Что такое максимальная мощность трансформатора. Расчет трансформатора с тороидальным магнитопроводом

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.

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 %.

и т.д.

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.

Таблица 1

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 5x3 = 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.

Возникла необходимость в мощном блоке питания. В моём случае имеются два магнитопровода броневой-ленточный и тороидальный. Броневой тип: ШЛ32х50(72х18) . Тороидальный тип: ОЛ70/110-60.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ для расчёта трансформатора с тороидальным магнитопроводом:

• напряжение первичной обмотки, U1 = 220 В;
• напряжение вторичной обмотки, U2 = 36 В;
• ток вторичной обмотки, l2 = 4 А;
• внешний диаметр сердечника, D = 110 мм;
• внутренний диаметр сердечника, d = 68 мм;
• высота сердечника, h = 60 мм.

Расчет трансформатора с магнитопроводом типа ШЛ32х50(72х18) показал, что выдать напряжение 36 вольт с силой тока 4 ампера сам сердечник в состоянии, но намотать вторичную обмотку возможно не получится, из-за недостаточной площади окна. Приступаем к расчёту трансформатора с магнитопроводом типа ОЛ70/110-60.

Программный (он-лайн) расчет, позволит налету экспериментировать с параметрами и сократить время на разработку. Также можно рассчитать и по формулам, они приведены ниже. Описание вводимых и расчётных полей программы: поле светло-голубого цвета - исходные данные для расчёта, поле жёлтого цвета - данные выбранные автоматически из таблиц, в случае установки флажка для корректировки этих значений, поле меняет цвет на светло-голубой и позволяет вводить собственные значения, поле зелёного цвета - рассчитанное значение.

Формулы и таблицы для ручного расчет трансформатора:

1. Мощность вторичной обмотки;

2. Габаритная мощность трансформатора;

3. Фактическое сечение стали магнитопровода в месте расположения катушки трансформатора;

4. Расчётное сечение стали магнитопровода в месте расположения катушки трансформатора;

5. Фактическая площадь сечения окна сердечника;

6. Величина номинального тока первичной обмотки;

7. Расчёт сечения провода для каждой из обмоток (для I1 и I2);

8. Расчет диаметра проводов в каждой обмотке без учета толщины изоляции;

9. Расчет числа витков в обмотках трансформатора;

n - номер обмотки,
U’ - падение напряжения в обмотках, выраженное в процентах от номинального значения, см. таблицу.

В тороидальных трансформаторах относительная величина полного падения напряжения в обмотках значительно меньше по сравнению с броневыми трансформаторами.

10. Расчет числа витков приходящихся на один вольт;

11. Формула для расчёта максимальной мощности которую может отдать магнитопровод;

Sст ф - фактическое сечение стали имеющегося магнитопровода в месте расположения катушки;

Sок ф - фактическая площадь окна в имеющемся магнитопроводе;

Вмах- магнитная индукция, см. табл.№5;

J - плотность тока, см. табл.№3;

Кок - коэффициент заполнения окна, см. табл.№6;

Кст - коэффициент заполнения магнитопровода сталью, см. табл.№7;

Величины электромагнитных нагрузок Вмах и J зависят от мощности, снимаемой со вторичной обмотки цепи трансформатора, и берутся для расчетов из таблиц.

Определив величину Sст*Sок, можно выбрать необходимый линейный размер магнитопровода, имеющий соотношение площадей не менее, чем получено в результате расчета.

В данной статье вы узнаете что такое трансформатор. Покажем конструкцию силового трансформатора.

Что такое трансформатор

Трансформатор — устройство, в котором переменный ток одного напряжения преобразовывается в переменный ток другого напряжения. При этом преобразовании напряжений одновременно всегда происходит также преобразование силы тока: если трансформатор повышает напряжение, то сила тока при этом уменьшается.

Трансформатор представляет собой стальной сердечник с двумя катушками, имеющими обмотки. Одна из обмоток называется первичной, другая – вторичной. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС во вторичной обмотке. Сила тока во вторичной обмотке, не присоединенной к цепи, потребляющей энергию, равна нулю. Если цепь подсоединена и происходит потребление электроэнергии, то в соответствии с законом сохранения энергии сила тока в первичной обмотке пропорционально возрастает. Таким образом, и происходит преобразование и распределение электрической энергии.

Схематическое устройство трансформатора показано на рисунке.

На общем сердечнике (обычно из трансформаторной стали) расположены две обмотки. По одной из обмоток I, называемой первичной, под действием переменного напряжения U 1 проходит переменный ток I 1 . Этот ток создает в сердечнике переменный магнитный поток, изменяющийся по своей величине и направлению в соответствии с изменениями тока I 1 . Переменный магнитный поток пронизывает витки второй обмотки II, называемой вторичной обмоткой, и индуктирует в каждом из ее витков определенную переменную ЭДС. Так как все витки обмотки II соединены последовательно, то отдельные ЭДС каждого витка складываются, а на концах вторичной обмотки получается суммарная ЭДС, также переменная по величине и направлению.

Обычно трансформаторы конструируются так, что падение напряжения во вторичной обмотке невелико (порядка 2 — 5%); поэтому с известным допущением можно принять, что на концах вторичной обмотки напряжение U 2 равно её ЭДС. Это напряжение U 2 будет во столько раз больше (или меньше) напряжения первичной обмотки U 1 n 2 n 1 первичной.

Ток во вторичной обмотке I 2 наоборот, будет во столько раз меньше (или больше) тока первичной обмотки I 1 , во сколько раз число витков n 2 вторичной обмотки больше или меньше) числа витков n 1 первичной.

Отношение числа витков питаемой от сети обмотки к числу витков другой обмотки или одного напряжения (первичного) к другому (вторичному) называется коэффициентом трансформации и обозначается буквой К :

Часто коэффициент трансформации выражается соотношением двух чисел, например 1:55, показывающим, что число витков первичной обмотки в 55 раз меньше числа витков вторичной.

Конструкция силового трансформатора

Сердечники силовых трансформаторов бывают: Ш-образный (рис) у которого магнитный поток разветвляется на две ветви, и П-образный (рис) с неразветвленным магнитным потоком. Первый вид сердечников, называемый броневым, применяется более часто, чем второй — стержневой. Ещё бывает третий тип силового трансформатора – спиральный (или ленточный), который является разновидностью первых двух.

Для уменьшения потерь в сердечнике, последний делается не сплошным, а из отдельных тонких листов стали, оклеенных бумагой или покрытых изолирующим лаком. Толщина пластин составляет от 0,25 до 0,5 мм, чаще всего 0,3 — 0,35 мм.

В настоящее время пакеты пластин для трансформаторов малой и средней мощности (до 200 Ватт) собираются в основном из двух типов пластин (рис): Ш-образных и прямых (накладок). Применение прямых пластин (накладок) дает возможность делать у некоторых трансформаторов (например, у выходных) воздушный зазор в сердечнике.

Сборка пластин производится одним из двух способов. При одном способе — встык — собираются отдельно две части сердечника, которые затем прикладываются друг к другу (рис) и стягиваются болтами и накладками. При другом способе — вперекрышку — пластины накладываются друг на друга в порядке, указанном на рисунке.

Сердечник трансформатора должен быть крепко стянут, в противном случае при работе трансформатора сердечник будет гудеть. Хотя гудение и не оказывает существенного влияния на работу трансформатора, но оно неприятно действует на слух. Обмотки трансформатора располагаются на каркасе, который одевается на сердечник. Каркас, как правило изготавливается из картона, или прессшпана.

При использовании Ш-образного сердечника все обмотки трансформатора размещаются на одном каркасе, надеваемом на средний стержень сердечника. При П-образном сердечнике обмотка располагается или на одном или на двух каркасах, надеваемых соответственно на один или оба стержня сердечника.

В трансформаторах наиболее часто применяется цилиндрическая намотка: на каркас сперва наматывается первичная обмотка, на которую для изоляции укладывается несколько слоев бумаги, а затем поверх этой изоляции наматывается вторичная обмотка. Если таких вторичных обмоток будет несколько, то между каждыми двумя обмотками прокладывается изоляция из 2 — 3 слоев бумаги. При большом числе витков в обмотке, например при повышающей намотке, через каждые 2 — 3 слоя следует обязательно прокладывать бумажные изолирующие прокладки.

Расчёт силового трансформатора

Точный расчет трансформатора довольно сложен, но радиолюбитель может сконструировать силовой трансформатор, пользуясь для расчета упрощенными формулами, которые приводятся ниже.

Для расчета предварительно необходимо определить, исходя из заданных условий величины напряжений и сил токов для каждой из обмоток. Сначала подсчитывается мощность каждой из вторичных (повышающих, понижающих) обмоток:

где Р 2 , Р 3 , Р 4 — мощности (Вт), отдаваемые обмотками трансформатора;
I 2 , I 3 , I 4 — силы токов (А);
U 2 , U 3 , U 4 — напряжения (В) этих обмоток.
Для определения общей мощности Р трансформатора все мощности, полученные для отдельных обмоток, складываются и общая сумма умножается на коэффициент 1,25, учитывающий потери в трансформаторе:

где Р — общая мощность (Вт), потребляемая всем трансформатором.

По мощности Р подсчитывается сечение сердечника (в кв.см):

После этого переходят к определению числа витков каждой из обмоток. Для первичной сетевой обмотки число витков, учитывая потери напряжения, будет равно:

Для остальных обмоток с учетом потерь напряжения числа витков равны:

Диаметр провода любой обмотки трансформатора можно определить по формуле:

где I - сила тока (A), проходящего через данную обмотку; d - диаметр провода (по меди) в мм.

Сила тока, проходящего через первичную (сетевую) обмотку, определяется из обшей мощности трансформатора Р :

Остается еще выбрать типоразмер пластин для сердечника. Для этого необходимо подсчитать площадь, которую занимает вся обмотка в окне сердечника трансформатора:

где S м — площадь (в кв. мм), занимаемая всеми обмотками в окне;
d 1 , d 2 , d 3 и d 4 — диаметры проводов обмоток (в мм);
n 1 , n 2 , n 3 и n 4 - числа витков этих обмоток.
Этой формулой учитывается толщина изоляции проводов, неравномерность намотки, а также место, занимаемое каркасом в окне сердечника.

По полученной величине S м выбирается типоразмер пластины с таким расчетом, чтобы обмотка свободно разместилась в окне выбранной пластины. Выбирать пластины с окном, значительно большим, чем это необходимо, не следует, так как при этом ухудшаются общие качества трансформатора.

Наконец определяют толщину набора сердечника — величину b , которую подсчитывают по формуле:

Здесь размер a – ширина среднего лепестка пластины (рис.3) и b в миллиметрах; Q — в кв. см.

Расчёт простой, самым сложным является поиск сердечника с необходимым типоразмером.

Быстрая переделка силового трансформатора лампового телевизора

Нынче полупроводниковые телевизоры с их импульсными блоками питания навсегда вытеснили тяжёлые и громоздкие ламповые телевизоры, однако у многих «Плюшкиных» они ещё в большом количестве пылятся в гаражах и сараях. Поэтому, нет никакой сложности, найти от такого телевизора силовой трансформатор. Переделка такого трансформатора под ваши потребности элементарна.

Мощности таких трансформаторов бывают от 80 до 350 Ватт, всё определялось телевизором. В чёрно-белом телевизоре трансформатор – слабее, а в цветном – мощнее. Конструкция трансформатора – двухкаркасная на О-образном спиральном сердечнике. Сердечник трансформатора состоит из двух подковообразных половин, входящих внутрь катушек трансформатора. На обеих катушках намотаны одинаковые обмотки, с одинаковым количеством витков. Как правило, на катушках имеется табличка, на которой расписаны сетевые и все выходные обмотки с номерами выводов, напряжений и токов.

Вы можете использовать уже имеющиеся обмотки, с подходящим для Вас напряжением, а можете смотать вторичные обмотки и намотать новые, тем самым использовать полную мощность трансформатора. Удобство заключается в лёгкой разборке-сборке, расчётах новых обмоток. На катушках сначала намотаны первичные обмотки, потом стоит экранирующая фольга, а потом намотаны вторичные обмотки. Поэтому, при сматывании не нужных обмоток, Вы не допустите ошибку, смотав первичную обмотку.

Разбирается трансформатор обыкновенным гаечным ключом на 10 или на 12. Для этого необходимо открутить всего две гайки стягивающие скобы трансформатора, после чего, половины сердечника свободно вынимаются из катушек.

Перед разборкой катушек, внимательно изучите табличку, найдите в ней обмотку на наименьшее напряжение, а при сматывании этой обмотки посчитайте количество витков. Поделив подсчитанное количество витков на напряжение, значащееся в табличке, Вы узнаете количество витков вторичной обмотки трансформатора, приходящееся на один вольт. Умножив это число на то напряжение, которое хотите получить на выходе трансформатора, Вы узнаете количество витков, которое необходимо будет намотать.

Мотать можете другим проводом, а можете и тем, который смотали с трансформатора. Мотать надо виток к витку. Для получения достаточного выходного тока, можно мотать обмотки проводом, сложенным вдвое, втрое и даже вчетверо, а можете намотать несколько обмоток с одинаковым количеством витков, а потом, после сборки трансформатора, спаять их параллельно.

Слои обмоток в трансформаторе проложены трансформаторной бумагой, пропитанной парафином, при сматывании витков, снимайте её аккуратно, не рвите. При намотке используйте эту бумагу снова.

Трансформаторы от ламповых телевизоров – это «сила», главное ума много не надо. С их использованием получаются отличные зарядные устройства, мощные блоки питания, как в составе конструируемых аппаратов, так и используемые самостоятельно.

При проектировании трансформаторов основным параметром является его мощность. Именно она определяет габариты трансформатора. При этом основным определяющим фактором будет полная мощность, отдаваемая в нагрузку:

Для трансформатора с большим количеством вторичных обмоток полную мощность можно определить, просуммировав мощности, потребляемые нагрузками, подключенными ко всем его обмоткам:

(2)

При полностью резистивной нагрузке (отсутствие индуктивной и емкостной составляющей в токе) потребляемая мощность активна и равна отдаваемой мощности S 2 . При расчете трансформатора важным параметром является типовая или габаритная мощность трансформатора. В этом параметре кроме полной мощности учитывается мощность, потребляемая трансформатором от сети по первичной обмотке. Типовая мощность трансформатора вычисляется следующим образом:

(3)

Определим типовую мощность для трансформатора с двумя обмотками. Полная мощность первичной обмотки S 1 = U 1 I 1 , где U 1 , I 1 — действующие значения напряжения и тока Именно этой мощностью определяются габариты первичной обмотки. При этом число витков первичной обмотки трансформатора зависит от входного напряжения, сечение провода от протекающего по ней максимального тока (действующее значение). Габаритная мощность трансформатора определяет необходимое сечение сердечника s с. Ее можно рассчитать следующим образом:

(4)

Напряжение на первичной обмотке трансформатора можно определить из выражения U 1 = 4k ф W 1 fs B m , где s – площадь сечения сердечника магнитопровода, определяемая как произведение ширины сердечника на его толщину. Эквивалентная площадь сечения сердечника трансформатора обычно меньше и зависит от толщины пластин или ленты и расстояния между ними, поэтому при расчете трансформатора вводится коэффициент заполнения сердечника, который определяется как отношение эквивалентной площади сечения сердечника магнитопровода к его геометрической площади . Его значение обычно равно k c = 1 ... 0,5 и зависит от толщины ленты. Для прессованных сердечников (изготовленных из феррита, альсифера или карбонильного железа) k c = 1. Таким образом, s = k c s c и выражение для напряжения первичной обмотки трансформатора принимает следующий вид:

U 1 = 4k ф k c W 1 fs c B m (5)

Аналогичное выражение можно записать и для вторичной обмотки. В трансформаторе с двумя обмотками мощность первичной обмотки и типовая мощность трансформатора равны. Мощность первичной обмотки можно определить по следующему выражению:

U 1 = U 1 I 1 = 4k ф k c fs c B m W 1 I 1 (6)

При этом типовая мощность трансформатора будет рассчитываться по следующей формуле:

(7)

Отношение тока в проводе обмотки к его сечению называется плотностью тока. В правильно рассчитанном трансформаторе плотность тока во всех обмотках одинакова:

(8) где s обм1 , s обм2 — площади сечения проводников обмоток.

Заменим токи I 1 = js обм1 и I 2 = js обм2 , тогда сумма в скобках выражения (7) может быть записана следующим образом: W 1 I 1 + W 2 I 2 = , j (s обм1 W 1 + s обм2 W 2) = js м, где s м — сечение всех проводников (меди) в окне сердечника трансформатора. На рисунке 1 приведена упрощенная конструкция трансформатора, где отчетливо видны площадь сердечника s с, площадь окна магнитопровода s ок и площадь, занимаемая проводниками первичной и вторичной обмоток s м.

Рисунок 1 Упрощенная конструкция трансформатора

Введём коэффициент заполнения окна медью . Его величина находится в пределах k м = 0,15 ... 0,5 и зависит от толщины изоляции проводов, конструкции каркаса обмоток, межслойной изоляции, способа намотки провода. Тогда js м = jk м s ок и выражение для типовой мощности трансформатора можно записать следующим образом:

(9)

Из выражения (9) следует, что типовая мощность определяется произведением s с s ок. При увеличении линейного размера трансформатора в m раз, его объём (масса) увеличится в m³ раз, а мощность возрастёт в m 4 раз. Поэтому, удельные массо-габаритные показатели трансформаторов улучшаются с увеличением номинальной мощности. С этой точки зрения предпочтительны многообмоточные трансформаторы по сравнению с несколькими двухобмоточными.

При разработке конструкции трансформаторов стараются увеличить коэффициент заполнения окна сердечника обмотками, так как при этом возрастает значение номинальной мощности S тип. Для достижения этой цели применяются обмоточные проводники с прямоугольным сечением. Следует отметить, что при практических расчетах формулу (9) преобразуют к более удобному виду.

(10)

При расчете трансформатора по заданной мощности на нагрузке исходя из выражения (10) определяется произведение s с s ок. Затем по справочнику выбирается конкретный тип и размер магнитопровода трансформатора, у которого этот параметр будет больше или равен рассчитанному значению. Затем приступают к расчету количества витков в первичной и вторичной обмотках. Рассчитывают диаметр провода и проверяют, помещаются ли обмотки в окне магнитопровода.

Литература:

Вместе со статьей "Мощность трансформатора" читают:

http://сайт/BP/KlassTransf/

http://сайт/BP/SxZamTransf/