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.
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.
На что влияет количество витков в трансформаторе
Если говорить о вторичных обмотках трансформатора, то значение числа витков в них в основном влияет на выходное напряжение. Сложнее все обстоит с первичной обмоткой, поскольку напряжение на ней задано питающей сетью. Параметры первичная обмотка оказывают влияние на ток холостого хода, а, следовательно, на коэффициент полезного действия. При изменении параметров первичной обмотки потребуется перерасчет всех вторичных обмоток.
И стоит заметить, что лучше не размыкать вторичную обмотку ТТ.
Простой расчет понижающего трансформатора.
Магнитопровод низкочастотного трансформатора состоит из стальных пластин. Использование пластин вместо монолитного сердечника уменьшает вихревые токи, что повышает КПД и снижает нагрев.
Магнитопроводы вида 1, 2 или 3 получают методом штамповки. Магнитопроводы вида 4, 5 или 6 получают путём навивки стальной ленты на шаблон, причём магнитопроводы типа 4 и 5 затем разрезаются пополам.
1, 4 – броневые, 2, 5 – стержневые, 6, 7 – кольцевые.
Чтобы определить сечение магнитопровода, нужно перемножить размеры «А» и «В». Для расчётов в этой статье используется размер сечения в сантиметрах.
Трансформаторы с витыми стержневым поз.1 и броневым поз.2 магнитопроводами.
Трансформаторы с штампованными броневым поз.1 и стержневым поз.2 магнитопроводами.
Трансформаторы с витыми кольцевыми магнитопроводами.
Габаритную мощность трансформатора можно приблизительно определить по сечению магнитопровода. Правда, ошибка может составлять до 50%, и это связано с рядом факторов. Габаритная мощность напрямую зависит от конструктивных особенностей магнитопровода, качества и толщины используемой стали, размера окна, величины индукции, сечения провода обмоток и даже качества изоляции между отдельными пластинами.
Чем дешевле трансформатор, тем ниже его относительная габаритная мощность. Конечно, можно путём экспериментов и расчетов определить максимальную мощность трансформатора с высокой точностью, но смысла большого в этом нет, так как при изготовлении трансформатора, всё это уже учтено и отражено в количестве витков первичной обмотки. Так что, при определении мощности, можно ориентироваться по площади сечения набора пластин проходящего через каркас или каркасы, если их две штуки.
Где:
P
– мощность в Ваттах,
B
– индукция в Тесла,
S
– сечение в см²,
1,69
– постоянный коэффициент.
Сначала определяем сечение, для чего перемножаем размеры А и Б.
Затем подставляем размер сечения в формулу и получаем мощность. Индукцию я выбрал 1,5Tc, так как у меня броневой витой магнитопровод.
Если требуется определить необходимую площадь сечения манитопровода исходя из известной мощности, то можно воспользоваться следующей формулой:
Нужно вычислить сечение броневого штампованного магнитопровода для изготовления трансформатора мощностью 50 Ватт.
О величине индукции можно справиться в таблице. Не стоит использовать максимальные значения индукции, так как они могут сильно отличаться для магнитопроводов различного качества.
Максимальные ориентировочные значения индукции.
КАК РАССЧИТАТЬ ПОНИЖАЮЩИЙ ТРАНСФОРМАТОР.
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 .
В качестве примера давайте рассчитаем и изготовим однофазный силовой трансформатор 220/36 вольт. Для освещения таких помещений подойдет электрическая лампочка на 36 Вольт и мощностью 25 — 60 Ватт . Такие лампочки с цоколем под стандартный патрон продаются в магазинах электро-товаров.
Методика расчета
Полный расчет трансформатора довольно сложен и учитывает такие параметры:
- напряжение и частоту питающей сети;
- число вторичных обмоток;
- ток потребления каждой вторичной обмотки;
- тип материала сердечника;
- массогабаритные показатели.
На бытовом уровне для изготовления устройств с питанием от стандартной сети 220В 50Гц, проектирование можно значительно упростить.
Методика не требует особенных знаний сложности, и при наличии опыта занимает немного времени.
Для расчета требуются следующие данные:
- Количество выходов.
- Напряжение и потребляемый ток каждой обмотки.
В основе конструирования любого трансформатора лежит суммарная мощность всех вторичных нагрузок:
Pс=I1∙U1+ I2∙U2+… In∙Un
Для учета потерь введено понятие габаритной мощности, для вычисления которой применяется несложная формула:
P=1.25∙ Pс
Зная мощность, можно определить сечение сердечника:
S=√P
Полученное значение сечения будет выражено в квадратных сантиметрах!
Дальнейшие расчеты зависят от типа и материала выбранного сердечника. Магнитопроводы бывают следующих типов:
- броневые;
- стержневые;
- О-образные.
Также различаются и способы изготовления магнитопроводов:
- наборные – из отдельных пластин;
- витые, разрезные или сплошные.
Разрезными обычно бывают броневые или стержневые магнитопроводы, а О-образные конструктивно выполняются исключительно цельные. В этом отношении они ничем не отличаются от не разрезных стержневых сердечников.
Для определения числа витков используют следующее соотношение, показывающее, сколько необходимо витков на 1 вольт напряжения:
W=K/S,
где К – коэффициент, который зависит от материала и типа сердечника.
Для упрощения вычислений приняты следующие значения коэффициента:
- Для наборных магнитопроводов из Ш-или П-образных пластин К=60.
- Для разрезных магнитопроводов К=50.
- Для О-образных сердечников К=40.
Как видно, наименьшая длина обмоточного провода, а следовательно, и наилучшие массогабаритные показатели будут у О-образных сердечников. Кроме этого, конструкции с такими сердечниками имеют малое поле паразитного магнитного рассеивания и максимальный КПД. Их редко применяют только потому, что намотать обмотку на замкнутый сердечник трудно технически.
Зная параметр W, легко определить количество витков для каждой из обмоток:
n=U∙W
Для учета падения напряжения на первичной обмотке, намотанной большим количеством тонкого провода, следует увеличить количество витков в ней на 5%. Особенно это касается малогабаритных конструкций малой мощности.
Можно снизить ток холостого хода, увеличив значение W для каждой из обмоток, но следует знать, что чрезмерное увеличение может привести к насыщению магнитопровода, что приведет к резкому увеличению тока холостого хода и снижению напряжения на выходе.
На заключительном этапе определяют диаметр проводников каждой обмотки. Формула расчета имеет следующий вид:
d=0.7√I
Определение диаметра обмоточного провода выполняют для всех без исключения обмоток.
Полученные значения округляют до ближайшего большего значения из стандартных диаметров проводов.
