Устройство и принцип работы путевого дроссель-трансформатора, методика расчета

Для стабилизации повышенных тяговых токов и увеличенных токов асимметрии используются дроссель-трансформаторы. Дросселем называется катушка индуктивности, которая способна убрать помехи, сглаживать пульсацию тока, развязывать части схемы друг от друга по высокой частоте, а также накапливать энергию в магнитном поле. Устройство носит название «реактора» (последний не нуждается в применении привода и других движущих сил, а работает по принципу динамики).

Таким образом, главным назначением дросселя является задержка тока определенного частотного диапазона или накапливание энергии за определенный промежуток времени в магнитном поле. Накопленная энергия применяется в различных областях промышленности и в бытовых условиях. Давайте узнаем об этом больше.

Принцип работы

В основе принципа работы лежит принцип самоиндукции катушки. В конструкции прибора присутствует всего лишь одна обмотка, но ввиду принципа работы и области применения устройство часто называют дроссель-трансформатором.

Катушка прибора состоит из изолированных между собой пластин (чаще всего стальных или ферромагнитных). Изолирование производится во избежание образования токов Фуко, которые создают помехи. Сердечник обладает большой индуктивностью, но при этом является мощным сдерживающим барьером (например, при сильном росте или спаде напряжения в сети).

Устройство способно выдержать различные диапазоны колебаний:

• низкие (от 20 Гц до 20 кГц);
• средние (или ультразвуковые, от 20 до 100 кГц);
• высокие (свыше 100 кГц).

Высокочастотные дроссели отличаются по конструкции от низко- и среднечастотных.

Производители

Изготовлением ТД-500 занимается несколько производителей. Среди них наиболее крупные объемы поставок предлагают:

• ЕТА-групп, г. Санкт-Петербург, РФ;
• ООО «Винтор», Винницкая область, Украина;
• электромашиностроительное предприятие «СЭЛМА», г. Симферополь, Крым.

Иван Петрович Алексеенко, сварщик, стаж работы 35 лет: «Несмотря на кажущуюся громоздкость и не современный внешний вид, трансформаторы для сварки переменным током ТД-500 до сих пор востребованы на различных производствах. Аппараты обладают «советским» ресурсом работы и прослужат еще долгие годы».

Разновидности

Приборы делятся на:

1. Низкочастотный дроссель-трансформатор внешне похож на примитивный железный трансформатор. Отличием является компоновка с одной обмоткой. Катушка оказывает значительное противодействие изменению тока в цепи – при его понижении прибор способен поддержать необходимый уровень, а при повышении – снижать.
2. Высокочастотные схемы являются более распространенными. Катушки таких приборов навиваются на сердечники (ферритовые, стальные) или на пластмассовый каркас. При работе с волнами среднего или длинного диапазона часто применяется секционная намотка.

Дроссель с сердечником обладает меньшими габаритами, нежели без него.

Основными параметрами прибора является индуктивность (единица измерения – Гн) и сопротивление (Ом). Важными характеристиками считаются напряжение, номинальный ток и добротность.

Схема

Сварочный аппарат ТД 500 отличается простотой конструкцией. Понижающая характеристика образуется путем высокого индуктивного рассеяния, образуемого установкой первичной и вторичной обмоток (ОП и ОВ соответственно) по оси сердечника.

Плавность регулировки поставляемого тока производится приближением либо удалением ОВ от ОП. Помимо того, возможно управление током перекидыванием обвивки, при этом образуется два интервала регулировки:

1. При установке I интервала (низкие токи) выполняется последовательное подключение катушек. Некоторая группа витков ОП отсоединяется, что приводит к увеличению напряжения холостого хода на контактах ОВ до 76 В. Таким образом добиваются устойчивости дуги на низких токах.
2. Во II интервале (большие токи) реализовано параллельное соединение катушек. На контактах холостого хода происходит снижение напряжения ОВ до 60 В.

Интервалы изменяются посредством барабанного переключателя с отведенной на крышку корпуса ручкой. Секторный токоуказывающий механизм зафиксирован на сердечнике под крышкой и соединен посредством рычага с подвижной обвивкой.

