Как перемотать трансформатор своими руками: личный опыт расчета и технология выполнения работы для начинающего мастера

Как перемотать трансформатор своими руками

Современные бытовые приборы используют трансформаторное преобразование электроэнергии в блоках питания. Домашнему мастеру приходится их периодически ремонтировать или переделывать.

На основе личного опыта электрика объясняю, как перемотать трансформатор своими руками в домашних условиях, имея минимум необходимого инструмента для работы.

Рассчитываю, что статья будет полезна в первую очередь начинающим электрикам, как полезная инструкция для работы с трансформаторными устройствами с частотой сигнала до 400 герц.

Перемотка трансформатора требует точного соблюдения технологии и правильного расчета его конструкции. При этом могут возникнуть различные ситуации.

Трансформаторы от старых телевизоров и радиоприемников

Самый простой случай произошел весной прошлого года, когда ко мне обратился сосед, работающий в авторазборке. У них отказал сварочный трансформатор.

Я определил межвитковое замыкание и порекомендовал им самостоятельно размотать обмотку, улучшить ее изоляцию и снова намотать на катушку. Сам процесс разборки поэтапно фотографировать. По этим фото проще собрать сварочник без ошибок.

К концу дня они с этой задачей справились. В качестве изоляции использовали офисную бумагу: нарезали ее на полоски и оборачивали каждый виток. Таким простым способом работоспособность была восстановлена. А сварочником они сейчас работают только под навесом.

Однако это частный случай. В большинстве ситуаций вам потребуются специальные методики, обеспечивающие оптимальный выбор соотношения параметров конструкции и выходных характеристик.

3 способа рассчитать характеристики трансформатора под конкретные нужды

Ниже привожу три методики расчета, любая из которых подойдет для ваших целей. Это:

  1. Расчет конструкции трансформатора по электротехническим формулам;
  2. Использование онлайн-расчета;
  3. Скачивание и применение компьютерной программы

Ручной расчет по формулам за 4 шага

Шаг №1: выбор мощности или магнитопровода

Трансформатор преобразует электрическую мощность первичной цепи во вторичную с какими-то потерями. При этом входная энергия передается магнитным потоком через сердечник, обладающий определенными магнитными свойствами.

Схема трансформатора

Его пропускные характеристики ограничены, их следует оптимально подбирать под конкретные условия работы с учетом конструкции сердечника.

Магнитопровод может быть изготовлен из штампованных пластин или броневых лент. Его замкнутую форму делают в виде кольца или прямоугольника (может быть с закругленными углами) либо сдвоенной фигурой из них с двумя окнами просвета.

Виды магнитопроводов трансформаторов

Два важных размера сердечника

Поперечное сечение сердечника по всему периметру делается одинаковым для создания равномерных условий прохождения магнитного потока. Исключением является сдвоенный магнитопровод, собираемый из Ш-образных пластин или созданный приложением двух прямоугольных сердечников из лент.

У него на удвоенную по площади среднюю часть монтируются обмотки, а магнитные потоки равномерно распределяются по боковым ответвлениям.

Выходная электрическая мощность и пропускные характеристики магнитного потока являются связанными величинами, влияют друг на друга. Поэтому выбор и расчет трансформатора при перемотке проводят по одному из двух вариантов:

  1. имея готовый магнитопровод, рассчитывают по нему вначале электрическую мощность, а затем остальную конструкцию;
  2. задавшись требуемой электрической мощностью и напряжением, подбирают под нее форму и поперечное сечение сердечника.

Для расчета связи между поперечным сечением магнитопровода Q (см кв) и входной мощностью трансформатора S (вт) применяются две эмпирические формулы, учитывающие его конфигурацию:

  1. Q=√S для кольцевых сердечников;
  2. Q=0,7√S для сдвоенных конструкций.

При этих вычислениях используются усредненные параметры электротехнической стали, позволяющие сделать трансформатор для бытовых целей.

Разницу между этими двумя формулами позволяет хорошо понять простой пример. Допустим, у нас есть железо от двух одинаковых сердечников прямоугольного сечения 0,8х2,5 см.

Поперечное сечение прямоугольного сердечника

Если наложить их друг на друга и намотать обмотки, то поперечное сечение будет 2,5х1,6=4,0 см кв.

Наложение двух сердечников

При стыковке по Ш-образному принципу оно не изменится: 5,0х0,8=4,0.

Соединение сердечников по Ш-образному принципу

Но, в первом случае получим мощность S=QхQ=4,0х4,0= 16 ватт, а во втором — она возрастет S= QхQ/0.49=16/0,49=32.6 ватта.

Таким образом: только за счет изменения формы магнитопровода можно увеличить входную мощность трансформатора на 49%.

Шаг №2: расчет выходной мощности по входной величине

Опытным путем давно установлена закономерность потерь электрической энергии в конструкциях различных сухих трансформаторов. Она представлена следующей таблицей.

КПД и мощность трансформатора

Хорошо просматривается закономерность: с увеличением электрической мощности снижаются общие потери, а КПД возрастает.

Эта таблица позволяет очень просто вычислять выходную мощность по входной величине за счет ее умножения на выбранный КПД.

Шаг №3: выбор напряжений и расчет токов в обмотках

При перемотке трансформатора его создают на конкретные величины напряжений первичной и вторичной цепей. Например: 220/12, 220/24, 220/36 вольт и другие подобные.

Значения мощности на входе и выходе мы уже определили. Теперь можно посчитать рабочие токи, которые будут протекать в каждой обмотке. Для этого достаточно мощность в ваттах поделить на напряжение в вольтах. Вычислим ток в амперах.

Под него требуется подобрать медный провод, который хорошо справится с температурной нагрузкой, вызванной протеканием рабочего тока.

Шаг №4: расчет поперечного сечения провода

Берем за основу соотношение плотности тока в медном проводе катушки, лежащей в пределах 1,8-3 ампера на 1 мм квадратный поперечного сечения. Ему соответствует эмпирическое выражение D=0,8√I.

В шаге №3 токи нами рассчитаны, остается по приведенной формуле рассчитать диаметр медной проволоки. Ее можно немного увеличить или уменьшить.

Но, при уменьшении сечения станет возрастать нагрев трансформатора при работе. Тогда потребуется применять меры к его охлаждению или делать частые перерывы.

Увеличенный же диаметр может создать ситуацию, когда площади свободного окна в сердечнике для укладки всех витков провода банально не хватит. Этот вариант стоит просчитать заранее.

Шаг №5: как рассчитать количество витков каждой обмотки

Если приложить напряжение к отрезку выпрямленной проволоки, то маленькая величина активного сопротивления создаст аварийный режим: огромный ток короткого замыкания.

Когда провод намотан вокруг сердечника, то катушка создает индуктивное сопротивление для переменного тока, которое увеличивается с повышением числа витков.

Эту зависимость принято учитывать вольтамперной характеристикой обмотки. Рабочая зона выбирается на верхнем участке, но до начала точки перегиба ВАХ, когда даже незначительное прибавление напряжения вызывает резкое повышение тока, что в большинстве случаев недопустимо.

Вольт-амперная характеристика обмотки

На этапе расчета нам достаточно воспользоваться опять же эмпирическим коэффициентом ω’, выражающим соотношение между количеством намотанных витков и приложенных к ним вольт.

Этот показатель зависит от магнитного сопротивления сердечника и его поперечного сечения.

Для неизвестной марки электротехнической стали рекомендую использовать отношение 45/Q, где поперечное сечение магнитопровода Q берется в сантиметрах квадратных.

Как рассчитать витки трансформатора

Дальше просто коэффициент ω’ умножаем на выбранное количество вольт и получаем число витков, которые нужно намотать.

Шаг №6: проверка свободного места в окне магнитопровода

Расчет необходим для исключения ошибок при намотке. Он позволяет уточнить емкость окна для монтажа катушки с проводом, наличие резерва пространства и плотность укладки.

Зная диаметр проволоки и количество витков, считают общее пространство, которое они займут при очень плотной укладке. Далее этот показатель следует увеличить на 30-40%. Созданный резерв уйдет на дополнительные слои изоляции и неровности проволоки, «кривые руки».

Онлайн расчет трансформатора: простая методика

Все перечисленные выше данные можно получить проще. Например, достаточно воспользоваться онлайн расчетом.

Один из его вариантов можно взять здесь. Описание работы приведено прямо в статье.

Онлайн калькулятор трансформатора

Компьютерная программа для пересчета трансформатора

В любом поисковике достаточно набрать PowerTrans и нажать кнопку «Найти».

PowerTrans

Мой Яндекс показывает ее на первой позиции. Дальше остается скачать программу на свой компьютер и пользоваться ей. Интерфейс простой и понятный.

Я рекомендую при расчете пользоваться всеми тремя методиками, ибо они довольно простые и, к тому же, помогут устранить случайные ошибки.

Как собрать трансформатор: проверенные технологии

Работа состоит из двух отдельных этапов:

  1. монтажа сердечника;
  2. намотки катушки.

Их последовательность меняется в зависимости от конструкции магнитопровода.

Как мотать обмотки проводом: 2 способа

Смонтировать обмотку с проводом вокруг сердечника можно двумя способами:

  1. Намоткой витков прямо на изолированный лентами не разъемный магнитопровод с равномерной укладкой их вручную.
  2. Созданием катушки с обмоткой и вставкой в нее разъемных пластин.

Первый способ более трудоемкий. Им пользуются для тороидальных магнитопроводов, выполненных из сплошных лент электротехнической стали.

Железо сердечника обматывают полосками изоляционного материала, например, лакотканью или бумагой, добиваясь сглаживания острых углов на профиле тора.

Для промышленных целей созданы специальные намоточные станки.

Намоточный станок

Для домашнего применения это затратный способ. Здесь поступают проще: длинный отрезок толстого провода сворачивают змейкой (порядка метра) и, продевая его через внутреннее окно сердечника, укладывают витки руками.

Намотка тороидального трансформатора

Тонкий провод удобнее разместить на челноке из дощечки или толстой проволоки и просовывать его внутрь отверстия.

Каждый слой обмотки покрывают слоем изоляции.

Второй способ применяют для разборных сердечников, собираемых стыковкой отдельных П- или Ш-образных пластин.

Под катушку делают каркас из изоляционного материала. Им может служить картон электротехнический, гетинакс, стеклотекстолит. Одна из форм показана ниже.

Каркас катушки для трансформатора

Во внутреннюю полость должны свободно входить пластины сердечника, а снаружи каркаса мотается провод. В верхней крышке с каждой стороны делают отверстия для вывода концов.

Мотать витки можно вручную или сделать простейший намоточный станок, значительно облегчающий эту работу.

Показываю два самодельных варианта его исполнения фотографиями ниже.

Самодельный намоточный станок

Намоточный станок своими руками

Такую конструкцию легко собрать из дощечек, придав ей форму перевернутой скамеечки. Счетчик числа оборотов, то есть количества витков, сейчас удобно делать из старого калькулятора.

Доработка калькулятора

Для этого вскрывают его корпус и к контактам кнопки «Равно» припаивают аккуратно проводки. Их вторые концы выводят на геркон, который закрепляют на стойке намоточного станка около оси вращения. Против нее на вращающейся части монтируют небольшой магнит.

Каждый оборот вала сопровождается прохождением магнита рядом с герконом и срабатыванием последнего. Замыкание контакта сопровождается показанием очередной цифры на табло.

Витки обмотки необходимо укладывать ровными рядами, как это делали в советское время, ценя качество работы, и прокладывать каждый слой изоляционной бумагой.

Заводская намотка

Часть самодельщиков практикует намотку «внавал», создавая общую массу без всякой дополнительной изоляции по принципу: и так работает.

Намотка внавал

Действительно: работает, но не длительное время. На многочисленных перегибах создаются узлы с дополнительными механическими усилиями. Динамические нагрузки от магнитных потоков, нагрев провода ослабляют изоляцию в этих точках.

Она пробивается со временем, создается межвитковое замыкание. Трансформатор утрачивает необходимые рабочие характеристики, выходит из строя.

Очень хорошо в качестве изоляции слоев подходит тонкая бумага для выпечки, выпускаемая для изготовления кулинарных изделий.

Бумага для выпечки

Из нее просто вырезают канцелярским ножом полоски по ширине проема катушки и прокладывают ими каждый слой.

Тонкий провод требует очень аккуратного обращения, он может порваться от небольшого случайного рывка. Если витков намотано мало, то его лучше заменить. Но, вполне допустимо зачистить изоляцию, скрутить и пропаять скрутку, а затем повторно ее заизолировать.

Когда место внутри катушки ограничено, то оборванный конец и его продолжение выводят за каркас и там делают соединение. Имеет смысл в этом случае посадить его на индивидуальную клемму: можно будет использовать в качестве отдельной отпайки для снятия части напряжения или проверок.

Силовые обмотки трансформаторов зарядных устройств, сварочных аппаратов могут подвергаться повышенным нагревам. Поэтому их изоляцию полезно усиливать пропиткой жидкого стекла. Это обычный силикатный клей, которым клеят бумагу.

Однако такая технология выполняется долго: каждый слой после пропитки необходимо просушить. Зато работать он будет надежно и долго. Поэтому так поступают только для самых ответственных устройств.

Обмотки, создаваемые по принципу внавал, можно усиливать пропиткой специальным лаком с электроизоляционными свойствами, например, марки МЛ-92. Пропитку наносят периодически в процессе работы на несколько слоев провода и дают ей возможность просохнуть.

Пользоваться нитролаком, клеями, эпоксидными шпаклевками не стоит. Они могут разъесть заводской слой изоляции и не подходят по линейному коэффициенту расширения при нагреве для меди: будут создаваться дополнительные механические нагрузки.

Пропитка витков после окончательной намотки катушки бесполезна: жидкий лак просто не проникнет вглубь обмотки.

Как монтировать пластины магнитопровода: на что обращать особое внимание

Вначале рекомендую взять в руки одну пластину и рассмотреть ее. Вы заметите с двух противоположных сторон разные цветовые оттенки. Это связано с изоляцией железа лаком. Бывает, что его наносят только с одной стороны.

Пластины надо вставлять так, чтобы слои лака постоянно чередовались, а не совпадали по окраске.

Особенности разборки сердечника

Электротехническая сталь мягкая, а в собранном сердечнике она плотно сжата. Часто для крепления используются клинья из стеклотекстолита, уплотняющие свободное пространство. Их при разборке следует вытащить или выбить.

Только после этого извлекают первую пластину. Если она плотно сидит и не достается, то ее вначале отделяют тонким лезвием ножа, а затем выбивают с помощью молотка и металлической плоской планки. Можно воспользоваться лезвием простой отвертки.

Особенности сборки сердечника

Основные пластины поочередно вставляют снизу и сверху катушки до полного заполнения ее внутреннего пространства. Затем к ним добавляют дополнительные вставки и сбивают на плоском твердом предмете легкими ударами молотка.

Необходимо добиться плотного прилегания всех стыков, чтобы исключить потери магнитного потока при его протекании по сердечнику.

В большинстве разборных магнитопроводов их конструкция стягивается крепежными болтами или винтами. Они должны быть надежно изолированы от пластин сердечника.

С этой целью достаточно вырезать из плотного картона плоские шайбы, а сами винты обернуть полосками бумаги.

Изоляция винтов

Изоляция магнитопровода

Даже такая простая изоляция предотвратит потери электроэнергии на создание вихревых токов.

Все винты крепления следует хорошо прожать. Корпус трансформатора при работе подвергается действию динамических сил от протекающего по нему магнитного потока.

Плохо сжатый магнитопровод будет гудеть, издавать повышенные шумы, передавать дополнительные усилия на обмотку. Допускать этого нельзя. Сердечник должен быть собран очень плотно.

Электрические замеры: важный этап проверки работоспособности собранной конструкции по науке

Перемотка трансформатора должна обязательно закончиться оценкой его электрических характеристик. Необходимо проверить:

  1. сопротивление изоляции;
  2. параметры холостого хода:
  3. работу под нагрузкой.

Сопротивление изоляции

Величину оценивают мегаомметром с напряжением 500-1000 вольт между:

  • обмотками;
  • обмотками и магнитопроводом;
  • винтами крепления и сердечником.

Замер сопротивления мультиметром в режиме омметра может выявить только явно выраженные дефекты. Определить скрытые неисправности им не получится.

Оценка холостого хода

При включении питания на первичную обмотку с разомкнутыми выходными цепями проверяют коэффициент трансформации замером напряжения на силовой цепи и ток холостого хода в первичной обмотке.

Если выходное напряжение окажется ниже расчетного, то потребуется домотать витки во вторичную обмотку. Их количество поможет определить вычисленный коэффициент трансформации.

Его величина 100-150 миллиампер при пропорционально приложенной мощности для каждых 100 ватт считается допустимой. Если же ток будет больше, то изделие не должно длительно работать. Ему надо делать перерывы и контролировать нагрев.

Проверка под нагрузкой снятием вольтамперной характеристики

Потребуется собрать такую простенькую схему.

Схема проверки ВАХ трансформатора

На ее основе:

  • к выходным цепям подключается рабочая нагрузка;
  • на вход от источника переменного напряжения, например, лабораторного автотрансформатора подается регулируемое питание, контролируемое вольтметром. Ток в цепи оценивают амперметром;
  • напряжение поэтапно поднимают от нуля до какой-то конкретной величины, не забывая размагничивать сердечник;
  • на контрольных точках оценивают ток и напряжение в обмотке;
  • по полученным данным строят вольтамперную характеристику и определяют точку перегиба ВАХ.

Такая проверка под нагрузкой позволит сделать окончательный вывод о качестве собранного трансформатора и дать заключение на его дальнейшую эксплуатацию.

Ее удобно выполнять на специализированном оборудовании, например, Ретом-11М.

Ретом-11М

Электрические проверки перемотанного трансформатора под нагрузкой должны выполняться до его включения в постоянную работу. Они позволят исключить все допущенные ошибки и выявить дефекты сборки.

Если у вас еще остались вопросы, как перемотать трансформатор своими руками, то рекомендую посмотреть видеоролик владельца Сделал Сам.









Напоминаю, что свои вопросы и замечания вы можете оставлять в разделе комментариев. Я на них всегда отвечаю.

Ссылка на основную публикацию