Как сделать трансформатор своими руками — подробное описание создания в домашних условиях самодельного трансформатора

Широчайшая сфера применения

Элементарность сборки и высокая эффективность трансформаторов стала причиной их включения в состав:

• Блоков питания;
• Телевизоров;
• СВЧ-печей;
• Радиостанций;
• Сварочных аппаратов;
• Оборудования для связи;
• Всевозможной автоматики
• Контрольно-измерительной техники.

Классификация разновидностей

Все виды воздушных трансформаторов сводятся к двум группам:

• Импедансные, используемые для согласования значений падения напряжения у источника и потребителя нагрузки с целью обеспечения наиболее эффективной передачи энергии;
• Изолирующие, которые применяются по соображениям безопасности для изоляции части оборудования от источника энергии.

В воздушных трансформаторах все токи считаются возбуждающими. Они индуцируют вторичное напряжение, значение которого сравнимо с общей индуктивностью электрической системы. Поэтому материал основы сердечника отличается наивысшими показателями магнитной проницаемости. К таким материалам относят также стекло, фарфор, слюда, некоторые виды пластмассы.

Однако только электроизоляционный картон ГОСТ 2824-86 отличается благоприятным сочетанием показателей прочности (электрической и механической), плотности и стойкости к перепадам влажности окружающей среды.

Собственноручная сборка

Множество радиолюбителей и просто любознательных людей периодически спрашивают, как именно собрать тот или иной трансформатор собственными силами.

При всей простоте решения данной задачи необходимо все же иметь некоторые навыки работы с радиодеталями и понимать физические принципы действия этого устройства.

Естественно, что предварительно придется внимательно изучить всю технологию:

• Подготовки сердечника;
• Намотки катушек;
• Нанесения слоев изоляции.

Из какого материала сделать магнитопровод?

Если нужен маломощный преобразователь, подойдет стержневой или броневой магнитопровод. В первом варианте стержни расположены вертикально. Во втором случае стержни имеют прямоугольное сечение и расположены горизонтально. Эта конструкция сложнее, поэтому и встречается реже.

В повышающем часто устанавливаются Ш-образные ферритовые магнитопроводы, сложность в конструкции заключается в необходимости подбора точного размера стержня. Если для сборки используется запчасть с другой техники, толщина пакета пластин определяется на основании мощности. Пластинки вставляются в катушку и стягиваются гайками и шпильками.

Уточнение ряда технических параметров

Однако прежде, чем приступить к практической части, нужно будет дать четкие ответы на целый ряд вопросов.

1. Как именно должен будущий агрегат изменять ток: повышать его или же понижать?
2. Какое напряжение будет подаваться к первичной катушке и сниматься со вторичной?
3. Какова будет рабочая частота этого устройства?
4. Какой мощностью оно должно обладать после завершения сборки?

Изготовление адаптера

Довольно часто источник питания электроинструмента ломается. Можно приобрести новый аккумулятор, который стоит недешево. Сделанный на основе трансформатора адаптер в виде блока питания поможет сэкономить.

Необходимые компоненты

Для переделки электронного преобразователя в БП надо купить детали:

• Монтажная плата.
• Элемент для предохранения от перегрева NTC 4 Ом.
• Сопротивление 6,8 Ом, 5 Вт – 2шт.
• Сопротивление 500 Ом, 2 Вт.
• Емкость с параметрами 100 мкФ, 400 В.
• Емкость с параметрами 100 мкФ, 63В.
• Пленочный конденсатор 100 нФ.
• Выпрямительный прибор КД213Б – 4 шт.
• Металлическая пластина для охлаждения диодов.
• Тороидальный элемент из феррометалла.
• Медная проволока 1,2 мм².

Подготовив все необходимые компоненты можно приступать к переделке электронного трансформатора в БП.

Алгоритм действий

Необходимо последовательно выполнить следующие шаги:

• Выход выпрямителя шунтируйте емкостью 400 В, 100 мкФ. Для снижения тока зарядки емкости добавьте элемент для предохранения от перегрева NTC 4 Ом в разрыв цепи. Если этим пренебречь, при подсоединении к сети выпрямитель выйдет из строя.
• Замените вторичную обмотку согласующего трансформатора шунтом. Домотайте на силовой трансформатор 2 витка, на согласующий – 1. Для соединения витков впаяйте два параллельно соединенных сопротивления на 6,8 Ом.
• Накрутите на ферромагнитный стержень 24 витка медной проволоки, зафиксируйте его термоусадочной трубкой или скотчем. Получился дроссель.
• На монтажной пластине оставшиеся элементы соберите соответственно схеме, присоедините путем пайки сборку к соответствующим выводам трансформатора. Подберите корпус и зафиксируйте в нем конструкцию. Блок питания готов к эксплуатации.

После завершения процесса включите БП в сеть и протестируйте. Прибор должен выдавать 12 В.

Польза детализированного чертежа

После предоставления исчерпывающих ответов на перечисленные вопросы может быть составлена на бумаге или компьютере схема устройства трансформатора. Сделать это совсем не лишне даже при четком понимании всех параметров и особенностей радиодетали.

