Фазосдвигающий трансформатор своими руками

Добавил пользователь Дмитрий К.
Обновлено: 04.10.2024

Видео: Высоковольтные преобразователи частоты VEDADRIVE 2022, Январь

Основной принцип применения

Из-за преимущественно индуктивного характера энергосистемы активный поток энергии между источником и нагрузкой должен выполняться с фазовым запаздыванием между терминалами. Трансформаторы с фазовым сдвигом являются предпочтительным инструментом для достижения этой цели.

Где и почему мы используем трансформаторы с фазовым сдвигом (фото: BTW Atlanta)

Особый интерес представляют две основные конфигурации:

Поток мощности между системами передачи, работающих параллельно, где одна система включает в себя PST и
Если одна линия передачи, которая включает в себя PST, соединяет две независимые системы питания.

Последнее на самом деле является частным случаем первого, но теперь стало более важным для взаимосвязи крупных систем . При следующих соображениях предполагается, что омическое сопротивление R мало по сравнению с реакционным сопротивлением X и, таким образом, пренебрегали.

Ситуация. Одна практическая базовая ситуация заключается в том, что место, где требуется мощность (сторона нагрузки), подключается к стороне источника через две системы, которые необязательно должны иметь одинаковый номинальный уровень напряжения.

См. Рисунок 1 ниже.

Рисунок 1 - Параллельные системы

Без какой-либо дополнительной меры токи I ₁ и I ₂ будут распределены пропорционально отношению импедансов систем,

и нет сомнений в том, что система 2 займет лишь небольшую часть нагрузки из-за дополнительных сопротивлений двух трансформаторов в этой ветви.

Если поток мощности в системе 2 должен быть увеличен, необходимо ввести дополнительное напряжение ΔV для компенсации увеличенного падения напряжения в системе 2.

Предполагая, что активная мощность должна подаваться на сторону нагрузки и учитывая индуктивный характер систем, это напряжение должно иметь фазовое отставание на 90 ° от напряжения на линии от сети к сети (V _L ) .

В принципе, источник ΔV может быть установлен в каждой из двух систем. На рисунке 2 показаны диаграммы напряжений обоих вариантов. Рисунок 2a соответствует рис. 1 с PST, установленным в системе 2, с более высоким импедансом. Дополнительное напряжение уменьшает падение напряжения в системе 2 по сравнению с системой 1.

Напряжение на выходе или стороне нагрузки PST V _L * приводит к напряжению на стороне входа или источника VS. По определению это называется расширенным фазовым углом. Если PST были установлены в системе 1 (рис. 2b), дополнительное напряжение увеличило бы падение напряжения до падения напряжения в системе 2.

В этом случае напряжение на стороне нагрузки V _L * отстает от напряжения источника V _S, и это определяется как фазовый угол замедления. Как также видно из диаграмм, расширенный фазовый угол минимизирует общий угол между стороной источника и нагрузки.

Рисунок 2 - Диаграмма ненагрузочного напряжения параллельных систем

Второе важное применение - использование PST для управления потоком мощности между двумя большими независимыми сетками (рис. 3). Для достижения потока активной мощности от системы 1 к системе 2 необходим расширенный фазовый угол.

Рисунок 3 - Подключение двух систем

Типы трансформаторов фазового сдвига

Общие аспекты

Общий принцип получения фазового сдвига основан на соединении сегмента одной фазы с другой фазой. Для получения дополнительного напряжения на 90º ΔV использование дельта-подключенной обмотки предлагает простейшее решение.

На рисунке 4 показана возможная компоновка и используется для введения нескольких базовых определений. Вторичная обмотка фазы V ₂ - V ₃ разделяется на две половины и последовательно соединена с фазой V ₁ . При проектировании этой обмотки в качестве регулируемой обмотки и использования переключателей ответвлений (OLTC), ΔV и угла сдвига фаз могут быть изменены под нагрузкой.

Фейсорная диаграмма построена для условий без нагрузки, т. Е. Без учета падения напряжения в блоке. Следует также отметить, что токи в двух половинах обмотки серии не находятся в фазе.

Это отличается от обычных силовых трансформаторов и имеет последствия для внутреннего поля рассеяния.

Рисунок 4 - Одноядерный симметричный PST - Трансформатор с фазовым сдвигом

Из фазовой диаграммы (рис. 4b) следует (V _S1 = V _L1 = V):

V ₀ = V × cos (α / 2)

ΔV = V × 2 × sin (α / 2)

V _Δ = V × cos (α / 2) × √3

и при I _S = I _L = I часть тока, которая передается возбуждающей обмотке, становится:

I _Δ = (ΔV / V _Δ ) × I × cos (α / 2) = I × (2 / √3) × sin (α / 2)

Пропускная способность может быть рассчитана из

и номинальная мощность проекта, определяющая размер PST, становится

P _T = 3 × ΔV × I = P _SYS × 2 × sin (α / 2)

Третий вид мощности (P _Δ ) - это мощность, которая передается во вторичный контур. Эта мощность отличается от ПТ, поскольку часть первичного тока компенсируется между двумя частями самой обмотки серии.

В двухжильных конструкциях (уравнение ΔV ₁ = V _S1 -V _L1 ) эта мощность определяет также необходимую способность отключения OLTC.

В дополнение к переданной мощности также важен угол фазового сдвига.

Угол сдвига фаз 20 ° означает, что PST должен быть рассчитан на 34, 8% от пропускной способности, а угол 40 ° должен составлять 68, 4%. В этом отношении следует учитывать, что эффективный угол фазового сдвига под нагрузкой меньше угла фазового сдвига без нагрузки.

В оптимальном случае, когда коэффициент мощности нагрузки близок к 1, импеданс PST на 15% уменьшит угол сдвига фаз нагрузки на 8.58.

На практике можно разработать различные решения для создания PST. Основными факторами, влияющими на выбор, являются:

Потребляемая мощность и коэффициент угла фазового сдвига
Номинальное напряжение
Возможность короткого замыкания подключенных систем
Ограничения на доставку
Спецификация производительности устройства РПН

Кроме того, предпочтения изготовителя относительно типа трансформатора (сердечника или оболочки) или типа обмоток и других конструктивных характеристик также могут играть определенную роль.

