Как сделать высоковольтный трансформатор
Как сделать и намотать высоковольтный трансформатор своими руками
Найти подходящий элемент в магазине иногда проблематично, поэтому домашние умельцы делают его сами. Сам процесс не вызывает никаких затруднений, чего нельзя сказать о расчете характеристик. Такие устройства можно установить в электрошокер, блок питания, зажигалку, ионизатор воздуха и т.д.
Смысл и предназначение
Высоковольтные трансформаторы (ВВ) принадлежат к преобразователям напряжения, используются для преобразования высоковольтного напряжения в низковольтное, которое используется для электроснабжения различного оборудования. Принцип их работы мало отличается от силового трансформатора.
Особенностью является разница в количестве витков в первичной и вторичной обмотке: в понижающем трансформаторе их больше, в повышающем – меньше.
Все устройства можно классифицировать по:
Специальные монтируют в радиоприемники, телевизоры, устройства связи, бытовую технику. Практически все они маломощные (несколько кВА), рассчитаны на частоту 50 Гц, устанавливаются исключительно внутри. Число намоток зависит от типа оборудования, на которое они устанавливаются. Изоляцию обрабатывают эпоксидной смолой.
Электротехнические характеристики
Чтобы правильно изготовить модель самостоятельно, определяют ряд параметров:
Значение w увеличивают на 5-10%, т.к. часть напряжения теряется из-за сопротивления.
Из какого материала сделать магнитопровод?
Что нужно для внутренней части?
Часто их покрывают эпоксидкой, поэтому для разборки ее нагревают строительным феном. Для кернов применяется угловая шлифмашина, не стоит их раскалывать. Чтобы выровнять поверхность, ее заклеивают скотчем, а нарастить длину можно, соединив два стержня и склеив их супер-клеем.
Диаметр провода
Параметр определяется силой и плотностью тока, в среднем 2 А/мм2.
Если изделия с полученным диаметром нет, можно взять несколько более тонких, соединить их параллельно, чтобы суммарное сечение было больше расчетного.
Для толстого провода в последней формуле коэффициент может составлять 0,65-0,7. Чтобы не рассчитывать ее, можно воспользоваться таблицей:
Далее определяется площадь с изоляционным материалом : s’ = 0,8d^2 – но здесь берется характеристика из таблицы, с изоляцией.
Как наматывать?
Сердечник 5 раз укрывают скотчем, вкладывают в желоб провод, наматывают обмотку-1. Оба конца должны быть выведены на одну сторону и изолированы тефлоновой лентой или кембриком. Для фиксации последнего витка можно использовать обычную нить, так он не будет разматываться.
Поверх этого укладывают 4-5 кругов скотчем, помещают стержень в корпус от шприца длиной 3 см. Его также обматывают скотчем дважды и выполняют вторичную намотку, ширина составляет полтора сантиметра. Каждый слой изолируется скотчем или дважды фторопластовой лентой. Концы выводят на разные стороны, с одного делают три вывода, со второго – один.
Все это снова изолируется клейкой лентой в пять слоев, к нему припаивают гибкие провода для вывода, изолируют повторно.
Витки располагают максимально близко друг к другу, по возможности параллельно сердечнику.
Сборка
В крышке создают отверстие, вставляют шланг, изолируют место герметиком и пластилином с обеих сторон. Воздух выкачивается шприцем до вжатия крышки.
Смолу нагревают, добавляют отвердитель. Каркас подойдет и обычный бумажный, к нему крепят цилиндр того же диаметра с помощью термоклея. На полное застывание уходит 24 часа, после этого каркас снимают.
Чтобы избежать ошибок, его проверяют на целостность магнитопровода, наличие разрывов в проводах, целостность изоляции. Для этого потребуется мультиметр, его устанавливают в режим МОмм и замеряют сопротивление между обмотками, и ними и корпусом. Далее эксперимент повторяют в рабочем состоянии, проверяют ток и коэффициент трансформации. Другой вариант – прозвон выводов.
После этого можно приступать к эксплуатации.
Как сделать высоковольтный трансформатор
Диаметр первичной обмотки по меди
Диаметр вторичной обмотки по меди
Теперь приступим к собственно изготовлению трансформатора. Прежде всего, следует изготовить каркас. В качестве материалов используют разные материалы, но лучше всего использовать стеклотекстолит. В этом случае получается сборный каркас, который, если рассчитан и изготовлен точно, не нужно клеить. Для расчета параметров каркаса воспользуемся программой Power Trans. Программа позволяет рассчитать трансформатор и также каркас для заданного сердечника. Расчетом витков самой программы лучше не пользоваться, т.к. она дает завышенное число витков. Не забываем также, что размеры сердечника в миллиметрах, а обозначения не совпадают.
Рисунок 6. Скриншот программы PowerTrans.
Нажимаем на «Каркас катушки» и получаем разметку каркаса.
Тут следует сделать следующие замечания:
1)При печати формат 1 к 1 не получиться, т.е. разметку на материале продеться делать вручную.
3)Перед тем как детали изготавливать, полезно их начертить на бумаге и сделать бумажный макет каркаса.
Убедившись в правильности разметки, ее переносят на стеклотекстолит и вырезают. Поскольку у меня нет инструментов наподобие бормашины, то я поступал следующим образом. Я брал кусок размеченного текстолита и просто процарапывал много раз канцелярским ножом с двух сторон, а потом обламывал по линии царапины. Затем полученные куски дорабатываются. В случае щечек в центре по периметру прямоугольника высверливаются много отверстий мелким сверлом, и центр выкусывается кусачиками. При этом следует ставить сверло таким образом, чтобы на линии разметки был его край, а не центр, в противном случае размеры будут уже другими. Оставшиеся неровности стачиваются напильником. Детали керна изготавливаются путем стачивания прямоугольных заготовок до совпадения с чертежом.
После изготовления всех деталей они собираются в каркас.
Рисунок 8. Схема сборки деталей в каркас [6].
Если при изготовлении деталей забыли оставить выступы замка более длинными, то ничего страшного. В этом случае можно каркас собрать, оцентрировать, выровнять и склеить, например, суперклеем. Тут следует проклеивать каркас с внешней стороны, иначе избыток клея будет выступать снизу и мешать намотке.
Отдельно следует сказать о выводах для обмоток. Для этого на концах щечек следует сделать отверстия и приклеить туда кусочки проволоки, например, клеем ЭДП (изначально я хотел просто запрессовать проволоку в отверстия, но идея оказалась не очень хорошей – при испытаниях трансформатора вывод вырвался, едва не порвав обмотку у основания). В этом случае выводы держаться очень прочно. Под выводами следует проложить полоску бумажного скотча для изоляции. Помимо этого нужно сделать ряд отверстий для вывода обмоток наружу таким образом, как приведено на рисунке 8. После сборки каркаса, нужно проверить, подходит ли он. Для этого берут вибитую пластинку и вставляют в каркас. Если пластинка свободно по нему перемещается, то все нормально, однако больших щелей быть недолжно.
Следующей операцией является заготовка изолирующих прокладок. Они необходимы для изоляции слоев друг от друга, а также для изоляции обмоток друг от друга. Дело в том, что эмальпровод, имеет относительно невысокое напряжение пробоя, поэтому из-за отсутствия изоляции трансформатор может прийти в негодность.
В качестве материала можно использовать лакоткань, различную бумагу, фторопласт, майлар. В нашем случае будем использовать бумагу, как отличный изоляционный и доступный материал. Но видов бумаги тоже много, остановим выбор на бумаге для выпечки.
Ее достоинства – дешевизна и малая толщина. Продается она в виде рулонов. Для изготовления изолирующих прокладок следует нарезать бумагу полосками, ширина их определяется шириной каркаса + небольшой запас по краям. Он необходим для того, чтобы крайние витки не проваливались в предыдущие слои. В моем случае ширина каркаса составила 18 мм, а полоски я нарезал шириной 19 мм, т.е. по 0,5 мм запаса с каждой стороны. Для отрезки я пользовался линейкой и канцелярским ножом. В этом случае они получаются ровными. Следует отметить, что недопустимо размечать полоски карандашом, так как графит, содержащийся в нем, проводит ток. Длина полосок не имеет значение, главное, чтобы ее хватало на один виток при изоляции. При этом следует не забывать, что с ростом толщины намотки длина изолирующих прокладок увеличивается, то есть изначально ее нужно брать с большим запасом.
Рисунок 10. Изготовление полосок из бумаги.
