Расчет сечения намоточного провода трансформатора. Расчет трансформатора на стержневом сердечнике в онлайн. Краткие сведения о материалах магнитопроводов

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

2. Частота питающего напряжения f = 400 Гц.

4. Токи вторичных обмоток I 2 =0,16 А

5. Марка электротехнической стали Э340.

6. Тип магнитопровода – стержневой.

ФОРМА И ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ РАЗМЕРЫ МАГНИТОПРОВОДА

Конструктивные данные трансформатора определяются из следующих известных из теории зависимостей для действующих значе­ний первичного напряжения U 1 и первичного тока I 1:

E 1 = 4,44 f w 1 Ф m ; I 1 = δ 1 S пр 1

где δ 1 - плотность тока в первичной обмотке, А/мм 2 ;

S пр1 - сечение меди провода первичной обмотки, мм 2 .

Подставив в эти формулы выражения

Ф m = B m k ст F ст и S пр1 = F о k м /[ w 1 (1 +η н)]

и используя рационализованную систему единиц СИ, получим:

U 1  E 1 = 4,44 f w 1 k ст F ст 10  4 , В (1)

I 1 = (δ 1 F о k м 10 2) /[ w 1 (1 +η н)] (2)

Между величинами U 1 и E 1 (напряжением питания и э.д.с. первичной обмотки) в выражении (1) подставлен знак приближен­ного равенства потому, что в трансформаторах нормального испол­нения U 1 лишь незначительно превышает E 1 , т.к. падения напряжений в первичной обмотке малы по сравнению с E 1 .

В выражениях (1) и (2):

f - частота напряжения U 1 , Гц;

w 1 - число витков первичной обмотки;

B m - амплитудное значение магнитной индукции в магнитопроводе трансформатора, Тл;

F ст - площадь поперечного сечения магнитопровода, см 2 ;

k ст - коэффициент стали, учитывающий наличие изоляции пластин и неплотность сборки пакета магнитопровода.

k ст = F ст акт / F ст - отношение площади поперечного сечения всех листов стер­жня магнитопровода без изоляции к произведению ширины стержня на толщину пакета магнитопровода;

F ст акт - активное сечение стали магнитопровода, см 2 ;.

I 1 - первичный ток;

F о - площадь окна магнитопровода, см 2 ;

k м - коэффициент заполнения окна магнитопровода медью (отно­шение суммарной площади поперечного сечения всех прово­дов обмоток трансформатора, пронизывающих его окно, к площади окна);

η н - к.п.д. трансформатора в номинальном режиме;

1/ (1 + η н) - коэффициент, учитывающий площадь меди окна, приходящуюся на первичную обмотку (примерно равен двум);

Принимая, что U 1 I 1 = P н /(η н cos 1н), где P н - активная мощность, отдаваемая трансформатором пот­ребителю и решая совместно (I) и (2), имеем:

F о F ст = P н (1 + η н) 10 2  / 4,44 f B m η н cos 1н δ 1 k м k ст  (3)

где P н = , Вт , причем:

i - номер вторичной обмотки;

n - число вторичных обмоток;

cos i - принимаем равным единице(активная нагрузка);

cos 1н - коэффициент мощности трансформатора.

P н = U 2 I 2 cos 2 =460,2*0,16= 73,63 Вт.

P н =73, 63 Вт.

Произведем предварительный выбор величин, входящих в основную расчетную формулу (3) трансформатора:

а) Величина индукции B m

Таблица 1

Марка стали

Э330,Э41,Э42, Э43

Э340,Э350, Э360

Э44, Э45, Э46

Э340 ,Э350,

Толщина листа или ленты

Индукция B m , тл

f =50 Гц

f =400 Гц

1,4

B m = 1. 4 Тл ,

б) Плотность тока δ i

Таблица 2

тока сети,

Тип сердечника

50 300

Плотность тока, А/мм 2

Стержневой

Броневой

400

Стержневой

6 4

Броневой

δ i =5, 9 А/ мм 2

в) Коэффициент заполнения окна медью k м и коэффициент заполнения сечения магнитопровода сталью k ст

Таблица 3

k м = 0,23 ,

Таблица 4

k ст = 0,9,

г) Значения к.п.д. η н и cos 1н

Таблица 5

Частотатока сети,

Мощность трансформатора, P н, вт

50 150

400

0,84 0,95

0,84 0,95

η н = 0,84 ,

cos 1н = 0,84 .

По формуле (3) находят расчетное значение про­изведения F о F ст:

F о F ст = P н (1 + η н ) 10 2 / 4,44 f B m η н cos 1 н δ 1 k м k ст =

= (138,06*1,84*10 2 )/(4,44 * 400*1,4*0,84*0,84*5 , 9 * 0,23 * 0,9) = 11,86 см 4

По таблице найдем ближайшее большее значение F о F ст и необходимый типоразмер магнитопровода:

Таблица 7

Типоразмер магнитопровода

Размеры, мм

F ст акт, см 2

Вес G ст, г

F ст, см 2

F 0 , см 2

F 0 F ст, см 4

l ст, см

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОКА ХОЛОСТОГО ХОДА

Найдем величины полных потерь в стали Р ст , намагничиваю­щей мощности Q ст , абсолютное и относительное значения тока холостого хода.

Относительное значение - это ток холостого хода 1 0 , выраженный в % от первичного номинального тока.

Полные потери в стали могут быть определены по формуле :

Р ст = Р ст G ст (4)

где Р ст - удельные потери, Вт/кГ;

G ст - вес магнитопровода, кГ (Ранее из таблицы определено, что G ст = 203 кг ).

Величину Р ст определяем из экспериментальных кривых зависимости удельных потерь в трансформаторных сталях от индукции:

Получаем что при B m = 1,4 Тл Р ст = 20 Вт/кг. ,

таким образом Р ст = Р ст G ст = 20*230*10 -3 =4,6 Вт.

Абсолютное и относительное значения активной составляющей тока холостого хода определяются по формулам:

I 0 а = Р ст / U 1 ; I 0 а % = (I 0 а / I 1 н ) . 100 = (Р ст / S 1н ) . 100 (5)

где I 1 н = S 1н / U 1 = Р н /(U 1 η н cos 1н ) A

тогда I 0 а = Р ст / U 1 = 4,6/36 = 0,128 А,

I 1 н = Р н /(U 1 η н cos 1н ) = 73,63/(36 * 084*084) =2,04 А,

I 0 а % = (I 0 а / I 1 н ) . 100 = (0,128/2,04)*100 ≈ 6,27%.

Полная намагничивающая мощность определяется по фор­муле:

Q ст = Q ст . G ст В A Р . (6)

где Q ст - полная удельная намагничивающая мощность, ВAР/кГ.

Величина Q ст определяется по кривой, приведенной на рисунке:

Получаем при B m = 1.4 Тл Q ст = 150 ВАР/кг.

Q ст =Q ст. G ст = 150*230*10 -3 = 34,5 ВАР ,

Абсолютное и относительное значения реактивной составляю­щей тока холостого хода найдем по формулам:

I 0р = Q ст /U 1 =34,5/36 ≈0,96 А ,

I 0р % = (I 0р /I 1 н )*100 = (Q ст /S 1 н ) *100 = (0,96/2,04) * 100 =47,06% (7)

Величина относительного тока холостого хода на основа­нии I 0 а % и I 0 р % равна:

I 0 % ≈ 47,48%

PАСЧЕТ ОБМОТОК

Расчет обмоток трансформатора заключается в определении числа витков и диаметра провода каждой из них.

1. На основании формулы (1) имеем:

w 1 = (E 1 10 4 )/(4,44 f B m F ст.акт );

w 2 = (E 2 10 4 )/(4,44 f B m F ст.акт ); (9)

w 3 = (E 3 10 4 )/(4,44 f B m F ст.акт ) и.т.д.

Все величины, входящие в правые части приведенных выражений известны, за исключением Э.Д.С.

Если обозначить величины падений напряжений в обмотках, вы­раженные в % от номинального, через U 1 % , U 2 % и.т.д., то э.д.с. обмоток могут быть найдены из выражений

;

; (10)

и.т.д. Ориентировочные значения величияU 1 % иU 2 % найдем из таблицы 8:

Таблица 8

тока сети,

Величины

Мощность трансформатора, P н, вт

50 150

Плотность тока, А/мм 2

U 1 %

U 2 %

400

U 1 %

4 1,5

U 2 %

5 2,0

U 1 % =2 %;

U 2 %= 2,5 %.

Так как используется стержневой магнитопровод то указные величины уменьшаем на 25% т.е:

U 1 % = 1,5 %;

U 2 %= 1,875 %.

Таким образом, имеем:

w 1 = (E 1 · 10 4 )/(4,44 f B m F ст.акт ) = (35,46*10 4 )/(4,44 * 400 * 1,4*1,7) = 83,9 ,

w 2 = (E 2 · 10 4 )/(4,44 f B m F ст.акт ) = (468,83*10 4 )/(4,44 * 400*1,4 * 1,7) = 1109,2 .

2. Сечения проводов обмоток определяются по формуле

, [мм 2 ] (11)

Ток первичной обмотки, необходимый для определения сечения провода этой обмотки, находят по формуле

(12)

I 1н =73,63 / (36*0,84*0,84) = 2,04 А ,

I 2н = 0,23А.

Тогда сечения проводов с учетом того, что значение плотности тока в первичной обмотке уменьшили на 20%, а во вторичной увеличили на 15%:

S пр1 =2,04/4,72 = 0,43 мм 2 ,

S пр2 =0,23/6,79 = 0 ,034 мм 2 .

Диаметр провода находят по формуле:


, [мм] (13)

d пр1 = 1,13*0,43 = 0,49 мм,

d пр2 = 1,13*0,034 = 0,04 мм .

3. Выберем марки обмоточных проводов из таблицы 9а:

Таблица 9а

Провода круглого сечения

Выберем изоляцию проводов по таблице 9б:

Двухсторонняя толщина изоляции проводов(округленно)

Таблица 9б

Провода круглого сечения

Диаметры голого

провода, мм

0,05

0,09

0,35

0,49

Эмалирован

ные провода

ПЭВ 1

0,02

0,05

d из1 = d пр1 + 0,08=0,49+0,05= 0,54 мм,

d из2 = d пр2 + 0,02=0,04+0,02= 0,06 мм.

КОНСТРУКЦИЯ ОБМОТОК

а) число витков в слое w с согласно зависи­мости:

где h " = h –1 - высота каркаса (меньше на I мм высоты окна магнитопровода), мм;

δ" - толщина щеток и стенок каркаса (обычно равна 1,5 - 4,3 мм в зависимости от диаметра провода);

k у - коэффициент укладки, определяемый по таблице 10(учитывает неплотность намотки),

k в - коэффициент, учитывающий выпучивание обмоток при намотке;

d из - диаметр провода с изоляцией, мм;

h" = h –1 = 40 – 1 = 3 9 мм ,

Таблица 10

d из, мм

0,07 0,12

0,31 0,8

1,15

1,05

1,05

1,12

k у1 = 1,15;

k у2 = 1,05;

k в1 = 1,05;

k в2 = 1,12;

δ" = 1,5 , тогда число витков в слое

w с1 = (39 – 3 )/(1,15*0,54) = 57,97,

w с2 = (39 – 3 )/(1,05*0,06) =571,43.

б) толщина каждой обмотки:

где: w - число витков каждой обмотки;

 из - толщина прокладок (изоляции) между слоями, мм;

N = w /w с - округляется до ближайшего большего целого числа и определяет число рядов в слое.

N 1 = w 1 / w с1 =83,9/57,97 = 2 ,

N 2 = w 2 / w с2 =1109,2/571,43= 2.

В качестве прокладок между слоями выберем теле­фонную бумагу толщиной 0,05 мм.

δ 1 =2*0,54 +1* 0,05 = 1,13 мм,

δ 2 =2*0,06 + 1*0,05 = 0,17 мм .

в) полная толщина намотки одной катушки для стержневых магнитопроводов, у которых обмотки распологаються на обоих стержнях(две катушки):

= δ 1 /2 + δ 2 /2 + ……. + δ n /2 + (δ" +1) + n . d мо , мм

где d мо - толщина межобмоточной изоляции, мм;

n - число обмоток.

=1,13/2 +0,17/2 + (1,5+1)+2*0,2 = 3,55 мм.

г) зазор между катушкой и магнитопроводом:

х = с -2 k в = 16 –2* 1,1*3,55= 8,19 мм

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЕРЕГРЕВА ОБМОТОК

После того, как найдены геометрические размеры обмоток трансформатора, можно перейти к определению их рабочей темпе­ратуры. Прежде всего необходимо найти величину суммарной мощно­сти потерь в обмотках каждой катушки,

(18)

где, кроме выше обозначенного:

r - сопротивление провода обмотки, Ом;

ρ м - удельное сопротивление медного провода при рабочей температуре, Ом. см.

В формуле (18) δ в А/мм 2 , S пр в см 2 , l пр - общая длина провода обмотки в см.

Заменяя в (18) произведение S пр l пр его значением из

G м = γ м S пр l пр (19)

где G м - вес провода обмотки, г;

γ м - удельный вес меди (γ м = 8,9 г/см 3),получим:

(20)

Температура провода в нагретом состоянии достигает 100 - 110˚C. Подставляя в (20) значение ρ м для этой температуры ρ м = О,0214 . 10 -4 Ом. см, получим:

P м = 2,4 δ 2 G м , Вт (21)

δ - плотность тока в А/мм 2

G м - вес провода, кг.

Вес меди каждой обмотки можно найти из выражения:

G м = l ср в . w . g м . 10 -3 , кг. (22)

где l ср в - средняя длина витка обмотки;

w - общее число витков обмотки.

g м - вес I м провода, г.

Для двухкатушечного стержневого трансформатора берем половинно значение числа витков обмотки w , рассчитанного ранее, поскольку обмотки распределены поровну на две катушки.

Не внося существенной погрешности в расчеты, можно вместо вычисления средних длин витков для каждой обмотки (l ср в1 , l ср в2 , ....... и т.д.) принять для обмоток одинаковую сред­нюю длину l ср в, вычисляя ее из зависимости:

l ср в 2(a + b +2 ) (23)

где  - полная толщина намотки катушки.

l ср в 2 *(12,5 +16 + 2*3,55) =71,2 мм =71,2*10 -3 м .

Так как трансформатор стержневой двухкатушечный, то берем половинное значение числа витков w ,поскольку обмотки распределены поровну на две катушки:

G м1 = l ср в . w 1 /2 . g м . 10 -3 = 71,2 *83,9*1,68*10 -6 /2 = 0,005 кг,

G м2 = l ср в . w 2 /2 . g м . 10 -3 = 71,2*1109,2*0,0144* 10 -6 /2 = 0,0006 кг,

P м1 = 2,4 δ 2 G м1 = 2,4*34,81 * 0,005 = 0,42 Вт,

P м2 = 2,4 δ 2 G м2 = 2,4*34,81 * 0,0006 = 0,05 Вт.

Суммарные потери в катушке:

P м кат = P м 1 + P м 2 +............+ P м n (24)

P м кат =0,42+0,05= 0,47 Вт.

Температуру перегрева можно определить по формуле:

(25)

где P м кат потери в меди одной катушки, Вт;

F м кат - поверхность охлаждения данной катушки, см 2 ;

 м - коэффициент теплопередачи, Вт/см 2 С.

В связи с тем, что часть торцевых поверхностей катушки и часть ее боковых поверхностей, закрытые магнитопроводом, в процессе пере­дачи тепла окружающей среды практически не участвуют, можно считать, что охлаждающая поверхность в формуле (25) включает в себя лишь от­крытые боковые поверхности данной катушки:

F м кат = 2h(a + b +4 ), см 2 (26)

F м кат = 2*40*(12,5 +16 + 4*3,55) =3416 мм 2 = 34,16 см 2

м = 1,2 . 10 3 Вт/см 2 С,

t м = 0,47 /(34,16 * 1,2* 10 3 ) = 11,47 С,

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕСА ТРАНСФОРМАТОРА

Ранее из таблицы был выписан вес магнитопровода (стали) рассчитываемого трансформатора G ст, г. По формуле (22) были рассчита­ны веса меди каждой обмотки G м1 , G м2 и т.д. Следовательно, вес меди обмоток одной катушки равен:

G м кат = G м 1 + G м 2 +............+ G м n , г

Поскольку при определении этого веса не были учтены веса изоляции проводов, межслоевой и межобмоточной изоляции, а также вес каркаса, то необходимо G м кат увеличить на 5%, получая вес катушки с обмот­ками G кат .

G тр = G ст + G кат , г (27)

G тр =2*1,05 * (0,005 + 0,0006) *10 3 +203 =214,76 г.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ К.П.Д. ТРАНСФОРМАТОРА

Величину к.п.д. трансформатора определим по формуле:

% = P н /( P н + P ст + P м кат)

% = 73,63/(73,63 + 4,6 +0,47) * 100 = 93,6 %.

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.

Преимущества онлайн калькулятора

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.

В домашнем хозяйстве бывает необходимо оборудовать освещение в сырых помещениях: подвале или погребе и т.д. Эти помещения имеют повышенную степень опасности поражения электичческим током.
В этих случаях следует пользоваться электрооборудованием рассчитанным на пониженное напряжение питания, не более 42 вольт .
Можно пользоваться электрическим фонарем с батарейным питанием или воспользоваться понижающим трансформатором с 220 вольт на 36 вольт.
Рассчитаем и изготовим однофазный силовой трансформатор 220/36 вольт, с выходным напряжением 36 вольт с питанием от электрической сети переменного тока напряжением 220 вольт.

Для освещения таких помещений подойдет электрическая лампочка на 36 Вольт и мощностью 25 — 60 Ватт. Такие лампочки с цоколем под обыкновенный электропатрон продаются в магазинах электротоваров.
Если вы найдете лампочку на другую мощнось, например на 40 ватт , нет ничего страшного — подойдет и она. Просто трансформатор будет выполнен с запасом по мощности.

Сделаем упрощенный расчет трансформатора 220/36 вольт.

Мощность во вторичной цепи: Р_2 = U_2 · I_2 = 60 ватт

Где:
Р_2 – мощность на выходе трансформатора, нами задана 60 ватт ;
U _2 — напряжение на выходе трансформатора, нами задано 36 вольт ;
I _2 — ток во вторичной цепи, в нагрузке.

КПД трансформатора мощностью до 100 ватт обычно равно не более η = 0,8 .
КПД определяет, какая часть мощности потребляемой от сети идет в нагрузку. Оставшаяся часть идет на нагрев проводов и сердечника. Эта мощность безвозвратно теряется.
Определим мощность потребляемую трансформатором от сети с учетом потерь:

Р_1 = Р_2 / η = 60 / 0,8 = 75 ватт .

Мощность передается из первичной обмотки во вторичную через магнитный поток в магнитопроводе. Поэтому от значения Р_1 , мощности потребляемой от сети 220 вольт, зависит площадь поперечного сечения магнитопровода S .

Магнитопровод – это сердечник Ш – образной или О – образной формы, набранный из листов трансформаторной стали. На сердечнике будут располагаться первичная и вторичная обмотки провода.

Площадь поперечного сечения магнитопровода рассчитывается по формуле:

S = 1,2 · √P_1.

Где:
S — площадь в квадратных сантиметрах,
P _1 — мощность первичной сети в ваттах.

S = 1,2 · √75 = 1,2 · 8,66 = 10,4 см².

По значению S определяется число витков w на один вольт по формуле:

w = 50/S

В нашем случае площадь сечения сердечника равна S = 10,4 см.кв.

w = 50/10,4 = 4,8 витка на 1 вольт.

Рассчитаем число витков в первичной и вторичной обмотках.

Число витков в первичной обмотке на 220 вольт:

W1 = U_1 · w = 220 · 4.8 = 1056 витка.

Число витков во вторичной обмотке на 36 вольт:

W2 = U_2 · w = 36 · 4,8 = 172.8 витков ,

округляем до 173 витка .

В режиме нагрузки может быть заметная потеря части напряжения на активном сопротивлении провода вторичной обмотки. Поэтому для них рекомендуется число витков брать на 5-10 % больше рассчитанного. Возьмем W2 = 180 витков.

Величина тока в первичной обмотке трансформатора:

I_1 = P_1/U_1 = 75/220 = 0,34 ампера .

Ток во вторичной обмотке трансформатора:

I_2 = P_2/U_2 = 60/36 = 1,67 ампера.

Диаметры проводов первичной и вторичной обмоток определяются по значениям токов в них исходя из допустимой плотности тока, количества ампер на 1 квадратный миллиметр площади проводника. Для трансформаторов плотность тока, для медного провода, принимается 2 А/мм² .

При такой плотности тока диаметр провода без изоляции в миллиметрах определяется по формуле: d = 0,8√I .

Для первичной обмотки диаметр провода будет:

d_1 = 0,8 · √1_1 = 0,8 · √0,34 = 0,8 · 0,58 = 0,46 мм. Возьмем 0,5 мм .

Диаметр провода для вторичной обмотки:

d_2 = 0,8 · √1_2 = 0,8 · √1,67 = 0,8 · 1,3 = 1,04 мм. Возьмем 1,1 мм.

ЕСЛИ 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 формуле:

s = 0,8 · d².

где : d — диаметр провода .

Например: мы не смогли найти провод для вторичной обмотки диаметром 1,1 мм.

Площадь поперечного сечения провода диаметром 1,1 мм. равна:

s = 0,8 · d² = 0,8 · 1,1² = 0,8 · 1,21 = 0,97 мм² .

Округлим до 1,0 мм².

Из выбираем диаметры двух проводов сумма площадей сечения которых равна 1.0 мм².

Например, это два провода диаметром по 0,8 мм . и площадью по 0,5 мм² .

Или два провода:
 - первый диаметром 1,0 мм . и площадью сечения 0,79 мм² ,
— второй диаметром 0,5 мм . и площадью сечения 0,196 мм² .
что в сумме дает: 0,79 + 0,196 = 0,986 мм².

Намотка катушки ведется двумя проводами одновременно, строго выдерживается равное количество витков обоих проводов. Начала этих проводов соединяются между собой. Концы этих проводов также соединяются.

Получается как бы один провод с суммарным поперечным сечением двух проводов.

Смотрите статьи:

Здравствуйте уважаемые коллеги!!

Как построить импульсный трансформатор на ферритовом кольце я уже рассказывал в своих уроках . Теперь расскажу как я изготавливаю трансформатор на Ш — образном ферритовом сердечнике. Использую я для этого подходящие по размеру ферриты от старого «советского»оборудования, старых компьютеров, от телевизоров и другой электротехнической аппаратуры, которое у меня в углу валяется «до востребования».

Для ИБП по схеме двухтактного полумостового генератора, напряжение на первичной обмотке трансформатора, согласно схемы составляет 150 вольт, под нагрузкой примем 145 вольт. Вторичная обмотка выполнена по схеме двухполупериодного выпрямления со средней точкой.
Смотреть схему .

Приведу примеры расчета и изготовления трансформаторов для ИБП небольшой мощности 20 — 50 ватт для этой схемы. Трансформаторы такой мощности я применяю в импульсных блоках питания для своих светильников на светодиодах. Схема трансформатора ниже. Необходимо обратить внимание, чтобы сложенный из двух половинок, Ш — сердечник не имел зазора. Магнитопровод с зазором используется только в однотактных ИБП.

Вот два примера расчета типичного трансформатора для различных нужд. В принципе, все трансформаторы на разные мощности имеют одинаковый способ расчета, почти одинаковые диаметры провода и одинаковые способы намотки. Если вам нужен трансформатор для ИБП мощностью до 30 ватт, то это первый пример расчета. Если нужен ИБП мощностью до 60 ватт, то второй пример.

Первый пример .

Выберем из ферритовых сердечников №17, Ш — образный сердечник Ш7,5×7,5. Площадь сечения среднего стержня Sк = 56 мм.кв. = 0,56 см.кв.
 Окно Sо = 150 мм.кв. Расчетная мощность 200 ватт.
 Количество витков на 1 вольт у этого сердечника будет: n = 0,7/Sк = 0,7 / 0,56 = 1,25 витка.
 Количество витков в первичной обмотке трансформатора будет: w1 = n х 145 = 1,25 х 145 = 181,25. Примем 182 витка.
 При выборе толщины провода для обмоток, я исходил из таблицы « ».
 В своем трансформаторе я применил, в первичной обмотке, провод диаметром 0,43 мм. (провод большим диаметром не умещается в окне). Он имеет площадь сечения S = 0.145 мм.кв. Допустимый ток (смотреть в таблице) I = 0,29 A.
 Мощность первичной обмотки будет: Р = V x I = 145 х 0,29 = 42 ватта.
 Поверх первичной обмотки необходимо расположить обмотку связи. Она должна выдавать напряжение v3 = 6 вольт. Количество витков ее будет: w3 = n x v3 = 1,25 x 6 = 7,5 витка. Примем 7 витков. Диаметр провода 0,3 — 0,4 мм.
 Затем мотается вторичная обмотка w2. Количество витков вторичной обмотки зависит от необходимого нам напряжения. Вторичная обмотка, например на 30 вольт, состоит из двух равных полуобмоток, w3-1 и w3-2 ).
 Ток во вторичной обмотке, с учетом КПД (k=0,95) трансформатора: I = k xР/V = 0,95 x 42 ватта / 30 вольт = 1,33 А;
 Подберем провод под этот ток. Я применил провод, нашедшийся у меня в запасе, диаметром 0,6 мм. Его S = 0,28 мм.кв.
Допустимый ток каждой из двух полуобмоток I = 0,56 А. Так, как эти две вторичные полуобмотки работают вместе, то общий ток равен 1,12 А, что немного отличается от расчетного тока 1,33 А.
Количество витков в каждой полуобмотке для напряжения 30 вольт: w2.1 = w2.2 = n х 30 = 1,25 х 30 = 37,5 вит.
 Возьмем по 38 витков в каждой полуобмотке.
 Мощность на выходе трансформатора: Рвых = V x I = 30 В х 1,12 А = 33,6 Ватт, что с учетом потерь в проводе и сердечнике, вполне нормально.

Все обмотки: первичная, вторичная и обмотка связи вполне уместились в окне Sо = 150 мм.кв.

Вторичную обмотку можно таким образом рассчитать на любое напряжение и ток, в пределах заданной мощности.

Второй пример.
 Теперь поэкспериментируем. Сложим два одинаковых сердечника №17, Ш 7,5 х 7,5 .


При этом площадь поперечного сечения магнитопровода «Sк», увеличится вдвое. Sк = 56 х 2 = 112 мм.кв. или 1,12 см.кв.
 Площадь окна останется та же «Sо» = 150 мм.кв. Уменьшится показатель n (число витков на 1 вольт). n = 0,7 / Sк = 0,7 /1,12 = 0,63 вит./вольт.
 Отсюда, количество витков в первичной обмотке трансформатора будет:
w1 = n х 145 = 0,63 х 145 = 91,35. Примем 92 витка.

В обмотке обратной связи w3, для 6-ти вольт, будет: w3 = n x v3 = 0,63 х 6 = 3,78 витка. Примем 4 витка.
 Напряжение вторичной обмотки примем также как и в первом примере равным 30 вольт.
Количество витков вторичных полуобмоток, каждая по 30 вольт: w2.1 = w2.2 = n х 30 = 0,63 х 30 = 18,9. Примем по 19 витков.
 Провод для первичной обмотки я использовал диаметром 0,6 мм. : сечение провода 0,28 мм.кв., ток 0,56 А.
 С этим проводом мощность первичной обмотки будет: Р1 = V1 x I = 145 В х 0,56 А = 81 Ватт.
 Вторичную обмотку я мотал проводом диаметром 0,9 мм. 0,636 мм.кв. на ток 1,36 ампера. Для двух полуобмоток ток во вторичной обмотке равен 2,72 ампера.
 Мощность вторичной обмотки Р2 = V2 x I = 30 x 2,72 = 81,6 ватт.
Провод диаметром 0,9 мм. немного великоват, подходит с большим запасом, это не плохо.

Провод для обмоток я применяю из расчета 2 А на миллиметр квадратный (так он меньше греется, и падение напряжения на нем будет меньше), хотя все «заводские» трансформаторы мотают из расчета 3 — 3,5 А на мм.кв. и ставят вентилятор для охлаждения обмоток.
 Общий вывод из этих расчетов таков:
- при сложении двух одинаковых Ш — образных сердечников увеличивается площадь «Sк» в два раза при той же площади окна «Sо».
 - число витков в обмотках (в сравнении с первым вариантом) изменяется.
 - первичная обмотка w1 с 182 витков уменьшается до 92 витка;
 - вторичная обмотка w2 с 38 витков уменьшается до 19 витков.

Это значит, что в том же окне «Sо», с уменьшением количества витков в обмотках, можно разместить более толстый провод обмоток, то есть увеличить реальную мощность трансформатора в два раза.

Я наматывал такой трансформатор, со сложенными сердечниками № 17, изготавливал под них каркас.

Нужно иметь в виду, что трансформаторы, по первому и второму примеру, можно использовать под меньшую нагрузку, вплоть от 0 ватт. ИБП вполне хорошо и стабильно держат напряжение.

Сравните внешний вид трансформаторов: пример-1, c одним сердечником и пример-2, с двумя сложенными сердечниками . Реальные размеры трансформаторов разнятся незначительно.

Анализ ферритовых сердечников №18 и №19 подобен предыдущим примерам.
 Все наши выполненные расчеты — это теоретические прикидки. На самом деле, получить такие мощности от ИБП на трансформаторах этих размеров довольно сложно. Вступают в силу особенности построения схем самих импульсных блоков питания. Схему .
 Выходное напряжение (а следовательно и выходная мощность) зависят от многих причин:
 - емкости сетевого электролитического конденсатора С1,
 - емкостей С4 и С5,
 - падения мощности в проводах обмоток и в самом ферритовом сердечнике;
 - падения мощности на ключевых транзисторах в генераторе и на выходных выпрямительных диодах.
Общий коэффициент полезного действия «k» таких импульсных блоков питания около 85%.
 Этот показатель все же лучше, чем у выпрямителя с трансформатором на стальном сердечнике, где k = 60%. При том, что размеры и вес ИБП на феррите существенно меньше.

Порядок сборки ферритового Ш — трансформатора.

Используется готовый или собирается — изготавливается новый каркас под размеры сердечника.
Как изготовить « » смотрите здесь. Хотя в этой статье и говорится про каркас для трансформатора со стальным сердечником, описание вполне подходит и к нашему случаю.
 Каркас нужно поставить на деревянную оправку. Намотка трансформатора производится вручную.
На каркас сначала мотается первичная обмотка. Виток к витку заполняется первый ряд, затем слой тонкой бумаги, лакоткани, далее второй ряд провода и т.д. На начало и конец провода надевается тонкая ПВХ трубочка (можно изоляцию с монтажного провода) для жесткости провода, чтоб не обломился.
Поверх первичной обмотки наносится два слоя бумаги (межобмоточная изоляция), затем нужно намотать витки обмотки связи w3. Обмотка w3 имеет мало витков, а потому ее располагают скраю на каркасе. Затем наносятся витки вторичной обмотки. Здесь желательно поступить таким образом, чтобы витки вторичной обмотки w2 не располагались поверх витков w3. Иначе могут возникнуть сбои в работе импульсного блока питания.
Намотка ведется сразу двумя проводами (две полуобмотки), виток к витку в ряд, затем слой бумаги или скотч и второй ряд двух проводов. ПВХ трубку на концы провода можно не надевать, т.к. провод толстый и ломаться не будет. Готовый каркас снимается с оправки и надевается на ферритовый сердечник. Предварительно проверьте сердечник на отсутствие зазора.
Если каркас туго одевается на сердечник, будьте очень осторожны, феррит очень легко ломается. Сломанный сердечник можно склеить. Я клею клеем ПВА, с последующей просушкой.
Собранный ферритовый трансформатор, для крепости, стягивается по торцу скотчем. Нужно проследить, чтобы торцы половинок сердечника совпали без зазора и сдвига.

Такая методика расчета трансформаторов конечно очень приблизительная но для радиолюбительской практики вполне подходит.
Кроме этого все нижеперечисленные расчеты актуальны только лишь для трансформаторов с Ш-образным сердечником и для работы с током промышленной частоты 50 Гц.

Итак, начнем....

Задача: нужен трансформатор с выходным напряжением 12V и током на вторичной обмотке не менее 1A. (если обмоток несколько то токи складываются).

Мощность вторичной обмотки получается 12V* 1A =12W.
Так как КПД у трансформаторов приблизительно 85%, то мощность забираемая первичкой при работе будет приблизительно в 1,2 раза выше и получится 12W * 1.2 = 14.4W.

Где S- площадь сердечника, P1- мощность первичной обмотки .
получится 4,93 кв.см. (ну в общем округлим до 5....)
Это необходимая минимальная площадь сердечника. Если есть возможность применить больше-это даже лучше.

Здесь:
W- количество витков,
Ктр- коэффициент трансформации,
Sс- площадь сечения сердечника .

Так как мы решили взять Ктр=50, то считаем:
W1= 50/5 * 220 = 2200
W2= 50/5 * 12 = 120

где I это ток протекающий через обмотку.
Ах, да.... мы же еще не знаем ток который будет потреблять первичка....
Ну, что же, это тоже не проблема: напряжение мы знаем, мощность тоже, получается:
I1= P1/U1 = 14.4/220 = 0.065A.

Итак:
диаметр провода для первички будет:
D1 = 0,7 * на корень из 0,065 = 0,18 мм.
Для вторичной обмотки:
D2 = 0.7 * на корень из 1 = 0,7 мм.

Вот и весь расчет!

Очень часто для питания радиолюбительских конструкций или для питания готовых устройств требуется понижающий трансформатор. Точный расчёт силового трансформатора очень сложен, но для приблизительного расчёта можно воспользоваться упрощёнными формулами. В этой статье рассмотрим как рассчитать трансформатор, собранный на наиболее часто встречающемся магнитопроводе из Ш-образных пластин.

Для расчёта трансформатора нам нужно знать: желаемое напряжение на вторичной обмотке и ток нагрузки. Ели ток нагрузки не известен, но известна его мощность, то вычислить ток не составит труда - нужно мощность поделить на напряжение на вторичной обмотке.

1. Расчёт тока вторичной обмотки

I2 = 1,5*Iн , где

  • I2 - ток во вторичной обмотке, А,
  • Iн - ток нагрузки, А.

2. Определение мощности, потребляемой от вторичной обмотки

P2 = U2*I2 , где

  • P2 - мощность вторичной обмотки, Вт,
  • U2 - напряжение вторичной обмотки, В,
  • I2 - ток вторичной обмотки, А.

Если необходимо несколько вторичных обмоток, то считаем мощность каждой обмотки, а затем складываем мощности всех вторичных обмоток и подставляем в следующую формулу.

3. Определение мощности трансформатора

Pт = 1,25*P2 , где

  • Рт - общая мощность трансформатора, Вт,
  • Р2 - мощность вторичной обмотки, Вт.

4. Расчёт тока первичной обмотки

I1 = Pт/U1 , где

  • I1 - ток в первичной обмотке трансформатора, А,
  • Pт - мощность трансформатора, Вт,
  • U1 - напряжение первичной обмотки, В.

5. Определение необходимого сечения сердечника магнитопровода

S = 1,3*√ Pт , где

Следует заметить, что магнитопровод нужно подбирать так, чтобы отношение ширины сердечника (центральной пластины) магнитопровода к толщине набора было в пределах 1 ÷ 2.

6. Расчёт числа витков в первичной обмотке

W1 = 50*U1/S , где

  • W1 - число витков первичной обмотки, шт,
  • U1 - напряжение первичной обмотки, В,
  • ² .

7. Расчёт числа витков во вторичной обмотке

W2 = 55* U2/S , где

  • W2 - число витков вторичной обмотки, шт,
  • U1 - напряжение вторичной обмотки, В,
  • S - площадь сечения сердечника магнитопровода, см² .

8. Определение диаметров проводов обмоток трансформатора

d = 0,632* √ I , где

  • d - диаметр провода, мм,
  • I - ток обмотки, А (соответственно подставляем I1 и I2 для первичной и вторичной обмоток).

Расчёт приведён для медного провода.

9. Проверка заполняемости окон магнитопровода

После подбора пластин магнитопровода следует проверить влезет ли провод на каркас трансформатора.

Sо = 50*Pт , где

  • Sо - площадь, занимаемая намотанными проводами, в одном окне магнитопровода, мм 2 ,
  • Pт - мощность трансформатора, Вт.

Если площадь окна подобранного магнитопровода больше или равна вычисленной, то провод влезет.

Пластины магнитопровода нужно собирать вперекрышку, как это показано на рисунке вверху.

Магнитопровод следует стянуть обоймой или шпильками с гайками, шпильки необходимо обернуть бумагой или другим изоляционным материалом, чтобы шпильки не замыкали пластины. Если магнитопровод плохо стянут, то он будет гудеть.

Провода следует наматывать равномерно и плотно(иначе могут не влезть). Между каждым рядом надо прокладывать тонкую бумагу или лавсановую плёнку в 1-2 слоя и 3-4 слоя между обмотками.

Для удобства намотки можно сделать простое приспособление, показанное на рисунке:


Состоит устройство из двух фанерных стоек, закреплённых на общем основании и вставленного в них металлического прутка, с одного конца изогнутого в виде ручки. Одной рукой крутим ручку, второй направляем провод, катушку с проводом можно наподобие разместить ещё на одном прутке, но уже без ручки.

В домашнем хозяйстве бывает необходимо оборудовать освещение в сырых помещениях: подвале или погребе и т.д. Эти помещения имеют повышенную степень опасности поражения электрическим током.
В этих случаях следует пользоваться электрооборудованием рассчитанным на пониженное напряжение питания, не более 42 вольт .
Можно пользоваться электрическим фонарем с батарейным питанием или воспользоваться понижающим трансформатором с 220 вольт на 36 вольт.
Рассчитаем и изготовим однофазный силовой трансформатор 220/36 вольт, с выходным напряжением 36 вольт с питанием от электрической сети переменного тока напряжением 220 вольт.

Для освещения таких помещений подойдет электрическая лампочка на 36 Вольт и мощностью 25 - 60 Ватт. Такие лампочки с цоколем под обыкновенный электропатрон продаются в магазинах электротоваров.
Если вы найдете лампочку на другую мощнось, например на 40 ватт, нет ничего страшного - подойдет и она. Просто трансформатор будет выполнен с запасом по мощности.

СДЕЛАЕМ УПРОЩЕННЫЙ РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА 220/36 ВОЛЬТ.

Мощность во вторичной цепи: Р_2 = U_2 · I_2 = 60 ватт

Где:
Р_2 – мощность на выходе трансформатора, нами задана 60 ватт;
U _2 - напряжение на выходе трансформатора, нами задано 36 вольт;
I _2 - ток во вторичной цепи, в нагрузке.

КПД трансформатора мощностью до 100 ватт обычно равно не более η = 0,8 .
КПД определяет, какая часть мощности потребляемой от сети идет в нагрузку. Оставшаяся часть идет на нагрев проводов и сердечника. Эта мощность безвозвратно теряется.
Определим мощность потребляемую трансформатором от сети с учетом потерь:

Р_1 = Р_2 / η = 60 / 0,8 = 75 ватт .

Мощность передается из первичной обмотки во вторичную через магнитный поток в магнитопроводе.Поэтому от значения Р_1 , мощности потребляемой от сети 220 вольт, зависит площадь поперечного сечения магнитопровода S .

Магнитопровод – это сердечник Ш – образной или О – образной формы, набранный из листов трансформаторной стали. На сердечнике будут располагаться первичная и вторичная обмотки провода.

Площадь поперечного сечения магнитопровода рассчитывается по формуле:

S = 1,2 · √P_1.

Где:
S - площадь в квадратных сантиметрах,
P _1 - мощность первичной сети в ваттах.

S = 1,2 · √75 = 1,2 · 8,66 = 10,4 см².

По значению S определяется число витков w на один вольт по формуле:

w = 50/S

В нашем случае площадь сечения сердечника равна S = 10,4 см.кв.

w = 50/10,4 = 4,8 витка на 1 вольт.

Рассчитаем число витков в первичной и вторичной обмотках.

Число витков в первичной обмотке на 220 вольт:

W1 = U_1 · w = 220 · 4.8 = 1056 витка.

Число витков во вторичной обмотке на 36 вольт:

W2 = U_2 · w = 36 · 4,8 = 172.8 витков ,

округляем до 173 витка.

В режиме нагрузки может быть заметная потеря части напряжения на активном сопротивлении провода вторичной обмотки. Поэтому для них рекомендуется число витков брать на 5-10 % больше рассчитанного. Возьмем W2 = 180 витков.

Величина тока в первичной обмотке трансформатора:

I_1 = P_1/U_1 = 75/220 = 0,34 ампера .

Ток во вторичной обмотке трансформатора:

I_2 = P_2/U_2 = 60/36 = 1,67 ампера.

Диаметры проводов первичной и вторичной обмоток определяются по значениям токов в них исходя из допустимой плотности тока, количества ампер на 1 квадратный миллиметр площади проводника. Для трансформаторов плотность тока, для медного провода, принимается 2 А/мм² .

При такой плотности тока диаметр провода без изоляции в миллиметрах определяется по формуле: d = 0,8√I .

Для первичной обмотки диаметр провода будет:

d_1 = 0,8 · √1_1 = 0,8 · √0,34 = 0,8 · 0,58 = 0,46 мм. Возьмем 0,5 мм .

Диаметр провода для вторичной обмотки:

d_2 = 0,8 · √1_2 = 0,8 · √1,67 = 0,8 · 1,3 = 1,04 мм. Возьмем 1,1 мм.

ЕСЛИ 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 формуле:

s = 0,8 · d².

где: d - диаметр провода.

Например: мы не смогли найти провод для вторичной обмотки диаметром 1,1 мм.

Площадь поперечного сечения провода диаметром 1,1 мм. равна:

s = 0,8 · d² = 0,8 · 1,1² = 0,8 · 1,21 = 0,97 мм² .

Округлим до 1,0 мм².

Из таблицы выбираем диаметры двух проводов сумма площадей сечения которых равна 1.0 мм².

Например, это два провода диаметром по 0,8 мм. и площадью по0,5 мм² .

Или два провода:
 - первый диаметром 1,0 мм. и площадью сечения 0,79 мм² ,
- второй диаметром 0,5 мм. и площадью сечения 0,196 мм² .
что в сумме дает: 0,79 + 0,196 = 0,986 мм².

Намотка катушки ведется двумя проводами одновременно, строго выдерживается равное количество витков обоих проводов. Начала этих проводов соединяются между собой. Концы этих проводов также соединяются.

Получается как бы один провод с суммарным поперечным сечением двух проводов.

Смотрите статьи:
 - «Как намотать трансформатор на Ш-образном сердечнике».
 - «Как изготовить каркас для Ш - образного сердечника».

Электрический аппарат - трансформатор используется для преобразования поступающего переменного напряжения в другое - исходящее, к примеру: 220 В в 12 В (конкретно это преобразование достигается использованием понижающего трансформатора). Прежде чем разбираться с тем, как рассчитать трансформатор, вы в первую очередь должны обладать знаниями о его структуре.

Простейший трансформатор является компоновкой магнитопровода и обмоток 2-х видов: первичной и вторичной, специально намотанных на него. Первичная обмотка воспринимает подающееся переменное напряжение от сети (н-р: 220 В), а вторичная обмотка, посредством индуктивной связи создает другое переменное напряжение. Разность витков в обмотках влияет на выходное напряжение.

Расчет ш-образного трансформатора

  1. Рассмотрим на примере процесс расчета обычного Ш-образного трансформатора. Предположим, даны параметры: сила тока нагрузки i2=0,5А, выходное напряжение (напряжение вторичной обмотки) U2=12В, напряжение в сети U1=220В.
  2. Первым показателем определяется мощность на выходе: P2=U2ˣi2=12ˣ0,5=6 (Вт). Это значит, что подобная мощность предусматривает использование магнитопровода сечением порядка 4 см² (S=4).
  3. Потом определяют количество витков, необходимых для одного вольта. Формула для данного вида трансформатора такая: К=50/S=50/4=12,5 (витков/вольт).
  4. Затем, определяют количество витков в первичной обмотке: W1=U1ˣK=220ˣ12,5=2750 (витков). А затем количество витков, расположенных во вторичной обмотке: W2=U2ˣK=12ˣ12,5=150.
  5. Силу тока, возникающую в первичной обмотке, рассчитайте так: i1=(1,1×P2)/U1=(1,1×6)/220=30мА.Это позволит рассчитать размер диаметра провода, заложенного в первичную обмотку и не оснащенного изоляцией. Известно, что максимальная сила тока для провода из меди равна 5-ти амперам на мм², из чего следует, что: d1=5А/(1/i1)=5A/(1/0,03А)=0,15 (мм).
  6. Последним действием будет расчет диаметра провода вторичной обмотки с использованием формулы d2=0,025ˣ√i2 , причем значение i2 используется в миллиамперах (мА): d2=0,025ˣ22,4=0,56 (мм).

Как рассчитать мощность трансформатора

  1. Напряжение, имеющееся на вторичной обмотке, и max ток нагрузки узнайте заранее. Затем умножьте коэффициент 1,5 на ток максимальной нагрузки (измеряемый в амперах). Так вы определите обмотку второго трансформатора (также в амперах).
  2. Определите мощность, которую расходует выпрямитель от вторичной обмотки рассчитываемого трансформатора: умножьте максимальный ток, проходящий через нее на напряжение вторичной обмотки.
  3. Подсчитайте мощность трансформатора посредством умножения максимальной мощности на вторичной обмотке на 1,25.

Если вам необходимо определить мощность трансформатора, который потребуется для конкретных целей, то нужно суммировать мощность установленных энергопотребляющих приборов с 20%-ми, для того, чтобы он имел запас. Например, если у вас имеется 10м светодиодной полосы, потребляющей 48 ватт, то вам необходимо к этому числу прибавить 20%. Получится 58 ватт – минимальная мощность трансформатора, который нужно будет установить.

Как рассчитать трансформатор тока

Основной характеризующей чертой трансформатора является коэффициент трансформации, который указывает, насколько изменятся основные параметры тока, вследствие его прохождения через это устройство.

Если коэффициент трансформации превышает 1, значит, трансформатор является понижающим, а если меньше этого показателя, то повышающим.

  1. Обычный трансформатор образован из двух катушек. Определитесь с количеством витков катушек N1 и N2, которые соединены магнитопроводом. Узнайте коэффициент трансформации k посредством деления количества витков первичной катушки N1, подключенной к источнику тока, на число витков катушки N2, к которой подключена нагрузка: k=N1/N2.
  2. Проведите измерение электродвижущей силы (ЭДС) на обоих трансфорсматорных обмотках ε1 и ε2, если отсутствует возможность узнать число витков в них. Сделать это можно так: к источнику тока подключите первичную обмотку. Получится так называемый холостой ход. Используя тестер, определите напряжение на каждой обмотке. Оно будет соответствовать ЭДС измеряемой обмотки. Не забывайте, что возникающие потери энергии из-за сопротивления обмоток настолько малы, что ими можно пренебречь. Коэффициент трансформации рассчитывается через отношение ЭДС первичной обмотки к ЭДС вторичной: k= ε1/ε2.
  3. Узнайте коэффициент трансформации находящегося в работе трансформатора, когда потребитель присоединен к вторичной обмотке. Определите его путем деления тока в первичной I1 обмотке, на возникший ток во вторичной I2 обмотке. Измерьте ток посредством последовательного присоединения тестера (переключенного в режим работы амперметра) к обмоткам: k=I1/I2.

Расчет сетевого трансформатора источника питания

В линейных источниках питания, ставших уже "классическими", основной элемент - сетевой трансформатор, обычно понижающий, который уменьшает сетевое напряжение до требуемого уровня. О том, как правильно его рассчитать (выбрать магнитопровод, рассчитать диаметр обмоточного провода, число витков в обмотках и т. д.), пойдет речь в предлагаемой статье.

Как выбрать магнитопровод

По конструктивному исполнению магнитопроводы для сетевых трансформаторов подразделяют на броневые, стержневые и тороидальные, а по технологии изготовления - на пластинчатые (рис. 1) и ленточные (рис. 2). На рис. 1 и 2 обозначены магнитопроводы: а) - броневые, б) - стержневые, в) - тороидальные.


В трансформаторах малой (до З00 Вт) и средней мощности (до 1000 Вт) чаще используют ленточные магнитопроводы. А среди ленточных наиболее применимы стержневые магнитопроводы. Они имеют ряд преимуществ по сравнению, например, с броневыми:

  1. Меньшая приблизительно на 25 % масса при одинаковой мощности трансформатора.
  2. Меньшая примерно на 30 % индуктивность рассеяния.
  3. Выше КПД.
  4. Меньшая чувствительность к внешним электромагнитным полям, поскольку ЭДС помех, наведенные в обмотках, которые расположены на разных стержнях, имеют противоположные знаки и взаимно компенсируются.
  5. Большая поверхность охлаждения обмоток.

Однако стержневым магнитопроводам присущи и недостатки:

  1. Все еще значительная индуктивность рассеяния.
  2. Необходимость изготовления двух катушек.
  3. Меньшая защищенность катушек от механического воздействия.

В тороидальных трансформаторах практически весь магнитный поток проходит по магнитопроводу, поэтому индуктивность рассеяния у них минимальная, однако сложность изготовления обмоток весьма высока.

На основании вышесказанного выбираем стержневой ленточный магнитопровод. Подобные магнитопроводы изготавливают следующих типов: ПЛ-стержневой ленточный; ПЛВ - стержневой ленточный наименьшей массы; ПЛМ - стержневой ленточный с уменьшенным расходом меди; ПЛР - стержневой ленточный наименьшей стоимости.

На рис. 3 показаны обозначения габаритных размеров магнитопровода: А - ширина; Н - высота; а - толщина стержня; b - ширина ленты; с - ширина окна; h - высота окна; h1 - высота ярма.

Стержневым магнитопроводам присвоено сокращенное обозначение, например, ПЛ8х 12,5x16, где ПЛ - П-образный ленточный, 8 - толщина стержня, 12,5 - ширина ленты, 16 - высота окна. Размеры магнитопроводов ПЛ и ПЛР приведены в табл. 1 и 2.



Варианты размещения катушек на магнитопроводе

Различные варианты расположения катушек на стержнях магнитопровода сравним по одному из основных параметров трансформаторов - индуктивности рассеяния, которую рассчитаем по формуле из

где μ0 = 4π·10-7 Гн/м - магнитная постоянная; w, - число витков первичной обмотки; вср.об - средняя длина витка обмоток, см; b - толщина обмоток, см; h - высота обмотки, см. Эта формула получена при условии, что обмотки - цилиндрические, не секционированы и расположены концентрически. Схемы соединения обмоток для всех вариантов показаны на рис. 4.


Сравнительные расчеты проведем для трансформатора на магнитопроводе ПЛx10x12,5x40, имеющего одну первичную и одну вторичную обмотки. Чтобы все расчетные варианты находились в одинаковых условиях, примем толщину обмоток b = с/4 и число витков первичной обмотки w1 = 1000.


Рассмотрим первый вариант, когда первичная и вторичная обмотки расположены на одном стержне (рис. 4, а). Чертеж катушки показан на рис. 5. Сначала рассчитаем среднюю длину витка обмоток

а затем индуктивность рассеяния катушки первого варианта

Во втором варианте первичная и вторичная обмотки разделены на две равные части, которые размещены на двух стержнях (рис. 4, б). Каждая катушка состоит из половины обмотки W1 и половины w2. Чертеж катушек показан на рис. 6. Вычислим индуктивность рассеяния одной катушки (W1 = 500), а затем результат удвоим, поскольку катушки одинаковы:

Две первичные обмотки в третьем варианте расположены в двух катушках на разных стержнях, каждая из которых содержит по 1000 витков. Обе первичные обмотки соединены параллельно. Вторичная обмотка также размещена в двух катушках на разных стержнях, причем возможны два случая: две полуобмотки с полным числом витков, соединенные параллельно (рис. 4, в), или вторичная обмотка разделена на две полуобмотки с вдвое меньшим числом витков, соединенные последовательно (рис. 4, г). Чертеж катушек показан на рис. 6. В этом варианте индуктивность рассеяния такая же, как и во втором варианте: LS3 = LS2 = 2,13 мГн.

Следует помнить, что во втором и третьем вариантах первичные и вторичные обмотки и полуобмотки должны быть включены согласно, чтобы создаваемые ими магнитные потоки в магнитопроводе имели одинаковое направление. Другими словами, магнитные потоки должны суммироваться, а не вычитаться. На рис. 7, а показано неправильное подключение, а на рис. 7, б - правильное.


Необходимость соблюдения правил соединения обмоток и полуобмоток - недостаток второго и третьего вариантов. Кроме того, в третьем варианте суммарный магнитный поток от первичной обмотки вдвое больше по сравнению с другими, что может привести к насыщению магнитопровода и, как следствие, к искажению синусоидальной формы напряжения. Поэтому применять третий вариант включения обмоток на практике следует осторожно.

В четвертом варианте первичная обмотка полностью расположена на одном стержне магнитопровода, а вторичная - на другом (рис. 4, д). Чертеж катушек показан на рис. 8. Поскольку обмотки расположены не концентрически, для расчета индуктивности рассеяния воспользуемся формулой из:

где b = с/4 - толщина обмоток, см; Rвн = воб/(2π) - внешний радиус обмотки, см; воб = 2а+2b+2πb - наружная длина витка обмотки, см. Вычислим наружную длину витка и внешний радиус обмотки: = 6,5 см; Rвн = 1,04 см. Подставляя рассчитанные значения в формулу для вычисления индуктивности рассеяния, получим LS4 = 88,2 мГн.

Кроме рассмотренных четырех существует еще много других вариантов расположения обмоток на стержнях магнитопровода, однако во всех остальных случаях индуктивность рассеяния больше, чем во втором и третьем вариантах.

Анализируя полученные результаты, можно сделать следующие выводы:

  1. Индуктивность рассеяния минимальна во втором и третьем вариантах расположения обмоток и находится в таком соотношении: LS4>>LS1>>LS2 = LS3.
  2. У трансформаторов третьего варианта две одинаковые первичные обмотки, поэтому они более тяжелые, трудоемкие и дорогие, чем во втором варианте.

Следовательно, при изготовлении трансформаторов малой мощности следует выбирать схему соединения и расположение обмоток, рассмотренные во втором варианте. Вторичные полуобмотки можно соединять и последовательно, если необходимо получить более высокое напряжение на выходе, и параллельно, если требуется больший выходной ток.

Краткие сведения о материалах магнитопроводов

До сих пор мы не учитывали потери в реальном трансформаторе, которые складываются из потерь в магнитопроводе - на вихревой ток и перемагничивание (гистерезис): в расчетах их учитывают как мощность потерь в стали Рст, и потери в обмотках - как мощность потерь в меди Рм. Итак, суммарная мощность потерь в трансформаторе равна:

P∑ = Рст + Рм = Рв.т + Рг + Рм,

где Рв.т - мощность потерь на вихревой ток; Рг - мощность потерь на гистерезис.

Для их уменьшения сталь подвергают термообработке - удаляют углерод, а также легируют - добавляют кремний, алюминий, медь и другие элементы. Все это повышает магнитную проницаемость, уменьшает коэрцитивную силу и, соответственно, потери на гистерезис. Кроме того, сталь подвергают холодной или горячей прокатке для получения необходимой структуры (текстуры проката).

В зависимости от содержания легирующих элементов, структурного состояния, магнитных свойств стали маркируют четырехзначными числами, например, 3412.

Первая цифра означает класс электротехнической стали по структурному состоянию и классу прокатки: 1 - горячекатаная изотропная; 2 - холоднокатаная изотропная; 3 - холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой.

Вторая цифра - процент содержания кремния: 0 - нелегированная сталь с суммарной массой легирующих элементов не более 0,5 %; 1 - легированная с суммарной массой свыше 0,5, но не более 0,8 %; 2 - 0,8...1,8 %; 3 - 1,8...2,8 %; 4 - 2,8...3,8 %; 5 - 3,8...4,8 %.

Третья цифра - группа по основной нормируемой характеристике (удельные потери и магнитная индукция): 0 - удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл на частоте 50 Гц (Pij/so); 1 - потери при магнитной индукции 1,5 Тл на частоте 50 Гц (P1,5/50); 2 - при индукции 1 Тл на частоте 400 Гц (Р1/400); 6 - индукция в слабых магнитных полях при напряженности 0,4 А/м (В0,4); 7 - индукция в средних магнитных полях при напряженности 10 А/м (В10) или 5 А/м (В5).

Первые три цифры обозначают тип электротехнической стали.

Четвертая цифра - порядковый номер типа стали.

Магнитопроводы трансформаторов для бытовой техники изготавливают из холоднокатаной текстурованной стали марок 3411-3415 с нормированными удельными потерями при магнитной индукции 1,5 Тл на частоте 50 Гц и удельным сопротивлением 60·10-8 Ом·м. Параметры некоторых марок электротехнической стали приведены в табл. 3.


Холоднокатаная электротехническая сталь обладает более высокими магнитными характеристиками. Кроме того, более гладкая поверхность позволяет увеличить коэффициент заполнения объема магнитопровода (ксТ) до 98 % .

Исходные данные для расчета трансформатора

Рассчитаем трансформатор, имеющий первичную и две одинаковые вторичные обмотки, со следующими параметрами: эффективное (действующее) напряжение первичной обмотки U1 = 220 В; эффективное (действующее) напряжение вторичных обмоток U2 = U3 = 24 В;

эффективный (действующий) ток вторичных обмоток l2 = I3 = 2А. Частота сетевого напряжения f = 50 Гц.

Коэффициент трансформации равен отношению напряжения на первичной к напряжению на разомкнутой (ЭДС) вторичной обмотке. При этом пренебрегают погрешностью, возникающей из-за отличия ЭДС от напряжения на первичной обмотке:

где w1 и w2 - число витков, соответственно, первичной и вторичной обмоток; Е1 и Е2 - ЭДС первичной и вторичной обмоток.

Ток в первичной обмотке равен:

Габаритная мощность трансформатора равна:

В процессе расчета необходимо определить размеры магнитопровода, число витков всех обмоток, диаметр и примерную длину обмоточного провода, мощность потерь, полную мощность трансформатора, КПД, максимальные габариты и массу.

Расчет магнитопровода трансформатора

Методика расчета размеров и других параметров взята, в основном, из.

Сначала рассчитаем произведение площади поперечного сечения стержня на площадь окна магнитопровода. Стержнем называют участок магнитопровода (axbxh), на котором размещена катушка:

где В - магнитная индукция, Тл; j - плотность тока в обмотках, А/мм2; η - КПД трансформатора, n - число стержней магнитопровода; кс - коэффициент заполнения сечения магнитопровода сталью; км - коэффициент заполнения окна магнитопровода медью.


Коэффициент заполнения сечения магнитопровода для сталей 3411-3415 равен 0,95...0,97, а для сталей 1511-1514 - 0,89...0,93.

Для расчета принимаем В = 1,35 Тл; j = 2,5 А/мм2; η = 0,95; Кc = 0,96; км = 0,31; n = 2:

Толщину стержня магнитопровода вычисляют по формуле

Подходящий магнитопровод выбирают по табл. 1 и 2. При выборе следует стремиться к тому, чтобы сечение магнитопровода было близко к квадрату, поскольку в этом случае расход обмоточного провода минимален.

Ширину ленты магнитопровода рассчитывают по формуле

Выбираем магнитопровод ПЛР18х25, у которого а - 1,8 см; b = 2,5 см; h = 7,1см;

Расчет обмоток трансформатора

Вычислим ЭДС одного витка по формуле

Рассчитаем приблизительно падение напряжения на обмотках:

Затем вычислим число витков первичной обмотки:

вторичных обмоток:

Рассчитаем диаметр обмоточного провода без изоляции по формуле

Подставив числовые значения, получим диаметр провода первичной:

и вторичных обмоток:

По табл. 5 выбираем марку и диаметр обмоточного провода в изоляции: для первичной обмотки - ПЭЛ или ПЭВ-1 di = 0,52 мм; для вторичных - ПЭЛ или ПЭВ-1 d2 = d3 = 1,07 мм.

Уточняем число витков обмоток. Для этого вначале уточним падение напряжения на обмотках:

Рассчитаем среднюю длину витка, используя рис. 5 или 6:

а затем и длину провода в обмотках:

Уточненные значения падения напряжения на обмотках равны:

С учетом полученных значений вычислим число витков первичной:

и вторичных обмоток:

Рассчитаем массу провода обмоток:

где m1 и m2 - погонная масса проводов, соответственно, первичной и вторичных обмоток из табл. 5.

Массу магнитопровода определяем по табл. 2: Мм = 713 г.

Масса трансформатора без учета массы деталей крепления равна М = = 288+2-165+713 = 1331 г. Максимальные размеры: (Ь+с)х(А+с)хН = 43x72x107 мм. Коэффициент трансформации k = W1/W2 = 1640/192 = 8,54.

Расчет мощности потерь

Потери в магнитопроводе равны:

где руд - удельные потери в магнитопроводе из табл. 3. Предположим, что магнитопровод изготовлен из стальной ленты 3413 толщиной 0,35 мм, тогда по табл. 3 находим, что удельные потери в таком магнитопроводе равны 1,3 Вт/кг. Соответственно, потери в магнитопроводе Рст = 0,713-1,3 = 0,93 Вт.

Потери в обмотке - на активном сопротивлении проводов - вычислим по формуле

где r1, r2 - активное сопротивление, соответственно, первичной и вторичных обмоток, I"1 - ток первичной обмотки с учетом потерь:

где r1м, r2м - погонное сопротивление проводов, соответственно, первичной и вторичных обмоток из табл. 5.

Пересчитаем ток вторичных обмоток в ток первичной обмотки:

Ток первичной обмотки с учетом потерь равен:

где η = 0,95 - КПД трансформатора из табл. 4 для мощности 100 Вт. Потери в обмотках равны:

Полная мощность трансформатора с учетом потерь равна:

КПД трансформатора рассчитаем по формуле

Изготовление трансформатора

Изготавливать трансформатор будем по второму варианту, рассмотренному выше. Расположение катушек показано на рис. 6. Для этого необходимо изготовить две катушки, каждая из которых содержит половину витков первинной и каждой из вторичных обмоток: w"1 = 820 витков провода ПЭЛ (или ПЭВ-1) диаметром 0,52 мм; w"2=w"3= 96 витков провода ПЭЛ (или ПЭВ-1) диаметром 1,07 мм.

Поскольку трансформатор имеет малые мощность и габариты, катушки можно изготовить бескаркасными. Толщина катушки b ≤ с/2 = 9 мм, ее высота hK ≤ 71 мм.

Число витков в слое первичной обмотки

число слоев

Число витков в слое вторичной обмотки

число слоев

Обмотки наматывают на деревянной оправке, изготовленной в точном соответствии с размерами участка магнитопровода, на котором будут расположены катушки (18x25x71 мм). К торцам оправки прикрепляют щечки.

Несмотря на то, что обмоточные провода покрыты эмалевой изоляцией и потому обладают высокой электрической прочностью, обычно между слоями обмотки прокладывают дополнительную, например, бумажную изоляцию. Чаще всего для изолирования обмоток от магнитопровода и между собой применяют трансформаторную бумагу толщиной 0,1 мм. Рассчитаем максимальное напряжение между двумя соседними слоями первичной обмотки

Поскольку напряжение между слоями небольшое, дополнительную изоляцию можно укладывать через слой или сделать ее более тонкой, например, использовать конденсаторную бумагу. Между первичной и вторичными следует поместить экранирующую обмотку - один незамкнутый виток тонкой медной фольги или один слой обмоточного провода, которая препятствует проникновению помех из сети во вторичные обмотки и наоборот.

Сначала оправку обматывают тремя слоями бумажной ленты (рис. 9), лепестки ленты приклеивают к щечкам. Затем наматывают первичную обмотку, прокладывая каждый слой изоляцией. Между первичной, экранирующей и вторичными обмотками прокладывают два слоя изоляции. Общая толщина изготовленных катушек не превышает 8 мм.

Проверка трансформатора

Собранный трансформатор сначала проверяют в режиме холостого хода - без нагрузки. При сетевом напряжении 220 В ток в первичной обмотке

напряжение на вторичных обмотках

Напряжение на вторичных обмотках можно точно измерить только вольтметром с высоким входным сопротивлением. Окончательно напряжение на вторичных обмотках трансформатора измеряют при номинальной нагрузке.

Литература

  1. Линде Д. П. и др. Справочник по радиоэлектронным устройствам. Под ред. А. А. Куликовского. Т. 2. - М.: Энергия, 1978.
  2. Горский А. Н. и др. Расчет электромагнитных элементов источников вторичного электропитания. - М.: Радио и связь, 1988.
  3. Сидоров И. Н. и др. Малогабаритные магнитопроводы и сердечники. Справочник. - М.: Радио и связь. 1989.
  4. Герасимов В. Г. и др. Электротехнический справочник. Т. 1. - М.: Энергия, 1980.
  5. Малинин Р. М. Справочник радиолюбителя-конструктора. - М.: Энергия, 1978

Смотрите другие статьи раздела.

Онлайн-калькулятор расчёта по размерам магнитопровода габаритной мощности трансформатора

Ни для кого не секрет, что радиолюбители частенько самостоятельно мотают трансформаторы под свои нужды. Ведь не всегда найдётся, например, готовый сетевой трансформатор. Более актуальным этот вопрос становится, когда нужен анодно-накальный или выходной трансформатор для лампового усилителя. Здесь остаётся лишь запастись проволокой и подобрать хорошие сердечники.

Достать нужный магнитопровод порой оказывается непросто и приходится выбирать из того, что есть. Для быстрого расчёта габаритной мощности был написан приведённый здесь онлайн калькулятор . По размерам сердечника можно быстро провести все необходимые расчёты, которые выполняются по приведённой ниже формуле, для двух типов: ПЛ и ШЛ.



Введите размеры магнитопровода сердечника трансформатора. При необходимости подкорректируйте остальные значения. Внизу Вы увидите рассчитанную габаритную мощность трансформатора, который можно сделать на таком сердечнике, по формуле:

Рассчитываются также площадь сечения магнитопровода и площадь окна.

В этих трансформаторах пластины имеют толщину 0,5мм, что не приветствуется в аудио. Но при желании - можно. При расчётах выходников следует исходить из параметров 0,5Тл на частоте 30Гц. При расчётах же силовиков на этом железе следует задавать не более 1,2Тл.

Можно ли использовать пластины от разных трансформаторов?

Если они одинаковые по размерам, то можно. Для этого следует смешать их.

Как правильно собирать магнитопровод?

Для однотактного выходника можно две крайние Ш-пластины поставить с противоположной стороны, как часто сделано в заводских ТВЗ. В промежуток через бумажку уложить I-пластины, на 2 штуки меньше. Взяв трансформатор так, чтобы I-пластины оказались снизу, с лёгким ударом поместить его на толстую ровную металлическую плиту. Это можно делать несколько раз, контролируя процесс измерителем индуктивности, чтобы получить одинаковую пару трансформаторов.

Как определить мощность трансформатора по магнитопроводу?

Для двухтактных усилителей нужно разделить габаритную мощность железа на 6-7. Для однотактных - на 10-12 для триода и на 20 для тетрода-пентода.

Как стягивать силовой трансформатор, нужно ли клеить магнитопровод?

Если хочется склеить, то применяем жидкий клей. Подаём на первичную обмотку постоянку 5-15 вольт, чтобы получить ток около 0,2А. При этом подковы стянутся без деформации. После этого можно надеть бандаж, аккуратно затянуть и оставить, пока клей не высохнет.

Как снять лак, которым покрыты трансформаторы бесперебойников?

Замочить на пару дней в ацетоне или проварить пару часов в воде. После этого лак должен сниматься. Механическое снимание лака недопустимо, т.к. появятся заусенцы и пластины будут коротить между собой.

Годятся ли эти трансформаторы куда-нибудь без разборки и перемотки?

Если на них есть дополнительная обмотка (около 30 вольт), то, соединив её последовательно с первичной, можно получить мощный накальный трансформатор. Но нужно смотреть ток холостого хода, т.к. эти трансформаторы не предназначены для длительной работы и часто намотаны не так, как нам бы хотелось.

a см
B см