А. П. Кашкаров, г. Санкт-Петербург
Для изготовления трансформаторов и дросселей используются специальные обмоточные провода. Об основных типах таких проводов отечественного и зарубежного производства рассказано в этой статье.
Отечественные обмоточные провода
Наибольшее распространение получили обмоточные провода в эмалевой изоляции на основе высокопрочных синтетических лаков с температурным индексом (ТИ) в диапазоне 105...200. Под ТИ понимается температура провода, при которой его полезный ресурс не менее 20000 ч.
Медные эмалированные провода с изоляцией на основе масляных лаков (ПЭЛ) выпускаются с диаметром жилы 0,002...2,5 мм. Такие провода обладают высокими электроизоляционными характеристиками, которые практически не зависят от внешнего влияния повышенных температур и влажности.
Проводам типа ПЭЛ свойственна большая зависимость от внешнего воздействия растворителей, относительно проводов с изоляцией на основе синтетических лаков. Обмоточный провод ПЭЛ можно отличить от других даже по внешнему признаку -эмалевое покрытие по цвету близко к черному.
Медные провода типов ПЭВ-1 и ПЭВ-2 (выпускаются с диаметром жилы 0,02...2,5 мм) имеют поливинилацетатную изоляцию и отличаются золотистым цветом. Медные провода типов ПЭМ-1 и ПЭМ-2 (с тем же диаметром, как и ПЭВ) и прямоугольные медные проводники ПЭМП (сечением 1,4...20 мм2) имеют лакированную изоляцию на по-ливинилформалевом лаке. Индекс «2» в соответствующем обозначении проводов ПЭВ и ПЭМ характеризует двухслойную изоляцию (повышенной толщины).
ПЭВТ-1 и ПЭВТ-2 - эмалированные провода с температурным индексом 120 (диаметром 0,05...1,6 мм), они имеют изоляцию на основе по-лиуретанового лака. Такие провода удобно монтировать. При пайке не требуется зачищать лакированную изоляцию и применять флюсы. Достаточно обычного припоя марки ПОС-61 (или аналогичного) и канифоли.
Эмалированные провода с изоляцией на полиэфирамидной основе ПЭТ-155 имеют ТИ равный 155. Они выпускаются с жилами не только круглого сечения (диаметра), но и прямоугольного (ПЭТП) типа с диаметром проводника 1,6-1 1,2 мм2. По своим параметрам провода ПЭТ близки к рассмотренным выше проводам типа ПЭВТ, но имеют более высокую стойкость к нагреванию и тепловому удару. Поэтому обмоточные провода типов ПЭВТ и ПЭТ, ПЭТП особенно часто можно встретить в мощных трансформаторах, в том числе в трансформаторах для сварочных работ.
Отечественные высокочастотные обмоточные провода
На высоких частотах применяются многожильные эмалированные обмоточные провода (литцендраты) типа ЛЭШО в шелковой однослойной изоляции или ЛЭШД - фв двойной шелковой изоляции. Такие провода состоят из пучка медных эмалированных проволочек диметром 0,05...0,1мм и используются для катушек индуктивности (и дросселей). В высокочастотных проводах типов ЛЭШО, ЛЭШД, ПЭЛО, ЛЭЛД, ДЭП, ЛЭПКО жилы скручены из отдельных Эмалированных проволок для уменьшения потерь от поверхностного эффекта (Эффекта близости). В табл.№1 приведены диаметры широко применяемых высокочастотных обмоточных проводов отечественного производства. Для нечетных номеров диаметр провода примерно равен половине суммы диметров двух соседних (четных) номеров.
Обозначение популярных зарубежных обмоточных проводов
В США и Великобритании обозначение диаметров обмоточных проводов записывается словами wire size (размер провода).
Например, в США применяют систему
American Wire Gauge (AWG). Также иногда в США используют систему B&S, а в Великобритании - Standar Wire Gauge (SWG). В табл.2 и табл.3 приведены диаметры широко применяемых типов обмоточных проводов по стандартам AWG и SWG.
Допустимая нагрузка на проводники
Максимальный допустимый ток, который можно пропускать через провода, не тревожась за возгорание или нарушение контакта, определяется в соответствии с табл.4. Максимальный нагрев резиновой или пластмассовой (а также их сочетаний или производных) изоляции проводов не должен превышать температуры +50градусов. От этого температурного параметра зависит продолжительность безопасного воздействия
на проводник максимально допустимого тока (I max A в табл.4)
Журнал "Электрик"
Чуть ли не главный вопрос у всех радиолюбителей чем можно намотать трансформатор? Простейшие методики расчета трансформаторов мы уже знаем (кто подзабыл можно заглянуть вот сюда), а вот самое главное где взять провод? Да и еще именно какой провод необходим для намотки трансформатора?
Куда делись, например, провода марок ПЭЛШО
, ПЭЛБО
и другое, продававшиеся в советское время в наборах и катушками? Первый из вышеназванных проводов необходим для намотки
контурных катушек на низкочастотные диапазоны, дросселей, трансформаторов на ферритовых кольцах и пр. Второй необходим для намотки обмоток
мощных силовых трансформаторов.
Ведь преимущество таких проводов перед обычными (с лаковым покрытием) - большое.
Прежде всего, это создаваемый за счет оплетки провода шаг намотки. В мощных сетевых трансформаторах разность напряжений в обмотках между соседними проводниками составляет 1 В и более, тонкая лаковая изоляция при нагреве и вибрации с частотой сети постепенно стирается от трения друг об друга вибрирующих витков и осыпается. В результате возникают межвитковые замыкания
.
Для иллюстрации приведу простой расчет
. Возьмем трансформаторное железо с площадью сечения керна S=10 см2. По простой прикидке Pr=S2 определяем, что габаритная мощность будущего трансформатора составит примерно 100 Вт. Количество витков на 1 В:
w1 =50/S=50/10=5(вит./В),
Соответственно межвитковое напряжение:
U1=1/5=0.2(В)
Если трансформаторное железо - с площадью сечения S=50 см2, габаритная мощность трансформатора в этом случае Pг=2500 Вт, а w1 =50/50=1 (вит./В), что равно межвитковому напряжению в обмотках. При дальнейшем увеличении габаритной мощности межвитковое напряжение возрастает, опасность пробоя изоляции увеличивается, а надежность трансформатора, естественно, снижается.
Как выйти из создавшегося положения? Следует вспомнить, что провода бывают не только обмоточными. Для намотки трансформатора можно применить монтажный провод во фторопластовой изоляции (МГТФ) с соответствующим требуемому току сечением. Так как в таких проводах принято указывать не диаметр, а сечение (по жиле), то следует воспользоваться переводной формулой
d=2 (Sп/3.14)^0,5
где Sп - сечение провода, мм2; d - диаметр провода, мм. Например, провод МГТФ-0.35 имеет d-0,66 мм. Диаметр провода, в зависимости от требуемого тока I (А), определяем по формуле:
d = 0,8 I0,5.
Тогда ток в проводе обмотки:
I=(d/0.8)^2 =0.68 (А)
Отличное качество изоляции проводов МГТФ позволяет обходиться при намотке без 
межслойных прокладок, а ее термостойкость позволяет мотать трансформаторы, работающие при повышенных температурах (фторопластовая изоляция не плавится и не обугливается).
Порой для балансных схем требуется намотать трансформатор со строго идентичными обмотками.
Такое можно осуществить, взяв в качестве проводов обмоток плоский кабель, например, используемый в компьютерных соединительных шлейфах. Отделив от кабеля нужное число проводников, наматывают ими обмотку, которую затем используют в качестве нескольких идентичных, изолированных друг от друга. Изоляция плоского кабеля достаточно термоустойчива.
Для получения больших токов вторичные обмотки трансформаторов блоков питания наматывают достаточно толстыми проводами и шинами. Работа эта, надо сказать, требует не только материальных (денежных), но и физических затрат, поскольку требуется внатяг сгибать упругую медную шину (провод), стараясь уложить ее виток к витку.
В качестве альтернативы моточного провода , предлагаю воспользоваться акустическим шнуром, которым обычно соединяют усилитель с акустическими системами. Акустический шнур имеет большое сечение жилы и. будучи двойным, обеспечивает идентичность полуобмоток для двухполупериодного выпрямителя со средней точкой. На идентичность этих полуобмоток мало обращают внимание, а это влечет за собой увеличение фона, к которому так чувствительна современная высококачественная аппаратура.
Идентичность обмоток можно обеспечить и другим способом, например, намотав их микрофонным шнуром (при стереошнуре получим три обмотки). Таким образом можно намотать обмотку (обмотки) с электростатическим экраном. Для этого экранирующая оплетка микрофонного шнура соединяется (с одной стороны) с общим проводом.
Коаксиальный кабель , вследствие большой разницы в сечениях внутренней жилы и оплетки, мало пригоден для симметричных обмоток, но может быть использован в качестве обмоточного провода , когда экран и внутренняя жила соединены между собой. Внутреннюю жилу кабеля можно использовать и для измерительных целей.
Во всех случаях не следует забывать о термоустойчивости изоляции проводов. Повышенная относительно лаковой толщина изоляции проводов, с одной стороны, уменьшает количество витков обмотки, которые можно разместить в окне сердечника трансформатора, с другой, делает ненужным применение межслоевой изоляции (вплоть до межобмоточной), что ускоряет изготовление трансформатора, а при термостойкой изоляции проводов повышает надежность трансформаторов.
В.БЕСЕДИН, гТюмень.
Намотка трансформатора своими руками сама по себе является несложной процедурой, однако требует существенных подготовительных работ. Некоторые люди, занимающиеся изготовлением различной радиоаппаратуры или силовых инструментов, имеют потребности в трансформаторах под конкретные нужды. Поскольку не всегда возможно приобретение определенного трансформатора под конкретные случаи, то многие наматывают их самостоятельно. Те, кто в первый раз изготавливает трансформатор своими руками, часто не могут решить проблемы, связанные с правильностью расчета, подбора всех деталей и технологии обмотки. Важно понимать, что собрать и намотать повышающий трансформатор и понижающий трансформатор – не одно и то же.
Также существенно отличается и намотка тороидального устройства. Поскольку большая часть радиолюбителей или мастеров, которым требуется создать трансформирующее устройство для нужд своего силового оборудования, не всегда имеют соответствующие знания и навыки о том, как изготовить трансформирующее устройство, поэтому данный материал ориентирован именно на эту категорию людей.
Подготовка к намотке
Первым делом необходимо произвести правильный расчет трансформатора. Следует вычислить нагрузку на трансформатор. Она вычисляется суммированием всех подключенных устройств (двигателей, передатчиков и т.д.), которые будут запитаны от трансформатора. Например, на радиостанции имеется 3 канала с мощностью 15, 10 и 15 Ватт. Суммарная мощность будет равна 15+10+15 = 40 Ватт. Далее берут поправку на КПД схемы. Так большинство передатчиков имеют КПД около 70% (точнее будет в описании конкретной схемы), поэтому такой объект следует запитать не 40 Вт, а 40/0,7 = 57,15 Вт. Стоит отметить, что и трансформатор имеет свой КПД. Обычно КПД трансформатора составляет 95-97 %, однако следует взять поправку на самоделку и принять КПД равном 85-90% (выбирается самостоятельно). Таким образом, требуемая мощность увеличивается: 57,15/0,9 = 63,5 Вт. Стандартно трансформаторы такой мощности весят около 1,2-1,5 кг.
Далее определяются с входными и выходными напряжениями. Для примера возьмем понижающий трансформатор с напряжениями 220 В входное и 12 В выходное, частота стандартная (50 Гц). Определяют количество витков. Так, на одной обмотке их количество равно 220*0,73 = 161 виток (округляется в большую сторону до целого числа), а на нижней 12*0,73 = 9 витков.
После определения количества витков приступают к определению диаметра провода. Для этого необходимо знать протекающий ток и плотность тока. Для установок до 1 кВт плотность тока выбирают в пределах 1,5 – 3 А/мм 2 , сам ток примерно рассчитывают, исходя из мощности. Так, максимальный ток для выбранного примера будет составлять около 0,5-1,5 А. Поскольку трансформатор будет работать максимум со 100Вт нагрузки с естественным воздушным охлаждением, то плотность тока принимаем равной около 2 А/мм 2 . Исходя из этих данных, определяем сечение провода 1/2 = 0,5 мм 2 . В принципе сечения достаточно для выбора проводника, однако иногда требуется и диаметр. Поскольку сечение находится по формуле pd 2 /2, то диаметр равен корню из 2*0,5/3,14 = 0,56 мм.
Таким же образом находят сечение и диаметр второй обмотки (или, если их больше, то всех остальных).
Материалы для намотки
Намотка трансформатора требует тщательного подбора используемых материалов. Так, важное значение имеют практически все детали. Понадобятся:
- Каркас трансформатора. Он необходим для изолирования сердечника от обмоток, также он удерживает катушки обмоток. Его изготовление осуществляется из прочного диэлектрического материала, который обязательно должен быть довольно тонким, чтобы на занимать место в интервалах («окно») сердечника. Часто для этих целей применяют специальные картонки, текстолит, фибры и др. Он должен иметь толщину минимально 0,5 м, а максимально 2 мм. Каркас необходимо приклеивать, для этого применяют обычные клеи для столярных работ (нитроклеи). Формы и габариты каркасов определяются формами и размерами сердечника. При этом высота каркаса должна быть чуть больше высоты пластин (высоты обмотки). Для определения его габаритов необходимо произвести предварительные замеры пластин и прикинуть примерно высоту обмотки.
- Сердечник. В качестве сердечника применяют магнитопровод. Лучше всего для этого подойдут пластины из разобранного трансформатора, поскольку они изготовлены из специальных сплавов и уже рассчитаны на определенное количество витков. Наиболее распространенная форма магнитопровода напоминает букву «Ш». При этом его можно вырезать из различных заготовок, имеющихся в наличии. Чтобы определиться с размерами, необходимо предварительно намотать провода обмоток. К обмотке, которая имеет наибольшее количество витков определяют длину и ширину пластин сердечника. Для этого берется длина обмотки + 2-5 см, и ширина обмотки + 1-3 см. Таким образом происходит примерное определение размеров сердечника.
- Провод. Здесь рассматривается обмоточный и провода для выводов. Лучшим выбором для намотки катушек трансформирующего устройства считаются медные провода с эмалевой изоляцией (типа «ПЭЛ»/«ПЭ»), этих проводов достаточно для намотки не только трансформаторов для радиолюбительских нужд, но и для силовых трансформаторов (например, для сварочного). Они имеют широкий выбор сечений, что позволяет приобрести провод нужного сечения. Провода, которые выводятся от катушек, должны иметь большее сечение и изоляцию из ПВХ или резины. Часто применяют провода серии «ПВ» с сечением от 0,5 мм 2 . Рекомендуется брать на вывод провода с изоляцией разных цветов (чтобы не было путаницы при подключении).
- Подкладки изоляционные. Они необходимы для увеличения изоляции провода обмотки. Обычно в качестве прокладок применяется плотная и тонкая бумага (хорошо подходит калька), которую укладывают между рядами. При этом бумага должна быть целостной, без обрывов и проколов. Также такой бумагой оборачивают обмотки после того, как все они готовы.
Способы ускорения процесса
Многие радиолюбители часто имеют специальные примитивные устройства для осуществления намотки обмоток. Пример: примитивный станок для намотки обмоток представляет собой стол (часто подставку), на котором установлены бруски с вращающейся продольной осью. Длина оси выбирается в 1,5-2 раза больше длины каркаса катушек трансформирующего устройства (берется максимальная длина), на одном из выходов из брусков ось должна иметь ручку для вращения.
На ось надевается катушечный каркас, который стопорится с двух сторон ограничительными шпильками (они не дают каркасу перемещаться вдоль оси).
Далее на катушку закрепляется обмоточный провод с одного из концов и осуществляется намотка путем вращения ручки оси. Такая примитивная конструкция существенно ускорит намотку обмоток и сделает ее более точной.
Процесс намотки обмоток
Намотка трансформатора заключается в намотке обмоток. Для этого провод, который планируется использовать для обмоток, наматывается на любую катушку туго (для упрощения процесса). Далее сама катушка устанавливается либо на приспособление, указанное выше, либо наматывается «вручную» (это сложно и неудобно). После этого на катушке обмотки закрепляется конец обмоточного провода, к которому припаивают выводной провод (это можно сделать как вначале, так и в конце операции). Далее начинают вращение катушки.
При этом катушка не должна никуда смещаться, а провод должен иметь сильное натяжение для плотной укладки.
Намотка витков провода продольно должна производиться так, чтобы витки прилегали друг к другу максимально плотно. После того, как был намотан первый ряд витков по длине, его обматывают специальной изоляционной бумагой в несколько слоев, после чего наматывают следующий ряд витков. При этом ряды должны плотно прилегать друг к другу.
В процессе намотки следует контролировать количество витков и остановиться после намотки нужного количества. Важно, чтобы считались полные витки, не учитывая расход провода (т.е. второй ряд витков требует большего количество провода, однако наматывают количество витков).
Обмотки трансформаторов малой мощности выполняются обычно проводом круглого сечения. В настоящее время имеется большое количество марок обмоточных проводов. Провода изготовляются с волокнистой, эмалевой и комбинированной эмалево-волокнистой изоляцией. Для обозначения марок проводов приняты буквенные обозначения . Первая буква для всех видов изоляции П (провод). Волокнистая изоляция имеет обозначение: Б - хлопчатобумажная пряжа, Ш - натуральный шелк. ШК или К - искусственный шелк (капрон), С - стекловолокно, А - асбестовое волокно. Следующая буква О или Д указывает на один или два слоя изоляции. Провода в эмалевой изоляции обозначаются буквой Э. Комбинированные изоляции состоят из эмалевой изоляции, покрытой дополнительно волокнистой изоляцией. При изготовлении трансформаторов малой мощности в основном применяются провода в эмалевой изоляции. Эмальслой должен иметь сплошную и ровную поверхность и обладать достаточной механической прочностью и эластичностью. Эмальслой не должен давать трещин и отставаний от меди при намотке. Высокая механическая прочность и повышенная теплостойкость винифлексовой изоляции, позволяющая значительно снизить количество межслойных прокладок, повысить теплопроводность и допустимую плотность тока, обеспечили проводам марок ПЭВ-1, ПЭВ-2, ПЭТВ и др. широкое применение при изготовлении трансформаторов малой мощности. В настоящее время провода в изоляции из хлопчатобумажной пряжи и бумажной ленты марок ПБД, ПБОО, ПББО и др. широко применяются в силовых трансформаторах средней и большой мощности и в измерительных трансформаторах (напряжения и тока), работающих в масле. В таких трансформаторах провода с эмалевым покрытием не применяются. Для трансформаторов открытого типа, силовых на напряжения до 500 В и трансформаторов тока до 6 -10 кВ применяются как обмотки проводом ПБД, так и комбинированные с эмалевым и хлопчатобумажным покрытием, но при этом обмотки трансформаторов обязательно пропитываются или компаундируются. Для сварочных, нагрузочных и других аналогичных трансформаторов и устройств следует применять провода в стеклянной изоляции. Применяют также провода в асбестовой изоляции, но их электрические свойства и прочность значительно хуже, толщина изоляции повышенная, что снижает теплопроводность обмоток. Кроме того, они гигроскопичны. Для указанных выше работ иногда применяют провода прямоугольного сечения. Последние выполняются марок: ПБД, ПБОО, ПСД, ПСДК, ПДА. Толщина и изоляции соответствует маркам круглых проводов - или верхним пределам - или несколько выше. Из указанных марок проводов для трансформаторов малой мощности применяется провод ПЭЛШО для обмоток на повышенные напряжения (например, в обмотках высокого напряжения осциллографа и в других случаях). ПЭЛШО (и ПЭЛБО) целесообразно применять при галетной намотке малых трансформаторов, пропитываемых склеивающими компаундами, ввиду высокой схватываемости волокнистых материалов с большинством склеивающих компаундов. Провод ПЭШО применяется широко в контурах радиоприемных устройств, но пригодность той или иной пропитки (и других материалов) определяется фактором потерь, что для частоты 50 Гц не существенно. В тех случаях, когда одним из основных требований к аппаратуре (трансформатору) является надежность, обмотку обязательно следует пропитывать каким-либо лаком или компаундом. Значительному повышению надежности способствуют облегченные режимы работы обмоток и применение материалов, имеющих температуру по нагревостойкости на 1-2 класса выше рабочей температуры обмотки. В тех случаях, когда трансформатор может работать в форсированном режиме, обмотка должна пропитываться, так как при этом повышается теплопроводность и нагревостойкость за счет более равномерной температуры в толще обмотки. При форсированном режиме допустимо повышать нагрев трансформатора на 10-12° С сверх температуры данного класса. При этом ускоряется процесс старения материала примерно (в среднем) в 2 раза. Надо указать, что допустимые температуры для проводов ПЭЛ, ПЭЛУ 100-105° С, ПЭТ 125° С, ПЭВ-1, ПЭВ-2 110° С. Для трансформаторов, к которым предъявляются требования надежности, форсированные режимы недопустимы. Приведенная шкала классов нагревостойкости принята как в России, так и в ряде зарубежных стран. Нижний предел допустимых температур для эмаль-проводов - 60° С. При этой температуре эмаль не должна трескаться и отставать от меди.
В трансформаторах обмотки служат для преобразования электрической энергии. Изменяя напряжение и силу тока, они сохраняют передаваемую мощность. Вместе с обмотками в преобразовании энергии участвует набор из металлических пластин, который играет роль магнитопровода.
Трансформаторные обмотки изготавливаются из проводников, покрытых слоем изоляции, который также удерживает провода в определенном положении и создает канал охлаждения. Различные конструкции обмоток предусматривают нейтральные и линейные ответвления, а также отводы для регулировки. Во время работ, связанных с конструированием обмоток, рассчитываются такие параметры:
- допустимое значение превышения температуры при номинальной мощности и рабочей нагрузке;
- электрическая прочность при повышенном напряжении;
- механическая прочность во время короткого замыкания.
Для изготовления обмоток преобразователей чаще всего используется медный провод. Это делается из-за того, что медь имеет малое электрическое сопротивление и высокую электропроводность. Благодаря своей гибкости и механической прочности, она хорошо обрабатывается и плохо поддается коррозии.
Однако медь - это достаточно ценный и дефицитный металл. Высокая стоимость меди связана с небольшими мировыми запасами ее руды. Из-за этого стоимость металла постоянно увеличивается, так что производители трансформаторов вынуждены искать ему замену. На сегодняшний день лучшей альтернативой меди является алюминий. Его запасы значительно превосходят медные, и в природе он встречается намного чаще.
Однако алюминий имеет меньшую электропроводность. Также он менее гибок и уступает меди в пределе прочности. Его редко применяют в обмотках мощных трансформаторов. Кроме того, достаточно сложно в техническом плане делать внутренние соединения обмоток при помощи сварки. Выполнение этой операции требует от работников, соединяющих обмотки, соответствующих знаний и умений, большого опыта и определенных навыков. В случае когда соединяются медные проводники, все обстоит гораздо проще.
Сравнительные характеристики металлов
| УТВЕРЖДЕНИЕ | ПРАВДА | МИФ |
| Оконечные заделки намотанных алюминием трансформаторов несовместимы с медной линией и силовыми кабелями. | Х | |
| Оконцевание выводов должным образом - более сложная задача для намотанных алюминием трансформаторов. | Х | |
| Соединения с линией и нагрузкой трансформаторов с медными обмотками более надежны, чем у трансформаторов с алюминиевыми обмотками. | Х | |
| Трансформаторы с алюминиевыми обмотками весят легче, чем аналогичные с медными обмотками. | Х | |
| Намотанные медью обмотки низкого напряжения трансформаторов лучше подходят для «ударных» нагрузок, потому что у меди более высокая прочность на растяжение чем у алюминия. | Х | |
| Трансформаторы с алюминиевыми обмотками имеют более высокие потери, чем аналогичные с медными обмотками. | Х |
Споры о том, какой металл лучше использовать для трансформаторных обмоток, не прекращаются на протяжении многих лет. Оппоненты, приводящие различные технические аргументы в пользу разных металлов, постоянно меняют свои взгляды. Большая часть из всех аргументов не столь существенна, а некоторые из, так называемых фактов, являются откровенной дезинформацией.
Чтобы правильно выбрать материал для обмотки преобразователя, следует произвести сравнительный анализ рабочих параметров алюминия и меди, и определить степень их различия. Внимание обращают на те параметры, которые вызывают наибольшее беспокойство, поскольку являются наиболее важными в работе преобразующего устройства.
Характерные различия между медью и алюминием
Коэффициент расширения
Когда нагревается алюминий, он имеет расширение на 30% больше, чем медь. Если алюминиевые наконечники соединяются при помощи болта и гайки, под прижимную гайку нужно обязательно подкладывать пружинистую шайбу. В этом случае контактное соединение не будет ослабляться в то время, когда напряжение отключено, и наконечники остывают, уменьшая при этом свои размеры.
Вывод: Чтобы качество соединения алюминиевых кабелей не уступало качеству медных контактов, необходимо использовать должную арматуру.
Теплопроводность
Медь намного лучше проводит тепло, чем алюминий. Поэтому если разные металлы обмоток в трансформаторах имеют одинаковое сечение, то изделие из меди охлаждается гораздо лучше, чем из алюминия. Чтобы добиться одинаковой электропроводности, а значит одной и той же отдачи тепла, алюминиевый провод в преобразователе должен иметь сечение на 60% больше медного.
Проектировщики, разрабатывая пакет документов для производства трансформаторов, учитывают особенности материала, конструкцию, а также суммарную площадь охлаждающейся поверхности обмотки.
Вывод: Все трансформаторы, невзирая на то, из какого металла выполнены их обмотки, имеют очень сходные тепловые характеристики.
Электропроводность
Вследствие того, что алюминий имеет электрическую проводимость на 60% меньше чем медь, в обмотках из алюминия более высокие потери. Разработчики преобразователей с алюминиевыми обмотками в проектной документации закладывают сечения проводников, которые превышают значения для аналогичных изделий из меди. Это уравнивает потерю энергии в изделиях, имеющих в обмотках различные материалы.
Вместе с тем производители имеют определенные рамки, ограничивающие выбор сечения провода. Поэтому иногда получается, что медная обмотка в трансформаторе имеет более значительные потери, чем аналогичное изделие из алюминия. Это происходит из-за того, что производители по тем или иным причинам в качестве обмотки использовали медный провод, сечение которого не соответствует расчетной норме.
Что же касается сухих трансформаторов, то вне зависимости от металла обмотки у них потери в сердечнике, набранном из металлических пластин, остаются неизменны. Добиться более высокой эффективности работы преобразователя можно только путем изменения сечения обмоточного провода. Это и является основным критерием, который указывает на более высокую степень результативности того или иного устройства.
Вывод: Благодаря тому, что алюминиевый провод стоит намного дешевле, за те же деньги им можно намотать обмотку, имеющую большее сечение. Это приведет к значительному снижению энергетических потерь во время работы преобразователя. В некоторых случаях такие обмотки намного эффективней медных.
Предел прочности металлов
Алюминий для своего разрыва требует на 40% меньше усилий, чем медь. У производителей электротехнических изделий этот факт вызывает определенное беспокойство, поскольку большинство выпускаемых ими товаров часто подвергается циклическим нагрузкам. Это связано с большими пусковыми токами, которые возникают при запуске некоторых электрических силовых аппаратов. Мощные электромагнитные силы, возникающие при таких токах, вызывают усиленное движение молекул в проводниках, что приводит к смещению обмоток в изделиях.
Сравнительный анализ технических показателей различных проводников делается исходя из площади их поперечного сечения. На основании данных анализа одинаковая электропроводность в трансформаторах с разными обмотками обеспечивается следующим образом. В изделиях с алюминиевой обмоткой площадь сечения провода должна быть больше на 60%, чем в аналогичном устройстве, имеющем обмотку из меди. В этом случае технические показатели изделий, сделанных из различных материалов, будут примерно одинаковы.
Вывод: Трансформатор не может получить механическое повреждение из-за резкого изменения нагрузки, поскольку сечение обмотки подобрано таким образом, чтобы имелся необходимый запас прочности. Повреждения могут случиться только вследствие ненадежного крепления в местах соединения проводов.
Внешние подключения трансформаторов
В настоящее время использование меди в трансформаторных обмотках вызвано стремлением производить более качественные и надежные преобразующие устройства. Известно, что как алюминий, так и медь легко поддаются разрушающему воздействию окружающей среды. Из-за этого в металлах происходит коррозия, окисление и другие химические изменения.
Поверхность алюминиевого провода, покрытая окисью, становится изолятором и не пропускает электрический ток. Из-за этого своевременная очистка алюминиевых контактов имеет большое значение и должна производиться регулярно, в строгом соответствии с графиком проведения профилактических работ.
Окисленная же медь утрачивает свою электропроводность значительно меньше, поскольку появляющиеся на ней сульфиды и оксиды, конечно, не в той мере в какой бы хотелось, но все же имеют некоторую электропроводность. Все это хорошо знает персонал, который обслуживает трансформаторные подстанции. Поэтому специально обученная бригада электриков регулярно производит плановую проверку болтовых соединений рабочего оборудования.
Кроме того, существует проблема подключения алюминиевых обмоток преобразователя к медным проводам внешней электрической сети. Напрямую соединять алюминиевые и медные наконечники болтами нельзя. Дело в том, что металлы имеют различную электропроводность, из-за чего места соединений постоянно перегреваются, и соединенные поверхности разрушаются. Разработанные специально для этого сварочные технологии оказались малоэффективными, поэтому для сваривания кабелей из разного металла их не применяют.
Для соединения медных и алюминиевых кабелей сейчас используют луженые наконечники, покрытые тонким слоем олова либо серебра. При соединении алюминиевых обмоток трансформаторов с медными сетевыми кабелями наконечники покрывают оловом. Серебро используется в электронике, где требуется более высокое качество соединения деталей. Практика таких соединений общепринята. Надежность соединений подтверждается большими сроками бесперебойной работы оборудования.
Различные провода также часто соединяют при помощи специальных металлических клемм. Такая клемма сделана в виде прямоугольной рамки, в которую вставляются два соединяемых проводника. На одной плоскости клеммы имеются отверстия с резьбой. После того как проводники вставлены в рамку, они фиксируются винтами, которые закручиваются в резьбу.
Внутреннее соединение трансформаторных обмоток
Соединение медных обмоток преобразователей осуществляется методом спаивания. Тугоплавкий припой, используемый при этом, несколько снижает электропроводность спаянного участка. На этом участке все время выделяется окись меди, из-за которой отслаивается наружный слой, что ведет к повреждению всего проводника. Это является существенным недостатком такого метода соединения.
В алюминиевых же соединениях используется метод сваривания проводов при помощи инертного газа. В них окись алюминия образует стойкое защитное покрытие, которое предохраняет контакт от негативного воздействия окружающей среды. Кроме того, в этом методе соединения проводников большим преимуществом является то, что во время работы устройства на сваренных участках отсутствует потеря электропроводности.
Время эксплуатации трансформаторов в определенной мере связано с теми условиями, в которых они работают. Сюда относятся негативные воздействия окружающей среды, экстремальные нагрузки и другие неблагоприятные условия. Однако люди, пользующиеся электроэнергией не должны беспокоиться по этому поводу. Как показала практика преобразователи, имеющие различные обмотки, способны работать многие годы без особых проблем.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Трансформатор с той или иной обмоткой в основном выбирается исходя из личных предпочтений. Более высокая стоимость изделия, имеющего медную обмотку, требует технического обоснования тех дополнительных материальных затрат, которые возникнут во время его приобретения. Сегодня все отзывы, основанные на опыте практического использования оборудования, не указывают на какие-либо явные преимущества в работе тех или иных устройств.
Единственным превосходством медной обмотки можно считать то, что катушка, намотанная медным проводом, имеет значительно меньшие габариты. Это позволяет делать трансформаторы с такой обмоткой более компактными, что позволяет несколько сэкономить то пространство, в котором они находятся.
Однако подавляющее большинство закрытых преобразователей выпускается в стандартных корпусах, имеющих одни размеры, которые подходят и для медных и для алюминиевых катушек. Так что здесь преимущество меди не имеет никакого значения. Поэтому спрос на трансформаторы с алюминиевой обмоткой сейчас намного выше.
Стоимость металлов постоянно увеличивается, а поскольку цена меди в несколько раз превышает цену алюминия, то и стоимость изделия с медной обмоткой намного дороже. Из-за этого многие покупатели предпочитают не переплачивать за медь, а покупать изделия с алюминиевыми обмотками. В дальнейшем они стараются следить за надежностью электрических соединений, и уделять должное внимание профилактическому обслуживанию оборудования.
и многих других механизмов.
Провод обмоточный в отличие от других типов проводников имеет в качестве основного параметра диаметр токопроводящей жилы, а не ее сечение. Существует очень тонкий провод для обмоток, и имеющий ничтожный слой изоляции. Тончайшие обмоточные проводники изготавливают по специальной технологии производства для особо тонких проводников и материалов электрической изоляции.
Длительное время обмоточные провода делались исключительно медными. Сегодня для них часто используют алюминий и другие сплавы, обладающие значительным сопротивлением. Алюминий позволяет экономить дорогостоящую и дефицитную медь.
Классификация
Обмоточные провода классифицируется по материалу изоляции, по форме сечения и материалу жилы.
Материал изоляции
Провод обмоточный изготавливается со следующими видами изоляции:
- Волокнистая.
- Эмаль.
- Комбинированная.
Волокнистая
Провода, имеющие волокнистую изоляцию, имеют повышенную механическую прочностью. Толщина волокнистой изоляции довольно большая, и может достигать до 0,4 мм на сторону. Химическая стойкость и влагостойкость таких проводов невысока.
Волокнистая изоляция проводов, использующихся для перемотки электрических двигателей и производства катушек масляных , может включать в себя бумагу, хлопчатобумажную ткань, стеклянные, а также асбестовые волокна, лавсан, шелк. Эти волокна и ткани накладываются в несколько слоев по подобию плетеного чулка.
Эмалевая изоляция
Материалом эмалированной изоляции служит винифлекс, металвин, кремнийорганическая основа, полиэфиротерефталевая кислота, полиуретан.
Обмоточная проволока, покрытая специальной эмалью, обладает электрической прочностью, устойчивостью к влаге, агрессивным химическим веществам. Особенностью эмалевых обмоточных проводов является очень малая толщина изолированного слоя (наибольшая толщина 0,09 мм). Прочность эмали провода ПЭЛ небольшая, такой провод используется только для обмоток катушек, работающих в неподвижном состоянии.
Высокопрочный эмалевый провод ПЭТВ, а также ПЭТ-155 применяется для обмоток электродвигателей мощностью до 100 киловатт. Провод, покрытый эмалью, марки ПЭТ-155 используется для производства новой серии электродвигателей, прочность его изоляции позволяет наматывать провод на автоматических станках. Эмалевые провода обладают также высокой термостойкостью, и способны выдерживать температуру до 155 градусов.
Комбинированная
Провод обмоточный с комбинированной изоляцией по своим параметрам находится в промежуточном положении между рассмотренными двумя видами проводов. Комбинированный вид изоляции включает в себя несколько слоев. Наружное покрытие обычно состоит из волокнистого материала, а внутреннее покрытие – эмаль. Например, провод ПЭЛШО обозначает: провод медный обмоточный с изоляцией из шелка и лаковой эмали.
Если проводник пропитан термостойким лаком и покрыт стекловолокном, то его маркировка содержит букву «К». Этот вид проволоки стал популярным из-за своей высокой надежности, и используется для электродвигателей подъемно-транспортных механизмов, в том числе судостроительных кранов.
Форма сечения
Обмоточные провода бывают двух форм сечения:
- Круглой.
- Прямоугольной.
Круглое сечение провода используется в различных сферах. Такой провод обладает высокими прочностными и электрическими характеристиками.
Размеры прямоугольных сечений проводов стандартизированы. Такой провод часто применяется для обмоток трансформаторов. Толщина прямоугольных поводов достигает до 5,9 мм, а ширина до 14,5 мм.
Соотношение этих размеров может различаться. Есть некоторые недостатки, выражающиеся в применении обмоточных проводов плоского сечения. При его наматывании на бухту есть большая вероятность повредить изоляцию, а также, при очень маленьких сечениях провода визуально трудно отличить меньшую сторону сечения от большей.
В любой обмотке важным элементом является виток проводника вокруг сердечника. По мощности тока подбирается необходимое сечение провода. Круглая проволока обычно используется для небольших нагрузок, а прямоугольную проволоку применяют для более высокой нагрузки.
Материал токоведущей жилы
Большинство обмоточных проводов производят из следующих материалов:
- Медь.
- Алюминий.
Медные обмоточные провода составляют большую часть всех выпускаемых проводов. Они обладают малым удельным сопротивлением, значительным весом. Стоимость медных проводов высока.
В последнее время вместо медных проводов для обмоток стали использовать алюминиевый провод, который значительно легче по весу, имеет меньшую стоимость, но обладает более высоким удельным сопротивлением, по сравнению с медным проводником.
Маркировка
Для обозначения провода выполняют его маркировку, которая означает материал жилы и изоляции.
- Вначале обозначения находится буква «П» для медной проволоки, и означает «провод».
- Для отличия алюминиевых и медных проводов в конце маркировки имеется буква «А», например, ПЭВА.
- Если жила сделана из сплава, имеющего большое удельное сопротивление, то в обозначении имеются дополнительные буквы, например, НХ – нихром, М – манганин, К – константан.
- Для обозначения мягкого проводника ставят символ «М», для твердого – «Т». Например, провод ПЭМТ – медный провод из твердой проволоки, а провод ПЭММ – из мягкой проволоки.
Буквы для обозначения изоляции
- ЭМ – высокопрочная поливиниловая эмаль.
- ЭЛ – масляная основа.
- ЭВ – высокопрочная поливинилацетатная эмаль.
- Л – лавсан.
- Ш – шелк натуральный.
- Б – пряжа х/б.
- О – один слой.
- С – стекловолокно.
- ШК – капрон.
- Д – два слоя.
Если в маркировке стоит 2-я буква «П», это означает, что изоляция в виде пленки. Провод ППФ оснащен изоляцией в виде фторопластовой пленки.
Для маркировки комбинированной изоляции символы стоят в порядке нахождения слоев, начиная от внутреннего. ПЭЛШО – провод медный, эмаль на масляной основе и однослойной шелковой оплетки.
Требования
- Провод обмоточный покрывается равномерной изоляцией. Допускаются в некоторых точках утолщения соответственно марке и типоразмеру провода.
- Проволока перевозится в бухтах, барабанах и бобинах, в зависимости от типоразмеров и марки. Проводник в таких упаковках должен быть намотан ровно и плотно, без путаницы витков. Число отрезков провода в бухте или катушке должно соответствовать размеру и марке провода.
- Упаковки должны упаковываться бумагой, способной защитить изоляцию провода от повреждений во время транспортировки. Наибольший вес ящика с проводом не должен быть тяжелее 80 кг.
- К барабану и катушке прикладывается ярлык с обозначением завода изготовителя, массы, типоразмера и марки поволоки, а также других параметров.
Как выбрать обмоточные провода для двигателя
Подбор необходимого провода для перемотки электродвигателей, выполняется с учетом класса термостойкости, допускаемого слоя изоляции и другими требованиями.
Минимальной толщиной слоя изоляции обладают эмалевые обмоточные провода. Их используют при повышенном проценте заполнения паза во время намотки. Гладкая поверхность изоляции облегчает их укладку в пазы, а небольшая ее толщина при повышенной теплоотдаче обеспечивает защиту от перегрева.
Использование эмалированных проводов должно соответствовать определенным видам лаков и растворителей, используемых на конкретном предприятии, или тем маркам лаков, которыми предприятие в состоянии обеспечить. Существуют растворители и лаки, которые способны разрушить эмаль. А также, при нагревании до 170 градусов эта изоляция становится пластичной, что не позволяет применять ее для обмоток роторов, вращающихся с большой угловой скоростью.
Максимальную толщину изолированного слоя имеет проволока для обмотки с комбинированным и волокнистым слоем. Ее использование запрещается для обмоток, находящихся в агрессивной или влажной среде. Для таких целей целесообразно использовать обмоточные провода, оснащенные стеклянной изоляцией, но малая прочность изоляции накладывает определенные ограничения на использование таких проводов. Хотя по термостойкости провода со стеклянной изоляцией подходят для подобных классов обмоток. При приобретении обмоточной проволоки нужнее учитывать, что стоимость провода одного типоразмера зависит от марки. При производстве ремонта низковольтных электрических машин цена провода будет составлять большую часть финансовых затрат от полной стоимости ремонта. В связи с этим необходимо учесть технические и экономические факторы выбора, то есть, цену и технические параметры.
Обмотки силовых трансформаторов наматываются медными или алюминиевыми проводами прямоугольного или круглого сечения, имеющими электрическую изоляцию, которая обеспечивает электрическую прочность между соседними витками (витковую изоляцию). Края проводников прямоугольного сечения делаются закругленными, что необходимо для уменьшения напряженности электрического поля в изоляции. Алюминий по сравнению с медью имеет удельное электрическое сопротивление больше на 60% и механическую прочность при растяжении меньше в 3,5 раза. Поэтому алюминиевые провода можно использовать лишь в трансформаторах небольшой мощности, где допустимы более высокие потери энергии, и достаточна меньшая механическая прочность обмоток, поскольку при коротких замыканиях меньше токи и электродинамические усилия.
Для изоляции проводов применяются разные изоляционные материалы. На первом месте среди них стоят бумаги на основе целлюлозы, прежде всего кабельная бумага. К се достоинствам следует отнести высокую электрическую прочность, хорошую пропитываемость трансформаторным маслом и другими электроизоляционными жидкостями, низкую стоимость. Провод марки ПБ (прямоугольного сечения с бумажной изоляцией), изолированный кабельной бумагой, используется в масляных трансформаторах всех напряжений, а также в сухих трансформаторах. В обмотках высших классов напряжения применяется провод марки ПБУ, изолированный уплотненной бумагой - разновидностью кабельной бумаги, имеющей повышенную электрическую прочность. Эта бумага может работать при средней напряженности рабочего напряжения до 2 кВ/мм. Выпускаются провода с бумажной изоляцией толщиной от 0,45 до 3,6 мм на две стороны.
Очень высокие качества имеют бумаги на основе синтетических волокон из ароматического полиамида (арамида), в частности, типа «номекс» фирмы Du Pont. Главное достоинство арамидных материалов - высокая нагревостойкость. Так, допустимая расчетная температура каландрированной бумаги «номекс-410» составляет 200°С (бумаги из целлюлозных волокон - 105°С). Электрическая прочность при 200°С составляет не менее 95 % прочности при 20°С. Расчетная средняя напряженность при рабочем напряжении, рекомендуемая фирмой, равна 1,6 кВ/мм; для бумаги «номекс-418», в состав которой входит слюда (50%) - 3,2 кВ/мм. При такой напряженности обеспечивается высокая стойкость в отношении частичных разрядов. Старение характеризуется такими цифрами: при температуре 220°С пробивная напряженность бумаги «номекс-410» толщиной 0,25 мм снижается с 32 кВ/мм до 12 кВ/мм в течение 2 *10+5 ч (более 22,8 лет). Влагосодержание мало влияет на электрическую прочность. Арамидная бумага имеет меньшую, чем целлюлозная, диэлектрическую проницаемость - 1,6 при толщине бумаги 0,05 мм, 2,7 при 0,25 мм и 3,7 при 0,76 мм (по сравнению с 4,5 у целлюлозной), что обеспечивает снижение напряженности поля в масляных или воздушных каналах, прилегающих к обмотке. Недостаток арамидной изоляции - высокая стоимость, из-за которой она применяется в основном в сухих трансформаторах.
В обмотках трансформаторов малой мощности при небольших напряжениях на одном витке и, следовательно, на витковой изоляции применяются провода с эмалевой изоляцией. Эмали могут работать как в масляных, так и в сухих трансформаторах. В последних используются эмали с высокой нагревостойкостью, имеющие допустимую температуру 200 - 220°С.
В сухих трансформаторах также применяются провода со стеклоизоляцией (допустимая температура 180°С).
Электрический ток распределяется по сечению проводника неравномерно - проявляется поверхностный эффект. Поэтому применять проводники большого сечения неэкономично. Прямоугольный провод с бумажной изоляцией имеет наибольшие размеры проводника 4,25×19,5 мм2. Наибольшая допустимая плотность тока (средняя по сечению) не превышает 3-3,5 А/мм2, т.е. максимальный ток в проводнике не может быть больше 250-300 А.
При больших токах обмотка наматывается из нескольких проводов, соединяемых параллельно. Если параллельные провода размещаются в радиальном направлении, то их длина, активное и индуктивное сопротивления будут различны, что приведет к неравномерному распределению тока по параллелям, если не принять специальных мер. Такими мерами является транспозиция проводов, выполняемая по ходу обмотки, в результате которой провода меняются местами, и их сопротивления выравниваются.
Изоляция между расположенными рядом параллельными проводами может быть уменьшена, поскольку напряжение между ними отсутствует. При этом можно уменьшить радиальный размер обмотки и улучшить ее охлаждение. Это достигается применением подразделенных проводов марок ПБП и ПБПУ. Подразделенный провод состоит из нескольких элементарных проводников (от двух до четырех), каждый из которых имеет свою изоляцию небольшой толщины (обычно 0,45 мм на две стороны), и все вместе изолируются общей изоляцией, обеспечивающей необходимую электрическую прочность между витками (рис. 1).
Рис. 1. Подразделенный провод.
1 – элементарный проводник, 2 – изоляция элементарного проводника, 3 - общая изоляция.
Рис. 2. Транспонированный провод.
1 – элементарный проводник, 2 – бумажная изоляция между рядами, 3 – общая изоляция
Для облегчения намотки и упрощения конструкции обмоток с большим числом параллельных проводов применяется транспонированный провод марок ПТБ и ПТБУ. Он состоит из нечетного числа параллельных элементарных проводников с эмалевой изоляцией, расположенных в два ряда (рис. 2). Между рядами проложены полоски кабельной бумаги; поверх всех проводников накладывается общая изоляция из кабельной бумаги. При изготовлении провода выполняется транспозиция путем круговой перестановки элементарных проводников по прямоугольному контуру. Шаг транспозиции (полный цикл перестановки) составляет от 40 до 200 мм.