В зависимости от рейтинга используются одно- или двухжильные конструкции. Двухъядерные конструкции могут потребовать либо однобарабанную, либо двухконтурную конструкцию.

Одноядерный дизайн

Симметричные условия получены с помощью схемы, изображенной на рис. 4а. На рис. 5а и 5b показаны общие схемы соединений с более подробной информацией о регулирующей схеме .

Преимущество одноядерного дизайна - простота и экономичность. Но есть и ряд недостатков.

Недостатки - OLTC подключаются к системе и напрямую подвергаются воздействию всех перенапряжений и ошибок . Напряжение на шаг OLTC и ток определяются спецификацией и не всегда позволяют оптимальный экономичный выбор OLTC. Импеданс короткого замыкания PST колеблется между максимумом и нолем.

Поэтому нельзя планировать, что PST будет способствовать ограничению токов повреждения в системе.

Преимущество симметричной конструкции (рис. 5а) заключается в том, что угол фазового сдвига является единственным параметром, который влияет на поток мощности. Проекту нужны два однофазных OLTC (для низких оценок вместо него может использоваться один двухфазный OLTC) на фазу или два трехфазных OLTC.

Рисунок 5 - (a) Одноядерный симметричный PST (b) Одноядерный несимметричный PST

На рисунке 5b показано несимметричное решение. Используется только половина регулирующих обмоток. Количество необходимых OLTC уменьшается, но соотношение между напряжением источника и напряжением нагрузки изменяется с углом фазового сдвига и дополнительно влияет на поток мощности.

Решение, которое часто используется для трансформаторов, соединяющих две системы, показано на рисунке 6.

Отводная обмотка регулирующего трансформатора может быть подключена к другой фазе, вызывая сдвиг напряжения между регулируемой обмоткой и другими обмотками блока.

Рисунок 6 - Регулирующий трансформатор с эффектом PST

Регулируемая обмотка обычно подключается к стороне источника, но также возможна косвенная регулировка стороны нагрузки. Переход от нормального состояния регулирующего трансформатора к фазовому сдвигу возможен в среднем положении OLTC без необходимости отключения устройства.

Другое решение симметричного PST, дельта-гексагонального фазосдвигающего трансформатора, показано на рисунке 7.

Рисунок 7 - Дельта-гексагональный PST

Двухъядерный дизайн

Наиболее часто используемая схема для двухжильного дизайна показана на рисунке 8 ниже. Эта конфигурация состоит из серии и основного блока. Для меньших номиналов и более низких напряжений двухжильные PST могут быть встроены в один резервуар, в то время как более высокие рейтинги и PST с более высоким напряжением требуют конструкции с двумя резервуарами.

Преимуществом двухжильного дизайна является гибкость в выборе шагового напряжения и тока регулирующей обмотки . Они могут быть оптимизированы в соответствии с номиналами напряжения и тока OLTC.

Поскольку OLTC имеют ограниченные номинальные токи и ступенчатые напряжения на фазу, а также ограниченную коммутационную способность, они являются основными ограничивающими характеристиками для максимально возможного рейтинга PST. Возможно, потребуется использовать более одного OLTC на фазу для очень больших оценок.

Рисунок 8 - Двухъядерный PST

До определенного рейтинга можно использовать трехполюсные OLTC. Для более высоких рейтингов необходимы три однополюсных OLTC. Уровень изоляции OLTC не зависит от напряжения в системе и может поддерживаться на низком уровне. Импеданс короткого замыкания представляет собой сумму импедансов основного и серийного трансформаторов.

Поскольку импеданс блока серии является постоянным и независимым от фазового угла, блок может быть спроектирован так, чтобы быть самозащитой, и изменение импеданса с углом сдвига фазы может быть небольшим, когда импеданс основного блока сохраняется на низком уровне.

Квадратурные бустерные трансформаторы

Квадратурные вспомогательные трансформаторы представляют собой комбинацию регулирующего силового или автоматического трансформатора с фазосдвигающим трансформатором. PST, который может быть одно- или двухжильным, поставляется с регулируемой стороны силового трансформатора (рис. 9).

Рисунок 10 - Квадратурная упрощенная схема соединений

Благодаря этому способу выходное напряжение можно отрегулировать в соотношении четыре квадранта (амплитуда и фаза).

Ссылка // Руководство по электроэнергетике Леонарда Л. Григсби (Покупка печатной копии от Amazon)

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к трансформаторостроению и может найти применение в трансформаторах для железнодорожных подстанций. Полезной моделью решается задача создания фазосдвигающего трансформатора, характеризующегося широкими функциональными возможностями, благодаря расположению на крышке бака начал и концов фаз первичной и вторичной обмоток, и, следовательно, неоднозначности группы соединения, при выполнении которой отпадает необходимость проникновения внутрь бака. Для решения поставленной задачи в фазосдвигающем трансформаторе, содержащем расположенный внутри бака трехстержневой магнитопровод, первичную и вторичную обмотки, начала фаз которых соединены с вводами, расположенными снаружи бака, образуя два соответствующих ряда, предложено, согласно настоящей полезной модели, концы фаз первичной и вторичной обмоток соединить с вводами, расположенными снаружи бака, при этом концы фаз первичной обмотки расположить в том же ряду, что и начала фаз первичной обмотки, а концы фаз вторичной обмотки расположить в том же ряду, что и начала фаз вторичной обмотки таким образом, что каждый ввод каждой фазы первичной обмотки расположен оппозитно каждому вводу одноименной фазы вторичной обмотки, при этом, по крайней мере, один из средних вводов каждого ряда соединен с крайним вводом этого ряда, и один крайний ввод фазы первичной обмотки соединен с расположенным оппозитно ему вводом одноименной фазы вторичной обмотки.

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к трансформаторостроению и может найти применение в трансформаторах для железнодорожных подстанций.

Известен трансформатор, содержащий расположенный внутри бака трехстержневой магнитопровод, первичную и вторичную обмотки, начала фаз которых соединены с вводами фаз, расположенными снаружи бака, образуя два соответствующих ряда, а концы фаз первичной и вторичной обмоток размещены внутри бака [Л.1].