Определение тока выполняется по специальной шкале через смотровое стекло кожуха. Градация шкалы выполнена для обоих диапазонов сварочного тока при номинальном напряжении сети и при напряжении на выходных контактах вторичной цепи при сварке, равном 30 В.

Емкость-фильтр оборудования образуется из конденсаторов С, снижающих образующиеся при производстве работ радиопомехи. Также функцией фильтров является увеличение мощности.

Область применения и назначение дросселей постоянного тока

Устройства, например, дроссель-трансформатор ДТ-0.6-1000, предназначены для установки на железнодорожных путях, которые оборудованы автоблокировкой переменного и электрической тягой постоянного тока. Также приборы приведенного типа применяются для стыкования систем электрической тяги.

По назначению дроссель-трансформаторы бывают следующими:

1. Дроссели, которые работают на вторичных импульсных источниках питания. Вначале катушкой накапливается энергия от первоисточника в собственном магнитном поле, а затем возвращает ее в нагрузку.
2. Дроссели для пуска двигателей. В данном случае приборы выступают ограничителем пусковых и тормозных токов. Для приводов, мощность которых не превышает 30 кВт, конструкция дросселя имеет сходное устройство с трехфазным трансформатором.
3. Дроссель насыщения. Применяется в стабилизаторах напряжения и в некоторых преобразователях (например, феррорезонансных). Также прибор используется в магнитных усилителях, где сердечник изменяет индуктивное сопротивление цепи подмагничиванием.
4. Сглаживающие дроссели. Применяются для устранения пульсаций выпрямленного тока (например, при отсутствии конденсаторов в ламповых усилителях).

Также приборы широко применяются в сварочном деле, при установке освещения, в системах сигнализации, централизации, блокировки автоматики, механики и т. д.

Преимущества

Трансформаторы ТД-500 обладают следующими преимуществами:

• Простота конструкции. Благодаря этому устройство отличается высокой надежностью и ремонтопригодностью, легкостью в обслуживании.
• Широкий интервал регулирования параметров. Аппарат эффективно работает в условиях крупного производства при необходимости выполнения широкого спектра задач в различных режимах эксплуатации.
• Относительно малое напряжение при холостой работе, что обеспечивает высокую экономичность использования.
• Возможность выполнения не только сопряжения деталей свариванием, но и их резание. Мощности трансформатора достаточно для работы в таком режиме.
• Отсутствие эффекта магнитного вздутия.
• Безопасное и удобное выставление требуемых для работы показателей посредством перемещения расположенных на корпусе рукоятей.

Основные элементы устройства. Технические характеристики

Основными элементами устройства являются:

• сердечник;
• ярмо;
• чугунный корпус;
• крышка;
• муфта;
• труба;
• дополнительная обмотка;
• уплотнитель.

В технических характеристиках указывают: число витков, полное сопротивление и коэффициент трансформации в основной и дополнительной обмотках. Например, в дроссель-трансформаторе ДТ 500 число витков основной обмотки – 7+7, дополнительной – 1560, 322, 1238. Полное сопротивление при этом оставляет 0,2–0,22 Ом, а коэффициент трансформации – 40, 23 и 17.

Отличие устройств по цветовой маркировке

Каждый прибор электронного дроссель-трансформатора маркируется в зависимости от своих параметров. Для упрощения расшифровки длинных и сложных аббревиатур была введена цветовая маркировка.

Последняя являет собой шифр из нескольких цветных колец, определяющих индуктивность устройства. Первые два показывают номинальную индуктивность, третье – множитель, а последнее – допуск. Такие различия позволяют даже мастеру-новичку с легкостью определить подходящий прибор.

Важно! Если на дросселе показано лишь 3 кольца, то его допуск равен 20 %.

Устройство дросселя и его назначение на примере железнодорожного пути

На некоторых участках железных дорог устанавливаются рельсовые цепи переменного тока. На данных (электрофицированных) участках контактный провод является прямым проводником тока электровозам, а обратным служат рельсовые нити и земля.

В случае, когда ток пропускается по обеим рельсовым нитям, то устраиваемая рельсовая цепь переменного тока называется двухниточной. В этом случае назначением дроссель-трансформатора является пропуск обратного тягового тока в обход изоляционных стыков по каждую сторону. Каждое устройство имеет две обмотки: основную и дополнительную.

Во время движения состава ток протекает по обеим половинам обмотки дроссель-трансформатора, далее токи сталкиваются в средней точке и вновь разветвляются в направлении тяговой подстанции. Правильная установка приборов обеспечивает отсутствие влияние тягового тока на аппаратуру.

Недостатки

К недостаткам трансформаторов относятся:

• Значительная масса, составляющая 210 кг. Данный недостаток компенсируется высокой мощностью и возможностью работы с крупными деталями.
• Плохая работа с низкими токами. Устройства неэффективны для выполнения работ по свариванию тонкостенных элементов, так как рабочий интервал рассчитан преимущественно для работы с заготовками большой толщины.
• Непригодность для проведения работ в домашнем хозяйстве.
• Выполнение сварки переменным током, что приводит к ухудшению качества шва по сравнению с работой на постоянном токе.

Также читайте на нашем сайте статью об отличиях сварочного трансформатора и инвертора

Расчет дросселя

В методиках расчета дроссель-трансформатора применяются методы нечеткой логики, нейронных сетей, резольвента Ла-Гранджа и т. д. Современные программы позволяют вычислить необходимые параметры прибора всего за несколько минут. Весь процесс расчета состоит из таких этапов:

1. Вводятся необходимые данные (точки кривой намагничивания, материал сердечника и т. д.).
2. Далее программа выдает данные о кривой намагничивания, корректирует значения и ошибки.
3. Система подсчитывает геометрические параметры модели сердечника.

Воздушный зазор в приборе можно рассчитать самостоятельно, используя при этом формулу:

L•I 2/V, где:

L – индуктивность обмотки дросселя, Гн;

I – сила постоянного тока, проходящего по обмотке, А;

V – объем железного сердечника.

Величина ∂, которая необходима для подсчета зазора стального сердечника, находится по специальной номограмме.

Например, при условиях, что L = 20 Гн, I = 60 мА, V = 40 см 3, то

L•I 2/V= 10•3600•10-6/40 = 9•10 -4.

По номограмме определяется значение ∂ = 20•10-3= 0,2 мм.

Исходя из этого, зазор с каждой стороны должен составлять по 1 мм.

Как изготовить дроссель самостоятельно

Для того чтобы самостоятельно сделать из дросселя трансформатор, необходимо подсчитать количество витков на вольт для имеющегося сердечника. Затем дроссель аккуратно разбирается и производится процесс обмотки будущего трансформатора. При сборке следует учитывать, что зазор, который присутствовал в дросселе до разборки, следует устранить.

Также можно изготовить трансформатор из дросселей. Количество используемого материала напрямую зависит от предназначения изобретения.

Технологический процесс замены дроссель-трансфоматора

Переустановка и снятие дроссель-трансформатора производится в следующем порядке:

1. После получения разрешения на поведение работ снимается электропитание.
2. Далее демонтируется защитный кожух.
3. После проведения вышеописанных операций следует освободить от грунта изолирующую трубу ввода кабеля и очистить запас кабеля.
4. Далее откручиваются гайки болтов крепления и снимается крышка кабельной стойки.
5. Затем отсоединяются кабельные жилы и вытягивается кабель из стойки изоляционной трубы.

Установка электротяговых соединителей в обход производится в следующем порядке:

1. Демонтируется по одному соединению штепсель-перемычки дросселя и рельс по обеим сторонам изолирующих стыков, для чего на каждом из них следует открутить и снять контргайку, гайку открутить до конца резьбы, выбить штепсель из рельса, отсоединить перемычку от рельса.
2. В освободившиеся отверстия установить штепсели соединителей. Накрутить на них гайки и закрепить их до упора.

Установка и монтаж дроссель-трансформатора производится в порядке, обратном демонтажным работам.

Важно! Перед установкой следует внимательно ознакомиться с инструкцией и порядком проведения работ. Необходимо учитывать место установки дросселя (на питающем конце либо на секциях) в зависимости от его разновидности и назначения.

Техника безопасности при проведении работ

При установке путевого дроссель-трансформатора следует придерживаться правил техники безопасности и охраны труда:

1. Работа выполняется бригадой, один из членов которой обязан следить за движением поездов. Перед проведением работ следует провести инструктаж по технике безопасности.
2. Замена дроссель-трансформатора на конце рельсовой цепи, от которой происходит питание, производится при снятом напряжении путем отсоединения проводов с обмотки трансформатора в релейном шкафу сигнальной установки или изъятия дужек на кроссовом штативе электрической централизации. После того как напряжение снято, при помощи измерительных приборов необходимо убедиться в том, что напряжение в ранее отключенных проводах отсутствует. В месте отключения от питания электротоком вывешивается запрещающий плакат «Не включать! Работают люди».
3. Все земляные работы производятся в рукавицах.
4. При проведении погрузочно-разгрузочных работ запрещается находиться в зоне манипуляций с грузом.

Важно! Прежде чем приступить к выполнению работ, следует обеспечить бесперебойную цепь протекания обратного тягового тока путем установки временных перемычек требуемого сечения в обход изоляционных стыков.

Если во время проведения работ приближается поезд, следует заблаговременно покинуть объект на безопасное расстояние и убрать инструмент.

В экстренных случаях необходимо оказать первую медицинскую помощь пострадавшему, вызвать бригаду скорой помощи и сообщить о случившемся главному по участку.

Подключение любых переносных измерителей к электроцепям, которые находятся под напряжением, допускается лишь при наличии на проводах приборов специальных наконечников с изоляцией.

Естественно, что бригада, не прошедшая курс специальной подготовки и инструктаж по ТБ, к работе не допускается.

Особенности эксплуатации и подключения

ТД 500 – модель, предназначенная для регулирования параметров напряжения при выполнении электросварки металлических изделий. Устройство широко распространено благодаря малой стоимости и простоты эксплуатации. Производительности аппарата хватает для производства работ по сварке металлических элементов.
Устройство предназначено для выполнения ручной дуговой сварки покрытыми электродами. Согласно паспорта, ТД-500 – однофазный преобразователь электротока, с повышенным рассеянием магнитного поля. Зазор воздуха зависит от того, на сколько сдвинуты подвижные обмотки.

Регулятор тока приводится в действие перемещением ходового винта, вращаемого вручную. При этом происходит сдвиг обмоток завинчиванием в гайку.

Повышенное рассеяние магнитного поля происходит за счет особенностей размещения обмоток. Одна перемещается совместно с винтом, другая – неподвижно зафиксирована в точке крепления.

Трансформатор отнесен к группе стандартных приборов, выпускающимся серийно. Устройство отличается высокой мощностью, потому подключение его должно выполняться с использованием кабелей большого сечения, в противном случае соединительные провода под воздействием тока нагреются и расплавятся.

Подсоединение должно выполняться аттестованным работником. Отдельное внимание уделяется местам стыковки кабелей, так как они являются точками, вероятность возникновения поломок в которых наиболее высока. При отсутствии плотного контакта между окончаниями кабеля и клеммами из меди, эти места подвержены перегреванию из-за недостаточной площади соприкосновения. Такая неисправность приводит к возникновению короткого замыкания.

Во избежание этого нужно максимально плотно, но не пережимая, скрутить точки сопряжения и постоянно наблюдать за плотностью прилегания.

Место расположения трансформатора для недопущения короткого замыкания не должно быть влажным.

Важным моментом является охлаждение, так как у ТД 500 есть некоторые проблемы с нагреванием и отводом излишков тепла. Кроме устанавливаемой отдельно принудительной системы вентилирования, нелишним будет отыскать место установки с естественной вентиляцией либо зону прохлады. При выполнении наружных работ такие места – затененные, открытые для ветра.

Определенные инструкцией рабочие параметры устройства превышать не рекомендуется, действовать только в допускаемых интервалах. Нельзя забывать о максимальных сроках непрерывной работы. Для ТД 500 этот параметр равен 60%. то есть из 10 часов аппарат должен работать только 6, а 4 часа – находиться в выключенном.

Важно! При возникновении неисправностей или поломок в процессе эксплуатации следует незамедлительно отключить аппарат от питающей сети. Новое подключение допускается выполнять только после полного устранения причин неисправности.