Трансформаторы представляют собой электромагнитные приборы, предусматривающие две или более индукционно-связных обмоток и служащие для определения значения переменного тока (напряжения). В состав устройства входит магнитный сердечник с размещенными на нем обмотками. Однофазные агрегаты низкого напряжения используют для питания управляющих цепей.
Обмотка, подключенная к источнику напряжения, называется первичной, а те из них, к которым подсоединяются потребители тока, являются вторичными. Агрегаты делят в зависимости от результата работы.
Радиолюбители знают о такой ситуации, когда необходимо сделать трансформатор, имеющий показатели силы тока и напряжения, отличные от стандартных показателей. Иногда удается найти готовый прибор с нужными параметрами обмоток, но чаще трансформатор приходится изготавливать собственными силами .
Возникает необходимость расчета трансформатора, который в промышленной ситуации представляет собой сложный процесс, но радиолюбители могут рассчитывать свои агрегаты по сравнительно упрощенной схеме:
Сначала определяются со значениями параметров на выходе будущего прибора. Выбирают оптимальный показатель номинальной мощности, который рассчитывается суммированием мощностей всех обмоток вторичного порядка. Этот показатель на каждой обмотке определяется умножением напряжения в вольтах и выходного тока в амперах .
Номинальная мощность позволит высчитать сечение сердечника, полученное в квадратных сантиметрах. На выбор сердечника влияет ширина его центральной пластины и толщина наборного слоя. Чтобы определить сечение сердечника умножают эти два параметра. Мощность изменяется по мере поступления тока из первичной обмотки во вторичную. Это происходит благодаря магнитному потоку в сердечнике, поэтому от показателя мощности напрямую зависит размер площади сердечника.
Оптимальным типом является броневой сердечник . Если взять для сравнения торроидальный или стержневой тип, то на изготовление броневого потребуется в полтора раза меньше провода для устройства обмотки. Тороидальная конструкция состоит из кольца, на котором располагаются обмотки, такой тип имеет наименьшее из всех магнитное излучение.
Стержневая конструкция предполагает наличие двух катушек с намоткой провода на каждой. Обмотки разделяются на два и соединяются последовательно. Трудности возникают с определением направления обмотки, стержневые типы сердечников обычно применяют для мощных трансформаторов. Броневая конструкция сердечника применяется для малых и средних трансформаторов и состоит из одной катушки с удобным расположением намотки.
Для проверки, поместятся ли все обмотки на выбранном агрегате, используется коэффициент заполнения окна . Чтобы его проверить, рассчитывают площадь окна в сердечнике. После этого находят коэффициент, показывающий количество витков, которые нужно намотать для поднятия напряжения до размера на обмотке в 1 вольт.
Количество витков рассчитывается по потребности в одном витке обмотки на 50 см2. Если измерить площадь сердечника, то число витков считается делением полученной площади на 50. Например, если площадь сечения равна 100 см, то нужно выполнить два витка обмотки на 1 вольт.
Расчет общего числа витков провода делается умножением полученного количества на 1 вольт на общее напряжение. Например, 2 витка умножить на 220, получим 440 витков в одной обмотке. В нагруженном режиме работы трансформатора может теряться часть напряжения на преодоление сопротивления вторичных обмоток. Рекомендуется количество витков определять на 5-9% больше полученного при расчете.
Умножают показатель обмоточного напряжения на полученный коэффициент, такой расчет идентичен для всех обмоток трансформатора. Показатель рабочего тока рассчитывается из параметров напряжения в сети и мощности трансформатора. Полученное рабочее значение тока переводится в миллиамперы и производится расчет диаметра провода.
Для выбора оптимального показателя количества проводов используют специальные таблицы, которые показывают, как заменяется полученный диаметр провода вместо одного на два или несколько идентичных по показателям совместной работы.
Например, полученное значение в расчете составляет 0,52мм, следовательно, по таблице определяют, что такой показатель можно поменять на два провода по 0,32мм или взять три провода по 0,28 мм . Значит, диаметр провода может состоять из нескольких диаметров, суммарное значение которых должно быть не ниже, чем полученное в расчете.
