Устройство и принцип работы трансформаторов

Как намотать импульсный трансформатор на тороидальный сердечник

тороидальный сердечник трансформатора

При помощи наждачной бумаги стачиваем острые грани.

лента изоляционная

Чтобы предотвратить пробой между первичной обмоткой и сердечником, на кольцо следует намотать изоляционную прокладку.

ФУМ лента для сантехники

Иногда, при изготовлении самодельных импульсных трансформаторов, радиолюбители используют фторопластовую ленту – ФУМ, которая применяется в сантехнике.

полоска электрокартона на краю сердечника

Во всяком случае, если Вы собираетесь использовать ленту ФУМ, то проложите по краю кольца полоску электрокартона или обычной бумаги.

При намотке прокладки на кольца небольших размеров очень удобно использовать монтажный крючок.

Монтажный крючок можно изготовить из куска стальной проволоки или велосипедной спицы.

Аккуратно наматываем изолирующую ленту на кольцо так, чтобы каждый очередной виток перехлёстывал предыдущий с наружной стороны кольца.

Таким образом, изоляция снаружи кольца становится двухслойной, а внутри – четырёх-пятислойной.

Для намотки первичной обмотки нам понадобится челнок. Его можно легко изготовить из двух отрезков толстой медной проволоки.выводы из многожильного провода

Если для какой-либо обмотки используется провод диаметром менее 0,5мм, то выводы лучше изготовить из многожильного провода. Припаиваем к началу первичной обмотки отрезок многожильного изолированного провода.

Изолируем место пайки небольшим отрезком электрокартона или обыкновенной бумаги толщиной 0,05… 0,1мм.

Наматываем начало обмотки так, чтобы надёжно закрепить место соединения.

Те же самые операции проделываем и с выводом конца обмотки, только на этот раз закрепляем место соединения х/б нитками. Чтобы натяжение нити не ослабло во время завязывания узла, крепим концы нити каплей расплавленной канифоли или клея.

Если для обмотки используется провод толще 0,5мм, то выводы можно сделать этим же проводом. На концы нужно надеть отрезки полихлорвиниловой или другой трубки (кембрика).

отрезки полихлорвиниловой или другой трубки (кембрика)

Поверх первичной обмотки наматываем два слоя лакоткани или другой изолирующей ленты. Это межобмоточная прокладка необходима для надёжной изоляции вторичных цепей блока питания от осветительной сети. Если используется провод диаметром более 1-го миллиметра, то неплохо в качестве прокладки использовать киперную ленту.

киперная лента

Если под рукой не оказалось провода достаточного сечения, то можно намотать обмотку несколькими проводами, соединёнными параллельно.

вторичная обмотка, намотанная в четыре провода.

Схема и основные свойства обмотки

Рассмотрим симметричную простую петлевую обмотку с данными:

Рисунок 2. Таблица соединений секционных сторон простой петлевой обмотки, изображенной на рисунке 3

Будем присваивать секционным сторонам номера тех элементарных пазов, в которых они лежат. Тогда по известным значениям шагов можно составить таблицу соединений секционных сторон обмотки (рисунок 2), исходя из определенного элементарного паза и прибавляя к номеру этого паза значение первого частичного шага, значение второго шага, затем опять первого и так далее. Номера верхних сторон секций, изображенных сплошными линиями, проставлены в таблице на рисунке 2 сверху, а номера нижних сторон секций, изображенных штриховыми линиями, – снизу. От нижней секционной стороны 4” (справа на рисунке 2) по ходу обмотки вернемся опять к верхней стороне 1’, так как 4 + y₂ = 4 – 3 = 1. Таким образом, обмотка является замкнутой.

По известным шагам или таблице соединений секционных сторон можно начертить также схему обмотки (рисунок 3).

Рисунок 3. Схема простой петлевой обмотки с 2×p = 4, Z = Z_э = S = K = 18, y₁ = 4, y₂ = –3, y = y_к = +1

На рисунке 3 проставлены номера элементарных пазов. Условимся, как это сделано на рисунке 3, присваивать коллекторной пластине номер той секции, с началом которой соединена эта пластина.

При вращении якоря некоторая часть секций, выделенных на рисунке 3 жирными линиями, оказывается неизбежно замкнутой накоротко через щетки. Чтобы индуктируемые в этих секциях электродвижущие силы были минимальны и в секциях не возникало чрезмерных токов, которые вызовут перегрузку щеточных контактов, такие короткозамкнутые секции должны находиться на линии геометрической нейтрали или в ближайшей от этой линии нейтральной зоне. Для этого щетки устанавливают так, чтобы в середине периода короткого замыкания стороны секции располагались симметрично относительно середины полюса. Тогда говорят, что щетки установлены на нейтрали. При симметричной форме лобовых частей секций щетки расположены по осям полюсов (рисунок 3).

Совершим обход цепи обмотки (рисунок 3) слева направо, начиная с секции 2. Проходя последовательно, начиная от щетки В1, секции 2, 3, 4 и 5, мы мысленно движемся по направлению индуктируемых электродвижущих сил и выходим к щетке А1. Следовательно, эти секции составляют одну параллельную ветвь, электродвижущая сила которой равна сумме электродвижущих сил этих секций. Проходя затем от щетки А1 к щетке В2 по контуру секций 6, 7, 8, 9, мы обойдем вторую параллельную ветвь, двигаясь против направления индуктируемых электродвижущих сил. Секция 10 замкнута накоротко. Секции 11, 12, 13 и 14, расположенные между щетками В2 и А2, составляют третью ветвь, а секции 15, 16, 17 и 18, расположенные между щетками А2 и В1, – четвертую ветвь. Обход этой последней ветви также совершается против направления электродвижущей силы, причем после нее мы приходим к пластине 1. Секция 1 также замкнута накоротко. Через каждую щетку простой петлевой обмотки протекают токи двух параллельных ветвей.

Верхние стороны секций каждой параллельной ветви находятся под одним полюсом, а нижние – под другим. На рисунке 2 короткозамкнутые секции обведены штриховыми прямоугольниками.

Таким образом, обмотка на рисунке 3 имеет четыре параллельные ветви, а в общем случае простая петлевая обмотка содержит

Если машина работает в режиме генератора, стрелки на рисунке 3 указывают также направление токов в обмотке. При этом полный ток якоря I_а тоже распределяется по четырем ветвям. В соответствии с изложенным цепь обмотки (рисунок 3) можно изобразить упрощенно, как показано на рисунке 4, где ветви обмотки и распределение тока выглядит более наглядно.

Рисунок 4. Упрощенное представление цепи обмотки, показанной на рисунке 3

На основании рассмотрения рисунка 3 можно установить также следующее. Если обмотка имеет полный шаг и щетки установлены на нейтрали, то электродвижущая сила ветви будет наибольшей. Кроме того, при этом направления токов всех проводников, лежащих под одним полюсом, будут одинаковы, и поэтому развиваемый электромагнитный момент будет максимальным. Следовательно, такое устройство обмотки и такое расположение щеток являются наиболее выгодными. Небольшое отклонение шага y₁ от полного не оказывает заметного влияния на значения электродвижущей силы и вращающего момента, так как изменение направлений электродвижущих сил и токов при этом происходит только в таких проводниках параллельной ветви, которые располагаются вблизи нейтрали, то есть в зоне слабого магнитного поля.

Начала и концы обмоток

Обмотки могут навиваться в двух направлениях: по часовой стрелке и против часовой стрелки 1. Как они фактически навиты, не видно, но тем не менее при помощи простого опыта легко определить, какие выводы являются их началами, какие – концами.

Допустим, что обмотки навиты в одном, безразлично каком, направлении (рисунок 2, а). Переменный магнитный поток Ф индуктирует в каждой из них электродвижущие силы (э. д. с.) E₁ и E₂, пропорциональные соответственно числам витков. Так как направление намотки одинаково, то нетрудно себе представить, что одна обмотка как бы является продолжением другой и, стало быть, в каждый момент направления э. д. с. в них совпадают. Это значит, что верхние их выводы A и a или нижние X и x имеют потенциал одного и того же знака – положительный или отрицательный, что и обозначено на рисунке 2, а знаками + и –.

Рисунок 2. Определение взаимного направления намотки двух обмоток, расположенных на одном стержне.

Ясно, что при различном направлении намотки (рисунок 2, б) направления э. д. с. E₁ и E₂ прямо противоположны, то есть сдвинуты на 180°.

Отсюда следует практический вывод. Чтобы определить взаимное направление намотки двух обмоток, их соединяют между собой как показано на рисунке 2, в, а к свободным концам подводят переменное напряжение. Для предотвращения чрезмерно большого тока в схему введено добавочное сопротивление R. Измеряют общее напряжение U_Aa между выводами A и a, напряжение U_AX на одной обмотке и напряжение на другой обмотке U_ax и сравнивают их.

Если U_Aa равно разности U_AX и U_ax, то обмотки навиты в одном направлении в их э. д. с. изображаются векторной диаграммой на рисунке 2, г, например U_Aa = 40 В, U_AX = 100 В, U_ax = 60 В.

Если U_Aa равно сумме U_AX н U_ax, то обмотки навиты в разных направлениях, например U_AX = 100 В; U_ax = 60 В; U_Aa = 160 В. Векторная диаграмма дана на рисунке 2, д.

Обращается внимание на необходимость подводить напряжение к свободным выводам обеих обмоток (A и a, если X и x соединены; X и x, если A и a соединены; A и X, если a и x соединены; a и x, если A и X соединены и так далее) и на недопустимость подводить напряжение только к одной обмотке 2. Почему? Потому что, подводя напряжение к одной обмотке, мы рискуем получить на других обмотках высокое напряжение

Рассмотрим пример. На рисунке 3 показано распределение напряжений при определении направления обмоток трансформатора с обмоткой низшего напряжения из 50 витков и с обмоткой высшего напряжения из 1500 витков.

Если напряжение 100 В подведено к свободным выводам, а обмотки навиты в одном направлении (рисунок 3, а), то при испытании напряжения будут равны примерно 3,3; 96,7 и 100 В. Если обмотки навиты в разных направлениях, напряжения будут примерно 3,4; 103,4 и 100 В (рисунок 3, б).

Если же напряжение 100 В подведено к обмотке низшего напряжения (рисунок 3, в), то между выводами обмотки высшего напряжения получится 3000 В, что, безусловно, опасно.

На рисунке 4, а показана схема определения взаимного направления обмоток с помощью постоянного тока. К обмотке, имеющей больше витков (по соображениям безопасности), подводят напряжение 2 – 12 В от батареи. При включении рубильника Р следят за отклонениями гальванометров Г1 и Г2. Если их стрелки отклоняются в одну и ту же сторону, значит, направление обмоток одинаково. Отклонения в разные стороны указывают на разные направления обмоток.

Рисунок 4. Определение взаимного направления обмоток с помощью постоянного тока.

Постоянным током удобно пользоваться для определения начал и концов обмоток электродвигателей. С этой целью предварительно определяют принадлежность выводов к той или другой обмотке.

Затем выводы одной обмотки условно обозначают 1Н (начало) и 1К (конец) и присоединяют к ним через рубильник Р источник постоянного тока напряжением 2 В, как показано на рисунке 4, б. К выводам другой обмотки присоединяют милливольтметр mV.

Если к условному началу 1Н присоединен плюс источника тока и если стрелка милливольтметра при отключении рубильника отклоняется вправо, то вывод обмотки, к которому присоединен зажим милливольтметра » + «, также является ее началом и должен быть обозначен 2Н.

Однако если к условному началу 1Н присоединен плюс источника постоянного тока, но стрелка гальванометра при отключении рубильника отклоняется влево, то вывод обмотки, к которому присоединен зажим милливольтметра «+», является ее концом и должен быть обозначен 2К. Этот случай на рисунке 4, б не рассматривается.

Определив начало 2Н и конец 2К второй обмотки, тем же способом определяют начало 3Н и конец 3К.

1 Иногда говорят «левая намотка» и «правая намотка».2 На специальные испытания, проводимые персоналом электролабораторий, эти ограничения не распространяются.

Способы ускорения процесса

Схема самодельного приспособления для обмотки трансформаторов.

Многие радиолюбители часто имеют специальные примитивные устройства для осуществления намотки обмоток. Пример: примитивный станок для намотки обмоток представляет собой стол (часто подставку), на котором установлены бруски с вращающейся продольной осью. Длина оси выбирается в 1,5-2 раза больше длины каркаса катушек трансформирующего устройства (берется максимальная длина), на одном из выходов из брусков ось должна иметь ручку для вращения.

На ось надевается катушечный каркас, который стопорится с двух сторон ограничительными шпильками (они не дают каркасу перемещаться вдоль оси).

Далее на катушку закрепляется обмоточный провод с одного из концов и осуществляется намотка путем вращения ручки оси. Такая примитивная конструкция существенно ускорит намотку обмоток и сделает ее более точной.