После того, как каркас готов, подогнан и проверен, заготовлена бумага можно приступать к намотке. Мотать можно можно вручную и на станке. В данном случае мотать вручную 2732 витка тонкой проволокой неудобно, поэтому был собран несложный станок со счетчиком витков.
Конструктивно станок состоит из трех стоек и основания, шагового двигателя, блока питания и управления для шагового двигателя, магнитного датчика и счетчика витков, ось для крепления каркаса и зажимов.
Рисунок 11. Станок для намотки катушек. Вид сверху.
Для изготовления основания, сначала вырезаются 4 доски и скручиваются саморезами. Затем высверливаются отверстия для двигателя и оси.
Рисунок 12. Детали каркаса станка.
В качестве магнитного датчика используется геркон в паре с постоянным магнитом, который приклеен к деревянному кругу и насажен на ось двигателя. Сам геркон запаян на печатной плате, которая с помощью алюминиевого уголка крепится к одной из стоек.
Рисунок 13. Конструкция магнитного датчика.
В качестве счетчика используется дешевый калькулятор, его вскрывают и припаивают к кнопке «=» контакты геркона. Также в этом станке калькулятор вместо батареек питается через делитель напряжения от блока питания.
Блок питания и управления шаговым двигателем выполнен по следующей схеме [7].
Рисунок 15. Схема принципиальная электрическая блока питания и драйвера для шагового двигателя.
Конструктивно он помещен в деревянную коробочку. Наружу выведены тумблеры реверса, регулятора скорости и тумблера отключения шагового двигателя.
Рисунок 16. Плата драйвера и готовый блок в сборе.
Ось представляет собой обычную железную шпильку диаметром 5 мм. Для сочленения ее с осью двигателя используется кусок резинового шланга, который плотно держит ось двигателя и ось с резьбой.
Зажимы представляют собой квадраты из фанеры, размеры которых подобраны таким образом, чтобы каркас был центрирован на оси. Зажимаются квадраты гайками.
Следует отметить, что в данном эксперименте шаговый двигатель был отключен, так как намотка получалось некачественной. Каркас приводился в движение с помощью рук.
Теперь можно приступить к намотке. Для этого каркас зажимают на оси и центрируют. Напротив него ставят катушку с проводом на какой-либо оси. В моем случае – это лабораторный штатив, поставленный горизонтально. Затем кладется первый слой бумаги, причем желательно более толстой. Делается это для того, чтобы сгладить неровности каркаса и не допустить переламывания эмали провода под прямым углом. После того как она уложена, эмальпровод выводиться через отверстие, на него одевается трубочка, например, оболочка МГТФ, по длине от вывода до нижнего края щечки. С другой стороны щечки провод заклеивается полоской бумажного скотча, чтобы не произошло межвиткового замыкания.
Затем начинают вращать каркас, следя, чтобы намотка проходила виток к витку. В данном случае бумажная изоляция клалась через 2 слоя. Это оптимальный вариант, так как при при большем числе слоем было очень сложно наматывать виток к витку. При 2-х слоях намотка проходила достаточно легко. Мотаем 2732 витка виток к витку (24 слоя), не допуская провалов намотки на предыдущие слои…
Через 17 часов первичная обмотка готова, выводим к выводу, одеваем трубочку, припаиваем и прозваниваем ее мультиметром. Если нет обрыва и есть некоторое сопротивление, то продолжаем. Теперь кладем 2-3 слоя бумаги для межслойной изоляции и наматываем вторичнyю обмотку. На вторичке можно межслойную изоляции не класть, так как получается всего 2,5 слоя и провод достаточно толстый.
Рисунок 20. Намотка вторичной обмотки.
Намотав 75 витков, паяем к выводам, проверяем тестером, докладываем пустоту бумагой до выравнивания с проводом и кладем 2-3 слоя бумаги для изоляции провода от сердечника, причем конец полоски желательно оставить со стороны сердечника. Так конец будет закрыт. Получиться красиво и не оторвется. Все, теперь катушка готова.
Следует сделать некоторые замечания при намотке:
1)Если провод оборвался, не страшно. В этом случае его зачищают с обоих концов, скручивают и спаивают. Спайку заворачивают в бумагу и продолжают намотку. В случае толстого провода не скручивают, а просто спаивают.
