Виктор Хрипченко пос. Октябрьский Белгородской обл.
Занимаясь расчетами мощного источника питания, я столкнулся с проблемой - мне понадобился трансформатор тока, который бы точно измерял ток. Литературы по этой теме не много. А в Интернете только просьбы - где найти такой расчет. Прочитал статью ; зная, что ошибки могут присутствовать, я детально разобрался с данной темой. Ошибки, конечно, присутствовали: нет согласующего резистора Rc (см. рис. 2) для согласования на выходе вторичной обмотки трансформатора (он и не был рассчитан) по току. Вторичная цепь трансформатора тока рассчитана как обычно у трансформатора напряжения (задался нужным напряжением на вторичной обмотке и произвел расчет).
Немного теории
Итак, прежде всего немного теории . Трансформатор тока работает как источник тока с заданным первичным током, представляющим ток защищаемого участка цепи. Величина этого тока практически не зависит от нагрузки вторичной цепи трансформатора тока, поскольку его сопротивление с нагрузкой, приведенное к числу витков первичной обмотки, ничтожно мало по сравнению с сопротивлениями элементов электрической схемы. Это обстоятельство делает работу трансформатора тока отличной от работы силовых трансформаторов и трансформаторов напряжения.
На рис. 1 показана маркировка концов первичной и вторичной обмоток трансформатора тока, навитых на маг-нитопровод в одном и том же направлении (I1 - ток первичной обмотки, I2 -ток вторичной обмотки). Ток вторичной обмотки I2 пренебрегая малым током намагничивания, всегда направлен так, чтобы размагничивать магнитопровод.
Стрелками показано направление токов. Поэтому если принять верхний конец первичной обмотки за начало то началом вторичной обмотки н также является ее верхний конец. Принятому правилу маркировки соответствует такое же направление токов, учитывая знак. И самое главное правило: условие равенства магнитных потоков.
Алгебраическая сумма произведений I 1 x W 1 - I 2 x W 2 = 0 (пренебрегая малым током намагничивания), где W 1 - количество витков первичной обмотки трансформатора тока, W 2 - количество витков вторичной обмотки трансформатора тока.
Пример. Пусть вы, задавшись током первичной обмотки в 16 А, произвели расчет и в первичной обмотке 5 витков - рассчитано. Вы задаетесь током вторичной обмотки, например, 0,1 А и согласно вышеупомянутой формулы I 1 x W 1 = I 2 x W 2 рассчитаем количество витков вторичной обмотки трансформатора.
W 2 = I 1 x W 1 / I 2
Далее произведя вычисления L2 -индуктивности вторичной обмотки, ее сопротивление XL1 , мы вычислим U2 и потом Rc . Но это чуть позже. То есть вы видите, что задавшись током во вторичной обмотке трансформатора I2 , вы только тогда вычисляете количество витков. Ток вторичной обмотки трансформатора тока I2 можно задать любой - отсюда будет вычисляться Rc . И еще -I2 должен быть больше тех нагрузок, которые вы будете подключать
Трансформатор тока должен работать только на согласованную по току нагрузку (речь идет о Rc).
Если пользователю требуется трансформатор тока для применения в схемах защиты, то такими тонкостями как направление намоток, точность резистивной нагрузки Rc можно пренебречь, но это уже будет не трансформатор тока, а датчик тока с большой погрешностью. И эту погрешность можно будет устранить, только создав нагрузку на устройстве (я и имею в виду источник питания, где пользователь собирается ставить защиту, применяя трансформатор тока), и схемой защиты установить порог ее срабатывания по току. Если пользователю требуется схема измерения тока, то как раз эти тонкости должны быть обязательно соблюдены.
На рис. 2 (точки - начало намоток) показан резистор Rc, который является неотьемлимой частью трансформатора тока для согласования токов первичной и вторичной обмотки. То есть Rc задает ток во вторичной обмотке. В качестве Rc не обязательно применять резистор, можно поставить амперметр, реле, но при этом должно соблюдаться обязательное условие - внутреннее сопротивление нагрузки должно быть равным рассчитанному Rc.
Если нагрузка не согласованная по току - это будет генератор повышенного напряжения. Поясняю, почему так. Как уже было ранее сказано, ток вторичной обмотки трансформатора направлен в противоположную сторону от направления тока первичной обмотки. И вторичная обмотка трансформатора работает как размагничивающая. Если нагрузка во вторичной обмотке трансформатора не согласованная по току или будет отсутствовать, первичная обмотка будет работать как намагничивающая. Индукция резко возрастает, вызывая сильный нагрев магнито-провода за счет повышенных потерь в стали. Индуктируемая в обмотке ЭДС будет определяться скоростью изменениями потока во времени, имеющей наибольшее значение при прохождении трапецеидального (за счет насыщения магнитопровода) потока через нулевые значения. Индуктивность обмоток резко уменьшается, что вызывает еще больший нагрев трансформатора и в конечном итоге - выход его из строя.
Типы магнитных сердечников приведены на рис. 3 .
Витой или ленточный магнитопровод - одно и то же понятие, также как и выражение кольцевой или тороидальный магнитопровод: в литературе встречаются и то, и другое.
Это может быть ферритовый сердечник или Ш-образное трансформаторное железо, или ленточные сердечники. Ферритовые сердечники обычно применяется при повышенных частотах - 400 Гц и выше из-за того, что они работают в слабых и средних магнитных полях (Вт = 0,3 Тл максимум). И так как у ферритов, как правило, высокое значение магнитной проницаемости µ и узкая петля гистерезиса, то они быстро заходят в область насыщения. Выходное напряжение, при f = 50 Гц, на вторичной обмотке составляет единицы вольт либо меньше. На ферритовых сердечниках наносится, как правило, маркировка об их магнитных свойствах (пример М2000 означает магнитную проницаемость сердечника µ, равную 2000 единиц).
На ленточных магнитопроводах или из Ш-образных пластин такой маркировки нет, и поэтому приходится определять их магнитные свойства экспериментально, и они работают в средних и сильных магнитных полях (в зависимости от применяемой марки электротехнической стали - 1,5.. .2 Тл и более) и применяются на частотах 50 Гц.. .400 Гц. Кольцевые или тороидальные витые (ленточные) магнитопроводы работают и на частоте 5 кГц (а из пермаллоя даже до 25 кГц). При расчете S - площади сечения ленточного тороидального магнитопровода, рекомендуется результат умножить на коэффициент к = 0,7...0,75 для большей точности. Это объясняется конструктивной особенностью ленточных магнитопроводов.
Что такое ленточный разрезной магнитопровод (рис. 3)? Стальную лента, толщиной 0,08 мм или толще, наматывают на оправку, а затем отжигают на воздухе при температуре 400.. .500 °С для улучшения их магнитных свойств. Потом эти формы разрезаются, шлифуются края, и собирается магнитопровод. Кольцевые (неразрезные) витые магнитопроводы из тонких ленточных материалов (пермаллоев толщиной 0,01.. .0,05 мм) во время навивки покрывают электроизолирующим материалом, а затем отжигают в вакууме при 1000.. .1100 °С.
Для определения магнитных свойств таких магнитопроводов надо намотать 20...30 витков провода (чем больше витков, тем точнее будет значение магнитной проницаемости сердечника) на сердечник магнитопровода и измерить L-индуктивность этой обмотки (мкГн). Вычислить S - площадь сечения сердечника трансформатора (мм2), lm-среднюю длину магнитной силовой линии (мм). И по формуле рассчитать jll - магнитную проницаемость сердечника :
(1) µ = (800 x L x lm) / (N2 x S) - для ленточного и Ш-образного сердечника.
(2) µ = 2500*L(D + d) / W2 x C(D - d) - для кольцевого (тороидильного) сердечника.
При расчете трансформатора на более высокие токи применяется провод большого диаметра в первичной обмотке, и здесь вам понадобится витой стержневой магнитопровод (П-образный), витой кольцевой сердечник или ферритовый тороид.
Если кто держал в руках трансформатор тока промышленного изготовления на большие токи, то видел, что первичной обмотки, навитой на магнитопровод, нет, а имеется широкая алюминиевая шина, проходящая сквозь магнитопровод.
Я напомнил об этом затем, что расчет трансформатора тока можно производить, либо задавшись Вт - магнитной индукцией в сердечнике, при этом первичная обмотка будет состоять из нескольких витков и придется мучиться, наматывая эти витки на сердечник трансформатора. Либо надо рассчитать магнитную индукцию Вт поля, создаваемую проводником с током, в сердечнике.
А теперь приступим к расчету трансформатора тока, применяя законы .
Вы задаетесь током первичной обмотки трансформатора тока, то есть тем током, который вы будете контролировать в цепи.
Пусть будет I1 = 20 А, частота, на которой будет работать трансформатор тока, f = 50 Гц.
Возьмем ленточный кольцевой сердечник OJ125/40-10 или (40x25x10 мм), схематично представленный на рис. 4.
Размеры: D = 40 мм, d = 25 мм, С = 10 мм.
Далее идет два расчета с подробными пояснениями как именно расчитывается трансформатор тока, но слишком большое количество формул затрудняет выложить расчеты на странице сайта. По этой причине полная версия статьи о том как расчитать трансформатор тока была конвертирована в PDF и ее можно скачать воспользовавшись
Как узнать мощность трансформатора?
Для изготовления трансформаторных блоков питания необходим силовой однофазный трансформатор, который понижает переменное напряжение электросети 220 вольт до необходимых 12-30 вольт, которое затем выпрямляется диодным мостом и фильтруется электролитическим конденсатором . Эти преобразования электрического тока необходимы, поскольку любая электронная аппаратура собрана на транзисторах и микросхемах, которым обычно требуется напряжение не более 5-12 вольт.
Чтобы самостоятельно собрать блок питания , начинающему радиолюбителю требуется найти или приобрести подходящий трансформатор для будущего блока питания. В исключительных случаях можно изготовить силовой трансформатор самостоятельно. Такие рекомендации можно встретить на страницах старых книг по радиоэлектронике.
Но в настоящее время проще найти или купить готовый трансформатор и использовать его для изготовления своего блока питания.
Полный расчёт и самостоятельное изготовление трансформатора для начинающего радиолюбителя довольно сложная задача. Но есть иной путь. Можно использовать бывший в употреблении, но исправный трансформатор. Для питания большинства самодельных конструкций хватит и маломощного блока питания, мощностью 7-15 Ватт.
Если трансформатор приобретается в магазине, то особых проблем с подбором нужного трансформатора, как правило, не возникает. У нового изделия обозначены все его главные параметры, такие как мощность , входное напряжение , выходное напряжение , а также количество вторичных обмоток, если их больше одной.
Но если в ваши руки попал трансформатор, который уже поработал в каком-либо приборе и вы хотите его вторично использовать для конструирования своего блока питания? Как определить мощность трансформатора хотя бы приблизительно? Мощность трансформатора весьма важный параметр, поскольку от него напрямую будет зависеть надёжность собранного вами блока питания или другого устройства. Как известно, потребляемая электронным прибором мощность зависит от потребляемого им тока и напряжения, которое требуется для его нормальной работы. Ориентировочно эту мощность можно определить, умножив потребляемый прибором ток (I н на напряжение питания прибора (U н ). Думаю, многие знакомы с этой формулой ещё по школе.
P=U н * I н
Где U н – напряжение в вольтах; I н – ток в амперах; P – мощность в ваттах.
Рассмотрим определение мощности трансформатора на реальном примере. Тренироваться будем на трансформаторе ТП114-163М. Это трансформатор броневого типа, который собран из штампованных Ш-образных и прямых пластин. Стоит отметить, что трансформаторы такого типа не самые лучшие с точки зрения коэффициента полезного действия (КПД ). Но радует то, что такие трансформаторы широко распространены, часто применяются в электронике и их легко найти на прилавках радиомагазинов или же в старой и неисправной радиоаппаратуре. К тому же стоят они дешевле тороидальных (или, по-другому, кольцевых) трансформаторов, которые обладают большим КПД и используются в достаточно мощной радиоаппаратуре.
Итак, перед нами трансформатор ТП114-163М. Попробуем ориентировочно определить его мощность. За основу расчётов примем рекомендации из популярной книги В.Г. Борисова «Юный радиолюбитель».
Для определения мощности трансформатора необходимо рассчитать сечение его магнитопровода. Применительно к трансформатору ТП114-163М, магнитопровод – это набор штампованных Ш-образных и прямых пластин выполненных из электротехнической стали. Так вот, для определения сечения необходимо умножить толщину набора пластин (см. фото) на ширину центрального лепестка Ш-образной пластины.
При вычислениях нужно соблюдать размерность. Толщину набора и ширину центрального лепестка лучше мерить в сантиметрах. Вычисления также нужно производить в сантиметрах. Итак, толщина набора изучаемого трансформатора составила около 2 сантиметров.
Далее замеряем линейкой ширину центрального лепестка. Это уже задача посложнее. Дело в том, что трансформатор ТП114-163М имеет плотный набор и пластмассовый каркас. Поэтому центральный лепесток Ш-образной пластины практически не видно, он закрыт пластиной, и определить его ширину довольно трудно.
Ширину центрального лепестка можно замерить у боковой, самой первой Ш-образной пластины в зазоре между пластмассовым каркасом. Первая пластина не дополняется прямой пластиной и поэтому виден край центрального лепестка Ш-образной пластины. Ширина его составила около 1,7 сантиметра. Хотя приводимый расчёт и является ориентировочным , но всё же желательно как можно точнее проводить измерения.
Перемножаем толщину набора магнитопровода (2 см .) и ширину центрального лепестка пластины (1,7 см .). Получаем сечение магнитопровода – 3,4 см 2 . Далее нам понадобиться следующая формула.
Где S - площадь сечения магнитопровода; P тр - мощность трансформатора; 1,3 - усреднённый коэффициент.
После нехитрых преобразований получаем упрощённую формулу для расчёта мощности трансформатора по сечению его магнитопровода. Вот она.
Подставим в формулу значение сечения S = 3,4 см 2 , которое мы получили ранее.
В результате расчётов получаем ориентировочное значение мощности трансформатора ~ 7 Ватт. Такого трансформатора вполне достаточно, чтобы собрать блок питания для монофонического усилителя звуковой частоты на 3-5 ватт, например, на базе микросхемы усилителя TDA2003.
Вот ещё один из трансформаторов. Маркирован как PDPC24-35. Это один из представителей трансформаторов - «малюток». Трансформатор очень миниатюрный и, естественно, маломощный. Ширина центрального лепестка Ш-образной пластины составляет всего 6 миллиметров (0,6 см.).
Толщина набора пластин всего магнитопровода – 2 сантиметра. По формуле мощность данного мини-трансформатора получается равной около 1 Вт.
Данный трансформатор имеет две вторичные обмотки, максимально допустимый ток которых достаточно мал, и составляет десятки миллиампер. Такой трансформатор можно использовать только лишь для питания схем с малым потреблением тока.
Трансформаторы постоянно используются в различных схемах, при устройстве освещения, питании цепей управления и прочем электронном оборудовании. Поэтому довольно часто требуется вычислить параметры прибора, в соответствии с конкретными условиями эксплуатации. Для этих целей вы можете воспользоваться специально разработанным онлайн калькулятором расчета трансформатора. Простая таблица требует заполнения исходными данными в виде значения входного напряжения, габаритных размеров, а также выходного напряжения.
В результате расчета трансформатора онлайн, на выходе получаются параметры в виде мощности, силы тока в амперах, количества витков и диаметра провода в первичной и вторичной обмотке.
Существуют , позволяющие быстро выполнить расчеты трансформатора. Однако они не дают полной гарантии от ошибок при проведении вычислений. Чтобы избежать подобных неприятностей, применяется программа онлайн калькулятора. Полученные результаты позволяют выполнять конструирование трансформаторов для различных мощностей и напряжений. С помощью калькулятора осуществляются не только расчеты трансформатора. Появляется возможность для изучения его устройства и основных функций. Запрошенные данные вставляются в таблицу и остается только нажать нужную кнопку.
Благодаря онлайн калькулятору не требуется проводить каких-либо самостоятельных подсчетов. Полученные результаты позволяют выполнять перемотку трансформатора своими руками. Большинство необходимых расчетов осуществляется в соответствии с размерами сердечника. Калькулятор максимально упрощает и ускоряет все вычисления. Необходимые пояснения можно получить из инструкции и в дальнейшем четко следовать их указаниям.
Конструкция трансформаторных магнитопроводов представлена тремя основными вариантами - броневым, стержневым и . Прочие модификации встречаются значительно реже. Для расчета каждого вида требуются исходные данные в виде частоты, входного и выходного напряжения, выходного тока и размеров каждого магнитопровода.
Трансформатор представляет собой тип электрического компонента, который предназначен для преобразования напряжения и тока из одной величины в другую, пропорциональную потребляемой мощности на входе и выходе. Этот элемент силовой аппаратуры может содержать обычно одну первичную обмотку, и одну или несколько вторичных.
Являясь достаточно сложным устройством, расчет трансформатора порой отнимает много времени и не каждому под силу выполнить его качественно. А ведь от правильности процесса зависит многое. Стабильность работы готового устройства, КПД, потребляемая мощность. Кроме этого при неправильном расчете с намоточным устройством могут происходить самые разнообразные непонятные вещи:
В более серьезных ситуациях он и вовсе может возгореться, доставив дополнительные неприятности. Поэтому многих интересует вопрос, как рассчитать трансформатор того или иного типа, чтобы тот выдавал необходимое количество электрической мощности и коэффициент полезного действия был максимально приближен к 1 .
Но сразу, стоит уверить вас, что КПД равный 1 – это нереальный фактор, потому что потери присутствуют всегда, поэтому выполняя расчет онлайн или традиционным методом, увидев показатель равный 40% при расчете силового трансформатора на железе – это уже хорошо. Для импульсных же устройств программа расчета выдаст по меньшей мере 55-60%. Поэтому, если вы хотите сделать устройство наиболее эффективное, то выбирайте именно импульсный тип трансформатора, но если требуется сделать надежный силовой агрегат, где неважна потребляемая мощность, то, конечно, берем в расчет трансформаторное железо.
Все программы расчета трансформаторов производят обработку данных по известным нам формулам из научных изданий, поэтому правильность ее программы всегда можно проверить. Но необходимость знания табличных величин может завести вас в заблуждение
. Поэтому сейчас разберем некоторые подробности расчета трансформаторов с тороидальным сердечником на трансформаторном железе или на феррите.
Тороид обладает наилучшими качествами по сравнению со всеми другими типами сердечников, так как в нем отсутствуют зазоры, и как результат, минимизированы потери на вихревые токи. Поэтому КПД у таких трансформаторов существенно выше, поэтому если хотите сделать качественное устройство, то используйте именно такой тип сердечника, правда, на него сложнее мотать обмотку, но дело того стоит.
Первым делом для правильности расчета потребуется определить основные параметры будущего трансформатора. К ним относятся:
Далее, выполняется расчет количества витков на каждой из обмоток, выбирается тип провода по таблице и полученным результатам расчета тока, но прежде потребуется измерять размеры сердечника, если он имеется. Либо же, наоборот, задаться необходимой мощностью, и рассчитать параметры кольца. Именно это предлагают все онлайн-программы расчета трансформаторов.
Выбирая количество витков на первичной обмотке, необходимо помнить о том, что при их недостаточном числе она будет сильно греться, и в конечном итоге сгорит. А при достаточно большем будет невелико напряжение на вторичной, поэтому необходимо пользоваться строго справочными данными и формулами из учебников.
Рассмотрим пример расчета трансформатор, намотанного на тороидальном типе сердечника и питаемый от сети с частотой 50 Гц.
Для упрощения процесса расчета устройства можно воспользоваться табличными данными, которая показывает формулы и переменные, используемые для определения параметров намоточного изделия, сведенные в таблице ниже:
Для изготовления сердечников таких сетевых трансформаторов применяется 2 типа стали:
Следует понимать, что число витков для каждого типа стали может быть различным, что связано с магнитной проницаемостью сердечника, прочих показателей. В таблице же ω 1 и ω 2 – это число витков для холоднокатанной и обычной стали соответственно. Рг – габаритная мощность трансформатора; S – параметры сердечника (площадь сечения), ∆ — максимально допустимая плотность тока в обмотках; η – коэффициент полезного действия устройства.
Одной из особенностей изготовления тороидального трансформатора является то, что в нем используется наружная и межобмоточная изоляции, поэтому проводники должны быть с достаточно эластичным покрытием. В качестве таковых часто выбирают ПЭЛШО или ПЭШО также пользуется популярностью ПЭВ-2. В качестве наружного типа изоляции применяются следующие типы материалов:
Одним из преимуществ использования онлайн-калькуляторов для расчета параметров трансформатора является отсутствие необходимости во всех вышеперечисленных нюансах. Но результат получается приблизительным , поэтому это важно помнить, используя ту или иную программу. Конечно, есть более качественные проекты с расчетом трансформаторов, в которых учитывается толщина изоляционной пленки, тип стали, плотность намотки.
Далее, необходимо задаться основными параметрами будущего трансформатора. К ним относятся напряжение сети Uс и выходное напряжение со вторичной обмотки Uн. Также задаемся током в нагрузке Iн, именно этот показатель зачастую является самым главным, определяющим характеристики устройства.
Некоторые калькуляторы совместно с внесением данных в форму также показывают основные формулы, по которым было определено полученное значение. Это намного облегчает процесс и одновременно позволяет более углубленно понять принцип расчета. В любом случае при задании основных данных в форму программа первым делом определяет мощность нВ вторичной обмотке по известной формуле:
Следующим шагом при расчете параметров любого тороидального трансформатора является определение сечения сердечника. Она вычисляется по формуле:
S расч=√Рг/1,2.
Для правильного выбора сердечника, необходимо воспользоваться следующей формулой расчета сечения:
S =(Dc — dc) hc /2.
После чего, пользуясь справочной таблицей параметров сердечников, выбираем ближайший по характеристикам. Подбирать необходимо магнитопровод с большей мощностью, чем рассчитанная по формуле.
Следующим шагом, который выполняет программа расчета сварочного или силового трансформатора с питанием от сети 50Гц , является определение количества витков на 1 вольт. Для этого необходимо воспользоваться постоянными величинами, взятыми из справочника. Дело в том, что для каждого типа сердечника имеется своя константа. Например, для магнитопровода из стали Э320 она равна 33,3, а формула выглядит следующим образом:
W 1-1 = ω 1 х Uc ;
W 1-2 = ω 1 х U н.
Осуществляя расчеты числа витков на обмотках сварочного тороидального трансформатора, необходимо учесть рассеиваемую мощность, из-за чего напряжение на выходе будет занижено на 3%. Поэтому для корректности расчетов рекомендуется увеличить число витков на вторичной обмотке ровно на эту разницу.
Следующим шагом будет определение диаметра проводов обеих обмоток. Для этого вычисляется значение тока в первичной обмотке:
I 1=1,1(Р2/ Uc). А по формуле:
d 1=1,13√ I 1/∆ определяется параметр провода.
Такой расчет справедлив для всех типов трансформаторов как силовых, так и сварочных с питанием от сети частотой 50Гц. Программа расчета производит те же операции, что были приведены выше. Только она может оперировать данными в любом порядке. Например, задавая количество витков, можно определить напряжение и мощность сердечника, вводя параметры сердечника, можно узнать мощность и электрические характеристики трансформатора.
Как и в случае с обычным силовым трансформатором, импульсные также могут быть рассчитаны с помощью онлайн-калькуляторов и различных программ. Формулы будут похожи, но необходимо будет учесть магнитную проницаемость
и прочие параметры ферритового сердечника. Потому, что от его свойств напрямую зависит качество и корректность работы готового устройства.
При выполнении расчетов сварочных импульсных трансформаторов при помощи программ, многие из них дают подсказки, представляя мостовые схемы выпрямителей и прочее. Все это намного облегчает процесс, так как традиционными методами он сложен. Но, в общем, принцип остается таким же. А что насчет программ калькуляторов, то их в интернете можно найти большое количество для выполнения расчета любых импульсных или обычных сетевых устройств различной мощности и электрических параметров.