Напоследок проверяют оконный коэффициент заполнения. Он не должен быть выше показания 0,5 с учетом изоляции провода. Если его значение получается больше, тогда нужно брать большее сечение сердечника и весь расчет производится заново.
Такой расчет позволяет очень оперативно менять параметры
, при этом сокращается время на разработку емкости трансформатора. В разные по цвету поля вводятся исходные показатели и данные из автоматических таблиц. Можно корректировать данные, вводя собственные показатели. Калькулятор позволит произвести расчет требуемой площади провода и количества витков в каждой из обмоток.
Перед тем как производить автоматический расчет трансформатора онлайн, следует определить показатели для ввода:
Расчет трансформатора по выбранным из источников формулам производится достаточно медленно, существует опасность допустить ошибки. Расчет онлайн позволит выполнить конструирование быстро и результативно. Такой удобный расчет подойдет для новичков-радиолюбителей, с не меньшим успехом им могут воспользоваться и профессионалы. Самый быстрый способ произвести расчет – ввести все данные и нажать кнопку .
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.
Сразу оговорюсь, что буду рассматривать однофазные трансформаторы для питания наземной стационарной радиоаппаратуры мощностью в десятки - сотни ватт, что имеет самое распространенное применение.
Прежде, чем приступить к расчетам трансформатора, которых может быть великое множество, необходимо договориться о критериях его качества, что непременно отразится на построении расчетных формул. Я считаю, что главный качественный показатель силового трансформатора для радиоаппаратуры это его надежность. Следствие надежности - это минимальный нагрев трансформатора при работе (иными словами он должен быть всегда холодным!) и минимальная просадка выходных напряжений под нагрузкой (иными словами, трансформатор должен быть "жестким").
Другие критерии оптимизации кроме надежности, как-то: экономия меди, минимальные габариты или вес, высокая удельная мощность, удобство намотки, минимизация стоимости, ограниченный срок службы (чтобы новые покупали чаще, взамен сгоревших) я не считаю приемлемыми в инженерной практике. Методики "вышибания" из имеющегося типоразмера сердечника наимаксимальнейшей мощности, я тоже считаю неприемлемыми. - Такие трансформаторы долго не работают и греются как черти.
Хотите экономить - покупайте китайскую дешевку или советский ширпотреб. Но помните: "Скупой всегда платит дважды!".
Трансформатор должен работать и не создавать проблем. Это его главная функция.
Исходя из этого, будем его и рассчитывать!
Прежде всего, необходимо уяснить для себя некоторую минимальную теорию.
Итак: силовой трансформатор. Не идеальный. А по сему, эти неидеальности нужно понимать и правильно учитывать. Главных неидеальностей у силового трансформатора - две.
1. Потери на активном сопротивлении провода обмоток (зависят от материала провода и от плотности, протекающего через него тока).
2. Потери на перемагничивание в сердечнике, - на неком "магнитном сопротивлении" (зависят от материала сердечника и от значения магнитной индукции).
Именно эти две неидеальности должны быть разумно-минимальными, чтобы трансформатор удовлетворял требованиям надежности.
Активное сопротивление обмоток и, как следствие, их нагрев, определяется заложенной при расчете плотностью тока в проводе. А по сему, ее значение должно быть оптимальным. На основании большого практического опыта рекомендую использовать значение плотности тока в медном проводе не более 3,2 ампера на квадратный миллиметр сечения. При использовании серебряного провода, плотность тока можно увеличить до 3,5 ампер на квадратный миллиметр. А вот, для алюминиевого провода она не должна превышать значение 2 ампера на квадратный миллиметр. Указанные значения плотности тока категорически превышать нельзя! И из этих значений мы выведем формулы для определения диаметра провода обмоток, коими будем пользоваться в расчете.