2)Пропитка. В моем случае я пропитывал каждый слой при намотке, а также изоляцию. Это делается для того, чтобы увеличить электрическую прочность обмотки, а также для фиксации витков, поскольку при протекании тока витки могут вибрировать, что приводит к истиранию эмали и понижению срока службы трансформатора. В целом, если вести намотку виток к витку как я, то это делать вовсе необязательно, поскольку намотка получается плотной и витки не вибрируют. В случае намотке внавал, а она занимает много места и понижает качество намотки за счет перегибов эмальпровода, то пропитка обязательна. В мощных трансформаторах данная процедура обязательна, поскольку силы, действующие при протекании ток по обмотке достаточно велики.
Следует отметить также недостаток, связанный с увеличением паразитных емкостей, связанный с большим значением диэлектрической постоянной у лака по сравнению с воздухом. Поэтому в случае трансформаторов, чувствительных к данным емкостям, пропитка нежелательна (звуковые и им подобные).
Также нужно обратить внимание на то, что пропитка после намотки не имеет смысла – лак внутрь обмоток не попадет. При пропитке лаком после изготовления катушки следует подождать, пока лак высохнет или заполимеризуется. Теперь несколько слов относительно самого лака. Лучше всего использовать электроизоляционный лак, например, МЛ-92. Нитролак, суперклей и им подобные лучше не использовать, поскольку они могу испортить целостность изоляции. Эпоксидный клеи тоже лучше не применять, поскольку при нагреве медь и эпоксидка расширяются по-разному. Следствием может стать нарушение изоляции. В моем случае я нашел специальный пропиточный акриловый лак. Он продается в радиомагазинах в небольших пластиковых бутылочках.
Итак, ура! Самое трудное сделано! На столе мы имеем готовую катушку довольно красиво выглядящую и очень крепкую. Теперь следует до конца разобрать сердечник трансформатора – донора, поскольку была вибита лишь одна пластина. Для разборки аккуратно проходимся вдоль пластин канцелярским ножом и аккуратно вынимаем по одной пластине. Уходит на разбор обычно минут 30. Сердечник в таком же порядке складываем на столе, чтобы при сборке нового трансформатора собрать его также. Цель этого – собрать сердечник наиболее плотно.
Рисунок 23. Разборка трансформатора.
После разборки собираем новый трансформатор в той же последовательности. Последние пластинки входят очень туго, поэтому следует аккуратно постукивать маленьким молотком, желательно деревянным, чтобы не нарушить структуру трансформаторной стали.
И вот, после недели стараний получаем крепкое, тяжелое и красивое изделие, которое не боится ничего и, при отсутствии явных ошибок, способное проработать весьма длительный срок.
Рисунок 25. Внешний вид готового трансформатора.
Далее его следует испытать. Для этого трансформатор включают в сеть через последовательно включенную лампочку накаливания от холодильника. При этом она должна вспыхнуть и погаснуть. Если замкнуть вторичную обмотку, то лампочка загорится почти полным накалом. Если так и есть, то исключаем лампочку и выжидаем примерно 30 минут. При этом температура изделия должна быть комнатной или немного выше. Далее следуют испытания под номинальной нагрузкой в течение нескольких часов. Если трансформатор нагревается до 50-60 0 С, то можно считать его полностью рабочим и использовать по назначению. Вероятность, что он подведет, будет весьма низка.
Рисунок 26. Испытание трансформатора.
В завершение статьи мной были сняты данные донорного и изготовленного с учетом рекомендуемых параметров трансформаторов, чтобы можно было сравнить, какой из них лучше. Полное сравнение не получится, поскольку товарищи из Китая смогли уместить мощность в донорном трансформаторе в 1,5 раза большую, чем в изготовленном. Но, тем не менее, для общего развития это будет полезно.
Рисунок 27. Испытания трансформаторов.
Данные получены после 1,5 часов работы в номинальных режимах и сведены в таблицу.
Таблица 2. Параметры трансформаторов.
Источник высокого напряжения за 5 минут
Из данной статьи вы узнаете как получить высокое напряжение, с высокой частотой своими руками. Стоимость всей конструкции не превышает 500 руб, при минимуме трудозатрат.
Энергосберегающие лампы (правильное название: компактная люминесцентная лампа) уже прочно закрепились в нашем быту, поэтому найти лампу с нерабочей колбой, но с рабочей схемой балласта я думаю не составит труда.
Электронный балласт КЛЛ генерирует высокочастотные импульсы напряжения (обычно 20-120 кГц) которые питают небольшой повышающий трансформатор и т.о. лампа загорается. Современные балласты очень компактны и легко помещаются в цоколе патрона Е27.
Балласт лампы выдает напряжение до 1000 Вольт. Если вместо колбы лампы подключить строчный трансформатор, то можно добиться потрясающих эффектов.
Немного о компактных люминесцентных лампах
КЛЛ выпускаются самой различной мощности, размеров, форм-факторов. Чем больше мощность лампы, тем более высокое напряжение нужно приложить к колбе лампы. В данной статье я использовал КЛЛ мощностью 65 Ватт.
Большинство КЛЛ имеют однотипную схемотехнику. И у всех имеется 4 вывода на подключение люминесцентной лампы. Необходимо будет подсоединить выхода балласта к первичной обмотке строчного трансформатора.
Немного о строчных трансформаторах
Строчники также бывают разных размеров и форм.
Внимание! Строчник может содержать остаточное напряжение, так что перед работой с ним, обязательно разрядите его.
Итоговая конструкция
На фото выше вы можете видеть устройство в работе.
Возможные проблемы
Когда я собрал свою первую схему с получением высокого напряжения, то она сразу же заработала. Тогда я использовал балласт от лампы мощностью 26 Ватт.
Мне сразу же захотелось большего.
Я решил использовать конденсатор, вместо резистора. Дело в том, что конденсатор пропускает только переменный ток, а резистор и переменный и постоянный. Также, конденсатор не нагревался, т.к. давал небольшое сопротивление на пути переменного тока.
Конденсатор работал великолепно! Дуга получилась очень большой и толстой!
Итак если у вас не заработала схема, то скорее всего 2 причины:
1. Что-то не так подключили, либо на стороне балласта, либо на стороне строчного трансформатора.
2. Электроника балласта завязана на работе с нитью накала, а т.к. ее нет, то заменить ее поможет конденсатор.
Используйте конденсатор на соответствующее напряжение! У меня был на 400 Вольт, взятый из балласта другой энергосберегающей лампы.
При проведении опытов с высоким напряжением будьте предельно осторожны! Высокое напряжение опасно для жизни!
Лампа мощностью 65 Ватт, обеспечивает ток порядка 65 мА (65Ватт/1000В). А сила тока более чем 50 мА, смертельна опасна для жизни и вызывает остановку сердца!
Сверхпроводящий трансформатор почти своими руками
В недалёком 2016 году на одного молодого, но очень впечатлительного четверокурсника факультета энергетики оказала влияние статья, в которой автор весьма популярно показал что такое в день сегодняшний высокотемпературные сверхпроводники (далее ВТСП). Ослеплённый желанием оживить в своей душе довольно однообразную и предельно консервативную электроэнергетику, пробираясь сквозь пелену противоречий и острую нехватку финансов, молодой бакалавр вместе со своими коллегами всё же построил трансформатор с обмотками из высокотемпературного сверхпроводника.
Приятного чтения!
Зачем делать трансформаторы сверхпроводящими?
Нынешние продукты трансформаторостроения воистину достигли в некотором смысле идеала. Крупные силовые трансформаторы, те самые, которые стоят в кирпичных или железных трансформаторных подстанциях (ТП-ушках) у вас во дворе, а также более крупные представители имеют КПД порядка 99%. Огромное количество нормативных документов регулирует работу, диагностику, способ установки и создания таких трансформаторов, а на конференциях и выставках появляются всё новые и новые представители с инновационной гайкой в остове магнитопровода или революционным маслом с пониженной концентрацией растворённых в нём газов.
Типичный представитель силовых трансформаторов
И, казалось бы, куда нам невеждам лезть в эту отполированную до мелочей область инженерной мысли. Неужели лишние полпроцента КПД, которые могут дать сверхпроводящие обмотки трансформатора, стоят затрат и организации специального криогенного хозяйства, переобучения инженеров и переоборудования производства? Зачем изобретать велосипед? Первичный анализ показывает, что незачем. Однако позвольте мне привести один аргумент, который и стал причиной по которой впоследствии и стала возможна эта статья: «Что если велосипед будет противоаварийный?».