Нередко чертеж позволяет существенным образом уточнить

• Схему подключения и выведения наружу контактных проводов;
• Количество пластин в Ш-образном сердечнике;
• Способ компоновки первичной и вторичной катушек.

Вырезание

Вырезание происходит после нанесения на материал чертежа катушки. Делается это при помощи обычного строительного карандаша или даже маркера.

Инструменты, которые понадобятся для вырезания, различные в зависимости от толщины текстолита. Для листов до 1,5 миллиметров, чья резка проводится в холодном состоянии, используют гильотинные ножницы. А если листы толще, то используется циркулярная пила. Текстолит с толщиной от 3 миллиметра пилят при температуре от 80 градусов по Цельсию пилой.

Покупка компонентов и расходников

После полной подготовки принципиальной схемы можно начинать закупку нужных для сборки деталей и расходников.

Обычно необходимые материалы и принадлежности включая лакированную проволоку и клеммы нетрудно отыскать в первом попавшемся радиомагазине.

Для начала надо купить

• Изоленту или термостойкий скотч;
• Сердечник соответствующей проекту конфигурации;
• Изолированные провода.

Как изготовить и собрать воздушный трансформатор

Предварительно определяются с материалом сердечника. Используя электротехнический картон, необходимо, чтобы его рабочие характеристики соответствовали следующим нормам ГОСТ 2824-86:

В случае использования других материалов их физико-механические характеристики должны быть не ниже перечисленных выше.

Катушки изолированной медной проволоки наматываются на пластиковую трубку или полый тор. Для принятой конфигурации сердечника его момент сопротивления принимают наибольшим при заданном внешнем размере поперечного сечения: это обеспечивает обмотке необходимую механическую поддержку. Медная обмотка вокруг тора или цилиндра может, при необходимости, выноситься на разные точки, откуда и снимается вторичное напряжение.

Иногда, с целью поддержания в схеме настройки постоянного резонанса, к обмотке дополнительно подключается конденсатор. Магнитный поток протекает через воздух, окружающий обмотку, и воздух, имеющийся внутри полого сердечника.

Для правильного согласования значений падения напряжения поверх основной медной обмотки наматывается еще и защитная обмотка. Ее соединяют с антенными приемниками и должным образом заземляют.

Тороидальные сердечники имеют преимущество перед цилиндрическими, поскольку влияние блуждающей связи здесь минимально. Воздушные трансформаторы такого исполнения используются в особо высокочастотных приложениях.

Источник

Сборка намоточного станочка

При собственноручном изготовлении данного электротехнического устройства нужно будет осуществить намотку проволоки. Намотка трансформатора своими руками осуществляется на простейшем кустарно изготовленном станочном приспособлении. Сделать его можно за пару часов.

Сначала нужно взять дощечку размерами 10х40 см. К этому основанию следует присоединить шурупами пару брусков размерами 50х50 мм. Дистанция между ними должна составлять как минимум тридцать сантиметров.

Катушечные прутья и ручка

Далее сверлятся мииатюрные отверстия диаметром 8 мм. В них вставляются прутья, на которые будет нанизываться трансформаторная катушка.

• Остается нанести резьбу небольшого диаметра, закрутить шайбу и смонтировать ручку.
• Важно отметить, что габариты подобного станка могут быть какими угодно.
• Другими словами, его можно в полной мере приспособить для сердечника задуманного размера.
• Однако, если проект предусматривает использование кольцевого сердечника, то обматывать его придется исключительно вручную.

Какую мощь будет иметь?

Как только вы сможете ответить на каждый из перечисленных вопросов, приобретайте требуемые материалы. Необходимые материалы вы можете без сложностей купить в специализированных магазинах. Вам потребуются провода, изоляция ленточного типа высшего качества, сердечник.

Трансформатор собственноручно требует намотку. В этих целях следует создать станок, изготовление которого осуществляется из доски длиною сорок сантиметров и шириною десять сантиметров. На доску необходимо прикрепить несколько брусков, посредством шурупов.

Расстояние, имеющееся между брусками не должно быть менее чем тридцать сантиметров. Затем следует просверлить отверстия восемь миллиметров диаметром. В созданные отверстия нужно вставить специальные пруты для катушки аппарата.

С одной из сторон следует создать резьбу. Закрутив обустроенную шайбу, вы получите его ручку. Габариты станка для намотки можно выбрать на собственное усмотрение. Прежде всего, правильный выбор напрямую зависит от габарита сердечника. При кольцевидной его форме намотка создаётся вручную.

Согласно схеме трансформаторного устройства, аппарат может быть оснащён разнообразным числом витков. Требуемое их количество рассчитывается, ориентируясь на мощность. К примеру, при необходимости создания прибора до 220 вольт, мощность должна достигать не менее 150 ватт.

Форма магнитного провода должна быть о-образной. Можно обустроить его из бу телевизора. При этом сечение определяется посредством определённой формулы.

Влияние мощности на число витков

Изготовленный собственноручно трансформатор может быть оснащен каким угодно числом витков.

Инструкция как сделать трансформатор указывает на то, что нужное количество витков вычисляется исходя из мощности задуманного аппарата.

Разметка

Разметка — первый этап, который проводится при наличии материалов и инструментов. Важно тщательное исследование, позволяющее определить технические характеристики.

Допустимо делать ее вручную при помощи специальных таблиц (но обратите внимание, что в таком случае придется рассчитывать все самостоятельно, используя формулы).

Можно выбрать и разметку при помощи программ — есть в бесплатном доступе такие в интернет. Но в таком случае начинающий радиолюбитель не сможет понять алгоритм расчета и научиться выполнять рамку самостоятельно, без использования компьютеризированного оборудования.

Как сделать вручную

Проверка прочности и особенностей закрепления проводится опытным путем. Берется катушка, точней ее образец, который будет не жалко выкинуть, на него накладываются 10 витков, которые будут использоваться для основного трансформатора.

Выбирается стержень с диаметром в четыре раза большим для проводов с толщиной от 0,96 миллиметров, в пять раз больше, если берутся провода до 1,56 миллиметров и в шесть раз толще, если толщина провода превышает 2,44 миллиметра. Это необходимо обязательно учитывать, подобранные инструкции есть в специальной технической литературе.

Отдельно следует рассчитывать то, что кроме определенного изгиба, который непременно образуется на первых нескольких слоях сильней, а после начнет закругляться, есть и сильное натяжение, и растяжение. Во время разметки каркаса учитывают, что кратность увеличивается в несколько раз. Например, для провода, который имеет толщину 1 миллиметров, радиус закругления будет около 5 миллиметров. Радиусы для любых по диаметру проводов также размещается в соответствующих таблицах.

Выбор класса

Проведение разметки по образцам позволяет избежать появления неплотных и неровных поверхностей в обмотке. Тонкий гетинакс используется, если требуется увеличить жесткость каркаса. Например, если мощность устройства составляет до 10 Вт, то размеры деталей маленьких будут составлять 0,5, средних — 0,7 до 1,5, а больших — от 1. Мощность до 100 Вт подразумевает использование 0,7 — 1, 2,0 — 4, 1 — 2 миллиметровых деталей соответственно. Для приборов с мощностными показателями от 100 до 500 Вт берутся до 1 до 2 мм для класса а, от 3 до 6 для б, от 1,5 до 3 для класса в.

Для последнего типа, с наибольшими показателями мощности, целесообразно увеличить радиус закругления путем приближения к оптимальным показателям значения округления. Лучше брать специальные вкладыши из материала, который используется для витых магнитных проводов. Применяют их в том случае, если по толщине магнитопровод больше в два раза, чем рабочий стержень устройства.

Дополнительно устанавливают на детали большую часть выступающей части на 3 миллиметра. Это нужно для того, чтоб щеки каркаса крепились прочно у оборудования. Гильза по размеру делается чуть больше рабочего стержня на 0,5 мм, зазоры не должны превышать этого показателя. Обязательно учитывают, получается ли каркас с помощью аппаратного воздействия или же он поставляется в комплекте устройства.

Расчет при помощи программ

В интернете есть несколько десятков программ, при этом большинство из них в бесплатном доступе, которые проводят расчет трансформатора, его каркаса. В частности, популярностью пользуется программа CARCASS, от версии 1.0, 2.0 и далее. Она работает в онлайн-режиме, но при желании можно скачать файл и установить себе на компьютере. В программу вносятся данные о:

• типе сердечника;
• толщине материала и стяжке;
• размерах сердечника А, В, С, Н.

После ввода всей информации нажимается кнопка «Ввод» или «Расчет». Появится расчет и на черте катушки, который можно распечатать и нанести на имеющийся в наличии текстолит. Есть вариант, рассчитываемый на каркас с замком.

Вычислительное приложение для Андроида

Надежным подспорьем в уточнении ряда параметров станут математические выражения, которые можно отыскать в спецализированной литературе. Практически все эти формулы уже были включены в компьютерные программы, что позволяет в большинстве случаев предельно сократить расчетную часть.

Нужно лищь указать в интерфейсе программы некоторые данные о будущем приборе, и приложение к смартфону выдаст исчерпывающую таблицу с запрошенной информацией.

Электротехнические характеристики

Чтобы правильно изготовить модель самостоятельно, определяют ряд параметров:

• Мощность на выходе: Р2 = U2*I2, которую получают путем умножения выходных параметров. Если вторичных катушек несколько, они суммируются.
• КПД не превышает 80%, поэтому первичная: Р1 = Р2/0,8 = 1,25*Р2.
• Площадь центральной части рассчитывается на основании Р1. Для стального это значение составляет: S = Р1^0,5 – вычисляют корень из значения первичной мощности. Для жести, обожженной проволоки, кровельного железа S принимают в три раза больше: S = 3*Р1^0,5.
• Витки первой катушки: w1 = 50/S.
• Второй: w2 = w1*U2.

Значение w увеличивают на 5-10%, т.к. часть напряжения теряется из-за сопротивления.

Стадия производства каркаса

Каркасную часть изготавливают из картона. Тем, кто еще не имеет опыта такой сборки и потому не знает, как сделать каркас трансформатора своими руками, надо принять во внимание, что внутренняя его часть должна иметь большие габариты, нежели сердечник.

В случае применения кольцеобразного сердечника катушек будет две. При выборе Ш-образной конфигурации сердечника катушка будет только одна.

Обустройство катушечного корпуса

Корпус делают из качественной картонной бумаги. Внутренняя его сторона слега больше в сравнении со стержневой частью сердечника. При применении о-образного сердечника потребуется несколько катушек. При сердечнике ш-образном достаточно использовать всего одну катушку.

Применяя сердечник круглой формы, его следует обмотать, применяя изоляцию. Затем можно осуществлять проводную намотку. Как только вы завершите с обмоткой первичной, её следует закрыть несколькими изоляционными слоями. После этого нужно накрутить очередной слой. Концы имеющихся обмоток выводятся на наружную сторону.

При применении магнитного провода корпус трансформатора собирается пошагово:

• Осуществляется выкраивание определённого размера гильзы с требуемыми отворотами.
• Создаются картонные щёчки.
• Основная часть катушки сворачивается в специальную коробочку.
• На гильзы надеваются щёчки.

Намотка проволоки и нанесение изоляции

Если в качестве основы был выбран круглый сердечник, то его следует сначала обмотать изолентой. Далее можно будет начинать наматывать провод.

• По окончании нанесения первичной обмотки она накрывается плотной изоляцией.
• Следом придет время накрутки второго слоя.
• Концы обмоток выводятся наружу, и к ним припаиваются контакты для сопряжения с другим оборудованием.

Расчёт параметров изделия

Перед тем как намотать тороидальный трансформатор в домашних условиях понадобится рассчитать его значения. Для этого нужно знать исходные данные. К ним относят: величину напряжения на выходе, внешний и внутренний диаметр сердечника.

Мощность устройства определяется произведением площадей S и Sо, умноженных на коэффициент: P=1,9* S * Sок.

Площадь поперечного сечения рассчитывается по формуле: S=h*(D-d)/2, где:

• S- площадь сечения;
• h- высота конструкции;
• D- наружный диаметр;
• d — внутренний диаметр.

Для вычисления площади окна используется формула: Sок=3,14*d2/4.

Количество витков во вторичной обмотке равно произведению W2=U2*50/Sок.

Далее остаётся рассчитать количество витков в первичке. Для этого используется выражение: W1=(Uвх*W2)/Uвых, где Uвх — напряжение на входе, а Uвых — напряжение на выходе устройства.

Такую методику расчёта можно применить почти для любого вида тороидального трансформатора. Но для расчёта некоторых изделий существует своя методика.

Сварочное устройство

Такой тип трансформатора характеризуется большой силой тока на выходе. В качестве вводных параметров используется максимальная сила тока и напряжение. Например, для устройства с величиной сварочного тока 200 ампер и напряжением 50 вольт расчёт происходит следующим образом:

1. Рассчитывается мощность трансформатора: Р = 200 А * 50 В = 1000 Вт.

2. Вычисляется сечение окна: Sок = π * d2/ 4 = 3,14 * 144 / 4 (см2) ≈ 113 см².

3. Площадь поперечного сечения: Sс=h * Н = 2 см * 30 см = 60 см².

4. Мощность сердечника: Рс = 2,76 * 113 * 60 (Вт) ≈ 18712,8 Вт.

5. Количество витков первичной обмотки: W1 = 40 * 220 / 60 = 147 витков.

6. Количество витков для вторичной обмотки: W2 = 42 * 60 / 60 = 42 витка.

7. Площадь провода вторички находится исходя из наибольшего рабочего тока: Sпр = 200 А /(8 А/мм2) ≈ 25 мм².

8. Вычисляется площадь провода первички: S1 = 43 А /(8 А/мм2) ≈ 5,4 мм².

Такой вариант расчёта применим не только для сварочников, но и с успехом может быть использован для других типов. Как видно, никаких трудностей при расчёте возникнуть не должно.

Токовый трансформаторный прибор

Трансформатор тока своими руками сделать несложно, но перед его изготовлением понадобится выполнить расчёт. Такой расчёт отличаетчя от общепринятого в связи с конструктивными особенностями изделия. Начинается он с необходимой величины тока вторички (единица измерения ампер): Iам = Iпер / Iвт, где:

• Iпер — величина тока первичной обмотки, умноженная на число витков в ней;

• Iвт — количество витков во вторичной обмотке.

Для того чтобы разобраться, как правильно выполнить расчёт, проще рассмотреть практический пример самодельного токового устройства. Пусть на выходе токового устройства необходимо получить 4 вольта, а ток ограничить уровнем 5 ампер.

Поэтапно методика вычисления выглядит так:

1. Берётся ферритовое кольцо, для примера 20×12х6 из 2000hМ.
2. Мотается 100 витков провода. Эти витки составляют вторичную обмотку, так как первичная — это просто один виток проволоки, пропущенный через феррит.
3. Значение тока во вторичке будет равно: I/Kтр = 5 / 100 = 0,05 A. где Ктр — коэффициент трансформации трансформатора (отношение количества первичной обмотки к вторичной).
4. Величина нагрузочного шунта рассчитывается согласно закону Ома: R = U/I. Получается R= 4/0,05 = 80 Ом.

Таким образом можно выполнить расчёт для любых требуемых параметров. Независимо от формы тока на входе, на выходе токового устройства напряжение всегда двухполярное. В качестве шунта вторичной обмотки используется именно сопротивление, а не диод. Если есть необходимость в диоде, то вначале подключается резистор, а затем диод или диодный мост. Во втором случае сопротивление включается в диагональ моста.

Обмотки для повышения напряжения

Катушка надевается на брусок из дерева. В нем уже должно иметься отверстие для намоточного прутка. Дальнейшая последовательность действий такова.

1. На катушку наматывается пара слоев лакоткани.
2. Кончик проволоки фиксируется на щечке, после чего начинается вращение ручки.
3. Укладку витков надо отслеживать и при необходимости их уплотнять.
4. По окончании первичной обмотки проволока перекусывается и фиксируется на щечке.
5. Рабочие выводы обмоток обматываются изолентой или обтягиваются термоусаживаемой трубкой.

Конструкция

Первый двухполярный трансформатор был изготовлен еще Фарадеем, и согласно данным, это было именно тороидальное устройство. Тороидальный автотрансформатор (марка Штиль, ТМ2, ТТС4)– это прибор, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в другое. Они используется в различных линейных установках. Этот электромагнитный прибор может быть однофазным и трехфазным. Конструктивно состоит из:

Фото – принцип работы трансформатора

Устройство этого типа используется в различных аудио- и видеоустановках, стабилизаторах, системах освещения. Главным отличием этой конструкции от других устройств является количество обмоток и форма сердечника. Физиками считается, что кольцевая форма – это идеальное исполнения якоря. В таком случае, намотка тороидального преобразователя выполняется равномерно, как и распределение тепла. Благодаря такому расположению катушек, преобразователь быстро охлаждается и даже при интенсивной работе не нуждается в использовании кулеров.

Фото – готовый ТПН25

Видео: назначение тороидальных трансформаторов

Первое включение и диагностика

Вполне вероятно, что при первом запуске нового аппарата он начнет издавать характерный звон. Это значит, что необходимо лучше зафиксировать все крепежные элементы.

Далее осуществляется новое тестирование трансформатора. Он включается в сеть, после чего производится замер напряжения на вторичной обмотке. Если оно соответствует проектному, пусть и с небольшими отклонениями, то новый аппарат можно использовать по назначению.

Желательно после запуска оставить его под напряжением на два-три часа. При этом надо проследить, не будет ли он чрезмерно нагреваться.

Сверхпроводящий трансформатор почти своими руками

В недалёком 2016 году на одного молодого, но очень впечатлительного четверокурсника факультета энергетики оказала влияние статья, в которой автор весьма популярно показал что такое в день сегодняшний высокотемпературные сверхпроводники (далее ВТСП). Ослеплённый желанием оживить в своей душе довольно однообразную и предельно консервативную электроэнергетику, пробираясь сквозь пелену противоречий и острую нехватку финансов, молодой бакалавр вместе со своими коллегами всё же построил трансформатор с обмотками из высокотемпературного сверхпроводника.
Приятного чтения!Зачем делать трансформаторы сверхпроводящими?
Нынешние продукты трансформаторостроения воистину достигли в некотором смысле идеала. Крупные силовые трансформаторы, те самые, которые стоят в кирпичных или железных трансформаторных подстанциях (ТП-ушках) у вас во дворе, а также более крупные представители имеют КПД порядка 99%. Огромное количество нормативных документов регулирует работу, диагностику, способ установки и создания таких трансформаторов, а на конференциях и выставках появляются всё новые и новые представители с инновационной гайкой в остове магнитопровода или революционным маслом с пониженной концентрацией растворённых в нём газов.
Типичный представитель силовых трансформаторов
И, казалось бы, куда нам невеждам лезть в эту отполированную до мелочей область инженерной мысли. Неужели лишние полпроцента КПД, которые могут дать сверхпроводящие обмотки трансформатора, стоят затрат и организации специального криогенного хозяйства, переобучения инженеров и переоборудования производства? Зачем изобретать велосипед? Первичный анализ показывает, что незачем. Однако позвольте мне привести один аргумент, который и стал причиной по которой впоследствии и стала возможна эта статья: «Что если велосипед будет противоаварийный?».

Преимущества трансформатора с ВТСП обмотками перед обычным:

— Практически полное отсутствие потерь энергии в обмотках (провода ведь сверхпроводящие, они не греются); — Взрыво- и пожаробезопасность (жидкий азот, в отличие от трансформаторного масла, не выделяет взрывоопасных газов); — Меньшая масса и габариты (плотность тока в сверхпроводящем проводе может в 10 раз превышать аналогичную в медном, при равном напряжении); — Возможность ограничивать токи короткого замыкания

.

Несмотря на сильную составляющую первых трёх преимуществ, все они блекнут перед гнётом огромной цены, которую приходится платить за сверхпроводимость. Поэтому, боюсь коммерческий успех ВТСП трансформаторов может состояться, разве что в особо требовательных видах военной и космической техники или на особых по уровню пожаробезопасности объектах. Однако четвёртое свойство может резко изменить картину и лично мне уже оно одно кажется достаточным, чтобы не только обратить внимание на ВТСП парадигму, но и провести какие-нибудь исследования. Собственно что и сделали многие мои коллеги по всему миру, взять хотя бы работы [1-3]. В чём же тут фокус?

О физике токоограничения

В настоящий момент, говоря о ВТСП проводах в контексте электроэнергетики, мы почти всегда говорим о композитных ВТСП лентах на основе керамических соединений. Как видно из изображения ниже, сверхпроводник (слой YBCO) нанесённый на металлическую подложку, покрывается со всех сторон некоторым защитным слоем. Этим защитным слоем могут выступать некоторые металлы и их сплавы, например медь. Естественно эти материалы не обладают сверхпроводящими свойствами при температуре жидкого азота, а значит в случае, если сверхпроводимость по каким-то причинам у YBCO-керамики пропадает, то весь ток распараллеливается между этими слоями, сообразно их резистивному сопротивлению.

Всякий ток пропорционален напряжению, приложенному к данному сопротивлению, а значит, если вдруг откуда ни возьмись в цепи появилось сопротивление там где его раньше не было (сверхпроводимость разрушилась), то ток (при неизменном напряжении) уменьшится. Притом степень этого уменьшения зависит от сопротивления материалов окружающих, ВТСП-слой. Но как разрушить сверхпроводимость? Есть на самом деле 2 фундаментальных способа: поднять температуру свыше критической, при которой сверхпроводимость не может существовать или подействовать на ВТСП магнитным полем выше критического. Притом, если по сверхпроводнику протекает ток, то он также создаёт магнитное поле, которое старается проникнуть в этот сверхпроводник, и если ток создаёт слишком большое поле, то сверхпроводимость начинает
постепенно
разрушаться. Ток, при котором сверхпроводимость начала разрушаться, принято называть
критическим
.

Строим трансформатор!

Ну всё! Теперь, уверен, вы понимаете достаточно для того чтобы приступить к постройке трансформатора, и, поверьте, для меня это было действительно увлекательным путешествием, поскольку если намотка провода для обычного трансформатора (привет тем, кто мотал) представляет собой весьма скрупулёзное и довольно нудное дело, то у ВТСП трансформатора сложность вырастает в разы. Особенно, когда подобное устройство собирается из подручных материалов. Разбираемся почему!

Каркасы обмоток

Одним из серьёзных недостатков ВТСП трансформатора есть то, что сердечник не является и не может являться сверхпроводящим. Поэтому у нас есть два варианта как поступить, тепло- и гидроизолировать сердечник от обмоток, увеличивая расстояние между им и обмотками и уменьшая КПД, или засунуть сердечник в азот вместе с обмотками, создавая большой кипятильник для азота, поскольку потери на холостой ход трансформатора никуда не деть. Мы решили пойти по первому пути, сделав криостат в виде полого цилиндра. Для чего в качестве каркаса для вторичной обмотки (которая ближе к сердечнику) выбрали это:

Труба из полипропилена и бумага обёрточная подле неё

Труба внутренним диаметром 100 мм. из полипропилена является идеальным гидроизолятором, но не очень хорошим теплоизолятором. Более того некоторые виды пластика имеют свойство усаживаться при низких температурах, из-за чего обмотка намотанная непосредственно на такую трубу может быть деформированна вместе с трубой. Поэтому было принято решение дополнительно армировать данную трубу обмотав её поверх бумагой, пропитанной эпоксидной смолой. С бумагой проблем не возникло, такую в достатке можно раздобыть у выхода из различных (крупных) строительных магазинов (аля Леруа), там она бесплатная. С компаундом потяжелее. У нас не было опыта работы с самодельными текстолитами на основе бумаги, и мы не знали, как поведёт себя бумажно-пропитанный каркас при -196 градусов Цельсия. Посоветовались и решили взять первую попавшуюся эпоксидную смолу марки ЭД-20. При покупке смолы нас предупредили, что отвердитель (второй компонент, с которым смешивается смола, после чего затвердевает в ходе хим. реакции) срабатывает за 20 минут. Отчего сразу стало понятно, что медлить будет нельзя и пропитывать бумагу нужно будет быстро. Для этого верные соратники предстали в образе человеческого конвейера.

Импровизированный конвейер по пропитке бумаги эпоксидной смолой

Запах был, прямо скажем, не очень. А ещё берегите руки при работе с компаундами!

Процесс пропитки бумаги

Второй каркас (для наружной обмотки) делался уже по образу и подобию первого и прямо поверх него. Чтобы каркасы не слиплись, подложили немного случайного материала, который впоследствии можно было бы отодрать. В итоге получилось:

Готовые каркасы для обмоток

Резюмируя эту часть скажу, что более дешёвого способа сотворить два немагнитных, неметаллических, криостойких и достаточно прочных каркаса, наверное просто нету. Самый дорогой элемент в создании каркаса оказался конечно же компаунд ~500 р./кг., за ней следует ПП труба, ну а далее кисточки, перчатки — это опционально.

Обмотки

Пожалуй, центральным и самым дорогим элементом этой истории являются сами ВТСП обмотки. Причина, по которой в заголовке статьи присутствует слово «почти», это цена. 40 метров ВТСП ленты шириной 4 мм и толщиной 0,1 мм, с критическим током 80 А. было приобретено нами по цене 2500 р./метр. Понятно физ. лицо едва ли станет платить за подобное. Посмотрим же на их ослепительно дорогое величие.

Ослепительно дорогая часть описываемого проекта

Помимо дороговизны ВТСП лента ещё и очень прихотливый материал. Она не любит сильных перегревов (свыше 500 градусов), у неё большой предельный радиус изгиба (около 20 мм, при превышении начнётся деформация сверхпроводника), её также нельзя скручивать, мять, бить. Всё это превращает работу с ВТСП проводами в подобие ювелирного искусства. Как будем наматывать?

Честно говоря, способ намотки ленты на каркас выбран наверное самый примитивный. Лента покрывается повдоль с одной стороны каптоновым скотчем

, а выступающие за пределы ленты края скотча приклеиваются вместе с лентой к каркасу. В результате в процессе намотки мы получаем два фактора, удерживающие обмотку на каркасе: адгезия скотча и поверхности текстолита и сила трения ленты о ту же поверхность. В итоге, на удивление, получилось довольно надёжно.

Каптоновый скотч выделен не случайно. Дело в том, что не каждый материал может быть надёжной изоляцией при низких температурах. Например, обычный скотч становится едва не стеклянным и усаживается. Изолента тоже усаживается. Электроизоляционные лаки трескаются (правда не все), ПВХ изоляция также усаживается. Каптоновый (или полиимидный) скотч ведёт себя крайне спокойно при низких температурах (равно как и при высоких), его традиционно и выбирают для ВТСП проводов, когда нужно сделать что-то «по-быстрому», хотя надо сказать он недешёвый по сравнению с обычным скотчем. Когда же нужно сделать что-то основательное, используют покрытие всё также на основе полиимида.

Процесс намотки наружной (первичной) обмотки

Мотали, собственно, трансформатор с числом витков 50:25, на практике получилось немного меньше, но не суть. Первичная обмотка (наружная) была однозаходная (одна спиралька по всей высоте), вторичная обмотка (внутренняя) была двухзаходная (две спиральки идут, чередуясь). Что собственно даёт критический ток первичной = 80 А и для вторичной 160А. Если учесть что сетевое напряжение (под которое делался трансформатор) = 220 В. То получается около 10 кВт передаваемой мощности практически без потерь, в довольно небольшом объёме. Итоги намотки:

Первичная (слева) и вторичная (справа) обмотки ВТСП трансформатора

Пайка

Мы добрались до самого нервного процесса в изготовлении трансформатора. Как было сказано выше, сверхпроводник не любитель высоких температур. Когда мы говорим о медном проводе, способном длительно нести 60-80 Ампер не особо перегреваясь, то мы имеем ввиду сечения 16 или 25 мм^2. Это довольно массивные и непослушные провода, которым тяжело придать нужную изящную форму для удобного спаивания с 4 миллиметровой ВТСП лентой. Если брать достаточно мощный паяльник и незатейливый припой, то можно перегреть ленту. Поэтому лучше взять Индий-Оловянный припой с температурой плавления ~103 град. С. А ещё лучше растопить его в паяльной ванне, покрыть ленту и провод паяльной кислотой и получить сказочный отблеск самообожания от хорошо проделанной работы в отражении горячего металла.

Нюанс. Токовые контакты лучше припаивать, не жалея площади ленты, для лучшего токоввода. Мы брали 3 см. ленты по поверхность касания с токовым контактом, но можно и больше. Контакты напряжения мы удалили от токовых на несколько сантиметров, чтобы не мерить падение напряжения на точке контакта, а непосредственно на обмотке. К сожалению, сохранилось только фото финала этого действа.

Обмотки с контактами

Криостат

Финальная и самая кустарная часть нашего производства. Криостат выполнялся из пенопласта и акрилового герметика. И всё. К сожалению, не каждая марка пенопласта подойдёт. Пенопласт с крупными гранулами при попадании на него азота немедленно самоуничтожится с треском и грохотом.

Неправильный пенопласт (слева) и правильный пенопласт (справа)

Что же до герметика, то, кроме шуток, взяли самый дешёвый из тех, что был. Не знаю, в чём тут фокус. Главное, чтобы герметик был именно акрилловый, а не силиконовый, ибо последний (как нас заверили в магазине) может разъесть пенопласт.

Криостат был сборным, вырезались квадраты с круглыми отверстиями, такими, чтобы вся конструкция в итоге уместилась внутри, при этом снаружи криостата торчала труба, в которую в будущем предполагается поместить магнитопровод. Иначе говоря:

Сборный криостат

Как видно на фото, стыки всей этой конструкции жирно промазывались и пропитывались герметиком. На руку нам то, что герметик застывая при азоте, на ощупь напоминает сильно густой сыр, и выполняет свои функции крайне здорово. На последнем этапе, под трубу-каркас вырезается специальное дно, на которое он устанавливается и, наконец, вся эта конструкция собирается в единый ВТСП трансформатор.

ВТСП трансформатор

В итоге мы получили:

ВТСПТ-10000, 220/110 В, 50/100 А, ОХЛ

Пояснение

ВТСП Т — последняя буква означает трансформатор 10000 — мощность в ВА 220/100 — номинальные напряжения первичной/вторичной обмоток 50/100 — номинальные токи первичной/вторичной обмоток ОХЛ — работа при очень холодных условиях
Эксперименты
Думаю, каждый экспериментатор хотя бы раз испытывал эту смесь трепета и безжалостности с которой он подвергал мучениям своего «новоиспеченного зверя». Конечно ВТСП трансформатор был создан для того, чтобы быть испепелённым. Однако испепелять мы его будем осторожно — по научному.

Здесь же я покажу главный опыт, ради которого и делался трансформатор. Замкнём накоротко вторичную обмотку и с помощью выключателя подадим на первичную обмотку напряжение от сети (220 В). Поскольку сопротивления первичной обмотки и магнитно связанной с ней (через воздух) вторичной обмотки малы, то в цепях будут протекать достаточно большие токи. Эти токи будут превышать критический уровень в 80 А и, следовательно, разрушать сверхпроводимость, из-за чего ВТСП обмотка начнёт постепенно обретать конечное электрическое сопротивление, что в свою очередь вызовет ограничение тока. Что мы зафиксируем в виде искажённой синусоиды тока. И появления на осциллограмме напряжения некоторых конечных значений (вместо нулевых в нормальном режиме). Измерения будут проходить с помощью неожиданного для данного опыта устройства: анализатора качества электроэнергии. Неожиданный он потому, что частота дискретизации данного устройства в режиме осциллографа оставляет желать лучшего. Но что поделать. Тем не менее давайте взглянем на качественную картину происходящего.

Осциллограммы токов (точки на графиках соответствуют реальным снятым данным)

На осциллограммах слева (для сравнения) приведён режим короткого замыкания в случае, если не заливать трансформатор жидким азотом: мы видим слегка искажённую, но спокойную синусоиду тока короткого замыкания, который спустя период (на рисунке приведено полпериода) отключается автоматическим выключателем. Справа приведён режим короткого замыкания если криостат предварительно заполнен жидким азотом: мы видим сильный начальный рост тока, который постепенно (уже начиная со 150 А) загибается под действием прирастающего сопротивления. Однако из-за большего значения тока короткого замыкания автоматический выключатель срабатывает уже на первом полупериоде.

Увы пока довольствуемся лишь этими качественными результатами, но в скором времени обязательно сделаем много других.

Заключение

Конечно, ВТСП трансформатор оставляет после себя уйму противоречий. Эти противоречия проявляются даже в кустарном способе изготовления такого непростого устройства. Чего говорить о реальных действующих образцах, с которыми вы можете ознакомиться по [1,3]. Реальная ВТСП электроэнергетика далеко ускакала вперёд с разработками кабелей и токоограничителей, претерпевая трудности даже в этих более развитых её подразделениях. С ними довольно популярно можно ознакомиться не покидая этот сайт, например здесь.

Тем не менее, сколь противоречива бы ни была эта область инженерного знания, прав в конечном итоге останется тот, кто свою правоту сможет обосновать, так что будем стараться.

И в любом случае, это жутко интересно!

Благодарю за внимание! Искренне Ваш DOK.

Также выражаю благодарности:

Высоцкому Виталию Сергеевичу и команде ВНИИКП за помощь и консультирование в этом нелёгком пути. Павлюченко Дмитрию Анатольевичу за гигантскую поддержку и желание развивать это направление с нуля!

Литература

1. Dai S. et al. Development of a 1250-kVA superconducting transformer and its demonstration at the superconducting substation //IEEE Transactions on Applied Superconductivity. – 2016. – Т. 26. – №. 1. – С. 1-7. 2. Манусов В. З., Александров Н. В. Ограничение токов короткого замыкания с помощью трансформаторов с высокотемпературными сверхпроводящими обмотками //Известия Томского политехнического университета. – 2013. – Т. 323. – №. 4. 3. Lapthorn A. C. et al. HTS transformer: Construction details, test results, and noted failure mechanisms //IEEE Transactions on Power Delivery. – 2011. – Т. 26. – №. 1. – С. 394-399.

Залог долговечности и безотказности

В общем и целом процесс намотки и сборки больших затруднений не вызывает. Этим методом можно изготовить устройства для целого ряда применений, в том числе для галогенных ламп.

Чтобы итогом всех предпринятых усилий был реально пригодный для эксплуатации агрегат, надо тщательно соблюдать описанную выше методику намотки. Это станет гарантом не только исправности трансформатора, но и его бесперебойной работы на протяжении очень долгого времени.

Диаметр провода

Параметр определяется силой и плотностью тока, в среднем 2 А/мм2.

• На 1-й намотке: I = P1 / U1.
• Без изоляционного материала: d = 0,8*I^0,5 – из показателя тока вычисляется корень.
• Поперечное сечение: s = 0,8*d^2 – возводится в квадрат.

Если изделия с полученным диаметром нет, можно взять несколько более тонких, соединить их параллельно, чтобы суммарное сечение было больше расчетного.

Для толстого провода в последней формуле коэффициент может составлять 0,65-0,7. Чтобы не рассчитывать ее, можно воспользоваться таблицей:

Далее определяется площадь с изоляционным материалом: s’ = 0,8d^2 – но здесь берется характеристика из таблицы, с изоляцией.

Чтобы получить площадь окна сердечника, суммируют все полученные показания площадей, и умножить показатель на 2 или 3.

Фото самодельного трансформатора

Поделитесь с друзьями