Мотать обмотки более толстым проводом (при меньшем значении плотности тока) - можно. Более тонким - категорически нет! Однако, и более толстым проводом мотать обмотки не стоит, поскольку тогда мы рискуем не уложить нужное число витков в окно сердечника. А в хорошем трансформаторе должно быть много витков, чтобы свести к минимуму магнитные потери и чтобы не грелся его сердечник.
Большинство холоднокатаных электротехнических сталей сохраняют свою линейность до значения магнитной индукции 1,35 Тесла или 13500 Гаусс. Но надо не забывать, что напряжение в розетке электросети может иметь разброс от 198 до 242 вольт, что соответствует нормированному 10-и процентному отклонению от номинала как в плюс, так и в минус. То есть, если мы хотим, чтобы во всем диапазоне питающих напряжений наш трансформатор работал надежно, надо его рассчитать так, чтобы сердечник не подходил бы к нелинейности при любом допустимом напряжении питающей сети. В том числе и при 242 вольтах. А по сему, на номинальном напряжении 220 вольт, магнитная индукция должна выбираться не более 1,2 Тесла или 12000 Гаусс.
Соблюдение этих двух указанных требований обеспечит высокий КПД трансформатора и высокую стабильность выходных напряжений при изменении тока нагрузки от нуля до максимального значения. Иными словами, мы получим очень "жесткий" трансформатор. Что и нужно! А вот увеличение расчетного значения индукции более 1,2 Тесла приведет не только к нагреву сердечника, но и к снижению "жесткости" трансформатора. Если расчитывать трансформатор на значение индукции более 1,3 Тесла, то мы получим "мягкий" трансформатор, выходные напряжения которого, плавно просаживаются при увеличении тока нагрузки от нуля до его номинального значения. Не для всех радиоустройств такие трансформаторы пригодны. Впрочем, в транзисторных схемах можно с успехом использовать стабилизатор выпрямленного напряжения. Но это - дополнительная схема, дополнительные габариты, дополнительная рассеиваемая мощность, дополнительные деньги и дополнительная ненадежность. Не лучше ли сразу сделать хороший трансформатор?
У мягкого питающего трансформатора напряжения на одних вторичных обмотках зависит от потребляемых токов в других - за счет просадки в общих цепях - на активном сопротивлении первичной обмотки и на магнитном сопротивлении. Например, если мы питаем от мягкого трансформатора двухтактный ламповый усилитель, работающий в режиме класса В или АВ, то изменение потребления по анодной цепи приведет к дополнительным колебаниям напряжения накала ламп. И, поскольку, напряжение накала ламп имеет также допустимый разброс в 10% от номинала, мягкий трансформатор внесет в это напряжение дополнительную нестабильность еще в 10, а то и в 15 процентов. А это неизбежно, сначала сократит выходную мощность усилителя на больших громкостях (инерционные просадки громкости), а с течением времени приведет к более ранней потери эмиссии у ламп.
Экономия на силовом трансформаторе аукается более дорогими потерями в радиолампах и в параметрах радиоустройств. Вот уж воистину: "Экономия - путь к разорению и нищете!"
В настоящее время наиболее распространены магнитопроводы следующих конфигураций:
Дальнейший расчет трансформатора будем вести по строгим классическим формулам из учебника электротехники:
1. При соблюдении достигнутых договоренностей КПД трансформатора (при наиболее часто встречающихся мощностях 80 - 200 Вт) будет не ниже 95 процентов, а то и выше. Поэтому, в формулах будем использовать значение КПД = 0,95.
2. Коэффициент заполнения окна сердечника медью для тороидальных трансформаторов составляет 0,35. Для обычных каркасных броневых или стержневых - 0,45. При широких каркасах и большой длине намотки одного слоя (h), значение Km может доходить и до значения 0,5 ... 0,55, как, например, у магнитопроводов типа Б69 и Б35, параметры которых приведены на рисунке. При бескаркасной промышленной намотке Km может иметь значения и до 0,6 ... 0,65. Для справки: теоретический предел значения Km для слоевого размещения круглого провода без изоляции в квадратном окне - 0,87.
