Как рассчитать трансформатор

Силовые трансформаторы, простой расчет

Заставка v

В статье на конкретном примере приводится простой метод расчета силового трансформатора для блока питания или зарядного устройства.

  1. Перед тем, как использовать силовой трансформатор необходимо определиться с его мощностью.

Например, нужно рассчитать силовой трансформатор для зарядного устройства, которым будем заряжать автомобильные аккумуляторы емкостью до 60 А/час.

Как известно, ток заряда равен 0,1 от емкости аккумулятора, в нашем случае это 6 Ампер.

Напряжение для заряда аккумулятора должно быть не менее 15 В, плюс падение напряжения на диодах и токоограничивающем резисторе, примем его около 5 В.

Итого, напряжение вторичной обмотки должно быть около 20 В, при токе до 6 А. Мощность при этом, будет равна Р = 6 А х 20 В = 120 Вт.

Схема 3нv

К.п.д. силового трансформатора при мощности до 60 Вт составляет 0,75. При мощности до 150 Вт 0,8 и при больших мощностях 0,85.

В нашем случае принимаем к.п.д. равным 0,8.

При мощности вторичной обмотки 120 Вт, с учетом к.п.д. мощность первичной обмотки равна:

120 Вт : 0,8 = 150 Вт.

  1. По этой мощности определяем площадь поперечного сечения сердечника, на котором будут расположены обмотки.

S (см 2 ) = (1,0 ÷1,2) √Р

Коэффициент перед корнем квадратным из мощности зависит от качества электротехнической стали сердечника.

Принимаем его равным среднему значению 1,1 и получаем площадь сердечника равной 13,5 см 2 .

Сердечник 1v

  1. Теперь нужно определить дополнительную величину – количество витков на вольт. Обозначим ее N.

Коэффициент от 50 до 70 зависит от качества стали. Возьмем среднее значение 60. Получаем количество витков на вольт равным:

Округлим это значение до 4,5 витка на вольт.

Первичная обмотка будет работать от 220 В. Ее количество витков равно 220 х 4,5 = 990 витков.

Вторичная обмотка должна выдавать 20 В. Ее количество витков равно 20 х 4,5 = 90 витков.

  1. Осталось определить диаметр провода обмоток.

Для этого нужно знать ток каждой обмотки. Для вторичной обмотки ток нам известен, его величина 6 А.

Ток первичной обмотки определим, как мощность, деленную на напряжение. (Сдвиг фаз для упрощения расчета учитывать не будем).

I1 = 150 Вт / 220 В = 0,7 А

Диаметр провода определяем по формуле:

Коэффициент перед корнем квадратным влияет на плотность тока в проводе. Чем больше его значение, тем меньше будет греться провод при работе. Примем среднее значение.

Для меди плотность тока до 3,2 А/мм кв, для алюминиевых проводов до 2А/мм кв.

Диаметр провода первичной обмотки:

D1 = 0,75 √0,7 = 0,63 мм

Диаметр провода вторичной обмотки:

D2 = 0,75 √6 = 1,84 мм

Для намотки выбираем ближайший больший диаметр. Если нет толстого провода для вторичной обмотки, можно намотать ее в два провода. При этом суммарная площадь сечения проводов должна быть не меньше площади сечения для рассчитанного диаметра провода. Как известно, площадь сечения равна πr² , где π это 3,14, а r — радиус провода.

Вот и весь расчет.

Если вторичных обмоток несколько, сумма их мощностей не должна превышать величину, равную мощности первичной обмотки, умноженной на к.п.д. Количество витков на вольт одинаково для всех обмоток конкретного трансформатора. Если известно количество витков на вольт, можно намотать обмотку на любое напряжение, главное, чтобы она влезла в окно магнитопровода. Диаметр провода каждой обмотки определяется исходя из величины тока этой обмотки.

Овладев этой простой методикой, вы сможете не только изготовить нужный вам силовой трансформатор, но и подобрать уже готовый.

Материал статьи продублирован на видео:

8. Блок питания. Расчет трансформатора

Зная необходимое напряжение на вторичной обмотке (U2) и максимальный ток нагрузки (Iн), трансформатор рассчитывают в такой последовательности.

1. Определяют значение тока, текущего через вторичную обмотку трансформатора:

где: I2 — ток через обмотку II трансформатора, А;
Iн — максимальный ток нагрузки, А.

2. Определяют мощность, потребляемую выпрямителем от вторичной обмотки трансформатора:

где: P2 — максимальная мощность, потребляемая от вторичной обмотки, Вт;
U2 — напряжение на вторичной обмотке, В;
I2 — максимальный ток через вторичную обмотку трансформатора, А.

3. Подсчитывают мощность трансформатора:

где: Pтр — мощность трансформатора, Вт;
P2 — максимальная мощность, потребляемая от вторичной обмотки трансформатора, Вт.

Если трансформатор должен иметь несколько вторичных обмоток, то сначала подсчитывают их суммарную мощность, а затем мощность самого трансформатора.

