирается тот тип сердечника, у которого произведение So Sc превышает расчетную величину.
       

                                                                                                

    где
    Рвх = Рвых/л = (выходная мощность/КПД);
    К — коэффициент, учитывающий степень использования окна сердечника, площади первичной обмотки и конструктивный фактор (см. табл 3 1); fp — рабочая частота трансформатора
                                                                            
   Для большинства ферритов для сильных магнитных полей коэффициент гистерезиса равен Кк = 4 •  105, а коэффициент потерь на вихревые токи — Квт = 4 • 1010.
   В формулах (3.1) и (3.2) предполагается, что обмотки занимают 40% от площади окна сердечника, соотношение между площадями первичной и вторичной обмоток соответствует одинаковой плотности тока в обеих обмотках, равной 420 А/см2, и что суммарные потери в магнитопроводе и обмотках приводят к перепаду температур в зоне нагрева на 30 °С при естественном охлаждении.
   В качестве третьего шага при проектировании мощных трансформаторов для импульсных источников питания необходимо произвести расчет обмоток импульсного трансформатора.
   В табл. 3.2 приведены унифицированные трансформаторы электропитания типа ТПИ, используемые в телевизионных приемниках.
                                                                              
                                                                                  
                                                                                    
                                                                                    
     Намоточные данные трансформаторов типа ТПИ, работающих в импульсных блоках питания стационарных и переносных телевизионных приемниках, приведены в табл 3. 3 Принципиальные электрические схемы трансформаторов ТПИ показаны на рис 3. 1

                                                                                                                 
  

  
   К списку статей
  
   

Проверяем трансформаторы и катушки индуктивности

 Проверяем трансформаторы и катушки индуктивности 
  А.П. Кашкаров. г. Санкт-Петербург. Россия
При ремонте радиоэлектронной аппаратуры бывает необходимо быстро проверить дискретные компоненты устройства. Когда все возможные версии неисправности отработаны и оказались неэффективны, остается обратить пристальное внимание на трансформаторы и катушки индуктивности.

Катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы проверяют визуально или на обрыв с помощью омметра. Простой метод проверки намоточных катушек индуктивности и трансформаторов на предмет обрыва выполняют омметром в режиме измерения сопротивления. Для обнаружения короткозамкнутых витков внутри катушки рекомендуется схема, показанная на рис.1.

На выходе генератора синусоидальных колебаний устанавливают частоту 1 кГц и подают сигнал амплитудой 5 В через резистор R1 на проверяемую обмотку L1. Сопротивление ограничительного резистора зависит от амплитуды сигнала генератора, которую выбирают в зависимости от параметров проверяемой катушки L1. При амплитуде выходных импульсов генератора 5 В сопротивление резистора выбирают в пределах 1 кОм. Напряжение на обмотке L1 в точке А контролируют с помощью осциллографа. Появление дифференцированных импульсов в точке А указывает на наличие в обмотке катушки короткозамкнутого витка. Такой метод показал себя эффективным и доступным в обычной домашней лаборатории.

На практике часто возникают отказы трансформаторов, причем из-за короткого замыкания вторичных обмоток возникает опасность поражения электрическим током. Конечно, проверять обмотки трансформаторов на пригодность можно и визуально, например, если из трансформатора при включении идет дым и присутствует специфический запах гари, причем не важно, сколько в нем исправных обмоток и какой характер неисправности, потому что такой трансформатор использовать в дальнейшем нецелесообразно. Однако, если отсутствуют визуальные признаки неисправности, существует альтернативный метод. Предлагаемый ниже второй метод проверки позволяет обнаружить в силовом трансформаторе короткозамкнутые обмотки.

    
На первичную обмотку Т2 с автотрансформатора Т1 через лампу накаливания EL1, мощность которой 15…25 Вт (она приблизительно должна соответствовать половине мощности испытуемых силовых трансформаторов), подают переменное напряжение от 0 до 170 В.

При первом включении выходное напряжение автотрансформатора должно быть установлено на «0». После этого в собранном по схеме рис.2 устройстве выходное напряжение автотрансформатора плавно доводят до максимального значения (150.170 В). В качестве автотрансформатора используют промышленный ЛАТР 220/170-50-20 или другой аналогичный.

На этом этапе проверки, при исправном тестируемом трансформаторе Т2, индикаторная лампа EL1 не должна светиться. Если лампа EL1 все же загорелась, то во вторичной (вторичных) обмотке имеется короткозамкнутые витки. Подтверждением этому будет отсутствие изменения или незначительное изменение в силе накала лампы EL1.

Для силовых трансформаторов с несколькими обмотками производят проверку каждой вторичной обмотки.

Сварочный аппарат из двух трансформаторов

 
Сварочный аппарат из двух трансформаторов
    А.Н. Журенков, г. Запорожье
 
   В статье описан сварочный аппарат постоянного тока из двух трансформаторов с разделением первичной обмотки на две по 37 В с дополнительным отводом на 110 В, а вторичной — на две по 50 В для поочередной работы в течение каждого периода через диоды выпрямителя для сварки постоянным током. Возможен также вариант параллельного включения вторичных обмоток для сварки переменным током. Такое техническое решение позволило намотать первичные обмотки проводом нужного сечения с меньшим количеством витков, а вторичные обмотки — более тонким проводом, обеспечивающим необходимое суммарное сечение, что существенно облегчило намотку и укладку провода.
 
