В быту и технике широко применяется низковольтная аппаратура. Этот факт требует использования устройств, понижающих стандартное напряжение до необходимого уровня. Нужно создать прибор, который соответствует предъявляемым нормам. Перед электриком встаёт задача, как определить мощность трансформатора. Знание элементарных физических законов помогает решить проблему.
Теория и история
Латинское слово transformare переводится на русский язык как «превращение». Трансформатор предназначен для изменения уровня входного напряжения на определённую величину. Устройство состоит из одной или нескольких обмоток на замкнутом магнитопроводе. Катушки наматываются из алюминиевого или медного провода. Сердечник набирается из пластин с повышенными ферромагнитными свойствами.
Первичная обмотка присоединяется к электрической сети переменного тока. Во вторичную обмотку включается устройство, которому требуется напряжение другой величины.
После подключения к трансформатору питания в магнитопроводе появляется замкнутый магнитный поток, который индуцирует в каждой катушке переменную электродвижущую силу. Закон Фарадея гласит, что ЭДС равна скорости изменения магнитного потока, который проходит через электромагнитный контур. Знак «минус» указывает на противоположность направлений магнитного поля и ЭДС.
Формула e = − n (∆Ф ∕ ∆ t) объединяет следующие понятия:
- Электродвижущая сила e, исчисляемая в вольтах.
- Количество витков n в индукторе.
- Магнитный поток Ф, единица измерения которого называется вебером.
- Время t, необходимое для одной фазы изменения магнитного поля.
Учитывая незначительность потерь в катушке индуктивности, ЭДС приравнивается к напряжению в обмотке. Отношение напряжений в первичной и вторичной обмотке равно отношению количества витков в двух катушках. Отсюда выводится формула трансформатора:
K ≈ U ₁ ∕ U ₂ ≈ n ₁ ∕ n ₂.
Коэффициент K всегда больше единицы. В трансформаторе изменяется только напряжение и сила тока. Умноженные друг на друга, они определяют мощность прибора, постоянную величину для конкретного устройства. Соотношение тока и напряжения в обмотках раскрывает формула:
K = n₁ ∕ n₂ = I ₂ ∕ I₁ = U₁ ∕ U₂.
Иначе говоря, во сколько раз уменьшено напряжение во вторичной обмотке в сравнении с напряжением в первичной катушке, во столько раз сила тока во вторичной катушке больше тока в первичной обмотке. Различное напряжение устанавливается количеством витков в каждом индукторе. Формула, описывающая коэффициент K, объясняет, как рассчитать трансформатор.
Трансформатор предназначен для работы в цепи переменного напряжения. Постоянный ток не индуцирует ЭДС в магнитопроводе, и электрическая энергия не передаётся в другую обмотку.
Ещё в 1822 году Фарадей озаботился мыслью, как превратить магнетизм в электрический ток. Многолетние исследования приводят к созданию цикла статей, в которых описывалось физическое явление электромагнитной индукции. Фундаментальный труд публиковался в научном журнале английского Королевского общества.
Суть опытов состояла в том, что исследователь намотал два куска медной проволоки на кольцо из железа. К одной из катушек подключался постоянный ток. Гальванометр, соединённый с контактами другой обмотки, фиксировал кратковременное появление напряжения. Чтобы восстановить индукцию, экспериментатор отключал источник питания, а затем вновь замыкал контакты на батарею.
Работу Майкла Фарадея высоко оценило научное сообщество Великобритании. В 1832 году физик удостоился престижной награды. За выдающиеся работы в области электромагнетизма учёный награждён медалью Копли.
Однако устройство, собранное Фарадеем, ещё трудно назвать трансформатором. Аппарат, который действительно преобразовывал напряжение и ток, запатентован в Париже 30 ноября 1876 года. В 80-х годах позапрошлого столетия автор изобретения и конструктор трансформатора П. Н. Яблочков жил во Франции. В это же время выдающийся русский электротехник представил миру и прообраз прожектора - «свечу Яблочкова».
Расчёт параметров прибора
Иногда в руки к электрику попадает прибор без описания технических характеристик. Тогда специалист определяет мощность трансформатора по сечению магнитопровода. Площадь сечения находится перемножением ширины и толщины сердечника. Полученное число возводится в квадрат. Результат укажет на примерную мощность устройства.