Описанное в [Л.1] выполнение трансформатора характеризуется ограниченными функциональными возможностями, обусловленными выведением снаружи бака, на его крышку, только начал фаз первичной и вторичной обмоток, с расположением в одном ряду начал фаз первичной обмотки, а в другом ряду - начал фаз вторичной обмотки, при однозначности группы соединения и невозможности в случае необходимости менять группу соединения обмоток без проникновения внутрь бака, т.е. без снятия крышки и пересоединения концов обмоток внутри бака.

Полезной моделью решается задача создания фазосдвигающего трансформатора, характеризующегося широкими функциональными возможностями, благодаря расположению на крышке бака начал и концов фаз первичной и вторичной обмоток, и, следовательно, неоднозначности группы соединения, при выполнении которой отпадает необходимость проникновения внутрь бака.

Для решения поставленной задачи в фазосдвигающем трансформаторе, содержащем расположенный внутри бака трехстержневой магнитопровод, первичную и вторичную обмотки, начала фаз которых соединены с вводами, расположенными снаружи бака, образуя два соответствующих

ряда, предложено, согласно настоящей полезной модели, концы фаз первичной и вторичной обмоток соединить с вводами, расположенными снаружи бака, при этом концы фаз первичной обмотки расположить в том же ряду, что и начала фаз первичной обмотки, а концы фаз вторичной обмотки расположить в том же ряду, что и начала фаз вторичной обмотки таким образом, что каждый ввод каждой фазы первичной обмотки расположен оппозитно каждому вводу одноименной фазы вторичной обмотки, при этом, по крайней мере, один из средних вводов каждого ряда соединен с крайним вводом этого ряда, и один крайний ввод фазы первичной обмотки соединен с расположенным оппозитно ему вводом одноименной фазы вторичной обмотки.

Полезная модель поясняется на примере выполнения чертежами, представляющими собой: фиг.1 - схематичное изображение активной части заявляемого фазосдвигающего трансформатора; фиг.2 - вид сверху (крышка бака) заявляемого фазосдвигающего трансформатора; фиг.3а - первый вариант соединения начал и концов фаз первичной и вторичной обмоток заявляемого фазосдвигающего трансформатора, 3б - соответствующее этому варианту соединение вводов фаз; фиг.4а - второй вариант соединения начал и концов фаз первичной и вторичной обмоток заявляемого фазосдвигающего трансформатора; 4б - соответствующее этому варианту соединение вводов фаз.

Фазосдвигающий трансформатор содержит бак 1, в котором размещен трехстрежневой магнитопровод 2 с первичной обмоткой 3, имеющей фазы 4 и 5, и вторичной обмоткой 6, имеющей соответственно одноименные с первичной обмоткой 3 фазы 7 и 8.

Начала и концы фаз первичной обмотки 3 и вторичной обмотки 6 соединены с вводами, расположенными снаружи бака 1, в частности, на его крышке 9.

Начало фазы 4 соединено с вводом 10, конец этой же фазы соединен с вводом 11, начало фазы 5 соединено с вводом 12, конец этой же фазы с вводом 13. Начало фазы 7, одноименной с фазой 4, соединено с вводом 14, конец фазы 7 соединен с вводом 15. Начало фазы 8, одноименной с фазой 5, соединено с вводом 16, а конец фазы 8 соединен с вводом 17.

Все вводы 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 расположены снаружи бака 1, на его крышке.

Вводы 10, 11, 12 и 13, соединенные с началами и концами фаз первичной обмотки 3, образуют первый ряд, а вводы 14, 15, 16 и 17, соединенные с началами и концами фаз вторичной обмотки 6, образуют второй ряд.

Каждый ввод каждой фазы первичной обмотки 3 расположен оппозитно каждому вводу одноименной с фазой вторичной обмотки 6. В частности, ввод 10 первого ряда расположен оппозитно вводу 15 второго ряда, ввод 13 первого ряда расположен оппозитно вводу 17 второго ряда, ввод 12 первого ряда расположен вводу 16 второго ряда, ввод 11 первого ряда расположен оппозитно вводу 14 второго ряда.

Вводы 12 и 13 занимают среднее положение в первом ряду, а вводы 10 и 11 - крайнее положение в этом же ряду, вводы 16 и 17 занимают среднее положение во втором ряду, а вводы 14 и 15 - крайнее положение в этом же ряду.

Фазосдвигающий трансформатор работает следующим образом.

При питании им нагрузки по принципиальной схеме, изображенной на фиг.3а, вводы соединяются, как показано на фиг.3б: один из средних вводов первого ряда, а именно ввод 12, соединен с крайним вводом 10 этого же ряда, а ввод 16 - один из средних вводов второго ряда соединен с крайним вводом 14 этого же ряда. При этом один крайний ввод 10 первого ряда (первичной обмотки 3) соединен с расположенным

Такое расположение вводов оказывается универсальным для включения трансформатора для включения трансформатора как по схеме За, так и по схеме 4а, способным существенно расширить функциональные возможности трансформатора и использовать его для включения по одной из двух возможных схем.

Это обстоятельство позволяет иметь, например на железнодорожной подстанции, где используется указанная схема соединения, один резервный трансформатор вместо двух.

Фазосдвигающий трансформатор, содержащий расположенный внутри бака трехстержневой магнитопровод, первичную и вторичную обмотки, начала фаз которых соединены с вводами, расположенными снаружи бака, образуя два соответствующих ряда, отличающийся тем, что концы фаз первичной и вторичной обмоток соединены с вводами, расположенными снаружи бака, при этом концы фаз первичной обмотки расположены в том же ряду, что и начала фаз первичной обмотки, а концы фаз вторичной обмотки расположены в том же ряду, что и начала фаз вторичной обмотки таким образом, что каждый ввод каждой фазы первичной обмотки расположен оппозитно каждому вводу одноименной фазы вторичной обмотки, при этом, по крайней мере, один из средних вводов каждого ряда соединен с крайним вводом этого ряда, и один крайний ввод фазы первичной обмотки соединен с расположенным оппозитно ему вводом одноименной фазы вторичной обмотки.

Как известно, при включении трёхфазного асинхронного двигателя в однофазную сеть, по распространенным конденсаторным схемам: "треугольник", или "звезда", мощность двигателя используется только наполовину (в зависимости от применяемого двигателя).