Преимущества трансформатора с ВТСП обмотками перед обычным:
— Практически полное отсутствие потерь энергии в обмотках (провода ведь сверхпроводящие, они не греются);
— Взрыво- и пожаробезопасность (жидкий азот, в отличие от трансформаторного масла, не выделяет взрывоопасных газов);
— Меньшая масса и габариты (плотность тока в сверхпроводящем проводе может в 10 раз превышать аналогичную в медном, при равном напряжении);
— Возможность ограничивать токи короткого замыкания.
Несмотря на сильную составляющую первых трёх преимуществ, все они блекнут перед гнётом огромной цены, которую приходится платить за сверхпроводимость. Поэтому, боюсь коммерческий успех ВТСП трансформаторов может состояться, разве что в особо требовательных видах военной и космической техники или на особых по уровню пожаробезопасности объектах. Однако четвёртое свойство может резко изменить картину и лично мне уже оно одно кажется достаточным, чтобы не только обратить внимание на ВТСП парадигму, но и провести какие-нибудь исследования. Собственно что и сделали многие мои коллеги по всему миру, взять хотя бы работы 2.
В чём же тут фокус?
О физике токоограничения
В настоящий момент, говоря о ВТСП проводах в контексте электроэнергетики, мы почти всегда говорим о композитных ВТСП лентах на основе керамических соединений. Как видно из изображения ниже, сверхпроводник (слой YBCO) нанесённый на металлическую подложку, покрывается со всех сторон некоторым защитным слоем. Этим защитным слоем могут выступать некоторые металлы и их сплавы, например медь. Естественно эти материалы не обладают сверхпроводящими свойствами при температуре жидкого азота, а значит в случае, если сверхпроводимость по каким-то причинам у YBCO-керамики пропадает, то весь ток распараллеливается между этими слоями, сообразно их резистивному сопротивлению.
Всякий ток пропорционален напряжению, приложенному к данному сопротивлению, а значит, если вдруг откуда ни возьмись в цепи появилось сопротивление там где его раньше не было (сверхпроводимость разрушилась), то ток (при неизменном напряжении) уменьшится. Притом степень этого уменьшения зависит от сопротивления материалов окружающих, ВТСП-слой. Но как разрушить сверхпроводимость? Есть на самом деле 2 фундаментальных способа: поднять температуру свыше критической, при которой сверхпроводимость не может существовать или подействовать на ВТСП магнитным полем выше критического. Притом, если по сверхпроводнику протекает ток, то он также создаёт магнитное поле, которое старается проникнуть в этот сверхпроводник, и если ток создаёт слишком большое поле, то сверхпроводимость начинает постепенно разрушаться. Ток, при котором сверхпроводимость начала разрушаться, принято называть критическим.
Ну всё! Теперь, уверен, вы понимаете достаточно для того чтобы приступить к постройке трансформатора, и, поверьте, для меня это было действительно увлекательным путешествием, поскольку если намотка провода для обычного трансформатора (привет тем, кто мотал) представляет собой весьма скрупулёзное и довольно нудное дело, то у ВТСП трансформатора сложность вырастает в разы. Особенно, когда подобное устройство собирается из подручных материалов. Разбираемся почему!
Одним из серьёзных недостатков ВТСП трансформатора есть то, что сердечник не является и не может являться сверхпроводящим. Поэтому у нас есть два варианта как поступить, тепло- и гидроизолировать сердечник от обмоток, увеличивая расстояние между им и обмотками и уменьшая КПД, или засунуть сердечник в азот вместе с обмотками, создавая большой кипятильник для азота, поскольку потери на холостой ход трансформатора никуда не деть. Мы решили пойти по первому пути, сделав криостат в виде полого цилиндра. Для чего в качестве каркаса для вторичной обмотки (которая ближе к сердечнику) выбрали это:
Труба из полипропилена и бумага обёрточная подле неё
Импровизированный конвейер по пропитке бумаги эпоксидной смолой
Запах был, прямо скажем, не очень. А ещё берегите руки при работе с компаундами!
Процесс пропитки бумаги
Второй каркас (для наружной обмотки) делался уже по образу и подобию первого и прямо поверх него. Чтобы каркасы не слиплись, подложили немного случайного материала, который впоследствии можно было бы отодрать. В итоге получилось:
Готовые каркасы для обмоток
Резюмируя эту часть скажу, что более дешёвого способа сотворить два немагнитных, неметаллических, криостойких и достаточно прочных каркаса, наверное просто нету. Самый дорогой элемент в создании каркаса оказался конечно же компаунд
500 р./кг., за ней следует ПП труба, ну а далее кисточки, перчатки — это опционально.