4. Определяют значение тока, текущего в первичной обмотке:

где: I1 — ток через обмотку I, А;
Ртр — подсчитанная мощность трансформатора, Вт;
U1 — напряжение на первичной обмотке трансформатора (сетевое напряжение).

5. Рассчитывают необходимую площадь сечения сердечника магнитопровода:

где: S — сечение сердечника магнитопровода, см2;
Ртр — мощность трансформатора, Вт.

6. Определяют число витков первичной (сетевой) обмотки:

где: w1 — число витков обмотки;
U1 — напряжение на первичной обмотке, В;
S — сечение сердечника магнитопровода, см2.

7. Подсчитывают число витков вторичной обмотки:

где: w2 — число витков вторичной обмотки;
U2 — напряжение на вторичной обмотке, В;
S-сечение сердечника магнитопровода, см2.

8. Определяют диаметры проводов обмоток трансформатора:

d = 0,02 I,

где: d-диаметр провода, мм;
I-ток через обмотку, мА.

Диаметр провода обмотки можно также определить по табл. 2.

Iобм, ma £ 25 25

60
60

100
100

160
160

250
250

400
400

700
700

1000
d, мм 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,4 0,5 0,6

После этого можно приступить к подбору подходящего трансформаторного железа и провода, изготовлению каркаса и, наконец, выполнению обмоток. Но Ш-образные трансформаторные пластины имеют неодинаковую площадь окна, поэтому нужно проверить, подойдут ли выбранные пластины для трансформатора, т. е. разместится ли провод на каркасе трансформатора. Для этого достаточно подсчитанную ранее мощность трансформатора умножить на 50 — получится необходимая площадь окна, выраженная в мм 2 . Если в подобранных пластинах она больше или равна вычисленной, железо можно использовать для трансформатора.

При выборе сердечника магнитопровода нужно также учитывать и то обстоятельство, что отношение ширины сердечника к толщине набора (отношение сторон сердечника) должно быть в пределах 1. 2.

В качестве трансформаторов питания радиолюбители часто используют унифицированные выходные трансформаторы кадровой развертки телевизоров (трансформаторы ТВК). Промышленность выпускает несколько видов таких трансформаторов, и каждый из них при работе с выпрямителем, выполненным по мостовой схеме, позволяет получить на нагрузке вполне определенные напряжения в зависимости от потребляемого ею тока. Эти параметры сведены в табл. 3, которая поможет в выборе трансформатора ТВК для того или иного блока питания.

Упрощенный вид расчета трансформатора

Упрощенный вид расчета трансформатора

Трансформаторы

Но проще и дешевле собрать его своими руками. К тому же сам процесс сборки достаточно интересный. Но как показывает практика, в основе сборки лежит расчет трансформатора, он же блок питания. Поэтому стоит поговорить именно о проводимых расчетах, то есть, разобраться с формулами и указать на нюансы.

Конструкция трансформатора

Конструкция трансформатора.

Конструкция трансформатора

Если посмотреть на трансформатор с внешней стороны, то это Ш-образное устройство, состоящее из металлического сердечника, картонного или пластикового каркаса и обмотки из медной проволоки. Обмоток две.

Сердечник – это несколько стальных пластин, которые обработаны специальным лаком и соединены между собой. Лак наносится специально, чтобы между пластинами не проходило напряжение. Таким способом борются с так называемыми вихревыми токами (токами Фуко). Все дело в том, что токи Фуко просто будут нагревать сам сердечник. А это потери.

Именно с потерями связан и состав пластин сердечника. Трансформаторное железо (так чаще всего называют сталь для сердечника специалисты), если посмотреть ее в разрезе, состоит из больших кристаллов, которые, в свою очередь, изолированы друг от друга окисной пленкой.

Ток фуко

Назначение и функциональность

Итак, какие функции выполняет трансформатор?

  1. Это снижение напряжения до необходимых параметров.
  2. С его помощью снижается гальваническая развязка сети.

Что касается второй функции, то необходимо дать пояснения. Обе обмотки (первичная и вторичная) трансформатора тока между собой напрямую не соединены. Значит, сопротивление прибора, по сути, должно быть бесконечным. Правда, это идеальный вариант. Соединение же обмоток происходит через магнитное поле, создаваемой первичной обмоткой. Вот такой непростой функционал.

Расчет

Существует несколько видов расчетов, которыми пользуются профессионалы. Для новичков все они достаточно сложные, поэтому рекомендуем так называемый упрощенный вариант. В его основе лежат четыре формулы.

Трансформатор позволяет понизить напряжение до необходимых параметров

Трансформатор позволяет понизить напряжение до необходимых параметров.

Формула закона трансформации

Итак, закон трансформации определяется нижеследующей формулой:

  • U1 – напряжение на первичной обмотке,
  • U2 – на вторичной,
  • n1 – количество витков на первичной обмотке,
  • n2 – на вторичной.

Так как разбирается именно сетевой трансформатор, то напряжение на первичной обмотке у него будет 220 вольт. Напряжение же на вторичной обмотке – это необходимый для вас параметр. Для удобства расчета берем его равным 22 вольт. То есть, в данном случае коэффициент трансформации будет равен 10. Отсюда и количество витков. Если на первичной обмотке их будет 220, то на вторичной 22.

Читайте также  Потребление электроэнергии холодильником

Представьте, что прибор, который будет подсоединен через трансформатор, потребляет нагрузку в 1 А. То есть, на вторичную обмотку действует именно этот параметр. Значит, на первичную будет действовать нагрузка 0,1 А, потому что напряжение и сила тока находятся в обратной пропорциональности.

А вот мощность, наоборот, в прямой зависимости. Поэтому на первичную обмотку будет действовать мощность: 220×0,1=22 Вт, на вторичную: 22×1=22 Вт. Получается, что на двух обмотках мощность одинаковая.

Закон трансформации

Внимание! Если в собираемом вами трансформаторе не одна вторичная обмотка, то мощность первичной состоит из суммы мощностей вторичных.

Что касается количества витков, то рассчитать их на один вольт не составит большого труда. В принципе, это можно сделать методом «тыка». К примеру, наматываете на первичную обмотку десять витков, проверяете на ней напряжение и полученный результат делите на десять. Если показатель совпадает с необходимым для вас напряжением на выходе, то, значит, вы попали в яблочко. Если напряжение снижено, значит, придется увеличить количество витков, и наоборот.

И еще один нюанс. Специалисты рекомендуют наматывать витки с небольшим запасом. Все дело в том, что на самих обмотках всегда присутствуют потери напряжения, которые необходимо компенсировать. К примеру, если вам нужно напряжение на выходе 12 вольт, то расчет количества витков проводится из расчета напряжения в 17-18 В. То есть, компенсируются потери.

Как уже было сказано выше, мощность блока питания – это сумма мощностей всех его вторичных обмоток. Это основа выбора самого сердечника и его площади. Формула такая:

В этой формуле мощность устанавливается в ваттах, а площадь получается в сантиметрах квадратных. Если сам сердечник имеет Ш-образную конструкцию, то сечение берется среднего стержня.

Обратите внимание! Все полученные расчетным путем параметры имеют неокругленную цифру, поэтому округлять надо обязательно и всегда только в большую сторону. К примеру, расчетная мощность получилась 35,8 Вт, значит, округляем до 40 Вт.

Разновидности сердечников для трансформатора

Разновидности сердечников для трансформатора.

Количество витков в первичной обмотке

Здесь используется следующая формула:

n=50*U1/S, понятно, что U1 равно 220 В.

Кстати, эмпирический коэффициент «50» может изменяться. К примеру, чтобы блок питания не входил в насыщение и тем самым не создавал лишних помех (электромагнитных), то лучше в расчете использовать коэффициент «60». Правда, это увеличит число витков обмотки, трансформатор станет немного больше в размерах, но при этом снизятся потери, а, значит, режим работы блока питания станет легче. Здесь важно, чтобы количество обмоток уместилось.

Сечение провода

И последняя четвертая формула касается сечения используемого медного провода в обмотках.

d=0,8*√I, где d – это диаметр провода, а «I» – сила тока в обмотке.

Расчетный диаметр необходимо также округлить до стандартной величины.

Итак, вот четыре формулы, по которым проводится подбор трансформатора тока. Здесь неважно покупаете ли вы готовый прибор или собираете его самостоятельно. Но учтите, что такой расчет подходит только для сетевого трансформатора, который будет работать от сети в 220 В и 50 Гц.

Обозначение трансформатора на схеме

Обозначение трансформатора на схеме.

Для высокочастотных приборов используются совершенно другие формулы, где придется проводить расчет потерь трансформатора тока. Правда, формула коэффициента трансформации и у него точно такая же. Кстати, в этих устройствах устанавливается ферромагнитный сердечник.

Заключение по теме

В этой статье мы постарались ответить на вопрос, как рассчитать трансформатор сетевого типа? Данный принцип подбора является упрощенным. Но для практических целей он даже очень достаточный. Так что новичкам лучше использовать именно его, и не лезть в дебри математических выкладок с большим количеством составляющих. Конечно, в нем не учитываются все потери, но округления показателей компенсируют их.

Расчет трансформатора

Силовой трансформатор является наиболее простым примером преобразования электрической энергии. Даже при условии постоянного совершенствования радиоэлектронных устройств и источников питания на их основе блоки питания на основе трансформаторов переменного напряжения не теряют актуальности.

Силовой трансформатор

Трансформаторы для блока питания имеют большие габариты и массу, работают в ограниченном диапазоне допустимого входного напряжения, но при этом очень просты в реализации, отличаются высокой надежностью и ремонтопригодностью.

Типы магнитопроводов

Основой трансформатора переменного тока является магнитопровод, который должен обладать определенными магнитными свойствами. В трансформаторах используется сталь особого состава и со специфической обработкой (трансформаторное железо). В процессе работы трансформатора в магнитопроводе образуются вихревые токи, которые нагревают сердечник и ведут к снижению КПД трансформатора. Для снижения вихревых токов сердечник выполняют не монолитным, а собранным из тонких стальных пластин или лент, покрытых непроводящим оксидным слоем.

По типу используемого металла сердечники разделяют на:

  • Пластинчатые;
  • Ленточные.

Первый тип сердечников собирается в виде пакета из отдельных пластин соответствующей формы, а второй – наматывается из ленты. В дальнейшем ленточный сердечник может быть разрезан на отдельные сегменты для удобства намотки провода.

По типу магнитопровода различают сердечники:

  • Броневые;
  • Стержневые.

Каждый из перечисленных типов может различаться формой пластин или сегментов:

  • Броневый;
  • Ш образный;
  • Кольцевой.

Форма и тип сердечника в теории не влияют на методику расчета, но на практике это следует учитывать при определении КПД и количества витков обмоток.

Типы сердечников

Кольцевой (тороидальный) сердечник отличается наилучшими свойствами. Трансформатор, выполненный на таком магнитопроводе, будет иметь максимальный КПД и минимальный ток холостого хода. Это оправдывает самую большую трудоемкость выполнения обмоток, поскольку в домашних условиях эта работа выполняется исключительно вручную, без использования намоточного станка.

Исходные данные

Исходными данными, на основе которых производится расчет трансформатора, в обязательном порядке являются:

  • Напряжение сети;
  • Напряжение и количество вторичных обмоток;
  • Токи потребления нагрузок.

Для полного и точного расчета понижающего трансформатора необходимо учитывать температурный режим, допускаемые отклонения напряжения первичной обмотки и еще некоторые факторы, однако практика показывает, что трансформаторы, изготовленные по данным упрощенного расчета, имеют достаточно хорошие параметры. Далее будет рассказано, как рассчитать трансформатор, не прибегая к сложным и громоздким вычислениям.

Порядок расчета

Расчет силового трансформатора начинается с определения габаритной мощности. Для начала определяется суммарная полная мощность всех вторичных обмоток:

Как рассчитать мощность трансформатора, если неизвестны мощности обмоток? Узнать ее поможет известная из курса физики формула:

Габаритная мощность трансформатора находится из полной с учетом КПД, который различается для устройств разной мощности. Опытным путем установлены следующие ориентировочные значения КПД:

  • До 50 Вт – 0.6 (60%);
  • От 50 до 100 Вт – 0.7 (70%);
  • От 100 до 150 Вт – 0.8 (80%).

Более мощный трансформатор будет иметь КПД 0.85.

Таким образом, расчет габаритной мощности выглядит таким образом:

Рг = КПД∙Рс, где Рс – полная мощность.

На основе габаритной мощности трансформатора можно определить площадь поперечного сечения магнитопровода:

Согласно данной формуле, искомая площадь сечения получается в квадратных сантиметрах. По полученным данным подбирают сердечник с близким или несколько большим значением сечения. Используя разборные сердечники из Ш и П образных пластин, можно в некоторых пределах изменять толщину набора, добавляя или убирая по несколько пластин.

Как определить мощность неизвестного трансформатора? Нужно возвести в квадрат площадь сердечника, выраженную в квадратных сантиметрах.

Обратите внимание! Поперечное сечение магнитопровода должно, по возможности, иметь приближенную к квадрату форму.

После выбора магнитопровода, рассчитываем намоточные данные. Имея в наличии магнитопровод и зная площадь его сечения, можно выполнить расчет обмоток трансформатора (количества витков в обмотках). Принято за основу расчета брать количество витков, которые приходятся на 1 В напряжения, поскольку данное число одинаково для всех обмоток и зависит от характеристик магнитопровода и частоты напряжения питающей сети. Полная формула, которая учитывает частоту сети, магнитную индукцию в сердечнике, имеет большую сложность и в расчетах практически никогда не применяется. Вместо этого используют упрощенный вариант, который учитывает лишь материал и конструкцию сердечника:

N=k/S, где k – коэффициент из следующего перечня:

  • Ш и П образные пластины магнитопровода – k = 60;
  • Ленточный сердечник – k = 50;
  • Тороидальный магнитопровод – k = 40.

Как видно, при использовании тороидального сердечника количество витков будет минимальным.

Тороидальный трансформатор

Зная количество витков на вольт, легко определить намоточные данные обмоток на любое напряжение:

Для первичной обмотки это будет:

Обратите внимание! Поскольку для понижающих трансформаторов сечение провода и количество витков сетевой обмотки больше всех остальных, то и омические потери в проводах также будут выше, поэтому для маломощных трансформаторов (до 100 Вт) нужно учесть эти потери, увеличив количество витков первичной обмотки на 5%.

Если рассчитывается трансформатор стержневого типа, то обычно обмотки делят пополам и наматывают их на обоих стержнях равномерно. Части одинаковых обмоток затем соединяют последовательно.

Не менее важным этапом расчета трансформатора является определение сечения проводников обмотки. Здесь за основу берется такое значение тока в проводах, которое вызывает их минимальный нагрев. Чем выше сечение провода, тем меньше плотность тока через единицу сечения и, соответственно, меньше нагрев. Но чрезмерное увеличение сечения обмоточных проводов приводит к увеличению массы трансформатора, завышению стоимости, а также вероятности того, что обмотки просто не поместятся в окнах магнитопровода.

Читайте также  Оптимальная температура в холодильнике

Принято считать оптимальным плотность тока в обмотках 4-7 А на 1 мм2. Меньшее значение плотности используется для расчета сечения проводов первичной обмотки или любой другой, которая находится ближе к сердечнику магнитопровода. У данных обмоток наихудшие условия охлаждения.

Чтобы не оперировать плотностями тока и сложными формулами перевода площади сечения в диаметр, можно посчитать диаметр, используя их упрощенный вариант:

  • d = 0.7∙√I – для проводников первичной обмотки;
  • d = 0.6∙√I – для проводников вторичных обмоток.

Для обмоток используется изолированный обмоточный провод по сечению, наиболее близкому к расчетному, но не меньше его.

Важно! Формула дает расчётное значение для голого провода, без учета изоляции.

Для измерения диаметра неизвестного провода необходим микрометр. Приблизительно определить диаметр можно, намотав на карандаш десять витков и измерив длину намотки.

Чтобы определить, поместятся ли обмотки в окнах магнитопровода, подсчитайте коэффициент заполнения окна:

K=0.008∙(d12 ∙w1+ d22 ∙w2+ d32 ∙w3+…)/Sокна.

Если получившееся значение больше 0.3, то обмотки не поместятся, а перемотка наполовину готового устройства к хорошему результату не приведет. Выходов несколько:

  • Использовать магнитопровод с большим сечением;
  • Увеличить плотность тока в обмотках (не более 5%);
  • Понизить число витков во всех обмотках одновременно (также не более 5%).

Уменьшение количества витков приведет к появлению повышенного тока холостого хода и потерям в трансформаторе, которые буду выражены в повышении его температуры. Поэтому использование последних двух способов можно рекомендовать исключительно как крайнюю меру.

Выполнение обмоток

Обмотки трансформатора выполняют на каркасе из изоляционного материала. Каркас может быть цельным или разборным. Несмотря на кажущуюся сложность, разборный каркас изготовить легче, к тому же его размеры легко пересчитать под любой имеющийся сердечник. Из материалов для каркаса можно взять листовой гетинакс, текстолит или стеклотекстолит. В щечках каркаса нужно предусмотреть отверстия для выводов.

Разборный каркас

Выводы обмоток выполняют гибким многожильным проводом, тщательно заизолировав место пайки. Саму обмотку выполняют, по возможности, виток к витку. Такая намотка позволяет лучше использовать свободное место, сокращает расход провода, а главное – в местах пересечения проводов при некачественно выполненной намотке существует риск повреждения изоляции и междувитковых замыканий. Это правило не касается тонкого провода с диаметром менее 0.2 мм, поскольку рядовую обмотку в домашних условиях на нем выполнить очень тяжело.

Каждую обмотку необходимо изолировать одна от другой, особенно первичную обмотку. Для изоляции можно использовать несколько слоев ФУМ ленты. Она выполнена из фторопласта, который обладает хорошими электроизоляционными свойствами.

Важно! ФУМ лента имеет малую толщину, а фторопласт обладает текучестью, поэтому делать нужно несколько слоев изоляции.

ФУМ лента

Сборка трансформатора

Качество трансформатора во многом зависит от правильности сборки магнитопровода. При сборке Ш образного броневого сердечника соседние пластины нужно укладывать поочередно в разные стороны. Пакет пластин должен быть уложен максимально плотно. После сборки его нужно обязательно плотно стянуть винтами. Неплотно стянутый трансформатор издает сильный шум во время работы. Особое внимание следует уделить плотному прилеганию Ш образных пластин с пластинами перекрытия. Зазор между ними приведет к тому, что сердечник станет разомкнутым, а отсюда вытекает следующее:

  • Повышение тока холостого хода;
  • Снижение КПД;
  • Повышенное магнитное поле рассеивания.

При сборке разрезного ленточного сердечника нужно обращать внимание на соответствие частей друг другу, поскольку при изготовлении они подгоняются путем шлифовки. Для понижения шума торцы пакетов пластин можно покрыть слоем лака.

Ленточный сердечник

Обратите внимание! Части ленточного магнитопровода требуют аккуратного обращения, поскольку расслоившиеся ленты практически невозможно установить на прежнее место. Пластины разборного сердечника нельзя гнуть и подвергать ударам, поскольку это нарушит структуру металла, и он потеряет свои свойства. В крайнем случае, изогнутые под большим радиусом пластины нужно аккуратно разогнуть руками и при сборке уложить их в середину пакета пластин. При дальнейшей стяжке они выровняются.

Расчет сетевого трансформатора не представляет сложности. Важнее здесь определиться с предъявляемыми к нему требованиями. От правильности поставленной задачи будет зависеть точность дальнейших расчетов. Для силового трансформатора расчет так же удобно выполнить, используя он-лайн калькулятор. По такой же методике рассчитывается повышающий трансформатор.

Видео

Расчет Трансформаторов

На рисунках а, б, в и г, нарисованы соответственно Ш, ШЛ, П и ПЛ-тип исполнения железа трансформаторов.

a — ширина керна на котором намотана обмотка,

c — толщина керна (набора пластин),

b — ширина окна,

h — высота окна.

Добавил рисунок для железа ОЛ-типа (тороиды).

a — ширина керна, a=(D-d)/2

D — Внешний диаметр,

d — Внутренний диаметр, окно трансформатора.

h — Высота железа

S — на рисунке, площадь железа.

Все размеры желательно записывать в миллиметрах, но при расчетах будут использоваться размеры в сантиметрах.

В зависимости от толщины пластин (для железа типа Ш и П) или ленты (для ШЛ, ПЛ и ОЛ) в расчет площади железа берется коэффициент заполнения сталью — Кст . Для пластин толщиной 0,2мм Кст =0,85; при 0,35мм Кст =0,9; при 0,5мм Кст =0,93. 0,95.

Витые сердечники имеют обычно толщину ленты 0,2мм и Кст=0,9. Коэффициент этот учитывает зазор между пластинами или лентой трансформатора, образующийся из-за окислов или специального изоляционного покрытия каждой пластины сердечника.

Для примера, возьму в расчет железо трансформатора ТС-270 с такими параметрами

a — 25мм, c — 45мм, b — 40мм, h — 100мм, конструкция сердечника П-образная, ленточная, т.е. тип-ПЛ.

Площадь железа определяется по формуле

S c =a*c*Кст = 2,5*4,5*0,9=10,125см 2

Для тороидов, S c =(D-d)h*К ст /2 , и площадь окна S o =3,14d 2 /4

Активная площадь железа найдена, теперь нужно узнать габаритную мощность,

Габаритную мощность можно определить по формуле:

P габ =(S c *B m ) 2 ,

где B m — это величина индукции в железе, Тл . Берется это значение исходя из свойств материала сердечника и его конструкции. Еще немного зависит от мощности трансформатора, от размеров железа.

Нужное значение B m и другие необходимые параметры — можно найти из таблицы 1 ,

Таблица 1 . Некоторые поля пустые, потому что не нашел данных.

c3e84a33c1c9.png

Но сразу возникает вопрос, как-же определить для какой мощности брать значение B m если мощность еще не известна? Все просто, для грубой оценки нужно умножить площадь железа на 1,3 и возвести в квадрат, (10,125см 2 *1,3) 2 =173,25Вт, что близко к строке в таблице для 200 Вт.

По таблице находим величину B m для сердечника типа ПЛ = 1,5 Тл. На практике, если пересчитать любой заводской трансформатор, эта величина берется немного больше, примерно на 10. 15%, для экономии железа. Можно так и поступить, просто прибавить к табличному значению еще 10%. В итоге величина индукции получается 1,5+10% = 1,65Тл

Габаритная мощность железа

(10,125*1,65) 2 = 279,1 Вт .

Число витков на вольт

W’=50/S c *B m , где S c — площадь железа, с учетом коеффициента Кст , для данного трансформатора Кст =0,9.

Число витков на вольт, 50/10,125*1,65= 2,99 вит/в .

Теперь можно расчитать первичку на 220в, с запасом по напряжению как обычно до 250в. Чтобы железо не вошло в насыщение при напряжении 240. 250в.

Расчет чила витков первички

W 1 =W’*U 1 =250*2,99= 748 витков .

Трансформатор конструкции ПЛ, значит на каждую из двух катушек необходимо намотать половину витков, и затем соединить обмотки последовательно, соблюдая фазировку .

Расчет диаметра провода обмоток

Обычно берется в расчет медный провод. Значение плотности тока, J , А/мм 2 в таблице 1 , указано для обмоток из медного провода. Если предполагается мотать обмотки алюминиевым проводом, то плотность тока необходимо уменьшить на 38%, или что то-же самое — в 1,6 раза. Потому что у алюминия большее удельное сопротивление по сравнению с медью. Для алюминия удельное сопротивление 0,0283 Ом*мм 2 /м, для меди 0,0175 Ом*мм 2 /м (пишут по разному, в пределах 0,0172. 0,0178 Ом*мм 2 /м).

Таблица 2

Максимальный ток потребляемый первичной обмоткой

I 1 =P габ /U 1 , 279,1/220 = 1,268 А . (Обмотка намотана на 250в, но в расчет берется ее рабочее напряжение, в данном случае 220в. Можно 230в, зависит от качества сети).

Теперь зная ток в обмотке, и материал провода обмотки, можно определить необходимый диаметр провода.

Диаметр провода обмоток определяется по формуле

Плотность тока в обмотке, J , найденная в таблице 1 , = 2,9 А/мм 2 . Диаметр медного провода — 0,747мм , без изоляции.

Можно уточнить по таблице 3 ближайший стандартный диаметр провода, узнать диаметр провода с изоляцией.

Таблица 3

f5013b5dee16.png

По таблице 3 , уточняем диаметр провода с изоляцией до 0,74мм.

Длина провода первички

L 1 =W 1 [2(a+c)+3,14*b]10 -2 = 748[2(2,5+4,5)+3,14*4]10 -2 = 199м

Если трансформатор будет работать при полной нагрузке то желательно учесть падение напряжения в первичной обмотке из-за ее внутреннего сопротивления, в данном случае оно будет около 8 Ом.

Падение напряжения в первичной обмотке

U 1 пад =2,25*10 -2 *I 1 *L 1 /d 2 = 2,25*10 -2 *1,268*199/0,74 2 = 10,3в

Читайте также  Обзор производителей кофемашин

Точное число витков первичной обмотки

W 1 точн =(U 1 -U 1 пад )W’ = (220-10,3)*2,99= 627 вит

Если требуется минимальный ток холостого хода, когда трансформатор работает без нагрузки и в первичке практически нет просадки напряжения, можно не учитывать падение напряжения в первичке и мотать первичку на 748 вит.

Вес провода первички

По таблице 3 , найдем вес 100м провода 0,74мм (0,80мм с изол) = 390 грамм.

(199*390)10 -2 = 776 грамм

Теперь вторичка

Допустим напряжение вторички будет 15в.

Мощность вторички , учитывая КПД трансформатора, найденный по таблице 1 = 0,94

P 2 =P габ *кпд = 279,1*0,94= 262 Вт .

Ток вторички

I 2 =P 2 /U 2 = 262/15= 17,5а

Сечение или диаметр провода вторички

S 2 =I 2 /J = 17,5/2,9= 6 мм 2 , в пересчете на диаметр — 2,77мм. Можно мотать сразу в несколько проводов, если мотать в 4 провода одновременно, то диаметр проводов нужен 1,38мм, ближайший по таблице диаметр — 1,4мм (1,48мм с изол).

Количество витков вторички

W 2 =W 1 точн (U 2 /U 1 ) = 627(15/220) = 42,75вит. Можно округлить до 44 вит, чтобы на каждой из двух катушек трансформатора намотать по 22 витка.

Вес вторички (или всех вторичек) должен быть таким-же как и вес первички.

Проверяем размещение обмоток с учетом коэффициента Км приведенного в Таблице 1.

(все размеры в см)

где, Км — коэффициент заполнения окна медью, Q o — площадь окна трансформатора в котором размещаются обмотки. Для Ш , ШЛ , П , ПЛ типов, находится простым перемножением ширины и высоты окна, Q o =b*h , а для тороидов площадь окна считается по формуле S o =3,14d 2 /4 .

Подставляя значения в формулу, диаметр провода первички и вторички 0,8мм и 3мм (с изоляцией), число витков 627вит и 44вит и площадь окна 40см 2 — находим значение Км=0,16.

На первый взгляд, результат намного меньше чем указано в Таблице 1 , но это получилось из-за больших размеров окна железа, расчитанного на алюминиевые обмотки. Поэтому медная обмотка будет свободно размещаться.

Если брать железо предназначенное для медных обмоток, то найденный коэффициент не должен превысить того что в таблице, чтобы расчитанная обмотка вся поместилась в окне трансформатора. При меньшем значении, можно увеличить диаметр проводов, как в этом случае (можно пересчитать диаметры на алюминий), или наоборот, уменьшить диаметры проводов при завышенном результате расчета Км.

В расчете я принял что во вторичке провод круглого сечения, из-за особенности формулы. Если мотать шиной того-же сечения — результат Км будет тот-же.

Диаметр провода в расчет желательно брать с изоляцией.

Для работы трансформатора при кратковременной перегрузке, нужно учитывать периодичность включения, ПВ %

Для зарядно-пусковых можно брать ПВ=10. 20%, для сварочников ПВ 40. 60%. Таким образом, можно применить железо на меньшую мощность по сравнению с мощностью нагрузки.

Величина перегрузки в зависимости от ПВ считается так:

квадратный корень из 100/ПВ %.

Если например, нужно во вторичке сварочника получить 3кВт, при ПВ 60% то понадобится трансформатор с габаритной мощностью 2,3кВт. Для зарадно пускового с ПВ 20%, при мощности на вторичке 1,5кВт, мощность трансформатора понадобится 0,7 кВт. Но учитывая повышенные потери в сопротивлении обмоток, при большем токе, то габаритная мощность железа, понадобится на 10% больше.

ПВ 20% — 1 минута под нагрузкой, 4 минуты х.х.

Еще по перегрузкам трансформаторов

Допускается перегрузка трансформатора 30% — 2 ч, 60% — 45 мин, 75% — 20 мин, 100% — 10,5 мин, 200% — 1 мин.

Простейший расчет силовых трансформаторов и автотрансформаторов

Иногда приходится самостоятельно изготовлять силовой трансформатор для выпрямителя. В этом случае простейший расчет силовых трансформаторов мощностью до 100—200 Вт проводится следующим образом.

Зная напряжение и наибольший ток, который должна давать вторичная обмотка (U2 и I2), находим мощность вторичной цепи: При наличии нескольких вторичных обмоток мощность подсчитывают путем сложения мощностей отдельных обмоток.

Далее, принимая КПД трансформатора небольшой мощности, равным около 80 %, определяем первичную мощность:

Мощность передается из первичной обмотки во вторичную через магнитный поток в сердечнике. Поэтому от значения мощности Р1 зависит площадь поперечного сечения сердечника S, которая возрастает при увеличении мощности. Для сердечника из нормальной трансформаторной стали можно рассчитать S по формуле:

где s — в квадратных сантиметрах, а Р1 — в ваттах.

По значению S определяется число витков w’ на один вольт. При использовании трансформаторной стали

Если приходится делать сердечник из стали худшего качества, например из жести, кровельного железа, стальной или железной проволоки (их надо предварительно отжечь, чтобы они стали мягкими), то следует увеличить S и w’ на 20—30 %.

Теперь можно рассчитать число витков обмоток

В режиме нагрузки может быть заметная потеря части напряжения на сопротивлении вторичных обмоток. Поэтому для них рекомендуется число витков брать на 5—10 % больше рассчитанного.

Ток первичной обмотки

Диаметры проводов обмоток определяются по значениям токов и исходя из допустимой плотности тока, которая для трансформаторов принимается в среднем 2 А/мм2. При такой плотности тока диаметр провода без изоляции любой обмотки в миллиметрах определяется по табл. 1 или вычисляется по формуле:

Когда нет провода нужного диаметра, то можно взять несколько соединенных параллельно более тонких проводов. Их суммарная площадь сечения должна быть не менее той, которая соответствует рассчитанному одному проводу. Площадь поперечного сечения провода определяется по табл. 1 или рассчитывается по формуле:

Для обмоток низкого напряжения, имеющих небольшое число витков толстого провода и расположенных поверх других обмоток, плотность тока можно увеличить до 2,5 и даже 3 А/мм2, так как эти обмотки имеют лучшее охлаждение. Тогда в формуле для диаметра провода постоянный коэффициент вместо 0,8 должен быть соответственно 0,7 или 0,65.

В заключение следует проверить размещение обмоток в окне сердечника. Общая площадь сечения витков каждой обмотки находится (умножением числа витков w на площадь сечения провода, равную 0,8d2из, где dиз — диаметр провода в изоляции. Его можно определить по табл. 1, в которой также указана масса провода. Площади сечения всех обмоток складываются. Чтобы учесть ориентировочно неплотность намотки, влияние каркаса изоляционных прокладок между обмотками и их слоями, нужно найденную площадь увеличить в 2—3 раза. Площадь окна сердечника не должна быть меньше значения, полученного из расчета.

Простейший расчет силовых трансформаторов и автотрансформаторов

В качестве примера рассчитаем силовой трансформатор для выпрямителя, питающего некоторое устройство с электронными лампами. Пусть трансформатор должен иметь обмотку высокого напряжения, рассчитанную на напряжение 600 В и ток 50 мА, а также обмотку для накала ламп, имеющую U = 6,3 В и I = 3 А. Сетевое напряжение 220 В.

Определяем общую мощность вторичных обмоток:

Мощность первичной цепи

Находим площадь сечения сердечника из трансформаторной стали:

Число витков на один вольт

Ток первичной обмотки

Число витков и диаметр проводов обмоток равны:

• для первичной обмотки

• для повышающей обмотки

• для обмотки накала ламп

Предположим, что окно сердечника имеет площадь сечения 5×3 = 15 см2 или 1500 мм2, а у выбранных проводов диаметры с изоляцией следующие: d1из = 0,44 мм; d2из = 0,2 мм; d3из = 1,2 мм.

Проверим размещение обмоток в окне сердечника. Находим площади сечения обмоток:

• для первичной обмотки

• для повышающей обмотки

• для обмотки накала ламп

Общая площадь сечения обмоток составляет примерно 430 мм2.

Как видно, она в три с лишним раза меньше площади окна и, следовательно, обмотки разместятся.

Расчет автотрансформатора имеет некоторые особенности. Его сердечник надо рассчитывать не на полную вторичную мощность Р2, а только на ту ее часть, которая передается магнитным потоком и может быть названа трансформируемой мощностью Рт.

Эта мощность определяется по формулам:

— для повышающего автотрансформатора

— для понижающего автотрансформатора, причем

Если автотрансформатор имеет отводы и будет работать при различных значениях n, то в расчете надо брать значение п, наиболее отличающееся от единицы, так как в этом случае значение Рт будет наибольшее и надо, чтобы сердечник мог передать такую мощность.

Затем определяется расчетная мощность Р, которая может быть принята равной 1,15•Рт. Множитель 1,15 здесь учитывает КПД автотрансформатора, который обычно несколько выше, чем у трансформатора. Д

алее применяются формулы расчета площади сечения сердечника (по мощности Р), числа витков на вольт, диаметров проводов, указанные выше для трансформатора. При этом надо иметь в виду, что в части обмотки, являющейся общей для первичной и вторичной цепей, ток равен I1 — I2, если автотрансформатор повышающий, и I2 — I1 если он понижающий.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: