Расчет сварочного трансформатора на тороидальном сердечнике

На практике выделяют достаточно большое разнообразие преобразователей электрической энергии, как по конструктивным особенностям, так и по принципу действия. Среди устройств для изменения величины напряжения существуют броневые, стержневые и тороидальные трансформаторы. Последний вариант по своей форме напоминает бублик, за счет чего он является наиболее эффективным в части передачи магнитного потока. Его КПД может приближаться к 100% и отличается достаточной простотой намотки, поэтому многие радиолюбители стараются изготовить тороидальный трансформатор своими руками.

Конструкция и принцип работы

Конструктивная особенность такого трансформатора заключается в форме магнитопровода, которая представляет замкнутое кольцо, называемая тором.

В остальном состав его элементов идентичен другим типам электрических машин:

• Обмотка – выполняется медным проводником, разделяется на первичную и вторичную. Обе обмотки могут отличаться сечением проводника.
• Тороидальный сердечник — имеет форму кольца, изготавливается наборной шихтовкой, ленточной сталью или монолитным железом, в зависимости от габаритов и назначения. В качестве материала берутся ферромагнитные сплавы, обеспечивающие хорошую магнитную проводимость.
• Изоляционных материалов – часть диэлектрика заранее наносится на монтажных провод, остальной диэлектрик разделяет катушку тора с железом, обмотки между собой, между катушками и кожухом. В качестве изоляции используются ленточные или лакотканевые материалы, электроизоляционный картон, клей и т.д.
• Защитный кожух – предназначен как для защиты силового трансформатора от механических повреждений, так и для предотвращения контакта человека с поверхностью обмоток.
• Выводы вторичной и сетевой обмотки, крепежные и вспомогательные детали.

Данное устройство нашло применение в тороидальных автотрансформаторах (ЛАТРах), радиоэлектронике, сварочных трансформаторах и прочих преобразователях. В домашних условиях занимаются перемоткой трансформатора такого типа за счет относительно простого процесса.

Как упростить задачу по намотке витков на сердечник

Зная как создать трансформатор во всех подробностях и всеми данными, остается перейти к практической работе, но намотка витков представляет собой достаточно трудоемкий процесс, требующий особой концентрации внимания. Правильность намотки также имеет значение и напрямую влияет на характеристики устройства, которое в итоге получится.

Но для таких случаев в помощь людям существует специальное устройство, станок для намотки тороидальных трансформаторов, цена такого приспособления не высока, но купить его не просто, поэтому на рынке часто встречаются самодельные устройства, и если почитать соответствующую литературу, то можно попробовать сделать этот станок самому.

Источник

Изготовление своими руками

Чтобы изготовить тороидальную электрическую машину вам необходимо определиться с ее типом. Всего выделяют повышающий и понижающий трансформатор, в первом случае с низкого напряжения, к примеру, 220В получают высокое — 600В, а во втором, с высокого низкое, как наиболее распространенный вариант с 220В – 12В. Важным параметром для изготовления и расчета тороидального агрегата является коэффициент трансформации, показывающий, во сколько раз изменяется электрическая величина во вторичной обмотке по отношению к первичной. Для его определения используется одно из следующих соотношений:

U1/U2 = W1/W2 = I2/I1 = n

U1 и U2, I1 и I2 — величина напряжения и тока в обмотках, W1 и W2 – это число витков.

Что необходимо для работы?

Вам обязательно пригодится набор слесарных инструментов для элементарных работ: отвертки, пассатижи, круглогубцы, ножи, паяльник, заклепочник и т.д. Также для того чтобы намотать тороидальный сетевой трансформатор или самодельный сварочный агрегат вам понадобятся некоторые материалы:

• Медный провод с лаковым покрытием – можете взять и с виниловой изоляцией, но у него будет толщина больше. Как результат, намотка потребует больших усилий, что не сильно удобно при большом числе витков.
• Устройство для намотки – чаще всего применяется либо автоматизированный механизм с кольцевым расцеплением, либо челночная катушка. Первый позволяет наматывать провода быстро и без лишних усилий, но его приобретение или самостоятельное изготовление требует дополнительных затрат. Второй способ куда проще, но он хуже применяется для жил большого сечения.
• Изоляционный материал – вам пригодится электроизоляционный картон, полимерный диэлектрик, лакотканевая изоляция, тканевая изолента. Чтобы перемотать трансформатор можно использовать не все вышеперечисленные материалы, а выбрать некоторые из них.
• Магнитопровод или тор – наилучшим вариантом будет готовый заводской сердечник круглой формы от другого трансформатора. Однако если его нет, можно собрать тороидальную конструкцию самостоятельно. Для этого подойдет шихтовка от стержневого магнитопровода.

Возьмите длинный лист стали и согните кольцом, на краю зафиксируйте концы.

Внутрь полученного тороидального листа поместите следующий, следите за тем, чтобы края ложились стык в стык. При необходимости, края можно подрезать, что особенно актуально на внутренних слоях. Каждую пластину необходимо четко обжимать, чтобы при мотании тор получился плотным без зазоров.

Если вы решите изготовить сердечник, его края обязательно следует обработать эпоксидным клеем с обеих сторон. После этого сборку сердечника можно считать оконченной. Помимо этого можно использовать ленточную сталь, которую по такой же технологии закручивают плотной по спирали.

Расчет

Чтобы начать вычисления, вам необходимо определиться с величиной напряжения на вторичной и первичной обмотке и нужной мощностью тороидального трансформатора. Далее вам понадобится определить сечение тора:

S = H * ((D-d))/2

где

• S – площадь сечения магнитопровода;
• H – высота тороидального сердечника;
• D – внешний диаметр тороидального сердечника;
• d – внутренний диаметр тороидального сердечника.

Чтобы вычислить количество витков воспользуйтесь двумя выражениями для коэффициента передачи магнитопровода:

k = f/S и W1= k*U1

Здесь k – коэффициент передачи, f – частота в подключаемой сети, S – площадь сечения магнитопровода. W1 – число витков в первичной катушки, U1 – напряжение в первичке. Из второй формулы вы узнаете количество витков, аналогично рассчитываются витки для вторичной обмотки тороидального трансформатора.

Чтобы определить сечение проводов катушек преобразователя, воспользуйтесь формулой:

S = (ρ*l * P)/U2

• S – площадь сечения проводника трансформатора;
• P – мощность тороидального трансформатора;
• ρ – удельная проводимость материала жил (для меди 0,017 Ом*мм2/м);
• U – напряжение в соответствующей обмотке трансформатора;
• l – длина проводника в катушке, этот параметр можно узнать из следующей формулы:

l = (2 * (D-d) + 2*H)*W

И длину и сечение трансформатора можно рассчитать для каждой обмотки отдельно. После того как расчет тороидального агрегата готов, можно переходить к его намотке.

Намотка

Процесс изготовления самодельного трансформатора будет состоять из нескольких этапов:

• осмотрите тороидальный магнитопровод на предмет отсутствия заусениц и неровностей – поверхность должна быть ровной, без выпирающих краев.

• изготовьте для пластин самодельного трансформатора изоляцию из электротехнического картона, при его отсутствии можете взять любой другой диэлектрик;

• чтобы не повредить изоляцию провода, наденьте на край челнока виниловую трубку и намотайте медный провод;

• припаяйте край провода к первому выводу обмотки тороидального трансформатора;

• заизолируйте электроизоляционным картоном и закрепите место пайки на сердечнике;

• с помощью челнока намотайте обмотку, при этом старайтесь делать витки, как можно плотнее к сердечнику;

• заизолируйте первичную обмотку тороидального трансформатора.

Краткое описание

Современные производители занимаются промышленным изготовлением нескольких разновидностей магнитопроводов для трансформаторов — броневого, стержневого, тороидального. Если сравнивать их эксплуатационные характеристики и сферы использования, то более эффективным можно считать последний вариант. Всё дело в том, что такое устройство обладает исключительно положительными параметрами, благодаря чему активно применяется в современной промышленности.

Высокая производительность и длительный эксплуатационный срок повлияли на то, что сейчас тороидальный трансформатор является базовым элементом в осветительной технике, стабилизаторах напряжения, источниках бесперебойного питания, радиотехнике, а также медицинском и диагностическом оборудовании.

Сами производители утверждают, что такой агрегат представлен в виде однофазной установки, которая может как понижать, так и повышать мощность. Для качественной эксплуатации трансформатор оборудован мощным сердечником с двумя и более обмотками. Но принцип его эксплуатации ничем не отличается от тех моделей, которые оснащены броневой или стержневой намоткой.

В независимости от эксплуатационных характеристик, трансформатор — это устройство, главная задача которого основана на преобразовании электроэнергии из одной величины в другую. Однако даже самые минимальные изменения в конструктивном исполнении могут существенно изменить итоговые размеры и вес электрической установки. Благодаря этому, технико-экономические параметры будут только возрастать.

Основные преимущества

У такого трансформатора магнитопровод имеет форму тороида, иными словами — все кольца отличаются прямоугольным сечением. Уникальные эксплуатационные характеристики высоко ценятся как в бытовых, так и промышленных сферах. Помимо этого, тороидальный агрегат имеет ряд дополнительных преимуществ в отличие от стандартных стержневых и бронированных моделей:

1. У мастеров появилась отличная возможность использовать для сердечника сталь с повышенной магнитной проницаемостью (Э-370, 340).
2. Известно, что итоговый поток рассеяния в идеальной тороидальной катушке должен быть равен нулю. В таком трансформаторе этот показатель имеет некоторую конечную величину. Но такие потоки рассеяния не такие уж и большие, как у обычных моделей, поэтому внешние магнитные поля не влияют на слаженную работу трансформатора.
3. В сердечнике полностью отсутствуют зазоры и стыки.
4. Мастер может смело использовать структурные свойства сердечника, так как в тороидальном агрегате направление магнитного поля полностью совпадает с прокатом ленты.

Все вышеперечисленные преимущества позволяют добиться высоких экономических и электрических показателей. За счёт этого существенно возрастает производительность оборудования:

• Существенно уменьшается общее количество витков, которые используются для получения величины индуктивной первичной обмотки. Такой эффект достигается благодаря использованию сталей с высокой магнитной проницаемостью. В отдельных конструкциях мастерам удалось снизить итоговый расход меди на 25%.
• Полное отсутствие зазоров и наличие высоколегированной стали является причиной того, что в сердечнике трансформатора достигается более высокая индукция. Это функциональное преимущество совершенно не влияет на коэффициент нелинейных искажений. В результате мастеру удаётся повысить Bmax в два раза, что считается невозможным в броневых трансформаторах. В итоге снижается итоговый вес и объём рабочего сердечника.
• Равномерная частотная характеристика каскад достигается за счёт небольшой величины индуктивности рассеяния. Наличие минимальных искажений по вине переходных процессов позволяет использовать довольно глубокую обратную связь отрицательного типа.

В связи с тем, что тороидальный трансформатор обладает небольшим магнитным полем, даже самый тесный монтаж не влияет на взаимодействие с другими элементами конструкции.

Как уточнить плотность тока?

Если мы делаем маломощный трансформатор, то можем поиграть с плотностью тока и выбрать более тонкие провода, не опасаясь их перегрева. В книге Эраносяна дана такая табличка:

Почему плотность тока зависит от мощности трансформатора? Выделяемое количество теплоты равно произведению удельных потерь на объем провода. Рассеиваемое количество теплоты пропорционально площади обмотки и перепаду температур между ней и средой. С увеличением размера трансформатора объем растет быстрее площади и для одинакового перегрева удельные потери и плотность тока надо уменьшать. Для трансформаторов мощностью 4..5 кВА плотность тока не превышает 1..2 А/мм 2 .