Уравнительные соединения

В идеальных условиях, когда обмотка симметрична и потоки всех полюсов равны, электродвижущие силы всех ветвей также равны и ветви нагружаются токами равномерно. Однако в действительности из-за производственных и иных отклонений (неодинаковый воздушный зазор под разными полюсами, неоднородность материалов сердечников и тому подобного) потоки отдельных полюсов не будут в точности равны. При этом электродвижущие силы ветвей простой петлевой обмотки также не будут равны, так как ветви сдвинуты относительно друг друга на одно полюсное деление (рисунок 3).

Предположим, что на рисунке 4 электродвижущие силы нижних ветвей больше, чем электродвижущие силы верхних ветвей. При этом уже при холостом ходе генератора, когда I_а = i_а = 0, внутри обмотки будут циркулировать уравнительные токи i_ур, которые замыкаются через щетки одинаковой полярности и соединительные провода или шины между ними. Так как внутреннее сопротивление обмотки мало, то эти токи могут быть значительными уже при небольшой разнице в потоках отдельных полюсов. При работе машины токи нагрузки щеток 2 × i_а будут алгебраически складываться с токами 2 × i_ур, в результате чего щетки В1, В2 окажутся перегруженными, а щетки А1, А2 – недогруженными. Правильная работа щеток при этом может нарушиться. Еще более серьезное влияние на условия работы щеток оказывает нарушение баланса электродвижущих сил в короткозамкнутых секциях, вызванное уравнительными токами.

Для того чтобы разгрузить щетки от уравнительных токов и дать этим токам возможность замкнуться внутри самой обмотки, обмотка снабжается уравнительными соединениями, или уравнителями. Уравнители соединяют внутри обмотки точки, которые теоретически имеют равные потенциалы.

Как было установлено выше, эти точки сдвинуты на пару полюсов или при 2×p = 4 на половину окружности якоря или коллектора. Одно уравнительное соединение показано на рисунке 4 штриховой линией аб по вертикальному диаметру. Так как сопротивление щеточных контактов значительно больше сопротивления уравнительного провода, то токи i_ур замыкаются по этому проводу, минуя щетки, как показано на рисунке 4. Такие соединения, применяемые в простых петлевых обмотках, называются уравнителями первого рода.

На векторных диаграммах при наличии равнопотенциальных точек концы или начала векторов соответствующих секций совпадают.

Уравнители выполняются либо на стороне коллектора (и тогда они соединяют пластины с равными потенциалами), либо на противоположной от коллектора стороне (и тогда они соединяют равнопотенциальные точки лобовых частей секций). Шаг уравнителей y_ур равен потенциальному шагу обмотки y_п:

При равенстве потоков полюсов токи в уравнителях не возникают. На рисунке 3 штриховыми линиями показаны два уравнителя первого рода.

Для достижения надлежащего эффекта при всех положениях вращающегося якоря обмотку нужно снабдить достаточным числом уравнителей. Из рассмотрения многоугольника электродвижущих сил (рисунок 5) видно, что максимальное число возможных уравнителей первого рода на одной стороне якоря равно K/p, причем каждый из них соединяет p точек равного потенциала. Полным количеством уравнителей снабжаются только крупные машины с тяжелыми условиями коммутации тока. В остальных случаях выполняют от 1/3 до 1/6 всех возможных уравнителей или один уравнитель на один-два паза машины. При этом их размещают равномерно по окружности якоря. Сечение уравнителей берут равным 20 – 50% сечения витка обмотки якоря. На рисунке 6 показан один из вариантов конструктивного выполнения уравнителей.

Протекающие по обмотке уравнительные токи являются переменными, и по правилу Ленца они создают магнитное поле, которое стремиться  устранить неравенство потоков полюсов. Поэтому наличие уравнителей приводит также к значительному ослаблению уравнительных токов.

Простая волновая обмотка с мертвой секцией

Трудности в соблюдении равенства (1) или (4) в ряде случаев обходят, используя несимметричные обмотки. Например, при четных p и Z_э = u_п × Z можно применить обмотку с K = Z_э – 1 и оставить одну секцию неиспользованной, или «мертвой». У этой секции обрезаются концы, и она не присоединяется к коллектору (секция оставляется на якоре, чтобы не нарушать балансировки).

Схема такой обмотки для 2×p = 4, Z_э = 16 и K = 15 показана на рисунке 5, причем принято, что

При обходе обмотки и счете шагов стороны мертвой секции исключаются.

Рисунок 5. Схема простой волновой обмотки с мертвой секцией с 2×p = 4, Z = Z_э = 16, K = 15, y₁ = 4, y₂ = 4, y_к = 8