Обмотку низшего напряжения трансформатора делают из какого провода

Обновлено: 17.05.2024

Что за "зверь" такой силовой трансформатор

Для транспортировки электрической энергии на значительное расстояние и уменьшения при этом технических потерь используются высоковольтные силовые трансформаторы (СТ). Они работают на принципе трансформации, преобразуя электрическую энергию одного параметра в другую размерность путем электромагнитной индукции. С этой целью электрическая энергия, полученная со щеточного устройства генераторов по шинам подается в трансформаторы для повышения и дальнейшей передачи.

Конструкция силового трансформатора

Силовой трансформатор состоит из двух или более обмоток, которые находятся на сердечнике (магнитопроводе) из специальной (для улучшения магнитопроницаемости) холоднокатаной электротехнической стали. Обмотки, чаще всего, делаются из алюминия и отличаются друг от друга количеством витков (на «высокой» стороне больше, на «низкой» - меньше) и площадью сечения (тут наоборот: обмотки высокой стороны имеют меньшее сечение проводника). Для лучшего использования пространства в окнах сердечника, проводники имеют квадратную форму. Называемые также жилами, они могут подразделяться на два или больше параллельных проводника с целью уменьшить вихревые токи и, соответственно, потери электроэнергии в трансформаторе.

Первичная и вторичная обмотки трансформатора имеют по три фазовые составляющие. Между собой они могут соединяться тремя разными способами:

Соединение «звездой» или Y-соединение. В нем все три обмотки соединяются своими окончаниями в одной точке нейтрали.
Соединение «треугольником» или Δ-соединение (дельта-соединение). Все три фазные обмотки соединяются последовательно, образуя кольцо или треугольник.
Соединение «зигзаг» или Z-соединение.

Выбор способа соединения обусловлен требуемыми параметрами силового трансформатора. Так, соединение звездой применяется чаще всего на высокой стороне, тогда нейтральная точка служит для заземления. В этом случае низкая сторона трансформатора должна быть соединена треугольником, так как при низком напряжении сила тока очень велика. Огромные токи сопровождаются выделением тепла, поэтому трансформатор помещают в сварной бак, заполненный специальным маслом, и радиаторами, которые и охлаждают обмотки. Силовые трансформаторы с сухими обмотками изготавливают только не очень большой мощности.

Кроме того, что бак является резервуаром для трансформаторного масла, он еще служит конструкцией, на которой крепятся аппаратура управления и вспомогательные устройства. Перед закачкой масла из бака удаляют весь воздух, который может уменьшить сопротивление изоляции обмоток, снизив тем самым диэлектрическую прочность трансформатора. Конструкция бака предусматривает возможное расширение масла от увеличения его температуры. Обычно для этого монтируют расширительный бачок, в который переходит излишек нагретого масла.

Помимо масляных силовых трансформаторов, бывают сухие трансформаторы, основным отличием которых как понятно из названия, является отсутствие масла в магнитной системе и обмотках.

Принцип работы

Работа силового трансформатора (СТ) осуществляется на законах электротехники. СТ ничем не отличаются от обыкновенного трансформатора. Проходящий в первичной обмотке ток изменяется во временном диапазоне гармониками. Он создает в магнитопроводах мощный поток магнитных полей. Индукция проникает сквозь витки вторичной обмотки, создается электродвижущая сила.

Понятие группы соединения обмоток трансформаторов, таблицы и схемы

Своими руками

Любой трансформатор, за исключением автотрансформатора, имеет минимум две обмотки: высокого и низкого напряжений. Также у трехфазных устройств каждая из обмоток состоит из трех частей (по числу фаз). Большое количество частей дает возможность множества вариантов включения. Чтобы избежать путаницы, все группы соединения обмоток трансформатора для трехфазных устройств стандартизированы и приведены к единой системе для безошибочного подключения устройств и возможности параллельной работы.

Содержание

Понятие группы соединение обмоток трехфазного трансформатора

В трехфазных сетях используется два вида соединений: звезда и треугольник. При изготовлении конструкций может показаться, что существует всего четыре вида расположения обмоток:

Звезда-звезда.
Звезда-треугольник.
Треугольник-звезда.
Треугольник-треугольник.

На деле все обстоит сложнее, поскольку в каждом виде соединений (звезде или треугольники) части обмоток могут быть соединены по-разному. В качестве примера можно привести обычных двухобмоточный трансформатор. Если у такого устройства совпадают начала и концы обмоток, то сдвиг фаз будет равен 0. Разворот одной из обмоток даст сдвиг фаз 180 0 .

Также встречаются z-образные соединения обмоток (зигзаг). В таких конструкциях каждая из обмоток состоит из двух частей, расположенных на различных стержнях магнитопровода трансформатора.

Трехфазная сеть характеризуется сдвигом фаз одна относительно другой на 120 0 . Поэтому всего насчитывается 12 групп соединения. Каждая группа характеризуется определенным сдвигом одноименных фаз на входе и выходе трансформатора.

Условные обозначения и расшифровка

Группы маркируются числами от 0 до 11. Для удобства и стандартизации принято следующее:

однотипные соединения (∆/∆, Y/Y) имеют четные номера;
разнотипные соединения (∆/Y, Y/∆) – нечетные.

Трехфазные трансформаторы выполняются на стержневых магнитопроводах. Каждая из фаз располагается на отдельном стержне. Это во многом упрощает дальнейшую работу и согласование устройств между собой.

Если у трансформатора одинаковые фазы намотаны на одних стержнях, то группы соединений при этом называются основными (0, 6, 11, 5). Остальные группы – производные.

Так как минимальный сдвиг фаз может составлять 30 0 , то количество вариантов равно 12, что соответствует положениям стрелок часов. 0-е и 12-е положения совпадают. На основании этого говорят, что номер группы совпадает с положением часовой и минутной стрелок. Сдвиг фаз вычисляется просто:

Номер группы*30 0 .

Приняты следующие обозначения на электросхемах и устройствах:

Y, У – звезда;
Yн, Ун – звезда на стороне низкого напряжения;
Yо, Уо – звезда с нулевой точкой;
∆, Д, D – треугольник;
∆н, Дн, Dн – треугольник на стороне низкого напряжения.

Пример маркировки двухобмоточного трансформатора:

∆/Yн – 11. Первичная обмотка треугольник, вторичная (понижающая) звезда. Сдвиг фаз 330 0 ;
Y/Yо -0. Обе обмотки соединены звездой, вторичная с выведенной нулевой точкой. Сдвиг фаз отсутствует.

Также на электрических схемах обмотки высокого напряжения (ВН) обозначают символами:

A,B, C – начало обмотки;
X, Y, Z – конец обмотки.

Аналогично для стороны низкого напряжения:

Подобным образом маркируются многообмоточные устройства, например:

Вместо нулевой группы может указываться двенадцатая, что совершенно равнозначно.

Как строятся векторные диаграммы

При построении векторных диаграмм надо запомнить правило, что сдвиг фаз меду фазами равняется 120 0 , то есть, при равенстве напряжений, концы векторов всегда будут образовывать равносторонний треугольник.

Наиболее просто составляется диаграмм для соединения звезда. В центре диаграммы ставится точка, которая соответствует объединенным концам обмоток. Из центра под углами 120 0 проводятся векторы фаз. Вертикально проводят вектор средней фазы.

Для треугольника начерно проводят линию, параллельную соответствующей фазы звезды, а от ее концов, соответственно, подсоединенные к ней оставшиеся две фазы. Должно соблюдаться условие – все стороны треугольника должны быть параллельны соответствующим фазам звезды. Искомыми векторами будут проведенные линии из центра треугольника к его вершинам.

Векторные диаграммы рисуются для высокой и низкой сторон, а затем совмещаются с единым центром. Угол между одинаковыми фазами будет показывать номер группы соединения, выраженный в часах.