Кроме того, затруднён запуск двигателя под нагрузкой.

В предлагаемой статье описан метод подключения двигателя без потери мощности.

В различных любительских электромеханических станках и приспособлениях чаще всего используются трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. К сожалению, трехфазная сеть в быту — явление крайне редкое, поэтому для их питания от обычной электрической сети любители применяют фазосдвигающий конденсатор, что не позволяет в полном объеме реализовать мощность и пусковые характеристики двигателя. Существующие же тринисторные "фазосдвигающие" устройства еще в большей степени снижают мощность на валу двигателей.

Вариант схемы устройства запуска трехфазного электродвигателя без потери мощности приведен на рис. 1.

Обмотки двигателя 220/380 В соединены треугольником, а конденсатор С1 включен, как обычно, параллельно одной из них. Конденсатору "помогает" дроссель L1, включенный параллельно другой обмотке. При определенном соотношении емкости конденсатора С1, индуктивности дросселя L1 и мощности нагрузки можно получить сдвиг фаз между напряжениями на трех ветвях нагрузки, равный точно 120°.

На рис. 2 приведена векторная диаграмма напряжений для устройства, представленного на рис. 1, при чисто активной нагрузке R в каждой ветви. Линейный ток Iл в векторном виде равен разности токов Iз и Ia, а по абсолютному значению соответствует величине Iф√3, где Iф=I1=I2=I3=Uл/R — фазный ток нагрузки, Uл=U1=U2=U3=220 В — линейное напряжение сети.

К конденсатору С1 приложено напряжение Uc1=U2, ток через него равен Ic1 и по фазе опережает напряжение на 90°.

Аналогично к дросселю L1 приложено напряжение UL1=U3, ток через него IL1 отстает от напряжения на 90°.

При равенстве абсолютных величин токов Ic1 и IL1 их векторная разность при правильном выборе емкости и индуктивности может быть равной Iл.

Сдвиг фаз между токами Ic1 и IL1 составляет 60°, поэтому треугольник из векторов Iл, Iс1 и IL1 — равносторонний, а их абсолютная величина составляет Iс1=IL1=Iл=Iф√3. В свою очередь, фазный ток нагрузки Iф=Р/ЗUL, где Р — суммарная мощность нагрузки.

Иными словами, если емкость конденсатора С1 и индуктивность дросселя L1 выбрать такими, чтобы при поступлении на них напряжения 220 В ток через них был бы равен Ic1=IL1=P/(√3⋅Uл)=P/380, показанная на рис. 1 цепь L1C1 обеспечит на нагрузке трехфазное напряжение с точным соблюдением сдвига фаз.

Таблица 1

P, Вт	IC1=IL1, A	C1, мкФ	L1, Гн
100	0.26	3.8	2.66
200	0.53	7.6	1.33
300	0.79	11.4	0.89
400	1.05	15.2	0.67
500	1.32	19.0	0.53
600	1.58	22.9	0.44
700	1.84	26.7	0.38
800	2.11	30.5	0.33
900	2.37	34.3	0.30
1000	2.63	38.1	0.27
1100	2.89	41.9	0.24
1200	3.16	45.7	0.22
1300	3.42	49.5	0.20
1400	3.68	53.3	0.19
1500	3.95	57.1	0.18

В табл. 1 приведены значения тока Ic1=IL1. емкости конденсатора С1 и индуктивности дросселя L1 для различных величин полной мощности чисто активной нагрузки.

Реальная нагрузка в виде электродвигателя имеет значительную индуктивную составляющую. В результате линейный ток отстает по фазе от тока активной нагрузки на некоторый угол ф порядка 20. 40°.

На шильдиках электродвигателей обычно указывают не угол, а его косинус — широко известный cosφ, равный отношению активной составляющей линейного тока к его полному значению.

Индуктивную составляющую тока, протекающего через нагрузку устройства, показанного на рис. 1, можно представить в виде токов, проходящих через некоторые катушки индуктивности Lн, подключенные параллельно активным сопротивлениям нагрузки (рис. 3,а), или, что эквивалентно, параллельно С1, L1 и сетевым проводам.

Из рис. 3,б видно, что поскольку ток через индуктивность противофазен току через емкость, катушки индуктивности LH уменьшают ток через емкостную ветвь фазосдвигающей цепи и увеличивают через индуктивную. Поэтому для сохранения фазы напряжения на выходе фазосдвигающей цепи ток через конденсатор С1 необходимо увеличить и через катушку уменьшить

Векторная диаграмма для нагрузки с индуктивной составляющей усложняется. Ее фрагмент, позволяющий произвести необходимые расчеты, приведен на рис. 4.

Полный линейный ток Iл разложен здесь на две составляющие: активную Iлcosφ и реактивную Iлsinφ.

В результате решения системы уравнений для определения необходимых значений токов через конденсатор С1 и катушку L1:

IC1sin30° + IL1sin30° = Iлcosφ, IC1cos30° - IL1cos30° = Iлsinφ,

получаем следующие значения этих токов:

IC1 = 2/√3⋅Iлsin(φ+60°), IL1 = 2/√3⋅Iлcos(φ+30°).

При чисто активной нагрузке (φ=0) формулы дают ранее полученный результат Ic1=IL1=Iл.

На рис. 5 приведены зависимости отношений токов Ic1 и IL1 к Iл от cosφ, рассчитанные по этим формулам Для (cosφ = √3/2 = 0,87) ток конденсатора С1 максимален и равен 2/√3Iл = 1.15Iл, а ток дросселя L1 вдвое меньше.

Этими же соотношениями с хорошей степенью точности можно пользоваться для типовых значений cosφ, равных 0,85. 0,9.

Таблица 2

P, Вт	IC1, A	IL1, A	C1, мкФ	L1, Гн
100	0.35	0.18	5.1	3.99
200	0.70	0.35	10.2	2.00
300	1.05	0.53	15.2	1.33
400	1.40	0.70	20.3	1.00
500	1.75	0.88	25.4	0.80
600	2.11	1.05	30.5	0.67
700	2.46	1.23	35.6	0.57
800	2.81	1.40	40.6	0.50
900	3.16	1.58	45.7	0.44
1000	3.51	1.75	50.8	0.40
1100	3.86	1.93	55.9	0.36
1200	4.21	2.11	61.0	0.33
1300	4.56	2.28	66.0	0.31
1400	4.91	2.46	71.1	0.29
1500	5.26	2.63	76.2	0.27

В табл. 2 приведены значения токов IC1, IL1, протекающих через конденсатор С1 и дроссель L1 при различных величинах полной мощности нагрузки, имеющей указанное выше значение cosφ = √3/2.