Пожалуй, центральным и самым дорогим элементом этой истории являются сами ВТСП обмотки. Причина, по которой в заголовке статьи присутствует слово «почти», это цена. 40 метров ВТСП ленты шириной 4 мм и толщиной 0,1 мм, с критическим током 80 А. было приобретено нами по цене 2500 р./метр. Понятно физ. лицо едва ли станет платить за подобное. Посмотрим же на их ослепительно дорогое величие.
Ослепительно дорогая часть описываемого проекта
Помимо дороговизны ВТСП лента ещё и очень прихотливый материал. Она не любит сильных перегревов (свыше 500 градусов), у неё большой предельный радиус изгиба (около 20 мм, при превышении начнётся деформация сверхпроводника), её также нельзя скручивать, мять, бить. Всё это превращает работу с ВТСП проводами в подобие ювелирного искусства. Как будем наматывать?
Честно говоря, способ намотки ленты на каркас выбран наверное самый примитивный. Лента покрывается повдоль с одной стороны каптоновым скотчем, а выступающие за пределы ленты края скотча приклеиваются вместе с лентой к каркасу. В результате в процессе намотки мы получаем два фактора, удерживающие обмотку на каркасе: адгезия скотча и поверхности текстолита и сила трения ленты о ту же поверхность. В итоге, на удивление, получилось довольно надёжно.
Каптоновый скотч выделен не случайно. Дело в том, что не каждый материал может быть надёжной изоляцией при низких температурах. Например, обычный скотч становится едва не стеклянным и усаживается. Изолента тоже усаживается. Электроизоляционные лаки трескаются (правда не все), ПВХ изоляция также усаживается. Каптоновый (или полиимидный) скотч ведёт себя крайне спокойно при низких температурах (равно как и при высоких), его традиционно и выбирают для ВТСП проводов, когда нужно сделать что-то «по-быстрому», хотя надо сказать он недешёвый по сравнению с обычным скотчем. Когда же нужно сделать что-то основательное, используют покрытие всё также на основе полиимида.
Процесс намотки наружной (первичной) обмотки
Мотали, собственно, трансформатор с числом витков 50:25, на практике получилось немного меньше, но не суть. Первичная обмотка (наружная) была однозаходная (одна спиралька по всей высоте), вторичная обмотка (внутренняя) была двухзаходная (две спиральки идут, чередуясь). Что собственно даёт критический ток первичной = 80 А и для вторичной 160А. Если учесть что сетевое напряжение (под которое делался трансформатор) = 220 В. То получается около 10 кВт передаваемой мощности практически без потерь, в довольно небольшом объёме. Итоги намотки:
Первичная (слева) и вторичная (справа) обмотки ВТСП трансформатора
Мы добрались до самого нервного процесса в изготовлении трансформатора. Как было сказано выше, сверхпроводник не любитель высоких температур. Когда мы говорим о медном проводе, способном длительно нести 60-80 Ампер не особо перегреваясь, то мы имеем ввиду сечения 16 или 25 мм^2. Это довольно массивные и непослушные провода, которым тяжело придать нужную изящную форму для удобного спаивания с 4 миллиметровой ВТСП лентой. Если брать достаточно мощный паяльник и незатейливый припой, то можно перегреть ленту. Поэтому лучше взять Индий-Оловянный припой с температурой плавления
103 град. С. А ещё лучше растопить его в паяльной ванне, покрыть ленту и провод паяльной кислотой и получить сказочный отблеск самообожания от хорошо проделанной работы в отражении горячего металла.
Нюанс. Токовые контакты лучше припаивать, не жалея площади ленты, для лучшего токоввода. Мы брали 3 см. ленты по поверхность касания с токовым контактом, но можно и больше. Контакты напряжения мы удалили от токовых на несколько сантиметров, чтобы не мерить падение напряжения на точке контакта, а непосредственно на обмотке. К сожалению, сохранилось только фото финала этого действа.
Обмотки с контактами
Финальная и самая кустарная часть нашего производства. Криостат выполнялся из пенопласта и акрилового герметика. И всё. К сожалению, не каждая марка пенопласта подойдёт. Пенопласт с крупными гранулами при попадании на него азота немедленно самоуничтожится с треском и грохотом.