Желательно, чтобы площадь магнитопровода немного превышала расчётное значение. Иначе тело сердечника попадёт в область насыщения магнитного поля, что приведёт к падению индуктивности и сопротивления катушки. Этот процесс увеличит уровень проходящего тока, вызовет перегрев устройства и поломку.
Практический расчёт силового трансформатора не займёт много времени. Например, перед домашним мастером стоит задача осветить рабочий уголок в гараже. В помещении имеется бытовая розетка на 220 В, в которую необходимо подключить светильник с лампой мощностью 40 Вт на 36 В. Требуется рассчитать технические параметры понижающего трансформатора.
Определение мощности
Во время работы устройства неизбежны тепловые потери. При нагрузке, не превышающей 100 Вт, коэффициент полезного действия равен 0,8. Истинная потребная мощность трансформатора P₁ определяется делением мощности лампы P₂ на КПД:
P₁ = P₂ ∕ μ = 40 ∕ 0‚8 = 50
Округление осуществляется в бо́льшую сторону. Результат 50 Вт.
Вычисление сечения сердечника
От мощности трансформатора зависят размеры магнитопровода. Площадь сечения определяется следующим образом.
S = 1‚2∙√P₁ = 1‚2∙ 7‚07 = 8‚49
Поперечное сечение сердечника должно иметь площадь не менее 8‚49 см².
Расчёт количества витков
Площадь магнитопровода помогает определить количество витков провода на 1 вольт напряжения:
n = 50 ∕ S = 50 ∕ 8‚49 = 5‚89.
Разности потенциалов в один вольт будут соответствовать 5‚89 оборотам провода вокруг сердечника. Поэтому первичная обмотка с напряжением 220 В состоит из 1296 витков, а для вторичной катушки потребуется 212 витков. Во вторичной обмотке происходят потери напряжения, вызванные активным сопротивлением провода. Вследствие этого специалисты рекомендуют увеличить количество витков в выходной катушке на 5−10%. Скорректированное число витков будет равно 233.
Токи в обмотках
Следующий этап - нахождение силы тока в каждой обмотке, которое вычисляется делением мощности на напряжение. После нехитрых подсчётов получается требуемый результат.
В первичной катушке I₁ = P₁ ∕ U₁ = 50 ∕ 220 = 0‚23 ампера, а во вторичной катушке I₂ = P₂ ∕ U₂ = 40 ∕ 36 = 1‚12 ампера.
Диаметр провода
Расчёт обмоток трансформатора завершается определением толщины провода, сечение которого вычисляется по формуле: d = 0‚8 √ I. Слой изоляции в расчёт не берётся. Проводник входной катушки должен иметь диаметр:
d₁ = 0‚8 √I₁ =0‚8 √0‚23 = 0‚8 ∙ 0‚48 = 0‚38.
Для намотки выходной обмотки потребуется провод с диаметром:
d₂ = 0‚8 √I₂ =0‚8 √1‚12 = 0‚8 ∙ 1‚06 = 0‚85.
Размеры определены в миллиметрах. После округления получается, что первичная катушка наматывается проволокой толщиной 0‚5 мм, а на вторичную обмотку подойдёт провод в 1 мм.
Виды и применение трансформаторов
Области использования трансформаторов разнообразны. Устройства, повышающие напряжение, эксплуатируются в промышленных целях для транспортировки электроэнергии на значительные расстояния. Понижающие трансформаторы используются в радиоэлектронике и для подсоединения бытовой техники.
Некоторые народные умельцы, недовольные пониженным напряжением в сети, рискуют включать бытовые приборы через повышающий трансформатор. Спонтанный скачок напряжения может привести к тому, что яркий комнатный свет заменит очень яркое пламя пожара.
По задачам, которые решает трансформатор, приборы делятся на основные виды:
Любое изменение параметров электричества в цепи связано с трансформатором. Специалисту, проектирующему электронные схемы, необходимо знание природы электромагнетизма. Технология расчёта обмоток трансформатора основана на базовых формулах физики.
Электротехнику, занятому рутинным делом намотки трансформатора, стоит помянуть добрым словом дядюшку Фарадея, который открыл замечательный закон электромагнитной индукции. Глядя на готовое устройство, следует также вспомнить великого соотечественника, русского изобретателя Павла Николаевича Яблочкова.
Трансформатор – элемент, использующийся для преобразования напряжений. Он входит в состав трансформаторной подстанции. Ее задача – передача электроэнергии от питающей линии (воздушной или кабельной) потребителям в объеме, достаточном для обеспечения всех режимов работы их электрооборудования.
В роли потребителей выступают жилые многоэтажные здания, поселки или деревни, заводы или отдельные их цеха. Подстанции, в зависимости от условий окружающей среды и экономических факторов, имеют различные конструкции: комплектные (в том числе киосковые, столбовые), встраиваемые, расположенные на открытом воздухе или в помещениях. Они могут располагаться в специально предназначенном для них здании или занимать отдельное помещение здания.
Выбор трансформаторов подразумевает определение его мощности и количества трансформаторов. От результатов зависят габариты и тип трансформаторных подстанций. При выборе учитываются факторы :
Выбор числа трансформаторов
Для трансформаторных подстанций используют схемы с одним или двумя трансформаторами. Распределительные устройства, в состав которых входит более 2 трансформаторов, встречаются только на предприятиях или электрических станциях, где применение небольшого их числа не соответствует условиям бесперебойности электроснабжения, условиям эксплуатации. Там экономически целесообразнее установить несколько трансформаторов сравнительно небольшой мощности, чем один или два мощных. Так проще проводить ремонт, дешевле обходится замена неисправного аппарата.
Устанавливают однотрансформаторные подстанции в случаях :
- электроснабжения потребителей III категории надежности;
- электроснабжения потребителей любых категорий, имеющих другие независимые линии питания и собственную автоматику резервирования, переключающую их на эти источники.
Но к однотрансформаторным подстанциям есть дополнительное требование. Потребители III категории по надежности электроснабжения, хоть и допускают питание от одного источника, но перерыв его ограничен временем в одни сутки . Это обязывает иметь эксплуатирующую организацию складской резерв трансформаторов для замены в случае аварийной ситуации. Расположение и конструкция подстанции не должны затруднять эту замену. При обслуживании группы однотрансформаторных подстанций мощности их трансформаторов, по возможности, выбираются одинаковыми, либо максимально сокращается количество вариантов мощностей. Это минимизирует количество оборудования, находящегося в резерве.
К потребителям третьей категории относятся:
- деревни и села;
- гаражные кооперативы;
- небольшие предприятия, остановка которых не приведет к массовому браку выпускаемой продукции, травмам, экологическому и экономическому ущербу, связанному с остановкой технологического процесса.
Для потребителей, перерывы электроснабжения которых не допускаются или ограничиваются, применяют двухтрансформаторные подстанции .
| Категория электроснабжения | Время возможного перерыва питания | Схема питания |
| I | Невозможно | Два независимых источника с АВР и собственный генератор |
| II | На время оперативного переключения питания | Два независимых источника |
| III | 1 сутки | Один источник питания |
Отличие в питании категорий I и II – в способе переключения питания. В первом случае оно происходит автоматически (схемой автоматического ввода резерва – АВР) и дополнительно имеется собственный независимый источник питания. Во втором – переключение осуществляется вручную. Но минимальное количество трансформаторов для питания таких объектов – не менее двух.
В нормальном режиме работы каждый из двух трансформаторов питается по своей линии и снабжает электроэнергией половину потребителей подстанции. Эти потребители подключаются к шинам секции, питаемой трансформатором. Второй трансформатор питает вторую секцию шин, соединенную с первой секционным автоматом или рубильником.
В аварийном режиме трансформатор должен взять на себя нагрузку всей подстанции . Для этого включается секционный автоматический выключатель. Для потребителей первой категории его включает АВР, для второй включение производится вручную, для чего вместо автомата устанавливают рубильник
Поэтому мощность трансформаторов выбирается с учетом питания всей подстанции, а в нормальном режиме они недогружены . Экономически это нецелесообразно, поэтому, по возможности, усложняют схему электропитания. Имеющиеся потребители III категории в аварийном режиме отключают , что приводит к снижению требуемой мощности.
Выбор конструкции трансформатора
По способу охлаждения и изоляции обмоток трансформаторы выпускают:
- масляными;
- с синтетическими жидкостями;
- воздушными.
Наиболее распространенные – масляные трансформаторы . Их обмотки размещены в баках, заполненных маслом с повышенными изоляционными характеристиками (трансформаторное масло). Оно выполняет роль дополнительной изоляции между витками обмоток, обмотками разных фаз, разных напряжений и баком трансформатора. Циркулируя внутри бака, оно отводит тепло обмоток, выделяемое при работе. Для лучшего теплоотвода к корпусу трансформатора привариваются трубы дугообразной формы, позволяющие маслу циркулировать вне бака и охлаждаться за счет окружающего воздуха. Мощные масляные трансформаторы комплектуются вентиляторами, обдувающими элементы, в которых происходит охлаждение.
Недостаток масляных трансформаторов – риск возникновения пожара при внутренних повреждениях . Поэтому их можно устанавливать только в подстанциях, расположенных отдельно от зданий и сооружений.
При необходимости установить распределительное устройство с трансформатором поближе к нагрузке или во взрыво- или пожароопасных цехах, используются трансформаторы с воздушным охлаждением . Их обмотки изолированы материалами, облегчающими передачу тепла. Охлаждение происходит либо за счет естественной циркуляции воздуха, либо с помощью вентиляторов. Но охлаждение сухих трансформаторов все равно происходит хуже масляных.
Решить проблему пожарной безопасности позволяют трансформаторы с синтетическим диэлектриком . Их устройство похоже на конструкцию масляного трансформатора, но вместо масла в баке находится синтетическая жидкость, которая не так склонна к возгоранию, как трансформаторное масло.
Группы и схемы соединений
Критериями выбора группы электрических соединений разных фаз обмоток между собой являются:
- Минимизация в сетях уровней высших гармоник. Это актуально при увеличении доли нелинейных нагрузок потребителей.
- При несимметричной загрузке фаз трансформатора токи первичных обмоток должны выравниваться. Это стабилизирует режим работы сетей питания.
- При питании четырехпроводных (пятипроводных) сетей трансформатор должен иметь минимальное сопротивление нулевой последовательности для токов короткого замыкания. Это облегчает защиту от замыканий на землю.
Для соблюдения условий №1 и №2 одна обмотка трансформатора соединяется в звезду, при соединении другой – в треугольник. При питании четырехпроводных сетей наилучшим вариантом считается схема Δ/Yo. Обмотки низшего напряжения соединяются в звезду с выведенным наружу нулевым ее выводом, используемым в качестве PEN-проводника (нулевого проводника).
Еще лучшими характеристиками обладает схема Y/Zo, у которой вторичные обмотки соединяются по схеме «зигзаг» с нулевым выводом.
Схема Y/Yo имеет больше недостатков, чем достоинств, и применяется редко.
Выбор мощности трансформатора
Типовые мощности трансформаторов стандартизированы.
| Стандартные мощности трансформаторов | ||||||||
| 25 | 40 | 60 | 100 | 160 | 250 | 400 | 630 | 1000 |
Для расчета присоединенной к трансформатору мощности собираются и анализируются данные о подключенных к нему мощностях потребителей. Однозначно цифры сложить не получится, нужны данные о распределении нагрузок по времени. Потребление электроэнергии многоквартирным домом варьируется не только в течение суток, но и по временам года: зимой в квартирах работают электрообогреватели, летом – вентиляторы и кондиционеры. Типовые графики нагрузок и величины потребляемых мощностей для многоквартирных домов определяются из справочников.
Для расчета мощностей на промышленных предприятиях требуется знание принципов работы их технологического оборудования, порядок его включения в работу. Определяется режим максимальной загрузки, когда в работу включено наибольшее число потребителей (Sмакс). Но все потребители одновременно включиться не могут никогда. Но при расчетах требуется учитывать и возможное расширение производственных мощностей, а также – вероятность в дальнейшем подключения дополнительных потребителей к трансформатору.
Учитывая число трансформаторов на подстанции (N) мощность каждого рассчитывают по формуле, затем выбирают из таблицы ближайшее большее значение:
В этой формуле Кз – коэффициент загрузки трансформатора . Это отношение потребляемой мощности в максимальном режиме к номинальной мощности аппарата. Работа с необоснованно пониженным коэффициентом загрузки экономически не выгодна. Для потребителей, в зависимости от категории бесперебойности электроснабжения, рекомендуются коэффициенты:
Из таблицы видно, что коэффициент загрузки учитывает взятия одним трансформатором дополнительной нагрузки, переходящей к нему при выходе из строя другого трансформатора или его питающей линии. Но он ограничивает перегрузку трансформатора, оставляя по мощности некоторый запас.
Систематические перегрузки трансформаторов возможны, но их время и величина ограничиваются требованиями заводов-изготовителей этих устройств. По правилам ПТЭЭП длительная перегрузка трансформаторов с масляным или синтетическим диэлектриком ограничивается до 5%.
Отдельно ПТЭЭП определяется длительность аварийных перегрузок в зависимости от их величины.
Для масляных трансформаторов:
Для сухих трансформаторов:
Из таблиц видно, что сухие трансформаторы к перегрузкам более критичны.
Первое, что надо сделать, это взять листок бумаги, карандаш и мультиметр. Пользуясь всем этим, прозвонить обмотки трансформатора и зарисовать на бумаге схему. При этом должно получиться что-то очень похожее на рисунок 1.
Выводы обмоток на картинке следует пронумеровать. Возможно, что выводов получится намного меньше, в самом простейшем случае всего четыре: два вывода первичной (сетевой) обмотки и два вывода вторичной. Но такое бывает не всегда, чаще обмоток несколько больше.
Некоторые выводы, хотя они и есть, могут ни с чем не «звониться». Неужели эти обмотки оборваны? Вовсе нет, скорей всего это экранирующие обмотки, расположенные между другими обмотками. Эти концы, обычно, подключают к общему проводу - «земле» схемы.
Поэтому, желательно на полученной схеме записать сопротивления обмоток, поскольку главной целью исследования является определение сетевой обмотки. Ее сопротивление, как правило, больше, чем у других обмоток, десятки и сотни Ом. Причем, чем меньше трансформатор, тем больше сопротивление первичной обмотки: сказывается малый диаметр провода и большое количество витков. Сопротивление понижающих вторичных обмоток практически равно нулю - малое количество витков и толстый провод.
Рис. 1. Схема обмоток трансформатора (пример)
Предположим, что обмотку с наибольшим сопротивлением найти удалось, и можно считать ее сетевой. Но сразу включать ее в сеть не надо. Чтобы избежать взрывов и прочих неприятных последствий, пробное включение лучше всего произвести, включив последовательно с обмоткой, лампочку на 220В мощностью 60…100Вт, что ограничит ток через обмотку на уровне 0,27…0,45А.
Мощность лампочки должна примерно соответствовать габаритной мощности трансформатора. Если обмотка определена правильно, то лампочка не горит, в крайнем случае, чуть теплится нить накала. В этом случае можно почти смело включать обмотку в сеть, для начала лучше через предохранитель на ток не более 1…2А.
Если лампочка горит достаточно ярко, то это может оказаться обмотка на 110…127В. В этом случае следует прозвонить трансформатор еще раз и найти вторую половину обмотки. После этого соединить половины обмоток последовательно и произвести повторное включение. Если лампочка погасла, то обмотки соединены правильно. В противном случае поменять местами концы одной из найденных полуобмоток.
Итак, будем считать, что первичная обмотка найдена, трансформатор удалось включить в сеть. Следующее, что потребуется сделать, измерить ток холостого хода первичной обмотки. У исправного трансформатора он составляет не более 10…15% от номинального тока под нагрузкой. Так для трансформатора, данные которого показаны на рисунке 2, при питании от сети 220В ток холостого хода должен быть в пределах 0,07…0,1А, т.е. не более ста миллиампер.
Рис. 2. Трансформатор ТПП-281
Как измерить ток холостого хода трансформатора
Ток холостого хода следует измерить амперметром переменного тока. При этом в момент включения в сеть выводы амперметра надо замкнуть накоротко, поскольку ток при включении трансформатора может в сто и более раз превышать номинальный. Иначе амперметр может просто сгореть. Далее размыкаем выводы амперметра и смотрим результат. При этом испытании дать поработать трансформатору минут 15…30, и убедиться, что заметного нагрева обмотки не происходит.
Следующим шагом следует замерить напряжения на вторичных обмотках без нагрузки, - напряжение холостого хода. Предположим, что трансформатор имеет две вторичные обмотки, и напряжение каждой из них 24В. Почти то, что надо для рассмотренного выше усилителя. Далее проверяем нагрузочную способность каждой обмотки.
Для этого надо к каждой обмотке подключить нагрузку, в идеальном случае лабораторный реостат, и изменяя его сопротивление добиться, чтобы напряжение на обмотке упало на 10-15%%. Это можно считать оптимальной нагрузкой для данной обмотки.
Вместе с измерением напряжения производится замер тока. Если указанное снижение напряжения происходит при токе, например 1А, то это и есть номинальный ток для испытуемой обмотки. Измерения следует начинать, установив движок реостата R1 в правое по схеме положение.
Рисунок 3. Схема испытания вторичной обмотки трансформатора
Вместо реостата в качестве нагрузки можно использовать лампочки или кусок спирали от электрической плитки. Начинать измерения следует с длинного куска спирали или с подключения одной лампочки. Для увеличения нагрузки можно постепенно укорачивать спираль, касаясь ее проводом в разных точках, или увеличивая по одной количество подключенных ламп.
Для питания усилителя требуется одна обмотка со средней точкой (см. статью ). Соединяем последовательно две вторичные обмотки и измеряем напряжение. Должно получиться 48В, точка соединения обмоток будет средней точкой. Если в результате измерения на концах соединенных последовательно обмоток напряжение будет равно нулю, то концы одной из обмоток следует поменять местами.
В этом примере все получилось почти удачно. Но чаще бывает, что трансформатор приходится перематывать, оставив только первичную обмотку, что уже почти половина дела. Как рассчитать трансформатор это тема уже другой статьи, здесь было рассказано лишь о том, как определить параметры неизвестного трансформатора.
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.
Содержание:
Каждый электроприбор характерен номинальной электрической мощностью. Она обеспечивается источником питания. Он может располагаться либо внутри электроприбора, либо снаружи как внешнее устройство. Наглядный пример - ноутбук, телефон и многие другие приборы. В них содержится батарея, от которой питается устройство в автономном режиме. Но ее ресурс ограничен, и когда он исчерпывается, прибор подключается через адаптер к электросети 220 В.
Некоторые батареи обеспечивают напряжение всего лишь в 3–5 вольт. Поэтому адаптер служит для того, чтобы напряжение уменьшилось и стало равным батарейным параметрам. Основную функцию в изменении величины напряжения выполняют трансформаторы. Эта статья будет полезна тем читателям, у которых появится желание своими руками изготовить источник питания с трансформатором для тех или иных целей.
Немного теории
Напомним вкратце о том, как трансформатор устроен и что в нем происходит. Довольно давно, если судить по меркам человеческой жизни, было открыто явление электромагнитной индукции. Оно основано на принципиальном отличии электрических свойств прямого проводника от витка, если по ним пропускать один и тот же переменный ток. Так появился параметр индуктивности. С каждым новым витком индуктивность увеличивается. Дополнительное ее увеличение достигается заполнением внутреннего пространства витков материалом с магнитными свойствами (сердечником).
Однако влияние сердечника на силу тока ограничено. Как только он полностью намагничивается, эффект от его использования исчезает.
- Граничное состояние сердечника, соответствующее полному его намагничиванию, называется насыщением.
Витки, расположенные поверх сердечника, называются обмоткой. Если на нем расположены две одинаковые обмотки, но переменное напряжение подается только на одну из них (первичную), на выводах другой обмотки (вторичной) будет напряжение по частоте и величине такое же, как и на первой обмотке. В этом проявляется трансформация электроэнергии, а само устройство называется трансформатором. Если между обмотками существует электрический контакт, устройство называется автотрансформатором.
- Основа свойств трансформатора - это его сердечник (магнитопровод). Поэтому расчет трансформатора всегда выполняется в связи с материалом и формой магнитопровода.
Выбор материала определяют вихревые токи и потери, связанные с ними. Они увеличиваются с частотой напряжения на выводах первичной обмотки. На низких частотах (50–100 Гц) применяются пластины из трансформаторной стали. На более высоких частотах (единицы килогерц) - пластины из специального сплава, например, пермаллоя. Десятки и сотни килогерц - это область применения ферритовых сердечников. Виды (форма и размеры, особенно сечение по витку) магнитопровода определяют величину мощности, которую можно получить во вторичной обмотке.
Выбор магнитопровода
Геометрические пропорции промышленно выпускаемых сердечников стандартны. Поэтому их выбирают по размерам сечения внутри витка. Еще один параметр, который влияет на выбор магнитопровода - это индуктивность рассеяния. Она меньше у броневых и тороидальных конструкций. Что-либо вычислять не стоит - в многочисленных справочниках приводятся таблицы, а в интернете на тематических сайтах их аналоги.
Например, необходимо присоединить к сети нагрузку мощностью 100 Вт 12 В. По базовой таблице, показанной далее, выбирается типоразмер магнитопровода. Но учитываем то, что мощность ВТ меньше, чем ВА плюс неполная нагрузка для надежности. Поэтому используем коэффициент 1,43. Искомая мощность и типоразмер получатся как произведение, т.е. 143 ВА. По таблице выбираем ближайшее большее значение габаритной мощности и магнитопровод:
Пример расчета
Выбираем 150 ВА и ШЛ25х32. В таблице также приведено рекомендованное число витков на 1 вольт - W0: 3,9. Следовательно, число витков W1 первичной обмотки будет равно произведению напряжения сети на W0:
Раз число витков на 1 вольт известно, легко рассчитать и вторичную обмотку. В рассматриваемом случае три витка мало, а четыре много. Чтобы не ошибиться, наматываем три витка и оставляем запас провода для добавления после испытания трансформатора под нагрузкой. Для провода сетевой обмотки диаметр рассчитываем, используя силу тока. Ее определяем на основе мощности в первичной обмотке и сетевого напряжения. В сетевой обмотке расчетная сила тока составит:
Во вторичной обмотке сила тока составит:
Затем по таблице выбираем диаметр провода при плотности тока 2,5 А/мм кв:
Для первичной обмотки диаметр провода получается 0,59 мм, для вторичной - 2,0 мм. После этого надо выяснить, помещаются ли обмотки в окна магнитопровода. Это несложно определить на основе числа витков и диаметров проводов с учетом толщины каркасов катушек и слоев дополнительной изоляции. Рекомендуется сделать эскиз для наглядного расчета.
Если вторичных обмоток несколько, должны быть известны мощности для каждой из них. Они суммируются для получения параметров первичной обмотки. Затем расчет выполняется аналогично рассмотренному выше примеру. Но определение токов делается по мощности каждой вторичной обмотки.
Расчетные данные в виде таблиц приведены в справочниках для всех типов сердечников, но при определенных частотах напряжений первичной обмотки:
Для рассматриваемой нагрузки 100 Вт выбираем ПЛ20х40-50
Если требуемые параметры не совпадают с табличными значениями, придется использовать формулы:
S0 – площадь окна в магнитопроводе,
Sc – сечение материала магнитопровода по витку,
Рг – габаритная мощность,
kф – коэффициент формы напряжения на первичной обмотке,
f – частота напряжения на первичной обмотке,
j – плотность тока в проводе обмотки,
Bm – индукция насыщения магнитопровода,
k0 – коэффициент заполнения окна магнитопровода,
kс – коэффициент заполнения стали.
Упрощенные формулы справедливы только для тех случаев, которые эти упрощения определяют. Поэтому они не могут охватить все возможные ситуации и не будут обеспечивать приемлемую точность в большинстве из них.