Для такой фазосдвигающей цепи используют конденсаторы МБГО, МБГП, МБГТ, К42-4 на рабочее напряжение не менее 600 В или МБГЧ, К42-19 на напряжение не менее 250 В.

Дроссель проще всего изготовить из трансформатора питания стержневой конструкции от старого лампового телевизора. Ток холостого хода первичной обмотки такого трансформатора при напряжении 220 В обычно не превышает 100 мА и имеет нелинейную зависимость от приложенного напряжения.

Если же в магнитопровод ввести зазор порядка 0,2. 1 мм, ток существенно возрастет, а зависимость его от напряжения станет линейной.

Сетевые обмотки трансформаторов ТС могут быть соединены так, что номинальное напряжение на них составит 220 В (перемычка между выводами 2 и 2'), 237 В (перемычка между выводами 2 и 3') или 254 В (перемычка между выводами 3 и 3'). Сетевое напряжение чаще всего подают на выводы 1 и 1'. В зависимости от вида соединения меняются индуктивность и ток обмотки.

В табл. 3 приведены значения тока в первичной обмотке трансформатора ТС-200-2 при подаче на нее напряжения 220 В при различных зазорах в магнитопроводе и разном включении секций обмоток.

Сопоставление данных табл. 3 и 2 позволяет сделать вывод, что указанный трансформатор можно установить в фазосдвигающую цепь двигателя с мощностью примерно от 300 до 800 Вт и, подбирая зазор и схему включения обмоток, получить необходимую величину тока.

Индуктивность изменяется также в зависимости от синфазного или противофазного соединения сетевой и низковольтных (например, накальных) обмоток трансформатора.

Максимальный ток может несколько превышать номинальный ток в рабочем режиме. В этом случае для облегчения теплового режима целесообразно снять с трансформатора все вторичные обмотки, часть низковольтных обмоток можно использовать для питания цепей автоматики устройства, в котором работает электродвигатель.

Таблица 3

Зазор в магнитопроводе, мм	Ток в сетевой обмотке, A, при соединении выводов на напряжение, В
Зазор в магнитопроводе, мм	220	237	254
0.2	0.63	0.54	0.46
0.5	1.26	1.06	0.93
1	-	2.05	1.75

В табл. 4 приведены номинальные величины токов первичных обмоток трансформаторов различных телевизоров и ориентировочные значения мощности двигателя, с которыми их целесообразно использовать фазосдвигающую LC-цепь следует рассчитывать для максимально возможной нагрузки электродвигателя.

Таблица 4

Трансформатор	Номинальный ток, A	Мощность двигателя, Вт
ТС-360М	1.8	600. 1500
ТС-330К-1	1.6	500. 1350
СТ-320	1.6	500. 1350
СТ-310	1.5	470. 1250
ТСА-270-1, ТСА-270-2, ТСА-270-3	1.25	400. 1250
ТС-250, ТС-250-1, ТС-250-2, ТС-250-2М, ТС-250-2П	1.1	350. 900
ТС-200К	1	330. 850
ТС-200-2	0.95	300. 800
ТС-180, ТС-180-2, ТС-180-4, ТС-180-2В	0.87	275. 700

При меньшей нагрузке необходимый сдвиг фаз уже не будет выдерживаться, но пусковые характеристики по сравнению с использованием одного конденсатора улучшатся.

Экспериментальная проверка проводилась как с чисто активной нагрузкой, так и с электродвигателем.

Функции активной нагрузки выполняли по две параллельно соединенных лампы накаливания мощностью 60 и 75 Вт, включенные в каждую нагрузочную цепь устройства (см рис. 1), что соответствовало общей мощности 400 Вт В соответствии с табл. 1 емкость конденсатора С1 составляла 15 мкф Зазор в магнитопроводе трансформатора ТС-200-2 (0,5 мм) и схема соединения обмоток (на 237 В) были выбраны из соображений обеспечения необходимого тока 1,05 А.

Измеренные на нагрузочных цепях напряжения U1, U2, U3 отличались друг от друга на 2. 3 В, что подтверждало высокую симметрию трехфазного напряжения.

Эксперименты проводились также с трехфазным асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором АОЛ22-43Ф мощностью 400 Вт. Он работал с конденсатором С1 емкостью 20 мкф (кстати, такой же, как и при работе двигателя только с одним фазосдвигающим конденсатором) и с трансформатором, зазор и соединение обмоток которого выбраны из условия получения тока 0,7 А.

В результате удалось быстро запустить двигатель без пускового конденсатора и заметно увеличить крутящий момент, ощущаемый при торможении шкива на валу двигателя.

К сожалению, провести более объективную проверку затруднительно, поскольку в любительских условиях практически невозможно обеспечить нормированную механическую нагрузку на двигатель.

Следует помнить, что фазосдвигающая цепь — это последовательный колебательный контур, настроенный на частоту 50 Гц (для варианта чисто активной нагрузки), и без нагрузки подключать к сети эту цепь нельзя.

Приветствую! После очередного похода на радиобарахолку сподвигнулся на написание этого отчасти лженаучного материала.
Может оно и старо, как мир, но в наше "низкоимпедансное" время, когда у людей с грошами туговато, авось кому-то и пригодится.

Содержание / Contents

↑ Мерим

В живую разглядеть диаметр проводов удалось только на обмотке с отводом – 0,8 мм.кв. Вторая (22V) оказалась слаботочной и вытягивала без просадки 18V 200 mA. Поскольку целью эксперимента была попытка включить транс в качестве разделительного либо силового с минимальными потерями, все слаботочные обмотки не рассматриваем и про отвод на вторичке тоже пока забудем. Таким образом, грубо взяв за исходное 2А по каждой вторичке при 22V попробуем забрать у транса ватт 130 полезной мощности, а может и больше.

↑ Варианты

Здесь сразу поясним, что все стержни трехфазника одинаковы по ширине, это обычное Ш-образное железо, собранное вперекрышку. Таким образом, включение трех первичек синфазно и параллельно недопустимо, для понимания достаточно нарисовать себе схему движения магнитного потока по сердечнику.

Абсолютно корректным и безопасным является вариант I. С него и начнем, причем замеры будем делать на холостом ходу и только после нахождения оптимального включения прогрузим рабочий вариант. Вот результат при токе холостого хода 25 mA и сетевом напряжении 240V (дело было уже в 5 утра):

В этом варианте мы можем варьировать включением всех вторичных и двух первичных обмоток, как в любом однофазнике, но нагрузочная способность его из-за работы только одной катушки (одна лошадь везет две телеги) предполагается ослабленной.

Теперь попробуем вариант II, включив первички А и С синфазно параллельно. Магнитный поток в центральном стержне возрастет в 2 раза при том же сечении. По идее – рискованно, но попробуем.

Ток холостого хода, как и ожидалось, значительно вырос – 380 mA. Но и после 1 часа непрерывной работы трансформатор оставался чуть теплым. Мощность в таком включении должна быть уже приемлемой и почти удвоенные напряжения в секции B тоже представляют интерес.

Теперь включим транс по варианту III.

Вариант IV замысливался, как альтернатива второму: попытаться уменьшить ток холостого хода. Здесь к соединенным синфазно обмоткам А и С последовательно добавлена обмотка В. Вот что получилось:

Ток холостого хода уменьшился до 240 мА и я уже возликовал. Но рано… Лампы при одновременном включении посадили обмотки a1 и c1 до 13V, а обмотку b1 до 36V (лампы здесь включал последовательно). В обоих случаях ток был 2А. Но этим не закончилось, ибо пока перекуривал, центральная обмотка стала ощутимо греться. Тогда я решил тупо поменять ее концы, включив по отношению к спарке А и С в противофазе. Транс получился сверхэкономичный: ток холостого хода аж 15 мА. Но вот напруга… a1, c1 – по 10V, b1 – 20V. И все это при слабой нагрузочной способности. Хотя как вариант имеет право жить!
А вот в чистом виде, как на рисунке, лучше забыть, потому из дальнейших действий мы его исключаем, равно как и сверхэкономичный (он на любителя).

Днем были дела семейные и прогрузкой занялся вечером. В качестве нагрузок – те же две лампы 24V 60W каждая. Исходный замер варианта II (он мне показался наиболее интересным) на холостом ходу при сетевом 220V: a1,c1 по 26V, b1 – 49V, в обмотке B – 416V. Включаем: a1,c1 по 21V, b1 – 45V, в обмотке B – 382V(пока не нагружена).

Добавляем сюда две на 220V 100W и 25W в последовательном включении (других под рукой не оказалось). Света в комнате сразу прибавилось, в обмотках следующие значения: a1,c1 по 18V(2,2A), b1 – 40V (не нагружена, но пол-ампера отдаст смело без просадки остальных обмоток), на B – 320V (230 mA). Вот вам готовый транс для гибридного уся. Полчаса прогрузки, температура транса примерно 50 градусей, вполне терпимо, но лучше подцепить кулер.

Ну и для очистки совести прогрузил все так же, но обмотки a1,с1 подключил через мосты с фильтрующими кондюками по 2200 мкф.

На a1 и c1 – по 18,7V (2.3А), b1 – 40V (не нагружена, на c1 – 320V (232mA). Тепловой режим не поменялся. Далее перецепил последовательно включенные лампы на обмотку b1, все остальные нагрузки снял: 41V, 2,3A (на холостом здесь было 44V). И, наконец, нагрузил только секцию B, причем низковольтую обмотку через мост и конденсаторы фильтра: на b1 – 36V (2,7A), на B – 315V (240 mA). Если подытожить, транс сполна отдаст 140-160 ватт полезной мощи, которая в данном случае ограничена сечением провода.

↑ Резюме

Мне могут возразить: к чему весь огород, взял тот же ТС-180 и не мучайся. Я отвечу:

2. Трехфазники более надежны конструктивно, Ш-образное железо с дырками в пластинах, хороший крепеж, мощный каркас, удобство в разборке и перемотке. Но даже если не перематывать – они практически не горят за счет хорошей изоляции и запаса прочности (на случай попадания фазного напряжения). Помнится, испытывают их мегометром при подаче минимум 1000 Вольт . Мой вот пропитан щеллаком. Плюс есть вариации с включением. То есть, как разделительный в хозяйстве - это очень хороший выбор (по варианту I и III).

4. И теперь о сокровенном, на что я не дотягивают совсем. А почему бы не попробовать это железо в качестве выходного транса в ламповом усе? Может, спецы-датагрцы пораскинут своими головушками? Железо здесь совсем не хилое, пластины тонкие, три катушки (можно секционированием поиграть).
Надо же какую-то точку и здесь поставить.
Засим откланиваюсь!

Повышающий трансформатор является силовым прибором для изменения входного напряжения в большую сторону. На первичную обмотку поступает более низкое напряжение. На выходе оно поступает через вторичную обмотку в нужных величинах. Монтируют его как в бытовых, так и в производственных сетях.

Потребность в такой конструкции обусловлена нестабильностью напряжения, подаваемого через электросеть. Если бы не было повышающих трансформаторов, трудно было бы избежать таких неприятных последствий нестабильности, как порча включенных приборов и даже возгорание электропроводки.

В статье мы рассмотрим технические особенности масляных трансформаторов и принцип их действия. В качестве бонуса читатель найдет в статье интересный видеоматериал и обучающее пособие Л.С. Герасимова, А.И. Майорец “Обмотки и изоляция силовых масляных трансформаторов”.

Функционирование и принцип устройства

Чтобы понять, что такое трансформаторы, повышающие напряжение, нужно вникнуть в принцип работы. Оборудование изготавливается для электростанций, схемы конструкции которых относятся к проходной категории.

Повышающий трансформатор на электростанциях используется для обеспечения населенных пунктов, прочих объектов током с определенными техническими показателями. Без преобразователя высокое напряжение по пути своего следования постепенно снижается.

Конечный потребитель получал бы недостаточное количество электроэнергии. На конечной в цепи электростанции благодаря этой установке, принимают электричество соответствующего значения. Потребитель получает напряжение в сети до 220 В. Промышленные сети обеспечиваются до 380 В.

Схема, показывающая работу трансформатора в линии, включает в себя несколько элементов. Генератор на электростанции производит электричество 12 кВ. Оно поступает по проводам к повышающим подстанциям. Здесь устанавливается трансформаторный аппарат, призванный повышать показатель в линии до 400 кВ.

От подстанции электричество поступает в высоковольтную линию. Далее энергия попадает на понижающую подстанцию. Здесь она снижается до 12кВ. Трансформаторами с обратным принципом действия ток направляется в низковольтную линию передач. В конце устанавливается еще один понижающий агрегат. От него электричество с показателем 220 В поступает в дома, квартиры.

Рассматривая, как работает трансформатор, повышающий напряжение, нужно вникнуть в основные принципы действия конструкции. Основой работы трансформатора является механизм электромагнитной индукции.

Металлический сердечник находится в изоляционной среде. В схему включено две катушки. Количество обмоток неодинаковое. Повысить показатель способны катушки, в первом контуре которых больше витков, чем во втором.

Напряжение переменного типа поступает на первый контур. Например, это ток в сети 110 (100) В. Появляется магнитное поле. Его сила увеличивается при правильном соотношении обмоток в сердечнике. Когда электричество проходит по второй обмотке в повышающем трансформаторе появляется ток с определенным показателем. Например, обеспечивается показатель характеристики сети 220 В.

При этом частота остается прежней. Для поступления постоянного тока в линию электроснабжения в цепь монтируется преобразователь. Этот прибор может быть в оборудовании повышающего типа. Прибор способен работать не только для изменения напряжения, но и частоты. Определенное оборудование питается постоянным током.

Собираем своими руками

Решением некоторых задач может стать преобразователь, собранный своими руками. Например, если для гаражных работ нужно подключить оборудование с питанием 220 В, а сеть имеет напряжение лишь 36 В, то собранный самостоятельно повышающий трансформатор позволит решить эту проблему.

Разновидности преобразователей 12 на 220 вольт

Инверторы — устройства, позволяющие преобразовывать постоянные токовые величины, включая 12 B, в переменный ток c изменением уровня напряжения или без. Выпускаемые в настоящее время преобразователи напряжения постоянных токовых величин могут быть представлены:

регуляторами напряжения;
преобразователями уровня напряжения;
линейными стабилизаторами.

Как правило, такие приборы являются генераторами периодического напряжения, приближенного к форме синусоиды.

Как сделать своими руками

Для преобразования напряжения из низкого уровня в высокий, и наоборот, применяются повышающие или понижающие трансформаторы. Они представляют собой электрические машины с высоким коэффициентом полезного действия и применяются во многих областях техники.

Можно сделать трансформатор своими руками в домашних условиях. Чтобы правильно собрать повышающий трансформатор, надо точно выполнить весь технологический процесс и рекомендации по сборке этого типа электрических машин, которые будут приведены ниже.

Что потребуется для самостоятельной сборки

Первым делом определяем мощность первичной обмотки будущего преобразователя. Для этого нужно узнать мощность прибора, который мы будем подключать. Обычно эти данные указывают в паспорте устройства. Например, возьмем среднее значение 100 Вт. Следует учитывать, что потребуется некоторый запас, т.к. коэффициент полезного действия будет равен примерно 0,8 -0,9. Нам подойдет мощность 150 Вт. Для самостоятельной намотки трансформатора нужны ответы на такие вопросы:

Для чего нужен трансформатор: повышать или понижать напряжение?
Какие напряжения должны быть на входе и выходе аппарата?
Работает аппарат от сети переменного тока 50 Гц или его надо рассчитывать на другую частоту?
Какова будет мощность самодельного трансформатора?

сердечник из трансформаторного железа;
изоляция (лакоткань);
провод;
тонкий картон;
доски и деревянные бруски;
стальной пруток;
клей;
пила;
ножницы;
вольтметр.

Вырезаем два каркаса для магнитопровода. Берем половину первичной обмотки, плотно укладываем на каркасы. После укладки изолируем стеклотканью. Берем половину вторичной обмотки, также укладываем, изолируем.

Собираем магнитопровод, стягиваем его отдельные части хомутом. Части устройства рекомендуем проклеить специальным клеем с содержанием ферропорошка, тогда оборудование не будет издавать лишних звуков во время эксплуатации.

Для намотки обмоток можно сделать простейший намоточный станок. Для этого берут доску длиной 40 см и шириной 100 мм. На нее шурупами присоединяют два бруска 50 х 50 миллиметров так, чтобы расстояние между ними было 30 см. Они должны быть просверлены на одинаковой высоте сверлом диаметром 8 мм. В эти отверстия заводят пруток, на который предварительно надевается катушка будущего трансформатора.

С одной стороны, на штыре должна быть нарезана резьба на длину 3 см и на нее с помощью двух гаек закреплена ручка, которой вращают пруток с катушкой при намотке трансформатора.

Размеры вышеописанного намоточного станка не критичны — все зависит от размеров сердечника. Если он сделан из ферросплавов и имеет форму кольца, то придется обмотку выполнять вручную. Наглядно процесс сборки повышающего трансформатора приведен в видеоролике.

Расчет количества витков

Определяем число витков на 1 В. Рассчитываем по формуле: К=50/C, у нас это 50/10,2, т.е. 4,9 витков на 1 В. После мы легко рассчитаем количество оборотов первичной и вторичной обмоток. В первом случае умножаем имеющиеся напряжение питания сети на 4,9, получаем 176 витков. Во втором умножаем требуемое напряжение (220 В) на 4,9, получаем 1078.

Предварительный расчет количества витков можно сделать исходя из требуемой мощности аппарата. Например, если нужен повышающий трансформатор с 12 до 220 В, то требуемая мощность такого аппарата будет в пределах 90-150 Вт. Выбираем О-образный тип магнитопровода от старого телевизора или покупаем подобный в магазине. Сечение его должно быть выбрано по формуле из электротехнического справочника. В этом примере оно приблизительно равно 10-11 см².