Приведенные практические значения Km достижимы лишь при ровной укладке провода строго виток к витку, тонкой межслойной и межобмоточной изоляции и заделке выводов за пределами окна сердечника (на боковых вылетах обмотки). При изготовлении каркасных обмоток в любительских условиях, в условиях лабораторного или опытного производства, лучше принимать значение Km = 0,45 ... 0,5.
Разумеется, все это касается обычных силовых трансформаторов для ламповой или транзисторной аппаратуры, с выходными и питающими напряжениями до 1000 вольт, где не предъявляются повышенные изоляционные требования к обмоткам и к заделке их выводов.
3. Габаритная мощность трансформатора, в ваттах, на конкретно выбранном сердечнике определяется по формуле:
Где:
η
= 0,95 - КПД трансформатора;
Sc
и So
- площади поперечного сечения сердечника и окна, соответственно [кв. см];
f
- нижняя рабочая частота трансформатора [Гц];
B
= 1,2 - магнитная индукция [T];
j
- плотность тока в проводе обмоток ;
Km
- коэффициент заполнения окна сердечника медью;
Kc
= 0,96 - коэффициент заполнения сечения сердечника сталью;
4. Задавшись напряжениями обмоток, количество необходимых витков можно рассчитать по такой формуле:
Где:
U 1
, U 2
, U 3
, ... - напряжения обмоток в вольтах, а n 1
, n 2
, n 3
, ... - число витков обмоток.
Если изначальные договоренности нами в точности соблюдены, и мы делаем жесткий трансформатор, то число витков как первичной, так и вторичной обмоток определяется по одной и той же формуле. Если же мы будем использовать трансформатор при предельном значении мощности для имеющегося типоразмера сердечника, рассчитанное по этой формуле, или мы проектируем маломощные трансформаторы (менее 50 Вт), с большим числом витков и тонким проводом обмоток, то число витков вторичных обмоток следует увеличить в 1/√η раз. С учетом нашей договоренности, это составит 1,026 или больше рассчетного на 2,6%.
Что же касается напряжений накальных обмоток, то здесь стоит вспомнить указание самой главной книги по радиолампам: , выпущенное для радиоинженеров-разработчиков Государственным комитетом по электронной технике СССР в 1964 году.
Надо открыть это руководство на 13-ой странице, внимательно рассмотреть график на рисунке 1, и уяснить из него, что оптимальное напряжение накала радиоламп для сохранения их максимальной надежности и, соответственно, долговечности составляет 95% от номинала. Что для ламп с напряжением накала 6,3 вольта, составит ровно 6 вольт. Поэтому не надо увеличивать число витков накальных обмоток на 2,6%. Пусть будет, как есть.
5. Определяем токи обмоток:
Ток первичной обмотки: I 1 = P / U 1
При использовании двухполупериодного выпрямителя средний ток каждой половины обмотки будет в 1,41 раза (корень из двух) меньше, чем необходимый выпрямленный ток нагрузки. В случае использования мостового полупроводникового выпрямителя, ток обмотки будет в 1,41 раза больше, чем выпрямленный ток нагрузки. Поэтому, надо не забыть в формулы для определения диаметров проводов подставлять потребления по постоянному току, в первом случае поделенные, а во втором, умноженные на 1,41.
6. Рассчитываем диаметры проводов обмоток исходя из протекающих в них токов по следующим формулам (для меди, серебра или алюминия):
Полученные значения округляем в сторону увеличения до ближайшего стандартного диаметра провода.
7. Делаем проверку расчета. Мощность первичной обмотки - произведение питающего напряжения на потребляемый ток, должна быть равна сумме мощностей всех вторичных обмоток. То есть: U 1 x I 1 = U 2 x I 2 + U 3 x I 3 + U 4 x I 4 + ...
Намотав трансформатор, для проведения дальнейших расчетов выпрямителя необходимо замерить некоторые его параметры.
Активное сопротивление первичной обмотки.
Активное сопротивление вторичных обмоток.
Точные значения напряжений вторичных обмоток, разумеется, проверив, чтобы в сети при этом напряжение составляло 220 вольт. Если же оно отличается от номинала (но находится в пределах 198 - 242), то пропорционально пересчитать измеренные значения.
Ток холостого хода первичной обмотки (какой ток трансформатор потребляет из сети при отсутствии нагрузки на его вторичных обмотках).
К примеру,
Тороидальный силовой двухобмоточный трансформатор, мощностью 530 Ватт, который я сам, вручную, мотал в 1982 году на сердечнике от сгоревшего бытового переходного 400-ваттного автотрансформатора 127/220 вольт, называвшегося в торговой сети "Юг-400", имел следующие параметры:
Магнитная индукция при напряжении 220 вольт - 1,2 Тесла,
Число витков первичной обмотки (220 вольт) - 1100.
Диаметр провода первичной обмотки - 0,96 мм.
Число витков вторичной обмотки (127 вольт) - 635.
Диаметр провода вторичной обмотки - 1,35 мм.
При этом, ток холостого хода получился 7 (семь!) миллиампер.
На протяжении восемнадцати лет, не выключаясь, через этот трансформатор у меня питался "холостяцкий" холодильник "Саратов-II" (тот самый, при работе с которым сгорел автотрансформатор "Юг") после перевода нашего района на напряжение сети 220 вольт.
Для сравнения.
"Родная", промышленная, обмотка того самого трансформатора "Юг" на 220 вольт содержала 880 витков. Не удивительно, что он грелся как сволочь, даже будучи лишь автотрансформатором, и в конце-концов сгорел. Да, это и понятно, ведь, советская бытовая промышленность была заинтересована в увеличении покупательского спроса. Ну, вот и достигалось это не широкой номенклатурой товаров, а ограниченным сроком их работы!
Не надо экономить, - это, ведь, то же самое, что самому себе гадить.
Желаю удачи!
Каждый из нас знает, что такое трансформатор. Он служит для преобразования напряжения в большее или меньшее значение. Когда мы приобретаем трансформатор в специализированных магазинах, как правило, в инструкции к ним имеется полное техническое описание. Вам нет необходимости считать все его параметры и измерять их, так как они все уже подсчитаны и выведены заводом-изготовителем. В инструкции вы сможете найти такие параметры, как мощность трансформатора, входное напряжение, выходное напряжение, количество вторичных обмоток, если их количество превышает одну.
Но если к вам в руки попало уже использовавшееся оборудование и его функциональность вам неизвестна, необходимо самостоятельно рассчитать обмотку трансформатора и его мощность. Но как рассчитать обмотку трансформатора и его мощность хотя бы приблизительно? Стоит отметить, что такой параметр, как мощность трансформатора, очень важный показатель для данного устройства, так как от него будет зависеть, насколько функциональным будет устройство, собранное из него. Чаще всего его используют для создания блоков питания.
В первую очередь следует обозначить, что мощность трансформатора зависит от потребляемого тока и напряжения, которые необходимы для его функционирования. Для того чтобы подсчитать мощность, вам необходимо перемножить эти два показателя: силу потребляемого тока и напряжение питания устройства. Данная формула знакома каждому еще со школьной скамьи, выглядит она следующим образом:
P=Uн*Iн, где
Uн — напряжение питания, измеряется в вольтах, Iн — сила потребляемого тока, измеряется в амперах, P — потребляемая мощность, измеряется в ваттах.
Если у вас имеется трансформатор, который вы бы хотели измерить, то можете делать это прямо сейчас по следующей методике. Для начала необходимо осмотреть сам трансформатор и определиться с его типом и используемыми в нем сердечниками. Всматриваясь в трансформатор, необходимо понять, какой тип сердечника в нем используется. Самым распространенным считается Ш-образный тип сердечника.
Данный сердечник используется в не самых лучших трансформаторах, с точки зрения коэффициента полезного действия, но их вы можете легко найти на прилавках магазинов по продаже электротехники или выкрутить у старой и неисправной техники. Доступность и достаточно низкая цена делают их достаточно популярными среди любителей собрать устройство своими руками. Также можете приобрести тороидальный трансформатор, который иногда называют кольцевым. Он значительно дороже первого и обладает лучшим коэффициентом полезного действия и другими качественными показателями, используется в достаточно мощных и высокотехнологичных устройствах.
Вернуться к оглавлению
Воспользовавшись книгами по радиотехнике и электронике, мы можем самостоятельно рассчитать со стандартным Ш-образным сердечником. Для того чтобы рассчитать мощность такого устройства, как трансформатор, необходимо правильно рассчитать сечение магнитопровода. Что касается стандартных трансформаторов с Ш-образным сердечником, размер сечения магнитопровода будет измеряться длиной поставленных пластин, выполненных из специальной электротехнической стали. Итак, для того чтобы определить сечение магнитопровода, необходимо перемножить два таких показателя, как толщина набора пластин и ширина центрального лепестка Ш-образной пластины.
Взяв линейку, мы сможем измерить ширину набора излучаемого трансформатора. Очень важно, что лучше всего все измерения проводить в сантиметрах, как и вычисления. Это сможет исключить появления ошибок в формулах и избавит вас от ненужных вычислений в переводы с сантиметров на метры. Итак, образно возьмем ширину рядов, равную трем сантиметрам.
Дальше необходимо измерить ширину его центрального лепестка. Данная задача может стать проблемной, так как многие трансформаторы могут по своим технологическим особенностям быть закрыты пластиковым каркасом. В таком случае вам будет нельзя, предварительно не видя реальной ширины, сделать какие-либо расчеты, которые хотя бы близко будут походить на реальные. Для того чтобы измерить данный параметр, вам понадобится поискать такие места, где это было бы возможно сделать. В ином случае можно аккуратно разобрать его корпус и измерить данный параметр, но стоит делать это с ювелирной точностью.
Вернуться к оглавлению
Найдя открытое место или разобрав прибор, вы сможете измерить толщину центрального лепестка. Абстрактно возьмем данный параметр, равный двум сантиметрам. Стоит напомнить, что, примерно рассчитывая мощность, следует как можно точнее проводить измерения. Далее вам необходимо перемножить размер набора магнитопровода, равного трем сантиметрам, и толщину лепестка пластины, равную двум сантиметрам. В итоге мы получаем сечение магнитопровода в шесть квадратных сантиметров. Чтобы делать дальнейший расчет, вам необходимо ознакомиться с такой формулой, как S=1,3*√Pтр, где:
Вспомнив формулы из курса математики, мы можем сделать вывод, что, для того чтобы подсчитать мощность, можно сделать следующее преобразование:
〖Ртр=(S/1.33)〗^2
Следующий шаг является подстановкой в данную формулу получившегося значения сечения магнитопровода в 6 квадратных сантиметрах, в итоге получим следующие значение:
〖Ртр=(S/1.33)〗^2=(6/1.33)^2=〖4.51〗^2=20.35 Вт
После всех подсчетов получаем абстрактное значение в 20,35 ватт, которое будет тяжело найти в трансформаторах с Ш-образным сердечником. Реальные значения колеблются в области семи ватт. Данной мощности будет вполне достаточно, чтобы собрать блок питания для аппаратуры, работающей на звуковых частотах и имеющей мощность в пределах от 3 до 5 ватт.
Расчет силового трансформатора
Трансформатор – это пассивный преобразователь энергии. Его коэффициент полезного действия (КПД) всегда меньше единицы. Это означает, что мощность потребляемая нагрузкой, которая подключена к вторичной обмотке трансформатора, меньше, чем мощность, потребляемая нагруженным трансформатором от сети. Известно, что мощность равна произведению силы тока на напряжение, следовательно, в повышающих обмотках сила тока меньше, а в понижающих – больше силы тока, потребляемого трансформатором от сети.
Параметры и характеристики трансформатора.
Два разных трансформатора при одинаковом напряжении сети могут быть рассчитаны на получение одинаковых напряжений вторичных обмоток. Но если нагрузка первого трансформатора потребляет больший ток, а второго маленький, значит, первый трансформатор характеризуется по сравнению со вторым большей мощностью. Чем больше сила тока в обмотках трансформатора, тем больше и магнитный поток в его сердечнике, поэтому сердечник должен быть толще. Кроме того, чем больше сила тока в обмотке, тем более толстым проводом она должна быть намотана, а это требует увеличения окна сердечника. Поэтому габариты трансформатора зависят от его мощности. И наоборот, сердечник определенного размера пригоден для изготовления трансформатора только до определенной мощности, которая называется габаритной мощностью трансформатора. Количество витков вторичной обмотки трансформатора определяет напряжение на ее выводах. Но это напряжение зависит также и от количества витков первичной обмотки. При определенном значении напряжения питания первичной обмотки напряжение вторичной зависит от отношения количества витков вторичной обмотки количеству витков первичной. Это отношение и называется коэффициентом трансформации. Если напряжение на вторичной обмотке зависит от коэффициента трансформации нельзя произвольно выбирать количество витков одной из обмоток. Чем меньше габариты сердечника, тем больше должно быть количество витков каждой обмотки. Поэтому размеру сердечника трансформатора соответствует вполне определенное количество витков его обмоток, приходящееся на один вольт напряжения, меньше которого брать нельзя. Эта характеристика называется количеством витков на один вольт..
Как и всякий преобразователь энергии, трансформатор обладает коэффициентом полезного действия – отношением мощности, потребляемой нагрузкой трансформатора, к мощности, которую нагруженный трансформатор потребляет от сети. КПД маломощных трансформаторов, которые обычно применяются для питания бытовой электронной аппаратуры, колеблется в пределах от 0,8 до 0,95. Более высокие значения имеют трансформаторы большей мощности.
Электрический расчет трансформатора
Перед расчетом трансформатора необходимо сформулировать требования, которым он должен удовлетворять. Они и будут являться исходными данными для расчета. Технические требования к трансформатору определяются также путем расчета, в результате которого определяются те напряжения и токи, которые должны быть обеспечены вторичными обмотками. Поэтому перед расчетом трансформатора производится расчет выпрямителя для определения напряжений каждой из вторичных обмоток и потребляемых от этих обмоток токов. Если же напряжения и токи каждой из обмоток трансформатора уже известны, то они являются техническими требованиями к трансформатору. Для определения габаритной мощности трансформатора необходимо определить мощности, потребляемые от каждой из вторичных обмоток и сложить их, учитывая также КПД трансформатора. Мощность, потребляемую от любой обмотки, определяют умножением напряжения между выводами этой обмотки на силу потребляемого от нее тока:
P– мощность, потребляемая от обмотки, Вт;
U– эффективное значение напряжения, снимаемого с этой обмотки, В;
I– эффективное значение силы тока, протекающего в этой же обмотке, А.
Суммарная мощность, потребляемая, например, тремя вторичными обмотками, вычисляется по формуле:
P S =U 1 I 1 +U 2 I 2 +U 3 I 3
Для определения габаритной мощности трансформатора, полученное значение суммарной мощности P S нужно разделить на КПД трансформатора:P г = , где
P г – габаритная мощность трансформатора; η – КПД трансформатора.
Заранее рассчитать КПД трансформатора нельзя, так как для этого нужно знать величину потерь энергии в обмотках и в сердечнике, которые зависят от параметров самих обмоток (диаметры проводов и их длина) и параметров сердечника (длина магнитной силовой линии и марка стали). И те и другие параметры становятся известными только после расчета трансформатора. Поэтому с достаточной для практического расчета точностью КПД трансформатора можно определить из таблицы 6.1.
Таблица 6.1
|
Суммарная мощность, Вт | ||||
|
КПД трансформатора |
Наиболее распространены две формы сердечника: О – образная и Ш – образная. На сердечнике О – образной формы обычно располагаются две катушки, а на сердечнике Ш – образной формы - одна. Зная габаритную мощность трансформатора, находят сечение рабочего керна его сердечника, на котором находится катушка:
Сечением рабочего керна сердечника является произведение ширины рабочего керна а и толщины пакета с. Размеры а и с выражены в сантиметрах, а сечение – в квадратных сантиметрах.
После этого выбирают тип пластин трансформаторной стали и определяют толщину пакета сердечника. Сначала находят приблизительную ширину рабочего керна сердечника по формуле: a= 0,8
Затем по полученному значению а производят выбор типа пластин трансформаторной стали из числа имеющихся в наличии и находят фактическую ширину рабочего керна а. после чего определяют толщину пакета сердечника с:
Количество витков, приходящихся на 1 вольт напряжения, определяется сечением рабочего керна сердечника трансформатора по формуле: n=k/S, гдеN– количество витков на 1 В;k– коэффициент, определяемый свойствами сердечника;S- сечение рабочего керна сердечника, см 2 .
Из приведенной формулы видно, что чем меньше коэффициент k, тем меньше витков будут иметь все обмотки трансформатора. Однако произвольно выбирать коэффициентkнельзя. Его значение обычно лежит в пределах от 35 до 60. В первую очередь оно зависит от свойств пластин трансформаторной стали, из которых собран сердечник. Для сердечников С-образной формы, витых из тонкой ленты, можно братьk= 35. Если используется сердечник О - образной формы, собранный из П- или Г – образных пластин без отверстий по углам, берутk= 40. Такое же значениеkи для пластин типа УШ, у которых ширина боковых кернов больше половины ширины среднего керна.. Если используются пластины типа Ш без отверстий по углам, у которых ширина среднего керна ровно вдвое больше ширины крайних кернов, целесообразно взятьk= 45, а если Ш – образные пластины имеют отверстия, тоk= 50. Таки образом, выборkв значительной мере условен и им можно в некоторых пределах варьировать, если учесть, что уменьшениеkоблегчает намотку, но ужесточает режим трансформатора. При применении пластин из высококачественной трансформаторной стали этот коэффициент можно немного уменьшать, а при низком качестве стали приходится его увеличивать.
Зная необходимое напряжение каждой обмотки и количество витков на 1 В, легко определить количество витков обмотки, перемножим эти величины: W=Un
Такое соотношение справедливо только для первичной обмотки, а при определении количества витков вторичных обмоток нужно дополнительно вводить приближенную поправку для учета падения напряжения на самой обмотке от протекающего по ее проводу тока нагрузки: W=mUn
Коэффициент mзависит от силы тока, протекающего по данной обмотке (см. таблицу 6.2). Если сила тока меньше 0,2 А, можно приниматьm= 1. Толщина провода, которым наматывается обмотка трансформатора определяется силой тока, протекающей по этой обмотке. Чем больше ток, тем толще должен быть провод, подобно тому как для увеличения потока воды требуется использовать более толстую трубу. От толщины провода зависит сопротивление обмотки. Чем тоньше провод, тем больше сопротивление обмотки, следовательно, увеличивается выделяемая в ней мощность и она сильнее нагревается. Для каждого типа обмоточного провода существует предел допустимого нагрева, который зависит от свойств эмалевой изоляции. Поэтому диаметр провода может быть определен по формуле:d=p, гдеd– диаметр провода по меди, м;I- сила тока в обмотке, А;p- коэффициент, (таблица 6.3) который учитывает допустимый нагрев той или иной марки провода.
Таблица 6.2: Определение коэффициента m
Таблица 6.3: Выбор диаметра провода.
|
Марка провода | ||||
Выбрав коэффициент pможно определить диаметр провода каждой обмотки. Найденное значение диаметра округляют до большего стандартного.
Сила тока в первичной обмотке определяется с учетом габаритной мощности трансформатора и напряжения сети:
Практическая работа:
U 1 = 6,3 В,I 1 = 1,5 А;U 2 = 12 В,I 2 = 0,3 А;U 3 = 120 В,I 3 = 59 мА
