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El transformador, cuya historia ha existido durante casi un siglo y medio, ha servido fielmente a la humanidad durante todo este tiempo. Su finalidad es la conversión de tensión CA. Este es uno de los pocos dispositivos, cuya eficiencia puede alcanzar casi el 100%.
Esquema de bobinado del transformador de soldadura.
Cómo calcular y enrollar los devanados del transformador, cuál puede ser su núcleo, cuáles son las características de diseño de los transformadores para varios propósitos, cómo funcionan, preguntas que pueden ser de interés para muchos. A continuación se presentan las respuestas a la mayoría de estas preguntas.
¿Qué es un transformador?
Un poco de historia
En la década de 1870, el científico ruso P.N. Yablochkov inventó la fuente de luz del arco eléctrico: la “vela Yablochkov”. Inicialmente, las fuentes de energía del arco eran potentes baterías galvánicas, pero los ánodos en este caso se quemaron más rápido. Luego, el científico decidió usar el alternador como la fuente actual para su invención.
En este caso, surgió otra dificultad: después de encender una vela eléctrica, debido a la disminución del voltaje en los terminales del generador, la ignición de otras lámparas fue difícil. El problema se resolvió cuando se utilizó un transformador para alimentar cada fuente de luz. Estos primeros transformadores tenían núcleos abiertos de haces de cables de acero y, como resultado, tenían baja eficiencia. Los transformadores con núcleos cerrados, similares a los modernos, aparecieron solo después de 9 años.
¿Cómo funciona el transformador y cómo funciona?
Figura 1. Diagrama del transformador más simple.
El transformador más simple es el núcleo de una sustancia con alta permeabilidad magnética y dos devanados enrollados a su alrededor (Fig. 1a). Cuando pasa a través del devanado primario de corriente alterna con una fuerza de I 1, surge un flujo magnético variable Φ en el núcleo, que penetra en los devanados primario y secundario.
En cada uno de los giros de estos devanados es el mismo para el valor numérico de la fem inducida. Así, la relación de la FEM en los devanados y giros en ellos es la misma. Al ralentí (I 2 = 0), los voltajes en los devanados son casi iguales a la fem inducida en ellos, por lo tanto, la siguiente relación también se cumple para los voltajes:
U 1 / U 2 ≈ N 1 / N 2, donde
N 1 y N 2 - el número de vueltas en los devanados.
La relación U 1 / U 2 también se denomina coeficiente de transformación (k). Si U 1 > U 2, el transformador se llama step-up (Fig. 1b), mientras que U 1 <U 2 - step-down (Figura 1c). El primer transformador tiene una relación de transformación más alta y el segundo tiene menos de uno.
El mismo transformador, dependiendo de a qué bobina se aplica y de qué tensión se elimina, puede ser hacia arriba o hacia abajo. El devanado secundario no es necesariamente uno, puede haber varios. De la igualdad de poder en los devanados, se deduce que las corrientes en ellos son inversamente proporcionales al número de vueltas:
I 1 / I 2 ≈ N 2 / N 1.
Si el devanado secundario es un componente del primario (o primario - secundario), el transformador se convierte en un autotransformador. En la fig. 1d y 1d se muestran diagramas de, respectivamente, autotransformadores reductores y ascensores.
El diseño de transformadores para soldadura por puntos de cobre.
Un campo magnético alterno provoca la formación de corrientes de Foucault en el núcleo, que lo calientan, en el que se desperdicia parte de la energía. Para reducir estas pérdidas, los núcleos se reclutan a partir de hojas de acero de transformador especiales, aisladas unas de otras, con baja inversión de energía.
Más a menudo en los transformadores modernos se utilizan circuitos magnéticos de tres tipos:
- Varilla (en forma de U), que consiste en dos varillas con devanados y un yugo que las conecta. Así es como se organizan los núcleos de los transformadores de alta potencia.
- Blindado (en forma de W). El núcleo magnético es un yugo, en cuyo interior hay una varilla con un devanado. El yugo protege cada bobinado del transformador de influencias externas, de ahí el nombre. Se utiliza con mayor frecuencia en transformadores de baja potencia para circuitos electrónicos.
- Toroidal: el núcleo magnético en forma de toro consiste en una cinta transformadora enrollada con un rollo denso. Ventajas: peso relativamente bajo, alta eficiencia, interferencia mínima. La desventaja es la complejidad del bobinado.
¿Cómo calcular el transformador?
Transformador de soldadura para soldadura de arco.
Los parámetros más importantes del transformador son los valores nominales de las corrientes y voltajes y la potencia para la que está diseñado. La precisión absoluta en el cálculo de las características del transformador para estos parámetros no importa mucho, por lo que puede limitarse a valores aproximados.
La secuencia de cálculos es la siguiente:
- Cálculo de la corriente a través del devanado secundario teniendo en cuenta las pérdidas: I 2 = 1.5 * I 2n, donde I 2n es la corriente nominal en el mismo.
- Cálculo de la potencia eliminada del devanado secundario: P 2 = U 2 * I 2, donde U 2 es la tensión a través de él. Si tal bobinado no es uno, entonces el resultado es la suma de sus poderes.
- Determinación de la potencia resultante: P T = 1.25 * P 2 con una eficiencia de alrededor del 80%.
- El cálculo de la corriente a través del devanado primario del transformador: I 1 = P T / U 1, donde U 1 es la tensión a través de él.
- El área de la sección requerida del circuito magnético: S = 1.3 * √P T, donde S se mide en cm 2 .
- El número de vueltas para el devanado primario del transformador: N 1 = 50 * U 1 / S, donde S se mide en cm 2 .
- El número de vueltas para su devanado secundario: N 2 = 55 * U 2 / S, donde S se mide en cm 2 .
- El diámetro de los conductores de cualquiera de los devanados del transformador: d = 0.632 * √I, donde I es la resistencia actual en él. La fórmula es correcta para el alambre de cobre.
Por ejemplo, el devanado secundario de un transformador incluido en una red de 220 voltios debería producir una corriente de 6.7 A a un voltaje de 36 V. Calcule los parámetros del transformador.
Las partes principales del diseño del transformador.
- I 2 = 1.5 * 6.7 A = 10 A.
- P 2 = 36 V * 10 A = 360 vatios.
- P T = 1, 25 * 360 W = 450 W.
- I 1 = 450 W / 220 V ≈ 2 A.
- S = 1.3 * √450 (cm 2 ) ≈ 25 cm 2.
- N 1 = 50 * 220/25 = 440 vueltas.
- N 2 = 55 * 36/25 = 79 vueltas.
- d 1 = 0.632 * √2 (mm) = 0.9 mm, d 1 = 0.632 * √10 (mm) = 2 mm.
Si no hay cables del diámetro requerido, entonces se puede reemplazar un cable grueso con varios más delgados conectados en paralelo. El área de la sección transversal del conductor con un diámetro d se puede calcular mediante la fórmula: s = 0.8 * d 2 .
Por ejemplo, necesita un cable con un diámetro de 2 mm, y solo hay un conductor con un diámetro de 1, 2 mm. El área de la sección transversal del cable deseado es s = 0.8 * 4 (mm 2 ) = 3.2 mm 2, el área del cable, calculada utilizando la misma fórmula, es de 1.1 mm 2 . Es fácil comprender que un conductor con un diámetro de 2 mm se puede reemplazar por tres con un diámetro de 1, 2 mm.
Fabricación de transformadores
El proceso de fabricación de un transformador de potencia consiste en una serie de operaciones secuenciales.
Montaje de bastidores de bobina para núcleo o armadura.
Figura 2. Esquema de montaje del bastidor para el transformador.
Un material bastante conveniente para ensamblar estos marcos es el cartón o el tablero de prensa. Un marco aún más fuerte puede ser de plástico. El ensamblaje del marco se muestra en la Fig. 2a Se ensambla a partir de las piezas que se muestran en las Figuras 2b-2g. Se debe hacer de dos copias de cada parte. Los agujeros en las mejillas (g) están destinados a conclusiones.
El procedimiento de montaje del marco:
- dos mejillas se superponen entre sí;
- las partes (b) están incrustadas en sus ventanas y se diluyen, una arriba, la segunda abajo;
- las partes (c) se instalan de modo que sus proyecciones coincidan con las muescas de las partes (b).
El marco resultante es lo suficientemente fuerte y ya no se desmorona. Antes de enrollar las bobinas, las juntas se preparan con anticipación (Fig. 2e) hechas de tiras de papel para cables. Las tiras se cortan cuidadosamente a lo largo de los bordes hasta una profundidad de varios mm. Estos cortes, junto a los pinceles, protegerán los giros de la siguiente capa para que no caigan en la anterior.
Bobinas de bobina
Figura 3. Diagrama del bucle para la bobina.
Antes de enrollar, es necesario preparar secciones de alambre flexible trenzado en aislamiento resistente al calor para cables y secciones de cambric resistentes al calor. El enrollado se realiza de manera que el cable se ajuste con cierta tensión a la vuelta a la vuelta. Las bobinas posteriores deben presionar las anteriores. Para evitar el enrollamiento de las bobinas cerca de la mejilla, es aconsejable que la siguiente fila no se dibuje unos mm antes, rellenando las áreas libres con cuerdas o hilos.
Después de completar el enrollado de cada fila, la tensión del cable debe mantenerse de modo que al colocar una tira de papel del cable, la parte enrollada no se abra. Tales juntas deben colocarse después de cada capa.
Si el cable enrollado es delgado, las secciones preparadas del cable flexible se sueldan cuidadosamente al principio y al final del enrollado, así como a las salidas del mismo. El lugar de la espiga está aislado. Si el cable del imán es lo suficientemente grueso, los cables y los codos (en forma de bucles) están hechos del mismo cable. Tanto las conclusiones como las curvas deben llevarse con segmentos de cambric.
El bucle (Fig. 3a) se pasa a través del orificio de la tira doblada de papel grueso o cinta de algodón, que se aprieta después de presionarlo en los siguientes giros (Fig. 2b). Un ejemplo de una rama de un cable de bobinado delgado se muestra en la fig. 2c.
Aproximadamente de la misma manera, los extremos del bobinado están hechos de alambre grueso, pero solo se usa una cinta de algodón. El esquema de fijación del comienzo del devanado se muestra en la Fig. 2g, de su extremo - en la fig. 2d
Y unas pocas palabras sobre cómo enrollar el bobinado de un transformador toroidal. Por lo general, para su enrollado, se utilizan lanzaderas caseras, en cuya superficie se enrolla un suministro suficiente de alambre. La lanzadera con el cable debe pasar por el orificio del circuito magnético toroidal.
Figura 4. Diseño de llanta de bicicleta.
Es mucho más fácil terminar con el dispositivo, que se basa en el borde de la rueda de la bicicleta (Fig. 4). El borde se corta en un lugar y se pasa a través del agujero en el circuito magnético, después de lo cual las partes cortadas se unen cuidadosamente. Luego se enrolla un cable de bobinado de la longitud requerida en su superficie exterior con un pequeño margen. Para mayor comodidad, la llanta se puede colgar con su parte superior en un clavo martillado, un pasador o alguna otra suspensión adecuada. Es conveniente fijar el cable enrollado con un anillo de goma adecuado.
El devanado se enrolla debido a la rotación de la llanta. Después de cada vuelta, mueva el anillo de goma a la distancia apropiada. Las bobinas deben colocarse con cuidado, con tensión. Las conclusiones y los grifos se pueden formar de la misma manera que en las bobinas mencionadas anteriormente. Cada capa y devanado deben estar separados por una capa de aislamiento. En la parte superior de la última capa, el transformador se envuelve con cinta protectora y se empapa con barniz.
Extremo de montaje del transformador
Diagrama de un transformador monofásico.
Cuando las bobinas están listas, el núcleo o armadura se ensambla. Debe intentar hacer los espacios magnéticos más estrechos posibles, para lo cual el ensamblaje debe hacerse en la tapa. Continúa hasta que toda la ventana se llena. Las placas finales a menudo tienen que ser martilladas con un martillo de madera o un forro de madera.
Al final del ensamblaje, el núcleo se sella, se enrosca el yugo o se aprieta, si las placas tienen agujeros correspondientes, con pasadores, que están aislados del núcleo mediante tubos de cartón o varias capas de papel. En los extremos de los espárragos, se colocan arandelas aislantes eléctricas y convencionales y se atornillan las tuercas con las que se aprieta el núcleo. Un núcleo mal comprimido zumbará fuertemente y vibrará.
Compruebe el transformador fabricado
Esquema de la máquina para bobinados transformadores.
En primer lugar, utilizando un medidor de megohm, mida la resistencia entre los devanados individuales, así como entre el núcleo y los devanados. No debe ser inferior a 0.5 mamá. Si no hay un medidor de megohm, puede evaluar estas resistencias con un medidor ordinario. Debería mostrar el infinito.
Después de verificar el aislamiento, el devanado primario del transformador recibe una tensión igual a la mitad de la nominal. Puede utilizar, por ejemplo, Latte. Si el producto no fuma, no zumba, no se calienta mucho, se aplica una tensión nominal al devanado primario.
Sin una carga, la corriente en el devanado primario del transformador no debe ser más del 5-10% de su valor nominal. El transformador en sí no debe estar muy caliente y zumbar ruidosamente. Si el zumbido es fuerte, debe jalarlo aún más fuerte o colocar placas de madera o de plástico en el espacio entre las placas.
Para la prueba final, la carga nominal está conectada al transformador, se verifican los voltajes en todos los devanados. Si todo es normal, el transformador se mantiene bajo carga durante 3-4 horas. Si no hay zumbido, no hay olor a quemado y el transformador no se calienta a más de 70 ° C, la prueba puede considerarse exitosa.
No siempre a la venta se puede encontrar un transformador con los parámetros necesarios.