Следующий этап — определение количества витков на 1 В, которое в данном случае равно 50 Гц, деленное на 10-11, что-то около 4,7- 5 единиц на вольт. Теперь можно посчитать количество витков первичной и вторичной обмотки: W1= 12 Х 5 = 60 и W2= 220 Х 5=1100.

Затем надо определить токи в них: I1 = 150:12=12,5 А и I2=150:220=0,7 А. Найдем сечения и диаметры проводов обмоток по формулам из справочника. Повышающий трансформатор предварительно рассчитан, можно приступать к его намотке.

Следующий шаг – расчет тока каждой обвивки. За исходные показатели берем мощность равную 150 Вт. Тогда для первичной обвивки нужен ток в 4,2 А, вторичной – 0,7 А. Рабочий показатель равен мощности, деленной на напряжение.

Для правильной работы устройства важно не только количество оборотов, но и диаметр обмоток. Рассчитываем этот параметр по формуле: рабочий ток обмотки, умноженный на коэффициент 0,8.

Стоит учесть, что промышленные, производственные задачи способен решить лишь прибор, собранный профессионалами. Использование самодельного устройства не всегда безопасно! Будьте осторожны.

Рабочий процесс изготовления каркасов катушек

При применении круглого сердечника его предварительно обматывают ленточной изоляцией и затем прямо начинают мотать на него провод, распределяя нужное количество витков по всему кольцу.

После того как закончена намотка первичной обмотки, ее закрывают 3-4 слоями лакоткани и затем сверху начинают накручивать витки вторичной ее части. При использовании обычных магнитопроводов каркас катушек делают так:

делается выкройка гильзы с отворотами на сторонах торцов;
из картона вырезают щечки;
свертывают тело катушки по намеченным линиям в небольшую коробочку и заклеивают;
надевают на гильзу верхние части (щечки) и, отогнув отвороты, приклеивают.

После этого ленточной изоляцией закрывают провод, предварительно выведя наружу концы обмоток.

Изготовление обмоток

Катушку надевают на деревянный брусок с размерами стержня магнитопровода. В нем предварительно сверлится отверстие для прутка намоточного. Эта деталь вставляется в станок, и начинается процесс изготовления обмотки:

на катушку наматывают 2 слоя лакоткани;
один конец провода закрепляют на щечке и начинают медленно вращать ручку станка;
витки надо укладывать плотно, изолируя каждый намотанный слой от соседнего лакотканью;
после того как намотана катушка первичной обмотки, провод обрезают и второй его конец закрепляют на щечке рядом с первым.

На оба вывода надевают изоляционные трубки, а снаружи обмотку закрывают изоляцией. В такой же последовательности производится намотка катушки вторичной обмотки.

Расчеты параметров

На простом трансформаторе первичная обмотка имеет 440 витков для 220 вольт. Получается на каждые два витка по 1 вольту. Формула для подсчета витков по напряжению:

N = 40-60 / S, где S – площадь сечения сердечника в см2. Константа 40-60 зависит от качества металла сердечника. Сделаем расчет для установки обмоток на магнитопровод. В нашем случае у трансформатора окно 53 мм по высоте и 19 мм по ширине. Каркас будет текстолитовый. Две щеки внизу и вверху 53 – 1,5 х 2 = 50 мм, каркас 19 – 1,5 = 17,5 мм, окно размером 50 х 17,5 мм.

Обмотка простого трансформатора высокого напряжения 2,18 х 450 = 981 виток.
Низковольтная для накала 2,18 х 5 = 11 витков.
Низкого напряжения накальная 2,18 х 6,3 = 14 витков.

Рассчитываем необходимый диаметр проводов. Мощность сердечника трансформатора своими руками по габаритам 170 ватт. На обмотке сети ток 170 / 220 = 0,78 ампера. Плотность тока 2 ампера на мм2, стандартный диаметр провода по таблице 0,72 мм. Заводская обмотка из провода 0,5, завод сэкономил на этом.

Магнитопровод в сборе вместе с узлами и соединительными элементами образует остов трансформатора. Деталь, на которую намотаны обмотки, является стержнем. Область системы, предназначенная для замыкания цепи и не несущая витков контура, называется ярмом. Расположение в пространстве стержней служит для разделения системы на следующие виды.

Количество витков первичной обмотки

Берем провод 0,35 мм, 50 / 0,39 х 0,9 = 115 витков на один слой. Количество слоев 981 / 115 = 8,5. Из середины слоя не рекомендуется делать вывод для обеспечения надежности. Рассчитаем высоту каркаса с обмотками.

Первичная из восьми слоев с проводом 0,74 мм, изоляцией 0,1 мм: 8 х (0,74 + 0,1) = 6,7 мм. Высоковольтную обмотку лучше экранировать от других обмоток для предотвращения помех высоких частот. Для того, чтобы мотать трансформатор, делаем обмотку экрана из одного слоя провода 0,28 мм с изоляцией из двух слоев с каждой стороны: 0,1 х 2 + 0,28 = 0,1 х 2 = 0,32 мм.

Первичная обмотка будет занимать места: 0,1 х 2 + 6,7 + 0,32 = 7,22 мм. Повышающая обмотка из 17 слоев, толщина 0,39, изоляция 0,1 мм: 17 х (0,39 + 0,1) = 6,8 мм. Поверх обмотки делаем слои изоляции 0,1 мм. Получается: 6,8 + 2 х 0,1 = 7 мм. Высота обмоток вместе: 7,22 + 7 = 14,22 мм. 3 мм осталось для накальных обмоток.

Можно сделать расчет внутренних сопротивлений обмоток. Для этого рассчитывается длина витка, берется длина провода в обмотке, определяется сопротивление, зная удельное сопротивление по таблице для меди.

При расчете сопротивления секции первичной обмотки получается разница около 6-ти Ом. Такое сопротивление даст падение напряжения 0,84 вольта при токе номинала 140 миллиампер. Чтобы компенсировать это падение напряжения, добавим два витка. Теперь во время нагрузки секции равны по напряжению.

Заключение

В данной статье были рассмотрены основные функции повышающих трансформаторов и способ самостоятельной сборки. Больше информации о трансформаторах можно узнать в учебном пособии Дымкова А.М. “Расчет и конструирование трансформаторов”.

Читайте также: