Пренавиване на трансформатор (разширена 4)

Здравейте, основният проблем при пренавиване трансформатор е изчисляването на диаметъра на жицата, като някъде дават плътността на тока 2A кв.мм., другаде 3A, а така непълно се използва мощността на магнитопровода и част от макарата да остане празна или пък намотките да не се поберат. Тъй като не можем просто да предполагаме каква плътност на тока е избрал производителя, за колко напрежения, съответно намотки е проектиран трансформатора и колко място ще е нужно за тях, затова диаметъра на жицата може да се изчисли по размерите на прозореца на макарата. Броят на навивките за 1V ги изчисляваме по опростената формула 45:Sя=навивки/1V, където Sя е сечението на ядрото в кв.см. После определяме височината на намотката до средата на прозореца и я делим на приблизителния диаметър на жицата и намираме броя на слоевете, после делим дължината на диаметъра и намираме навивките на 1 слой и ги умножаваме по броя на слоевете и получаваме общия брой навивки. Ако навивките са повече от изчислените, избираме по-дебела жица и повтаряме изчислението, докато се съберат. Това е диаметъра с изолацията, а при новите стандарти тя е двойна. За да измерим реалния диаметър, оголваме жицата с ножче и навиваме плътно 10 навивки върху молив. С линийка измерваме дължината на слоя и делим на навивките. Измерването е по-точно с повече навивки. Забележка: Не оголвайте проводника с изгаряне, тъй като изтънява и измерването ще е грешно, дори се засича с обикновен шублер. Вторичната намотка изчисляваме по същия начин, до запълване на другата половина от прозореца. Грубо диаметъра с изолацията е с около 0,05мм. по-голям, но е добре да оставим резерв, поради издуването на намотките и хартиените изолации. При изчисляване на дебелината на слоевете трябва да се вземе под внимание че реалната дебелина на всеки слой ще излезе с 1,06 пъти по-малка, тъй като навивките от горният слой попадат в каналите образувани от навивките в долният слой. Затова хартията между слоевете трябва да е тънка и еластична, например силиконизирана хартия за печене на храни или от рекламни брошури, а широчината на лентата, трябва да се остави с около 2 до 5мм. по-голяма от тази на макарата, заради извиването на хартията в каналите, а останалата част извън широчината от двете й страни се прегъне и се нареже напречно на тънки лентички за да не се скъса при обвиванетой върху намотката.Винаги изолациите трябва да се застъпват от страната на изводните краища на намотката или на срещуположната, но не и от страната на магнитопровода, тъй като намотката там доста ще се издуе. Преди да навием всеки следващ слой трябва да сплескаме с помощта на дървено трупче, твърда гума или гумен чук.

Забележка: Важно е да се знае, че не е правилно да се извеждат допълнителни напрежения от намотките, тъй като при по-ниско напрежение токът се увеличава, следователно трябва и по-дебела жица. Ако ни трябва 110V, се навиват 2 намотки по 110V с диаметър изчислен за 220V и се свързват паралелно за 110V или последователно за 220V. Ако ни трябва 127V навиваме една намотка с дебела жица за ток изчислен при 127V, но сметнат с 30% по-малко от мощността и една намотка на 93V за ток, изчислен при 220V, отново за 30% от мощността и свързваме двете намотки последователно, но не бива да консумираме от малката намотка, тъй като ще прегрее. Вторият вариант с различните напрежения не е удачен, тъй като трансформатора ще работи със 70% от капацитетът си. Така се правят фабричните комбинирани трансформатори за различните мрежови стандарти 120-220-240V в усилвателите и др., поради което размерът им е по-голям. Затова за максимално КПД на трансформатора е добре да преместим превключвателя на стандарт 240V, а не на 220V. Така изходната мощност леко ще се понижи, но за сметка на това ще се използват всички намотки на трансформатора. Това е така, защото при захранване на намотката за ниско напрежение, другата част от първичната остава неизползваема и обратно - за високото напрежение, захранваме и двете части, но едната е с излишно неизползваемо сечение, което от друга страна ще намали активното съпротивление на цялата намотка и донякъде ще компенсира загубите. От тук следва че загубата на мощност при комбинираните трансформатори е огромна и размерите им трябва да се увеличат, а от там и излишен разход на материал. Лошо КПД имат и трансформаторите с две секции на макарата (ферорезонансен), едно че преградата между секциите заема място, второ че първичната става по-дебела и се увеличава разсейването, дължината на жицата, а от там и активното съпротивление. Също така дебелата жица на вторичната намотка, ако трансформатора е понижаващ, по-трудно се навива и пречупва в дъното на макарата, поради което изолацията по чупките може да се обели в процеса на стареене и от прегряване.

Вторичната намотка се навива до запълване на останалата половина от макарата, т.е. първичната и вторичната намотка да са с еднаква площ. Ако напрежението на вторичната излезе по-високо е добре, но ако е прекалено високо не трябва да развиваме от намотката тъй като ще се намали мощността, затова е правилно да се пренавие наново с по-дебел проводник, ако има достатъчно място. Тъй че 3 пъти ще мерим, един път ще навием. Доста често, когато се изискват точни напрежени, съответно и точен брой навивки, за намотката не може да се отдели необходимото място и тя да завърши с недокрай навит слой или пък навивките да не се съберат. В такъв случай намотката трябва да се навие от проводник с правоъгълно сечение, но понеже не се произвеждат правоъгълни проводници с малко сечение, можем да навием две намотки с кръгъл проводник, с половин сечение всяка и ги свържем паралелно или пък двете намотки ги навием заедно като една цяла намотка на два ката. Може също по-голямата част от намотката да навием с кръгъл проводник, а последният й слой го навием с правоъгълен или с два и повече ката тънки кръгли проводници.
Този метод максимално ще оползотвори свободното място и ще запълни цялата широчина на слоя и височината на намотката ще стане по-малка. Това се налага предимно при по-издължените макари на П-образните магнитопроводи, но и макарата с преграда в средата също е добро решение да избегнем правоъгълният проводник.
По-дебел проводник в първичната намотка позволява навивките да се съкратят с 5-10%, но не повече, защото ще превишим магнитната индукция от 1,1T и намотката ще започне да загрява дори и на празен ход, а също така ще нарастнат и вихровите токове, които ще прегреят магнитопровода, който ще нагрее и макарата с намотките и при нормално натоварване трансформатора да изгори. Затова при стари, ръждясали ламели с нарушена изолация е добре навивките да се увеличат с 5-10%, но по-добре да ги сменим с нови, а цената е 4,3лв./кг., Но практиката показва, че новата стомана с нищо не отстъпва пред нашенската стара и крива заводска ламарина, освен че е равна и по-плътно се нареждат ламелите, но и те доста загряват при по-мощните трансформатори. Притягащите шпилки при трансформатори над 100VA трябва да се изолират от магнитопровода, с обвиване на хартиено тиксо и с гетинаксови или картонени шайби.

Ако използваме употребявана жица, трябва да я изгладим чрез неколкократно стегнато и плътно навиване на голяма макара, но в никакъв случай чрез триене в коляното или с дървено трупче, понеже независимо колко дебел е проводника и колко силно го опъваме, той се източва и променя сечението си и дължината. Затова не трябва да се изглажда напълно и ако видим, че е станал по-дълъг и навивките са се увеличили, трябва да го сменим. Но независимо как изправяме проводника, той винаги се източва при изправянето на чупките и при последващите нови такива, затова не трябва да се използва развиван проводник или ако е възможно чупките да се напаснат при повторното му навиване.

Ето една таблица, в която диаметъра е изчислен при 1,5A кв.мм., което е твърде малко и проводник с диаметър 0,09мм. и 4620 навивки практически не се събира в макарата (ред 1). Има и по-точна формула U:(BS.50.4,44), където B=1,1, S е сечението на ядрото в кв.см., делено на 10000. Според тази формула навивките са 4290 и диаметър 0,07 при 2,5A кв.мм. Трансформатор от ред 16 е изчислен при плътност на тока 2,5A/mm2 за мощност 250VA, а това сечение на ядрото реално отговаря на 400VA. Но за това сечение програмата "Trafo" изчислява диаметъра на жицата при плътност на тока 2A/mm2, което е твърде малко и проводник с диаметър 0,94mm не се събира в макарата. Не е дадено за какъв набор и размер на ламелите е това сечение, но обикновено се гледа отношението да е близко до квадрат.

При понижаващи трансформатори вторичната намотка заема по-малка площ от първичната поради по-малката общо заемана площ от изолацията на проводника, тъй като навивките са по-малко, а дебелината на емайла е горе-долу еднаква и при тънките и дебелите проводници. При повишаващи трансформатори се отделя повече място за вторичната намотка и при макарите с отделни секции за намотките, преградата обикновено не е разположена в средата на макарата.

Независимо какъв трансформатор ще навием, дали понижаващ или повишаващ, правилно е първо да навием намотката за високо напрежение, а върху нея навием за ниското напрежение. Причината е от чисто практически и технически съображения, понеже по-тънката жица по-плътно приляга по дъното на макарата и активното й съпротивление е по-малко, отколкото ако я навием най-отгоре. Обратно е за външната намотка, тъй като жицата е по-дебела, тя не се пречупва и по-плътно се навива върху първичната, а съпротивлението й се увеличава, което пък ще се компенсира от по-голямото сечение на жицата. Иначе в обратния вариант, съпротивленията им ще нарастват неравномерно, като долната намотка ще има много малко съпротивление, а горната много голямо и КПД на трансформатора ще стане много ниско. Ето защо на повишаващите трансформатори намотките най-често се навиват на отделни макари (ферорезонансен трансформатор) за да нарастват съпротивленията им равномерно.
Освен това ако навием намотката с тънката жица върху тази с дебелата, то навивките й ще потънат в каналите на долната намотка и ще останат много празни редове и навивките ще се преплитат. При трансформатор с една макара много рядко като първична се навива намотката за ниско напрежение, това се прави предимно при тороидалните трансформатори, където дължината на намотките е по-голяма и дебелината им не се променя значително, но въпреки това не е правилно. Освен това ако изгори само намотката за ниско напрежение, трябва да се развие и високоволтовата намотка, което е много трудоемко. При аудиотрансформаторите намотките се секционират на няколко пласта, между които е първичната или вторична намотка. Но понякога има нужда и от допълнителни вторични намотки, които да отдават много малък ток, например за захранване на предусилвателните стъпала в усилвателите, за управлението и др. и ще бъде безумие ако навием първо тях, те трябва да бъдат последни, навити най-отгоре, а пред вид че няма да запълнят целия слой, което е добре да остане голяма междина между външните слоеве и магнитопровода.

При трансформатор с равно преводно отношение, но с изведен извод от намотките, също можем да го използваме като повишаващ или понижаващ. За целта за ниско напреженовата намотка трябва да свържем само едната част от нея, но така ще има голяма загуба на мощност, понеже намотките са с еднакво сечение на жицата, а токовете са различни. Но тази загуба частично може да се компенсира като за ниско напреженовата намотка използваме частта от първичната намотка на трансформатора, която е по-близко до дъното на макарата и е с по-малко активно съпротивление от външната вторична намотка.
Трябва да се вземе под внимание ако това е аудио трансформатор, то разсейването се отразява най-много за високите честоти, като за нисконапреженовата намотка трябва да свържем горната половина от първичната намотка, която е непосредствено под вторичата. Така съпротивлението й ще е по-високо от това на най-долната част в дъното на макарата, но за сметка на това разсейването ще бъде по-малко, защото при аудиотранстформаторите голяма част от енергията се предава чрез взаимната индукция между намотките, не толкова през магнитопровода, както е при мрежовите трансформатори.

При квадратните макари издуването на намотката е най-голямо и трудно се подава на сплескване, затова изборът на сечение на проводника трябва много точно да се изчисли. При по-издължените макари намотката може лесно да се сплеска, като за целта е добре да се използва мек предмет като дървено трупче, картон, твърда гума и др.
Изчисленията се отнасят единствено за стандартни Ш-образни магнитопроводи. За да изчислим броя на навивките за П-образни и други нестандартни Ш-образни и вити магнитопроводи, трябва най-напред да изчислим обемът им и като коефициент за сравнение използваме обемът на стандартният Ш-образен магнитопровод. Може и с кантар да премерим теглото и по-него също да се ориентираме, но независимо какъв е обема и колко дълго е ядрото върху което ще положим намотката, броят на навивките зависи главно от сечението му. Такива нестандартни трансформатори са звънчевите, трифазните и всички други с П-образни и вити магнитопроводи. Навивките за 1V при витите магнитопроводи се изчисляват по формулата 50:Bm.Sст., където Bm е магнитната проницаемост, като за мощните трансформатори е 1,4, а Sст. е сечението на ядрото. Мощността се определя от произведението на сечението на ядрото по сечението на прозореца и коефициент на запълване около 1,5. Така че P=Sст.Sпр.K, При витите магнитопроводи прозореца е по-голям. Затова тези трансформатори са с по-големи намотки и по-малки магнитопроводи, които съответно имат най-голямо разсейване на намотките и най нисък cosФ. Поради тази причина при този тип трансформатори не е добре да запълваме прозореца до край, а първичната намотка да се навие с жица не по-дебела от предписаната, т.е. при плътност на тока 2.5-3Amm., за да не стане намотката прекалено обемиста и с голямо разсейване. За сметка на това пък вторичната намотка може да се навие с по-дебела жица, например за 2Amm. Затова витите трансформатори са подходящи когато са нужни повече намотки и с компромис в КПД и консумацията на празен ход.

При П-образните магнитопроводи първичната и вторичната намотка се навиват върху двете рамена, свързани последователно или паралелно според изискванията, с изключение само при електрожените, където първичната и вторичната намотки са отделени- първичната на едното ядро, а вторичната на другото. Така се получава ферорезонансен трансформато, но не напълно, тъй като отсъства преградната сърцевина между първичната и вторична намотка, но в малка част магнитния поток се затваря през въздушната междина между ядрата и ферорезоннасния ефект е по-малък. Такива ферорезонансни трансформатори са главно трифазните, донякъде Ш-образните с две макари и П-образните. Все пак ако навием такъв мрежов "П" или Ш-образен трансформатор, то напрежението на вторичната може допълнително да се вдигне, като за целта паралелно на нея се свърже голям кондензатор, който от една страна ще подобри cosФ. Така например ако напрежението на вторичната намотка е 110V за 200W П-образен трансформатор е достатъчно кондензатора да е 12мкф. и напрежението ще се повиши до 117V, а токът в първичната намотка ще падне (токът в първичната ще се намали и ако натоварим вторичната с малък активен консуматор). Не бива да слагаме прекалено голям кондензатор, защото намотката ще изпадне в резонанс с кондензатора и напрежението ще скочи до 1000V и изолацията на намотката и на кондензатора може да пробие. Поради тази причина ферорезонансните трансформатори не са подходящи за реактивни консуматори, като четкови мотори с навит ротор и др., при които честотата на прекъсване от четките може да достигне резонансната честота на трансформатора. При обикновените трансформатори с една макара няма такава опасност.

От всички изброени до тук трансформатори най-голямо КПД имат тороидалните, тъй като при тях намотката обхваща целият магнитопровод и разсейването е минимално. Изчислението при тях няма да е по-различно от витите магнитопроводи, стига точно да определим обема или сечението на дупката и на ядрото. Тороидалните най-лесно се навиват като наденем ПВЦ или картонен пръстен на магнитопровода, който да служи като телоподаваща ролка. Това може да бъде парче от ПВЦ тръба за канализация, картонена ролка от тиксо и др., като на пръстена се направи прорез малко по-малък от дебелината на магнитопровода и се разтвори и надене на него. След това въртейки пръстена навиваме върху него две, три навивки от жицата и можем да започнем с навиването, като от едната страна ролката се развива, а от другата се навива. Този метод спестява доста време, както и жица от совалката, за която е трудно да изчислим точната дължина на жицата и трябва да оставим малко резерв.

Грешно е както обикновено производителите правят е да прекарват изводните краища на намотките, пресичайки цялата намотка, като изводният край издува всички намотки навити отгоре и увеличава обиколката и съответно дължината на жицата, а оттам и активното съпротивление . Освен това при натиска от горните намотки изолацията на стъклотръбата може да се разкъса и да стане късо съединение. Затова когато имаме нечетен брой на слоевете на намотката, краят трябва да се извади през дупка на отсрещната стена на макарата, като дупката трябва я пробием предварително, преди да навием намотката, иначе можем да обелим емайла, ако я пробием след като сме навили намотката. Едва когато навием всички намотки, срещуположните краища можем да ги прегънем и прекараме напречно над бобината и ги завържем със здрав конец, но никога да не ги прекарваме вътре между намотките.
Ако намотката завършва с непълен слой и изводът дойде по средата и ако той е много дебел и не може да се положи върху намотката, тъй като доста ще издуе следващите намотки, то трябва да го оставим изправен във вертикално положение и около двете му страни навием следващите намотки, като в средата където минава извода ще отане фуга. Затова стъклотръбата на изводния край трябва да е колкото се може по-тънка и между всеки слой поставим тънка хартия, най-добре е да използваме силиконизирана хартия за печени на храни. Едва когато навием всички намотки, краищата вече можем да ги прекараме напречно над намотката.
При малките трансформатори, където жицата е много тънка и не може да се изкара през стъклотръба, а трябва да се запои към по-дебел кабел, не трябва този кабел да го прекараме на дъното на макарата и върху него навием първичната намотка, а трябва да оставим късо крайче от тънката жица малко извън макарата и когато навием цялата намотка тънките крайчета ги запоим към дебели кабели и ги завържем здраво над намотката. Така се навиват повечето чуждестранни трансформатори, дори по-големите, които нямат нужда от допълнителни свързващи кабели.
Не е много добре да лакирваме намотките, особено ако са от тънка жица, намотките при издуването си стават меки и когато ги лакираме те стават твърди и чупливи и при натиск изолацията може да се обели. Най-добре да използваме тънката хартия за храни, която е доста здрава и не се къса при мотането.

Голяма заблуда е че при паралелното свързване на намотките с малка разлика в напреженията текат големи изравнителни токове, което не е вярно. Например при паралелното свързване на двете вторични намотки на заваръчен трансформатор с много голяма дебелина на жицата Ф3.15мм. и с разлика в напреженията 1V (умишлено създадена с резерв от две навивки, които после ще се развият), т.е. едната е 35V, а другата е 36V. Изравнителният ток който течеше за този грамаден трансформатор бе нищожен, може би не повече 2-3A, а общото напрежение става 35,5V. Особено П-образните трансформатори поради по-голямото си разсейване и нисък cosф позволяват да гасят още по-големи разлики в напреженията, когато намотките са разположени на двете макари.

Друга голяма заблуда е че междувиткото късо е равно по сила на външно късо съединение на цялата намотка. Така например тороидалните автотрансформатори в стабилизаторите със сервомотор, съвсем обичайно си работят в режим на междувитково късо, тъй като четката на плъзгача обхваща по широчината си всеки две съседни навивки, но токът който тече през тях е нищожен, поради разсейването и твърде малката площ на окъсената част от цялата намотка. Така дори подобрява КПД, отблъсквайки магнитния поток и насочвайки го концентриран към останалата част от намотката от която консумираме, т.е. унищожава се ферорезонасния ефект при тороидалните и П-образните трансформатори. Защото такъв автотрансформатор, особено за стабилизатор от който при понижено напрежение ползваме една част от първичната намотка, то в нормални условия без междувитковото късо съединение, при включването на реактивен товар, тази част от намотката може да изпадне в резонанс с консуматора и напрежението да скочи до опасно високи стойности и изолацията на намотките да пробие и да се повредят ел. уредите включени към трансформатора.