Отсчет нужно брать от вектора высокого напряжения к низкому.

Таблица групп соединений

В таблице ниже представлены обозначения групп соединения и чередование фаз низкой и высокой сторон.

Определение методом гальванометра

Существует несколько способов определить правильность подсоединения обмоток. Самый простой способ – использование вольтметра магнитоэлектрической системы. Его еще называют методом постоянного тока.

Для этого к концам проверяемой обмотки подключают измерительный прибор, а на другую обмотку подают постоянное напряжение. Отклонение стрелки в момент замыкания ключа покажет полярность подключения обмотки. Такие действия производятся для каждой обмотки.

Также можно воспользоваться простым вольтметром при подключении переменного напряжения. Для этого на одну из обмоток подают пониженное переменное напряжение, а остальные две обмотки соединяют последовательно и подключают к вольтметру. Отсутствие или слишком малые показания говорят о том, что обмотки включены встречно.

Проверка

Если известен коэффициент трансформации, то при помощи вольтметра можно определить номер основной группы соединения. Для этой цели подают напряжение на концы А и а или x и y и измеряют напряжения на выводах В-в и С-с при соединении звездой или B-y и C-z при соединении треугольником. Для проверки используют следующие соотношения:

Для исключения повреждения оборудования, возникновения аварийных ситуаций и травмирования, все измерения следует производить при низком напряжении, не включая оборудование в основную сеть предприятия.

Примеры групповых соединений обмоток

Государственным стандартом предусмотрены только две группы соединения обмоток:

Y/Y-0 или ∆/∆-0
Y/∆-11 и ∆/Y-11

Жесткая стандартизация позволяет исключить аварии и повреждения в результате неправильных подключений. К тому же, для трансформаторов одинаковой мощности и коэффициента трансформации становится возможным параллельное включение устройств.

Остальное количество соединений используется крайне редко в отдельных случаях при невозможности использования стандартного варианта.

Тип подключения должен быть оговорен в сопроводительной документации и продублирован на шильдике устройства.

Ошибочные обозначения

Ошибочные включения возникают при несоблюдении правил подключения концов. Это происходит в результате неправильной намотки или неправильном обозначении. В результате при включении устройства в трехфазную сеть, обмотки, включенные встречно, компенсируют магнитные потоки друг у друга, поэтому через них начинает протекать ток, ограниченный лишь активным сопротивлением обмоточного провода, что равносильно короткому замыканию.

Чтобы исключить случаи неправильного включения, рекомендуется после ремонта оборудования или перед включением неизвестных устройств тщательно проверить фазировку каждой обмотки несколькими методами для исключения возможных ошибок.

Уменьшить вероятность ошибки поможет предварительный расчет напряжений для измерений по методу вольтметра. Полученные данные служат ориентировочными значениями, на которые нужно обращать внимание при проведении последующих измерений.

Как сделать и намотать высоковольтный трансформатор своими руками

Своими руками

Люди, которые часто работают с радиоаппаратурой, наматывают высоковольтные трансформаторы своими руками, если нельзя купить нужный прибор. Процедура намотки не сложная, сложнее точно рассчитать параметры магнитопровода и намотки. Самоделки чаще всего используются в электрошокерах, блоках питания систем освещения с газоразрядными лампами, зажигалках, ионизаторах воздуха, игрушках.

Содержание

Назначение и применение

Высоковольтные трансформаторы (ВВ) относятся к группе преобразователей напряжения. Их предназначение – преобразовать высоковольтное напряжение в низковольтное для питания различных приборов. По принципу работы преобразователи напряжения мало отличаются от силовых трансформаторов. Во вторичной обмотке всегда меньше витков, чем в первичной, если преобразователь понижающий, и наоборот, если прибор повышающий.

ВВ трансформаторы классифицируются по:

количеству фаз (одно- или трехфазные);
количеству обмоток (две, три или четыре);
допускаемым погрешностям;
способу установки (внутренняя или наружная);
назначению (общее или специальное).

