11 р

л . 31

о

с

к

с

ы л

Магнитное поле будет меняться так же, как меняется переменный ток с частотой 50 Гц. При этом линии магнитного поля будут пронизывать витки обеих катушек и в них будут наводиться э. д. с, а на концах катушек появится напряжение. Но катушки имеют разные числа витков. Поэтому напряжение вторичной катушки U2 будет во столько раз меньше напряжения первичной катушки С/, во сколько раз число витков вторичной катушки W2 меньше числа витков первичной катушки Wi. Это отношение называется коэффициентом трансформации k:

k = UJU2 = wjw.

Здесь мы встречаемся с замечательным явлением, иа принципе которого строятся многие электрические машины и аппараты. Хотя вторичная катушка и не соединена с первичной, в ней по закону индукции наводится э. д. с. Связь между катушками осуществляется через магнитное поле.

До сих пор рассматривали трансформатор с разомкнутым рубильником 5 в цепи вторичной катушки. Такое состояние трансформатора называется холостым ходом, потому что он не совершает никакой полезной работы. Ток в первичной катушке является почти целиком реактивным, создающим магнитное поле.

Теперь замкнем рубильник. Во вторичной катушке будет проходить ток, и электродв^1гатель 6 начнет вращаться. Таким образом будет происходить передача энергии от первичной катушки к вторичной. Откуда возьмется эта энергия? Очевидно, она должна поступать из осветительной сети в первичную катушку. После замыкания рубильника ток в первичной катушке должен возрасти, так как теперь электродвигатель 6 начал потреблять энергию. Связь между первичной и вторичной катушками совершается через магнитное поле сердечника. По закону Ленца ток во вторичной катушке всегда направлен противоположно току первичной катушки, поэтому он стремится размагнитить сердечник. Но как только начнет уменьшаться магнитный поток, произойдет уменьшение индуктивного сопротивления первичной катушки и сила тока в ней по закону Ома увеличится.

Таким образом, сумма намагничивающих сил обеих катушек все время остается неизменной и равна намагничивающей силе первичной катушки при холостом ходе трансформатора, магнитный поток также остается не-

нзменным. Действительно, если начать тормозить якорь электродвигателя, будет расти потребляемый им ток, получаемый от вторичной катушки, и одновременно увеличится ток первичной катушки.

На рис. 6-1 изображена первичная катушка, состоящая из 5 витков. Между тем в трансформаторах для сети 127 В число витков первичной катушки составляет около 1000, а для сети 220 В - около 1600. Для чего же требуется такое большое число витков? Дело в том, что индуктивное сопротивление катушки пропорционально квадрату числа витков. Если мы уменьшим число витков, то сильно увеличится магнитный поток. Но для увеличенного потока потребуется-сердечник с большим сечением. Таким образом, при расчете трансформатора медь катушки и железо сердечника могут заменять друг друга. Если взять большое число витков, то можно снизить сечение сердечника и, наоборот, при уменьшении числа витков необходимо увеличить сечение сердечника.

Мощность, забираемая из сети первичной катушкой, несколько больше мощности в цепи вторичной катушки. Разность мощностей расходуется на покрытие потерь в трансформаторе.

6-2. конструкция

Трансформатор состоит из двух основных частей: катушек и сердечника. В процессе изготовления сначала на жесткий каркас наматывают катушки, а затем в отверстие каркаса вдвигают листы сердечника. На рис. 6-1 первичная и вторичная катушки трансформатора условно показаны на разных сторонах сердечника для удобства объяснения принципа работы.

В действительности трансформаторы так не делают, потому что между катуЩ-ками окажется слабая электромагнитная связь, поскольку большое число силовых линий будет замыкаться через воздух, окружающий магнитный сердеч- 6-2, Конструкция тра.ис ник. Эти силовые линии об- форматора.

разуют магнитный поток рассеяния, поэтому обе катушки помещают на одной стороне сердечника (рис. 6-2). Часть сердечника, на которую надеты катушки, называется стержнем. Если катушки намотаны на общем каркасе, то сначала наматывают первичную катушку, а затем вторичную, отделенную от нее слоями изоляции. Если каждая катушка наматывается на свой каркас, то их располагают на сердечнике одну над другой.

Сердечники трансформаторов заводского изготовления собирают из штампованных листов П-образной или Ш-образной формы. Такие листы получают посредством штамповки, что трудно выполнимо в самодельных трансформаторах. Поэтому при отсутствии штампованных листов от старого заводского трансформатора сердечники собирают из прямоугольных листов толщиной 0,5 мм, которые можно нарезать из обычного кровельного железа (рис. 6-2). Для уменьшения потерь от вихревых токов листы сердечника оклеивают с одной стороны тонкой папиросной бумагой или покрывают слоем лака при помощи кисти.

При сборке сердечника трансформатора из плоских листов принимают меры, чтобы он после сборки не рассыпался на отдельные части. Этого добиваются переслаиванием листов, которое в производстве называют шихтовкой. При этом стыки между листами в различных слоях располагаются по-разному. Например, на рис. 6-2 во всех нечетных слоях расположение стыков листов изображено сплошными линиями, а в четных слоях стыки располагают со сдвигом на ширину полосы. Отдельные части сердечника скрепляют, обматывая их изоляционной лентой.

6-3. расчеты

Для расчета трансформатора надо задаться его мощностью. Трансформатор должен быть рассчитан не на номинальную мощность электродвигателя, а на полную потребляемую им мощность, которая всегда больше номинальной. Зависимость между этими величинами выражается формулой

S = -(6-1) Г1 COS ф

где S - мощность трансформатора, В-А; Р - номинальная мощность электродвигателя, Вт; ii- к. п. д. элек-

тродвигателя; cos ф - коэффициент мощности электродвигателя.

Зависимость между мощностью трансформатора и его размерами определяется по следующей формуле:

(6-2)

Разберем значения величин, входящих в эту формулу. С -площадь сечения стержня трансформатора, см. Сечение стержня имеет форму прямоугольника. Площадь сечения можно определить по формуле

С = abk, (6-3)

где й и 6 - размеры сторон сечения стержня, см; ко выражает плотность заполнения сечения железом.

Этот коэффициент учитывает изоляцию листов и воздушные промежутки между ними. Чем меньше толщина листов, тем больше число изоляционных прослоек и тем меньше значение коэффициента. При толщине листов 0,5 мм fee =0,9; при толщине листов 0,35 мм =0,85; при толщине листов 0,2 мм к^=0,8.

f -площадь окна сердечника трансформатора, т. е. произведение расстояния т между вертикальными частями сердечника на высоту стержня h, которые выражены в сантиметрах (рис. 6-2).

В числителе и знаменателе правой части формулы греческая буква ц выражает к. п. д. трансформатора, который при расчете можно принять ii = 0,75.

В -индукция в сердечнике трансформатора. Чем большая индукция взята при расчете, тем меньше будут размеры сердечника, но зато возрастут потери энергии в сердечнике и потребуется большой ток, чтобы создать магнитный поток. При расчете возьмем индукцию 1 Т.

-коэффициент заполнения площади окна трансформатора медными проводами. Этот коэффициент всегда меньше единицы, так как между сечениями круглых проводников остаются воздушные промежутки. Кроме того, часть площади окна занимают стенки каркаса, изоляционные прослойки между катушками и изоляция самих проводников. При расчете трансформатора будем принимать й„ = 0,3. Это означает, что в площади окна сердечника сумма сечений проводников составляет 30%. Последняя величина, стоящая в знаменателе (6-2), - плотность тока в обмотках трансформатора. Оче-

видно, что чем большую плотность тока мы будем брать, тем меньше будет сечение проводников. Но при увеличении плотности тока возрастет нагрев катушек.. Плотность тока в обмотках трансформатора берется значительно меньшей, чем в обмотках электродвигателей. Это объясняется тем, что В катушках трансформатора сосредоточено много витков и они хуже охлаждаются, так как отделены от окружающего воздуха и от сердечника слоями изоляции.При расчете будем принимать плотность тока в первичной катушке Ai = 2A/mm а во вторичной катушке А2=3 А/мм. Увеличенная плотность тока во вторичной катушке объясняется тем, что она имеет меньше витков и расположена снаружи, а следовательно, лучше охлаждается.

. Подставим числовые значения букв в правую часть формулы и произведем указанные в формуле действия. В результате получим число, равное произведению CF. Для определения значений каждой из этих величин воспользуемся соотношением между мощностью трансформатора и сечением сердечника. Оно выражается формулой

C = VS. (6-4)

Теперь можно рассчитать и площадь окна, см

f=. (6-5)

Размеры окна т и h можно определить из условия, что высота окна h примерно в 2-3 раза больше ширины окна т. Величины С п F определяют все размеры сердечника. Теперь можно перейти к расчету катушек трансформатора, т. е. чисел витков катушек и диаметра провода.

Число витков первичной катушки можно определить по фор.муле

2(ВС-т-\-

(6-6)

где Wi - чпсло витков первичной катушки; Uj-напряжение осветительной сети. В; В - индукция в сердечнике, Т; С - сечение сердечника, см; I]-длина среднего витка катушки, см; Ai - плотность тока, А/мм.

Все величины, входящие в эту формулу, уже известны из формулы (6-2), кроме /ь Как видно из рис. 6-3,

длина витка катушки состоит из двух прямолинейны-) участков а, двух прямолинейных участков Ь, которые являются сторонами сечения сердечника, и четырех закруглений радиусом г. Если сложить эти четыре закругле-ния, то получится полная окружность, развернутая дли- на которой равна 2яг. Величину радиуса принять г= = 0,25 т, где т - ширина окна по рис. 6-2. Тогда длина среднего витка, см,

1у = 2а + 2Ь + 2пг. (6-7)

Число витков вторичной катушки можно подсчитать, зная коэффициент трансформации. Например, если делают трансформатор для понижения напряжения сети 120 В в низкое напряжение 12 В, то коэффициент трансформации будет равен:

: Сшержгт.

Рис. 6-3. Средний виток катушки.

должно быть катушки, т. е.

(6-8)

вторичной ка-(6-9)

й= 120/12= 10.

Число витков вторичной катушки в k раз меньше числа витков первичной

Для определения диаметра провода тушки надо знать ток. А,

h = 5 Т/з-

Сечение провода вторичной катушки, мм,

S2=/2/A,. (6-10)

Полученное сечение является предварительным. Теперь надо по табл. 4-1 подобрать во втором столбце ближайшую величину сечения стандартного провода, а по первому столбцу этой же таблицы определить диаметр провода.

Ток первичной катушки определяется по аналогичной формуле, но при этом надо учесть, что часть тока затрачивается на покрытие внутренних потерь энергии в трансформаторе н на создание магнитного потока. Поэтому ток первичной катушки вычисляем по формуле

(6-1i;