   Сварочный аппарат на базе трансформатора  В журнале «Электрик» были описаны конструкции сварочных трансформаторов из двух ЛАТРов, нескольких трансформаторов от телевизоров и другие варианты. В серии статей И. Зубаля «Сварочный трансформатор своими руками»  дано много интересных решений и рекомендаций. Сварочный аппарат из двух ЛАТРов на 10 А может быть также изготовлен и со штатными обмотками ЛАТРов в качестве первичной обмотки. Это обеспечивает мощность аппарата 4,4 кВт. При установке ЛАТРов вертикально между соприкасающимися торцами необходимо проложить кольцо шириной 20 мм, например, из пропитанной лаком ДВП. Обмотки соединить параллельно и синфазно, чтобы магнитные потоки имели одинаковое направление. Оголенную токосъемную дорожку следует покрыть эпоксидным лаком. Для улучшения охлаждения первичной обмотки на каждую наружную часть ЛАТРов намотать по 3-4 витка канатика диаметром 4…5 мм. После этого намотать вторичную обмотку по рекомендации И. Зубаля.

При установке ЛАТРов по типу «ушастик» между ними необходимо проложить три деревянные прокладки высотой 15…20 мм, пропитанные лаком. После этого ЛАТРы связать между собой канатиком диаметром 4…5 мм, равномерно распределив по высоте 4-6 витков. Первичные обмотки соединить последовательно и синфазно, чтобы в месте соприкосновения ЛАТРов магнитные потоки имели одно направление. Вторичная обмотка может быть полностью намотанной через отверстия ЛАТРов или состоять из двух половин, намотанных на каждый из них и соединенных синфазно. В таком случае первичные обмотки будут лучше охлаждаться.

Предлагаемая конструкция предназначена для сварки постоянным током и изготовлена из двух дросселей с трансформаторным железом УШ40х80. Суммарное сечение сердечника 64 см2, чего вполне достаточно для сварочного трансформатора. В конструкции использованы штатные каркасы катушек и крепежные детали без переделки, что свело к минимуму использование дополнительных материалов и трудозатраты на изготовление.

  Катушки обоих трансформаторов должны быть идентичны. Первичные обмотки каждого трансформатора рассчитаны на 137 В с отводами на 110 В и содержат каждая по 221 витков с отводом от 161 витка.  Конструкция сварочного трансформатора Эти обмотки намотаны проводом ПЭВ-2 диаметром 2,0 мм. Вторичные обмотки рассчитаны на 50 В каждая при напряжении по 110 В на первичных обмотках и содержат по 75 витков провода ПБД диаметром 3,0 мм. Между обмотками проложены изоляционные прокладки из одного слоя тонкого прессшпана. После намотки катушки поочередно погружаются в емкость с подогретым до температуры 50…60°С лаком на 10 мин для пропитки. Схема сварочного трансформатора После высыхания катушки шихтуются трансформаторным железом вперекрышку, скрепляются штатным крепежным материалом и устанавливаются на металлическое основание. При этом необходимо учесть идентичность установки трансформаторов, чтобы направление магнитных потоков в соприкасающихся частях магнитопроводов совпадали. 20 диодов выпрямителя типа Д242А закреплены на алюминиевой пластине размерами 300×140 мм и толщиной 4 мм без изоляционных прокладок, так как «+» при сварке постоянным током подключается к «массе». Аноды диодов соединены с выводами вторичных обмоток индивидуальными монтажными проводниками сечением 1,5 мм2.  

 Электрическая схема сварочного аппарата показана на рисунке. Переключатели SA1 и SA2 позволяют получать на вторичных обмотках напряжения 50 В, 44 В и 37 В. Учитывая, что напряжения этих обмоток в течение каждого периода подаются на выход через диоды поочередно, ток каждой обмотки в два раза меньше сварочного. Это позволило намотать вторичные обмотки более тонким проводом, что облегчает его намотку и укладку. Соединив вторичные обмотки параллельно, аппарат без диодов можно использовать для работы на переменном токе.

Малые габариты и вес создают определенные удобства при его эксплуатации, в то же время это ограничивает применение электродов диаметром выше 3 мм. Конструкция сварочного аппарата показана на фото.

По материалам журнала «Электрик»

  К списку статей
 

Фазировка обмоток трансформаторов

    Хорошо известно, что фаза напряжения на выводах дросселя и фаза тока через его обмотку разнесены во времени на четверть периода (нуль напряжения совпадает с максимумом тока и наоборот) — индуктивный элемент «крутит фазу». В трансформаторе все иначе. Хотя в основе работы трансформатора лежит закон электромагнитной индукции, в отношении фаз сигналов здесь все иначе.
    Попробуем провести простой эксперимент: нагрузим вторичную обмотку трансформатора чисто активным сопротивлением. Мы заметим, что для нашего идеального трансформатора напряжение на активной нагрузке U1 а значит, и ток i2 будут совпадать по фазе с напряжением, приложенным к первичной обмотке. Эквивалентная схема дает нам понять, что происходит в этом случае: мы как бы увеличили наше активное сопротивление в n2 раз в соответствии с правилами пересчета (табл. 3.4) и включили его непосредственно к клеммам 1-2, на которые подается первичное напряжение U1.  На принципиальных электрических схемах всегда обозначают «начала» и «концы» обмоток трансформаторов. Начало принято помечать точкой, как показано на рис. 3.15. Эти точки обозначают «плюс» ЭДС, приложенных к обмоткам или возникающих в них. Вообще фазировка обмоток — важное дело, с которым нам придется еще не раз столкнуться «лицом к лицу». Двухобмоточный трансформатор — лишь один из возможных конструкций трансформаторов. Достаточно часто встречаются многообмоточные варианты, у которых несколько вторичных обмоток. Многообмоточный трансформатор можно представить на эквивалентной схеме (рис. 3.16) как множество параллельно соединенных нагрузок, пересчитанных в первичную обмотку, причем каждая — через свой коэффициент трансформации.
 
                                                                                                 
                                
                                                                       
Семенов Б.Ю. «Силовая электроника от простого к сложному»
  К списку статей