Преобразователи специального назначения используются в различном электрооборудовании:

телевизорах и радиоприемниках;
устройствах связи;
бытовых приборах (например, боках питания для систем освещения).

Большинство преобразователей этого типа маломощные (не более нескольких киловольт-ампер), частота от 50 Гц, предназначены для внутренней установки. Количество намоток зависит от того, в какое оборудование трансформатор будет установлен. Изоляция заливается эпоксидной смолой.

Расчет электрических параметров

Для вычисления мощности используется формула на основе напряжения и тока на выходе:

Мощности плюсуются, если вторичных обмоток две (или больше).

Коэффициент полезного действия преобразователя не может быть выше 80%, поэтому первичная мощность:

Ток из первичной намотки во вторичную передается через сердечник, площадь которого полностью зависит от мощности первичной намотки. Для сердечника, который изготовлен из трансформаторной стали, площадь вычисляется по формуле:

Количество витков первичной обмотки:

При использовании сердечника из другого материала (некоторые используют жесть, обожженную проволоку, кровельное железо), то S необходимо увеличить на треть.

Количество витков вторичных намоток:

Так как часть напряжения теряется из-за сопротивления, расчетное количество желательно увеличить на 5-10%.

Выбор материала магнитопровода

Маломощный преобразователь можно сделать на броневом или стержневом магнитопроводе. В броневом стержни с прямоугольным сечением располагаются горизонтально. Это сравнительно сложная конструкция, поэтому используется редко. В стержневом магнитопроводе стержни располагаются вертикально, обмотки цилиндрические.

Для повышающего трансформатора лучше использовать Ш-образный ферритовый магнитопровод. Важно точно подобрать размеры (на стержне должно поместиться требуемое количество витков). Если сердечник нужно разобрать, чтобы сделать другой из полученных пластин, толщина пакета подбирается, базируясь на мощность. Пластины вставляют в катушку, стягивают при помощи шпилек и гаек.

Конструкция сердечника

Чтобы сделать понижающий преобразователь с двумя обмотками своими руками, нужно найти круглый ферритовый магнитопровод.

Такие есть в старых телевизорах и блоках питания компьютеров. В случае с компьютером стержнем служит центральный керн силового трансформатора (его нужно вырезать). Длина 2,1 см, диаметр 1,1 см.

Чаше всего эти преобразователи покрыты эпоксидной смолой. Для того, чтобы их разобрать, требуется разогрев строительным феном. Керны вырезаются болгаркой (колоть не стоит). Поверхность обычно неровная, поэтому столбики обматываются скотчем. Если длины недостаточно, можно склеить два супер-клеем.

Расчет необходимого диаметра провода

Сечение проводов рассчитывается, базируясь на значение и плотность тока (среднее значение 2 А/мм 2 ).

Ток на первичной намотке:

С такими исходными данными диаметр провода (без изоляции):

Если под рукой нет провода с рассчитанным диаметром, можно параллельно соединить несколько более тонких таким образом, чтобы сумма сечений не оказалась меньше рассчитанной.

Для расчета поперечного сечения используется формула:

Если обмотка низкого напряжения создается из толстого провода и располагается над другими витками, плотность тока увеличивается до 2,5-3 А/мм 2 благодаря улучшению охлаждения. В формулу 0,8 заменяется на 0,7 или 0,65.

От необходимости в вычислениях освобождают специальные таблицы, например:

В заключении необходимо вычислить диаметр проводов с изоляцией.

Площадь сечения всех витков любой обмотки:

Все рассчитанные площади складываются, полученное значение умножается на 2 или 3 (это площадь окна сердечника).

Пример расчета

Требуется преобразователь, питающийся от сети 220 В, на вторичной обмотке которого должно быть напряжение 6,3 В и ток 50 мА.

Мощность вторичной намотки:

Мощность первичной намотки:

Площадь сечения сердечника (если он изготовлен из трансформаторной стали): примерно 4,7 см 2 .

Количество витков (на один вольт):

Ток на первичной намотке:

Количество витков на первичной обмотке:

Диаметр провода: 0,8 мм

Количество витков на вторичной обмотке:

Диаметр провода: 0,17 мм

Диаметр с изоляцией определяется по таблице:

Провод лучше всего взять медный, изоляция эмалированная.

Если удалось найти трансформатор, который возможно перемотать, в процессе размотки нужно сосчитать, сколько витков во вторичной обмотке. Если известен коэффициент трансформации, можно определить, сколько витков требуется для нового преобразователя.

Инструкция по намотке

Сердечник нужно обмотать скотчем (5 слоев), вложить в желоб провод с рассчитанным диаметром, намотать по всей длине рассчитанное для первичной намотки количество витков. Оба конца обмотки выводятся на одну сторону и изолируются винилкой.

Последний виток необходимо зафиксировать (подойдут простые нитки), чтобы предотвратить разматывание.

Далее наматывается 4-5 слоев скотча, конструкция помещается в корпус одноразового шприца длиной 3 см. На шприц наматывается 2 ряда скотча и рассчитанное для вторички количество витков, ширина обмотки примерно 1,5 см. Каждый слой нужно заизолировать скотчем или двумя слоями фторопластовой ленты. Концы второй обмотки выводятся на обе стороны. В результате с одного конца получается три вывода, со второго – один.

Готовая конструкция изолируется скотчем (5 слоев), припаиваются гибкие провода (выводы), наматываются еще 5 слоев скотча.

Если в процессе намотки порвался провод, концы необходимо зачистить, скрутить, спаять и заизолировать. Электрическую прочность увеличивает пропитка каждого слоя намотки лаком на основе акрила или эпоксидной смолы.

Для того, чтобы сделать трансформатор своими руками, не обязательно покупать новый провод. Подходит и старый, если отрезки соединены правильно (свиты и спаяны). При намотке витки должны плотно прижиматься друг к другу. Нежелательно укладывать их перпендикулярно к сердечнику (нужен небольшой наклон). Не допускаются перегибы и сгибы, поэтому требуется определенная натяжка. Скотч для изоляции следует нарезать на полоски шириной 1,5 см, чтобы было легче покрыть провод.

Сборка

Изготовить качественный высоковольтный трансформатор невозможно без пропитки эпоксидной смолой. Цель этой процедуры – удалить пустоты и пузырьки воздуха, вызывающие протечки и пробои. Нужен каркас для заливки и вакуумная установка.

Последнюю тоже можно сделать своими руками, если имеется:

обратный клапан (продается в зоомагазинах);
шланг из силикона;
банка, оснащенная прорезиненной привинчиваемой крышкой;
шприц;
пластилин;
герметик.

В металлической крышке делается отверстие, в которое пропихивается шланг. Все щели замазываются герметиком, потом пластилином с обеих сторон. Воздух из банки выкачивается шприцем (крышка должна вжаться).

Перед пропиткой смола подогревается, добавляется отвердитель. Каркас можно сделать из обычной бумаги, предназначенной для принтера компьютера. К бумаге приклеивается скотч, делается цилиндр по диаметру преобразователя, все склеивается термоклеем. После обработки в вакууме необходимо подождать примерно сутки, потом можно снять каркас.

Перед установкой преобразователь желательно проверить на:

целостность магнитопровода;
отсутствие разрывов проводов в обмотках;
целостность изоляционного материала.

Для проверки изоляции мультиметр переключается на мегомметр, замеряется сопротивление между обмотками или между каждой обмоткой и корпусом (для ВВ оптимальное значение 1 МОм).

Далее измеряется ток в обмотках в рабочем состоянии, чтобы определить, соответствует ли коэффициент трансформации требуемому. Но это не самый лучший метод, если напряжение достаточно высокое. Более безопасно прозвонить выводы. Если они из разных обмоток, на сопротивление бесконечное. При прозвоне выводов одной обмотки сопротивление имеет цифровое значение.