Неправильный пенопласт (слева) и правильный пенопласт (справа)
Что же до герметика, то, кроме шуток, взяли самый дешёвый из тех, что был. Не знаю, в чём тут фокус. Главное, чтобы герметик был именно акрилловый, а не силиконовый, ибо последний (как нас заверили в магазине) может разъесть пенопласт.
Криостат был сборным, вырезались квадраты с круглыми отверстиями, такими, чтобы вся конструкция в итоге уместилась внутри, при этом снаружи криостата торчала труба, в которую в будущем предполагается поместить магнитопровод. Иначе говоря:
Сборный криостат
Как видно на фото, стыки всей этой конструкции жирно промазывались и пропитывались герметиком. На руку нам то, что герметик застывая при азоте, на ощупь напоминает сильно густой сыр, и выполняет свои функции крайне здорово. На последнем этапе, под трубу-каркас вырезается специальное дно, на которое он устанавливается и, наконец, вся эта конструкция собирается в единый ВТСП трансформатор.
ВТСП трансформатор
В итоге мы получили:
ВТСПТ-10000, 220/110 В, 50/100 А, ОХЛ
Думаю, каждый экспериментатор хотя бы раз испытывал эту смесь трепета и безжалостности с которой он подвергал мучениям своего «новоиспеченного зверя». Конечно ВТСП трансформатор был создан для того, чтобы быть испепелённым. Однако испепелять мы его будем осторожно — по научному.
Здесь же я покажу главный опыт, ради которого и делался трансформатор. Замкнём накоротко вторичную обмотку и с помощью выключателя подадим на первичную обмотку напряжение от сети (220 В). Поскольку сопротивления первичной обмотки и магнитно связанной с ней (через воздух) вторичной обмотки малы, то в цепях будут протекать достаточно большие токи. Эти токи будут превышать критический уровень в 80 А и, следовательно, разрушать сверхпроводимость, из-за чего ВТСП обмотка начнёт постепенно обретать конечное электрическое сопротивление, что в свою очередь вызовет ограничение тока. Что мы зафиксируем в виде искажённой синусоиды тока. И появления на осциллограмме напряжения некоторых конечных значений (вместо нулевых в нормальном режиме). Измерения будут проходить с помощью неожиданного для данного опыта устройства: анализатора качества электроэнергии. Неожиданный он потому, что частота дискретизации данного устройства в режиме осциллографа оставляет желать лучшего. Но что поделать. Тем не менее давайте взглянем на качественную картину происходящего.
Осциллограммы токов (точки на графиках соответствуют реальным снятым данным)
На осциллограммах слева (для сравнения) приведён режим короткого замыкания в случае, если не заливать трансформатор жидким азотом: мы видим слегка искажённую, но спокойную синусоиду тока короткого замыкания, который спустя период (на рисунке приведено полпериода) отключается автоматическим выключателем. Справа приведён режим короткого замыкания если криостат предварительно заполнен жидким азотом: мы видим сильный начальный рост тока, который постепенно (уже начиная со 150 А) загибается под действием прирастающего сопротивления. Однако из-за большего значения тока короткого замыкания автоматический выключатель срабатывает уже на первом полупериоде.
Увы пока довольствуемся лишь этими качественными результатами, но в скором времени обязательно сделаем много других.
Конечно, ВТСП трансформатор оставляет после себя уйму противоречий. Эти противоречия проявляются даже в кустарном способе изготовления такого непростого устройства. Чего говорить о реальных действующих образцах, с которыми вы можете ознакомиться по [1,3]. Реальная ВТСП электроэнергетика далеко ускакала вперёд с разработками кабелей и токоограничителей, претерпевая трудности даже в этих более развитых её подразделениях. С ними довольно популярно можно ознакомиться не покидая этот сайт, например здесь.
Тем не менее, сколь противоречива бы ни была эта область инженерного знания, прав в конечном итоге останется тот, кто свою правоту сможет обосновать, так что будем стараться.
И в любом случае, это жутко интересно!
Благодарю за внимание!
Искренне Ваш DOK.
Также выражаю благодарности:
Высоцкому Виталию Сергеевичу и команде ВНИИКП за помощь и консультирование в этом нелёгком пути.
Павлюченко Дмитрию Анатольевичу за гигантскую поддержку и желание развивать это направление с нуля!