4. О расчете трансформатора без медной обмотки и о путях его совершенствования

Наиболее доступным путем расчета нового трансформатора без медной обмотки является "расчет по аналогии" с традиционным трансформатором с медной обмоткой.

Для этого надо взять традиционный трансформатор с рабочими характеристиками близкими к параметрам желаемого нового трансформатора.

Например, Вам нужен трехфазный понижающий трансформатор с:

- входным напряжением U=220V, 50Hz,  

- выходным напряжением u=16V,

- током во вторичной обмотке I=230 mA.

Такой трансформатор традиционной конструкции уже есть (Тип:Ш12х16). Он имеет:

- первичную обмотку с числом витков N=2453,

- вторичную обмотку с числом витков  n=263,

- площадь сечения провода первичной обмотки  S_c =6,36(10^-3) mm²,

- площадь сечения провода вторичной обмотки s_c=8,55(10^-2) mm²,

- сечение меди первичной обмотки   S₁= NS_c =15,6 mm²,

- сечение меди вторичной обмотки   s₂ = ns_c =20,2 mm²,

- суммарное сечение этих обмоток    S_c = S₁ + s₂ = 35,8  mm²,

- площадь сечения сердечника магнитопровода для одной фазы (для трансформатора типа  Ш12х16) S_c1=192 mm².

При этом:

- удельная электропроводность меди M=57m/Ώ(mm²),

- удельная электропроводность трансформаторной стали C=5m/Ώ(mm²) и меньше.

Такая сталь не пригодна для изготовления нового трансформатора без медной обмотки. Желательной для этого является технически чистое железо (99,85%Fe). Такое железо имеет хорошие магнитные свойства и неплохую удельную электропроводность

T=(10÷11)m/Ώ(mm²).

В нашем случае электропроводность железа в 5,36 раза хуже, чем у меди. Поэтому сечение обмоток в новом трансформаторе должно быть больше в 5,36 раза, чем у традиционного трансформатора.

Сечение железной первичной обмотки

S_T1 = 5,36S₁ = 83,6 mm²

Сечение железной вторичной обмотки

S_T2 = 5,36s₂ = 108,3 mm²

Суммарное сечение первичной и вторичной обмоток

S_T = 5,36S_c = 191,9 mm²

или

S_T = S_T1 + S_T2 =191,9 mm²

Это хорошо согласуется с сечением магнитопровода (одной фазы) в традиционном трансформаторе (192 mm²). Это означает, что магнитные свойства железа должны быть не хуже,  чем у стали (оно так и есть).

Теперь мы можем определить сечение железного провода для нового трансформатора. Количество витков у традиционного и у нового трансформаторов - одинаковое.

Площадь сечения железного провода первичной обмотки:

S_T = S_T1/N= 3,4(10^-2)  mm²

или

S_T = 5,36S_c = 3,4(10^-2)  mm²

По-другому, диаметр железного провода первичной обмотки D = 0,208 mm².

Площадь сечения железного провода вторичной обмотки:

S_T = S_T2/n= 45,9(10^-2)  mm²

или

S_T = 5,36s_c = 45,83(10^-2)  mm²

Железный провод для первичной обмотки должен иметь традиционную лаковую изоляцию. Железный провод для вторичной обмотки должен быть набран из проводов для первичной обмотки в виде многожильного жгута. Это необходимо сделать для уменьшения вихревых токов Фуко в обмотках, выполняющих роль магнитопроводов.

Количество проводов в жгуте для вторичной обмотки

H = s_T / S_T ≈ 14

Традиционный трансформатор имеет окна для размещения обмоток. Для Ш12х16 сечение окна составляет 192 mm². Новый трансформатор также имеет технологические окна, необходимые для навивки обмоток с помощью челнока.

По этому размеры и вес традиционного и нового трансформаторов будут одинаковыми. (На самом деле, новый трансформатор будет легче на величину веса медной обмотки)

Если железные обмотки наматывать с помощью узкого и длинного челнока, а последние витки укладывать с помощью иглы. То есть протягивание и укладка провода в обмотку будет осуществляться проводом с иглой, а не с челноком, то необходимость в технологических окнах отпадает и новый трансформатор будет меньше и легче, чем традиционный.

Следует обратить внимание на то, что в новом трансформаторе для каждой обмотки две другие обмотки выполняют роль магнитопроводов, то есть для каждой фазы магнитный поток делиться на две части и замыкается через два магнитопровода, а не через один, как в традиционном. Это означает, что требования к магнитным свойствам железа в новом трансформаторе могут быть ниже (в два раза), чем требования у электротехнической стали в традиционном трансформаторе. По другому, если нам удастся улучшить электропроводность железа, то мы смогли бы еще уменьшить новый трансформатор, так как по магнитному потоку мы имеем двойной запас.

Дальнейшее уменьшение размеров и веса нового трансформатора может осуществляться  двумя путями:

1. Технически чистое железо заменить на химически чистое железо с более высокой электропроводностью.
2. Обеспечить эффективное охлаждение обмоток трансформатора, повысив при этом токовую нагрузку на провода пониженного сечения. Это возможно, потому что железо - термоустойчивее меди.

P.S. Основное изобретение, в этом ряду, было сделано во второй половине прошлого (XX) века и, на сей день, морально устарело. Надо делать все вовремя. Грядет новая эпоха новой энергетики и новых преобразователей энергии, среди которых места для трансформаторов может не найтись.