К сети трансформатор присоединяется параллельно. Если на выходе требуется постоянный ток (например, в блоке питания для системы освещения), к вторичной обмотке подключается сглаживающий фильтр из диодного моста и электролитического конденсатора.

Выбор материала обмоток трансформатора - медь или алюминий

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

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

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

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

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

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

Сравнительные характеристики металлов

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

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

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

Характерные различия между медью и алюминием

Параметр	Алюминий	Медь
Температурный коэффициент линейного расширения, х10 -6 /°С	21-23	16,4-16,6
Теплопроводность, Вт/м∙°С	218	406
Удельное сопротивление, Ом∙мм 2 /м	0,026-0,028	0,017-0,018
Предел прочности на разрыв, Н/мм 2 (мягкие марки)	79-108	197-276

Коэффициент расширения

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

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

Теплопроводность

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

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

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

Электропроводность

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

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

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

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

Предел прочности металлов

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

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

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

Внешние подключения трансформаторов

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

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

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

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

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

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

Внутреннее соединение трансформаторных обмоток

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

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

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

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

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

Общие сведения о трансформаторах - Обмотки трансформаторов

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

В связи с этим медь стали заменять алюминием. Наиболее экономически выгодно оказалось использовать алюминий в трансформаторах, где он находит все большее применение. Но использование алюминия для обмоток трансформаторов связано с некоторыми трудностями. Так как электрическая проводимость алюминия составляет лишь 61 % проводимости меди, то сечение алюминиевых обмоток должно быть соответственно больше. При конструировании этих обмоток необходимо учитывать, что прочность алюминия на разрыв равна-—700 кГ/см2, а меди —2250 кГ/см2. Увеличенные размеры обмоток обусловливают повышение напряжения короткого замыкания трансформатора (см. § 1 главы III). Для его снижения приходится увеличивать диаметр стержней сердечника и уменьшать число витков, что ведет к увеличению размеров бака и объема масла. При этом возрастает средняя длина витка, что требует дальнейшего увеличения сечения для сохранения нужной величины активного сопротивления обмотки.
Провода, применяемые при изготовлении обмоток, бывают круглого сечения с площадью до 10 мм2 и прямоугольного от 6 до 60 мм2. Плотность тока в трансформаторах с масляным охлаждением лежит в пределах от 2,0 до 4,5 а\мм2, с воздушным — от 1,2 до 3 а/мм2.
Изоляция проводов должна удовлетворять требованиям в отношении нагревостойкости, теплопроводности, влаго- и химостойкости, механической прочности.
Для проводов обмоток масляных трансформаторов широко применяют хлопчатобумажную изоляцию, в трансформаторах небольшой и средней мощности используют эмалевую изоляцию (нагревостойкие эмалевые лаки), провода прямоугольного сечения изолируют также двумя слоями кабельной бумаги и хлопчатобумажной пряжей. Бумажная изоляция в комбинации с трансформаторным маслом при аккуратной сушке и высокой степени дегазации обеспечивает достаточную электрическую прочность.
Для пропитки обмоток трансформаторов в настоящее время применяют синтетические лаки и смолы. К последним относятся фенольные смолы. Применяемые в последние годы полиэфирные смолы отличаются хорошей пропиточной способностью, не образуют пустот.
Старение изоляции заключается в том, что в процессе эксплуатации ей сообщается некоторое количество энергии, которая, превращаясь в другие виды энергии, вызывает ухудшение качества изоляции. Энергия электрического поля, сообщаемая изоляции, превращается в тепловую, вызывая ее нагрев, химическую, вызывая разложение материала, механическую, образуя трещины, разрывы, расслоения.

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

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

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

Рис. 21. Цилиндрическая многослойная обмотка.

Рис. 22. Многослойная катушечная цилиндрическая обмотка.

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

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

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

Читайте также: