Расчет железа трансформатора тороидального: elektrosat – Расчёт тороидального трансформатора онлайн

alexxlab | 23.06.1999 | 0 | Разное

Расчет трансформатора

Трансформаторы используются в блоках питания различной аппаратуры для преобразования переменного напряжения. Блоки питания, собранные по трансформаторной схеме, постепенно снижают распространенность благодаря тому, что современная схемотехника позволяет понизить напряжение без самого громоздкого и тяжелого элемента системы питания. Трансформаторы для блока питания актуальны в тех случаях, когда габариты и масса не критичны, а требования к безопасности велики. Обмотки (кроме автотрансформатора) осуществляют гальваническое разделение и изоляцию цепей первичного (или сетевого) и вторичного (выходного) напряжений.

Трансформатор

Принцип действия и разновидности трансформаторов

Работа устройства основана на всем известном явлении электромагнитной индукции. Переменный ток, проходящий через провод первичной обмотки, наводит переменный магнитный поток в стальном сердечнике, а он, в свою очередь, вызывает появление напряжения индукции в проводе вторичных обмоток.

Совершенствование трансформатора с момента его изобретения сводится к выбору материала и конструкции сердечника (магнитопровода).

Типы сердечников

Металл для магнитопровода должен иметь определенные технические характеристики, поэтому были разработаны специальные сплавы на основе железа и особая технология производства.

Для изготовления трансформаторов наибольшее распространение получили следующие типы магнитопроводов:

• броневые;
• стержневые;
• кольцевые.

Силовой трансформатор низкой частоты, как понижающий, так и повышающий, имеет сердечник из отдельных пластин трансформаторного железа. Такая конструкция выбрана из соображения минимизации потерь из-за образования вихревых токов в сердечнике, которые нагревают его и снижают КПД трансформатора.

Броневые сердечники наиболее часто выполняются из Ш-образных пластин. Стержневые магнитопроводы могут изготавливаться из П-образных, Г-образных или прямых пластин.

Кольцевые магнитопроводы выполняются из тонкой ленты трансформаторной стали,  намотанной на оправку и скрепленной клеящим составом.

Из ленты также могут выполняться броневые и стержневые сердечники, причем такая технология наиболее часто встречается у маломощных устройств.

Виды магнитопроводов

Ниже приведена методика расчета трансформатора, где показано:

• как рассчитать мощность трансформатора;
• как выбрать сердечник;
• как определить количество витков и сечение (диаметр) проводов обмоток;
• как собрать и проверить готовую конструкцию.

Исходные данные, необходимые для расчета

Расчет сетевого трансформатора начинается с определения его полной мощности. Поэтому, перед тем, как рассчитать трансформатор, нужно определиться с мощностью потребления всех, без исключения, вторичных обмоток. Согласно мощности выбирается сечение сердечника. Опять же, от мощности определенным образом зависит и КПД. Чем больше полная мощность, тем выше КПД. Принято в расчетах ориентироваться на такие значения:

• до 50 Вт – КПД 0.6;
• от 50 Вт до 100 Вт – КПД 0.7;
• от 100 Вт до 150 Вт – КПД 0.8;
• выше 150 Вт – КПД 0.85.

Количество витков сетевой и вторичной обмоток рассчитывается уже после выбора магнитопровода. Диаметр или поперечное сечение проводов каждой обмотки определяется на основании протекающих через них токов.

Выбор магнитопровода сердечника

Минимальное сечение сердечника в см2 определяется из габаритной мощности. Габаритная мощность трансформатора – это суммарная полная мощность всех вторичных обмоток с учетом КПД.

Итак, мощность трансформатора можно определить, это полная суммарная мощность всех вторичных обмоток:

Умножая полученное значение на КПД, завершаем расчет габаритной мощности.

Определение площади стержня сердечника производится после того, как произведен расчет габаритной мощности трансформатора из такого выражения:

S=√P.

Зная площадь сечения центрального стержня магнитопровода, можно подбирать нужный из готовых вариантов.

Важно! Сердечник, на котором будут располагаться обмотки, должен иметь, по возможности, сечение, как можно более близкое к квадрату. Площадь сечения должна быть равной или несколько больше расчетного значения.

Качество работы и технологичность сборки также зависит от формы магнитопровода. Наилучшим качеством обладают конструкции, выполненные на кольцевом магнитопроводе (тороидальные). Их отличает максимальный КПД для заданной мощности, наименьший ток холостого хода и минимальный вес. Основная сложность заключается в выполнении обмоток, которые в домашних условиях приходится мотать исключительно вручную при помощи челнока.

Проще всего делать трансформаторы на разрезных ленточных магнитопроводах типа ШЛ (Ш-образный) или ПЛ (П-образный). Как пример, можно привести мощный трансформатор блока питания старого цветного телевизора.

Трансформатор телевизора УЛПЦТИ

Трансформаторы старого времени выпуска или современные дешевые выполнены с использованием отдельных Ш,- или П-образных пластин. Технологичность выполнения обмоток у них такая же, как у ленточных разрезных, но трудность состоит в сборке магнитопровода. Такие устройства практически всегда будут иметь повышенный ток холостого хода, особенно, если используемое железо низкого качества.

Расчет количества витков и диаметра проводов

Расчет трансформатора начинается с определения необходимого количества витков обмоток на 1 В напряжения. Найденное значение будет одинаковым для любых обмоток. Для собственных целей можно применить упрощенный метод расчета. Посчитать, сколько надо витков на 1 В можно, подставив площадь сечения стержня магнитопровода в см2 в формулу:

где k – коэффициент, зависящий от формы магнитопровода и его материала.

На практике с достаточной точностью приняты следующие значения коэффициента:

• 60 – для магнитопровода из Ш,- и П-образных пластин;
• 50 – для ленточных магнитопроводов;
• 40 – для тороидальных трансформаторов.

Большие значения связаны с невозможностью плотного заполнения сердечника отдельными металлическими пластинами. Как видно, наименьшее количество витков будет иметь тороидальный трансформатор, отсюда и выигрыш в массе изделия.

Зная, сколько витков нужно на 1 В, можно легко узнать количество витков каждой из обмоток:

где U – значение напряжения холостого хода на обмотке.

У маломощных трансформаторов (до 50 Вт) нужно получившееся количество витков первичной обмотки увеличить на 5%. Таким образом, компенсируется падение напряжения, которое возникает на обмотке под нагрузкой (в понижающих трансформаторах первичная обмотка всегда имеет большее количество витков, чем вторичные).

Диаметр провода рассчитываем с учетом минимизации нагрева вследствие протекания тока. Ориентировочным значением считается плотность тока в обмотках 3-7 А на каждый мм2 провода. На практике расчет диаметра проводов обмоток можно упростить, используя простые формулы, что дает допустимые значения в большинстве случаев:

Меньшее значение применяется для расчета диаметров проводов вторичных обмоток, поскольку у понижающего трансформатора они располагаются ближе к поверхности и имеют лучшее охлаждение.

Зная расчетное значение диаметра обмоточных проводов, нужно выбрать из имеющихся такие, диаметр которых наиболее близок к расчетному, но не менее.

После определения количества витков во всех обмотках, расчет обмоток трансформатора не лишним будет дополнить проверкой, поместятся ли обмотки в окно магнитопровода. Для этого подсчитайте коэффициент заполнения окна:

Для тороидальных сердечников c внутренним диаметром D формула имеет вид:

Для Ш,- и П-образных магнитопроводов коэффициент не должен превышать 0.3. Если это значение больше, то разместить обмотку не получится.

Тороидальный трансформатор

Выходом из ситуации будет выбор сердечника с большим сечением, но это если позволяют габариты конструкции. В крайнем случае, можно уменьшить количество витков одновременно во всех обмотках, но не более чем на 5%. Несколько возрастет ток холостого хода, и не избежать повышенного нагрева обмоток, но в большинстве случаев это не критично. Также можно немного уменьшить провода по сечению, увеличив тем самым плотность тока в обмотках.

Важно! Увлекаться увеличением плотности тока нельзя, поскольку это вызовет сильный рост нагрева и, как следствие, нарушение изоляции и перегорание обмоток.

Изготовление обмоток

Намотка провода обмотки трансформатора производится на каркас, изготовленный из плотного картона или текстолита, за исключением тороидальных сердечников, в которых обмотка ведется непосредственно на магнитопровод, который перед намоткой нужно тщательно заизолировать. Можно использовать готовый пластиковый, который продается вместе с магнитопроводом.

Сборный каркас обмотки

Пластиковый каркас

Между отдельными обмотками нужно прокладывать межобмоточную изоляцию. Важнее всего – хорошо заизолировать вторичную обмотку от первичной. В качестве изоляции можно использовать трансформаторную бумагу, лакоткань, фторопластовую ленту. Ленту из фторопласта нужно использовать с осторожностью. Несмотря на высочайшие электроизоляционные качества, тонкая лента фторопласта под действием натяжения или давления (особенно межу первичной и вторичной обмотками) способна «потечь» и обнажить отдельные витки обмотки. Особенно этим страдает лента для уплотнения сантехнических изделий.

Фторопластовая лента

В отдельных, ответственных случаях, в процессе намотки можно пропитать первичную обмотку (если трансформатор понижающий) изоляционным лаком. Пропитка готового устройства в домашних условиях эффекта почти не даст, поскольку лак не попадет в глубину обмотки. Для этих целей на производствах существует аппаратура вакуумной пропитки.

Выводы обмоток делаются отрезками гибкого изолированного провода для проводов, диаметр которых менее 0.5 мм. Более толстый провод можно выводить напрямую. Места пайки гибкого и обмоточного проводов нужно дополнительно проложить несколькими слоями изоляции.

Обратите внимание! При пайке выводов нельзя оставлять на месте спайки острые концы проводов или застывшего припоя. Такие места нужно аккуратно обрезать бокорезами.

Сборка трансформатора

При сборке нужно учитывать следующие нюансы:

1. Пакет сердечника должен собираться плотно, без щелей и зазоров;
2. Отдельные части ленточного магнитопровода подогнаны друг к другу, поэтому менять местами их нельзя. Требуется аккуратность, поскольку при отслоении отдельных лент их невозможно будет установить на место;
3. Деформированные пластины сборного сердечника нельзя выравнивать молотком – трансформаторная сталь теряет свои свойства при механических нагрузках;
4. Пакет пластин сборного сердечника должен быть собран максимально плотно, поскольку при работе рыхлого сердечника будет издаваться сильный гул, увеличивающийся при нагрузке;
5. Весь пакет сердечника любого типа нужно плотно стянуть по той же причине.

Обратите внимание! Качество сборки будет лучше, если торцы ленточного разрезного сердечника перед сборкой покрыть лаком. Также готовый собранный сердечник перед окончательной утяжкой можно покрыть лаком.

При этом можно добиться значительного понижения постороннего звука.

Проверка готового трансформатора заключается в измерении тока холостого хода и напряжения обмоток под номинальной нагрузкой и на нагрев при максимальной нагрузке. Все измерения рассчитанного и собранного трансформатора нужно проводить только после полной сборки, поскольку с незатянутым сердечником ток холостого хода может быть больше обычного в несколько раз.

Ток холостого хода сильно различается в трансформаторах различных типов и составляет от 10 мА для тороидальных трансформаторов, до 200 мА – с Ш-образным сердечником из низкокачественного трансформаторного железа.

Измерение холостого тока

Приведен расчет трансформатора, который при наличии навыков можно произвести за пару десятков минут. Для тех, кто сомневается в своих силах или боится сделать ошибку, расчет силового трансформатора можно выполнить, используя калькулятор для расчета, который может работать как в off-line, так и в on-line режимах. Согласно данной методике возможна перемотка перегоревшего трансформатора. Для неисправного трансформатора расчет также ведется от имеющегося сердечника и значения напряжения вторичных обмоток.

Видео

Оцените статью:

Правильный расчет силового трансформатора

Сразу оговорюсь, что буду рассматривать однофазные трансформаторы для питания наземной стационарной радиоаппаратуры мощностью в десятки – сотни ватт, что имеет самое распространенное применение.

Прежде, чем приступить к расчетам трансформатора, которых может быть великое множество, необходимо договориться о критериях его качества, что непременно отразится на построении расчетных формул.

Я считаю, что главный качественный показатель силовоготрансформатора для радиоаппаратуры – это его надежность. Следствие надежности – это минимальный нагрев трансформатора при работе (иными словами, он должен быть всегда холодным!) и минимальная просадка выходных напряжений под нагрузкой (иначе говоря, трансформатор должен быть “жестким”).

Другие критерии оптимизации, кроме надежности, как-то: экономия меди, минимальные габариты или вес, высокая удельная мощность, удобство намотки, минимизация стоимости, ограниченный срок службы (чтобы новые покупали чаще, взамен сгоревших) я не считаю приемлемыми в инженерной практике.

Методики “вышивания” из имеющегося типоразмера сердечника наимаксимальнейшей мощности, я тоже считаю неприемлемыми: такие трансформаторы долго не работают и греются как черти. Хотите экономить – покупайте китайскую дешевку или советский ширпотреб. Но помните: “Скупой всегда платит дважды!”.

Трансформатор должен работать и не создавать проблем. Это его главная функция. Исходя из этого, будем его и рассчитывать! Прежде всего, необходимо уяснить для себя некоторую минимальную теорию. Итак: силовой трансформатор. Не идеальный.

Поэтому эти неидеальности нужно понимать и правильно учитывать. Главных неидеальностей у силового трансформатора – две:

1. Потери на активном сопротивлении провода обмоток (зависят от материала провода и от плотности, протекающего через него тока).
2. Потери на перемагничивание в сердечнике – на неком “магнитном сопротивлении” (зависят от материала сердечника и от значения магнитной индукции).

Именно эти две неидеальности должны быть разумно-минимальными, чтобы трансформатор удовлетворял требованиям надежности. Активное сопротивление обмоток и, как следствие, их нагрев, определяется заложенной при расчете плотностью тока в проводе. А посему ее значение должно быть оптимальным.

На основании большого практического опыта рекомендую использовать значение плотности тока в медном проводе не более 3,2 ампера на квадратный миллиметр сечения. При использовании серебряного провода, плотность тока можно увеличить до 3,5 ампер на квадратный миллиметр.

А вот для алюминиевого провода она не должна превышать значение 2 ампера на квадратный миллиметр. Указанные значения плотности тока категорически превышать нельзя! И из этих значений мы выведем формулы для определения диаметра провода обмоток, коими будем пользоваться в расчете.

Мотать обмотки более толстым проводом (при меньшем значении плотности тока) – можно. Более тонким – категорически нет! Однако, и более толстым проводом мотать обмотки не стоит, поскольку тогда мы рискуем не уложить нужное число витков в окно сердечника.

А в хорошем трансформаторе должно быть много витков, чтобы свести к минимуму магнитные потери и чтобы не грелся его сердечник. Большинство холоднокатаных электротехнических сталей сохраняют свою линейность до значения магнитной индукции 1,35 Тесла или 13500 Гаусс. Но надо не забывать, что напряжение в розетке электросети может иметь разброс от 198 до 242 вольт, что соответствует нормированному 10-ти процентному отклонению от номинала как в плюс, так и в минус.

То есть, если мы хотим, чтобы во всем диапазоне питающих напряжений наш трансформатор работал надежно, надо его рассчитать так, чтобы сердечник не подходил бы к нелинейности при любом допустимом напряжении питающей сети.

В том числе и при 242 вольтах. А посему, на номинальном напряжении 220 вольт, магнитная индукция должна выбираться не более 1,2 Тесла или 12000 Гаусс.

Соблюдение этих двух указанных требований обеспечит высокий КПД трансформатора и высокую стабильность выходных напряжений при изменении тока нагрузки от нуля до максимального значения. Иными словами, мы получим очень “жесткий” трансформатор. Что и нужно!

А вот увеличение расчетного значения индукции более 1,2 Тесла приведет не только к нагреву сердечника, но и к снижению “жесткости” трансформатора. Если расчитывать трансформатор на значение индукции более 1,3 Тесла, то мы получим “мягкий” трансформатор, выходные напряжения которого плавно просаживаются при увеличении тока нагрузки от нуля до его номинального значения.

Не для всех радиоустройств такие трансформаторы пригодны. Впрочем, в транзисторных схемах можно с успехом использовать стабилизатор выпрямленного напряжения. Но это – дополнительная схема, дополнительные габариты, дополнительная рассеиваемая мощность, дополнительные деньги и дополнительная ненадежность.

Не лучше ли сразу сделать хороший трансформатор?

У мягкого питающего трансформатора напряжения на одних вторичных обмотках зависит от потребляемых токов в других – за счет просадки в общих цепях – на активном сопротивлении первичной обмотки и на магнитном сопротивлении.

Например, если мы питаем от мягкого трансформатора двухтактный ламповый усилитель, работающий в режиме класса В или АВ, то изменение потребления по анодной цепи приведет к дополнительным колебаниям напряжения накала ламп.

И, поскольку, напряжение накала ламп имеет также допустимый разброс в 10% от номинала, мягкий трансформатор внесет в это напряжение дополнительную нестабильность еще в 10, а то и в 15 процентов.

А это неизбежно сначала сократит выходную мощность усилителя на больших громкостях (инерционные просадки громкости), а с течением времени приведет к более ранней потери эмиссии у ламп. Экономия на силовом трансформаторе аукается более дорогими потерями в радиолампах и в параметрах радиоустройств.

Вот уж воистину: “Экономия – путь к разорению и нищете!”. В настоящее время наиболее распространены магнитопроводы следующих конфигураций (рис. 1).

Рис. 1. Наиболее распостраненные виды магнитопроводов для изготовления трансформаторов.

Дальнейший расчет трансформатора будем вести по строгим классическим формулам из учебника электротехники:

При соблюдении достигнутых договоренностей КПД трансформатора (при наиболее часто встречающихся мощностях 80…200 Вт) будет не ниже 95 процентов, а то и выше. Поэтому, в формулах будем использовать значение КПД = 0,95.

Коэффициент заполнения окна сердечника медью для тороидальных трансформаторов составляет 0,35. Для обычных каркасных броневых или стержневых – 0,45.

При широких каркасах и большой длине намотки одного слоя (h) значение Кm может доходить и до значения 0,5…0,55, как, например, у магнитопроводов типа Б69 и Б35, параметры которых приведены на рисунке. При бескаркасной промышленной намотке Кm может иметь значения и до 0,6…0,65.

Для справки: теоретический предел значения Кm для слоевого размещения круглого провода без изоляции в квадратном окне – 0,87.

Приведенные практические значения Кm достижимы лишь при ровной укладке провода строго виток к витку, тонкой межслойной и межобмоточной изоляции и заделке выводов за пределами окна сердечника (на боковых вылетах обмотки).

При изготовлении каркасных обмоток в любительских условиях, в условиях лабораторного или опытного производства, лучше принимать значение Km = 0,45…0,5.

Разумеется, все это касается обычных силовых трансформаторов для ламповой или транзисторной аппаратуры, с выходными и питающими напряжениями до 1000 В, где не предъявляются повышенные изоляционные требования к обмоткам и к заделке их выводов.

Габаритная мощность трансформатора, в ваттах, на конкретно выбранном сердечнике определяется по формуле:

где:

• n = 0,95 – КПД трансформатора;
• Sc и So – площади поперечного сечения сердечника и окна, соответственно [кв. см];
• f – нижняя рабочая частота трансформатора [Гц];
• В = 1,2 – магнитная индукция [Т];
• j – плотность тока в проводе обмоток [А/кв.мм];
• Km – коэффициент заполнения окна сердечника медью;
• Кс = 0,96 – коэффициент заполнения сечения сердечника сталью;

Задавшись напряжениями обмоток, количество необходимых витков можно рассчитать по такой формуле:

где:

• U1, U2, U3,… – напряжения обмоток в вольтах;
• n1, n2, n3,… – число витков обмоток.

Если изначальные договоренности нами в точности соблюдены, и мы делаем жесткий трансформатор, то число витков как первичной, так и вторичной обмоток определяется по одной и той же формуле.

Если же мы будем использовать трансформатор при предельном значении мощности для имеющегося типоразмера сердечника, рассчитанное по этой формуле, или мы проектируем маломощные трансформаторы (менее 50 Вт), с большим числом витков и тонким проводом обмоток, то число витков вторичных обмоток следует увели чить в

раз. С учетом нашей договоренности, это составит 1,026 или больше рассчетного на 2,6%.

Что же касается напряжений накальных обмоток, то здесь стоит вспомнить указание самой главной книги по радиолампам: “Руководство по применению приемно-усилительных ламп” [1 ], выпущенное для радиоинженеров-разработчиков Государственным комитетом по электронной технике СССР в 1964 году.

Открыв это руководство на 13-й странице, внимательно рассмотрим график (рис. 2) и уясним из него, что оптимальное напряжение накала радиоламп для сохранения их максимальной надежности и, соответственно, долговечности составляет 95% от номинала.

Что для ламп с напряжением накала 6,3 вольта составит ровно 6 вольт. Поэтому не надо увеличивать число витков накальных обмоток на 2,6%. Пусть будет, как есть.

Определяем токи обмоток. Ток первичной обмотки: I1 = P/U1

При использовании двухполупериодного выпрямителя средний ток каждой половины обмотки будет в 1,41 раза (корень из двух) меньше, чем необходимый выпрямленный ток нагрузки.

В случае использования мостового полупроводникового выпрямителя, ток обмотки будет в 1,41 раза больше, чем выпрямленный ток нагрузки.

Поэтому, надо не забыть в формулы для определения диаметров проводов подставлять потребления по постоянному току, в первом случае поделенные, а во втором, умноженные на 1,41. В идеале – это так, но реально – не совсем.

Рис. 2. График.

На холостом ходу напряжение после выпрямителя, на сглаживающем конденсаторе, увеличивается до амплитудного значения, которое у синусоиды в 1,41 раза больше эффективного.

А вот при активно-емкостной нагрузке между полупериодами емкость разряжается током нагрузки и выходное напряжение “просаживается”.

Точный расчет напряжения просадки довольно сложен, однако, для практической точности следует вместо коэффициента 1,41 выбирать эмпирический коэффициент 1,24.

Поэтому напряжения обмоток, которые будут работать на двухполупериодные или мостовые выпрямители, следует брать в 1,24 раза меньше.

Соответственно, и токи обмоток возрастут не в 1,41, а в 1,24 раза относительно потребления по постоянному току. Ну, а в двухполупериодной схеме со средней точкой(при удвоенном числе витков) средний ток обмотки будет равен половине от 1,24, то есть, 0,62 от тока потребления нагрузки.

Рассчитываем диаметры проводов обмоток исходя из протекающих в них токов по следующим формулам (для меди, серебра или алюминия):

Полученные значения округляем в сторону увеличения до ближайшего стандартного диаметра провода.

Делаем проверку расчета. Мощность первичной обмотки – произведение питающего напряжения на потребляемый ток, должна быть равна сумме мощностей всех вторичных обмоток. То есть: U1 х I1 = U2 х І2 + U3 х І3 + U4 х І4 + …

Намотав трансформатор, для проведения дальнейших расчетов выпрямителя необходимо замерить некоторые его параметры:

• активное сопротивление первичной обмотки;
• активное сопротивление вторичных обмоток;
• точные значения напряжений вторичных обмоток, разумеется, проверив, чтобы в сети при этом напряжение составляло 220 вольт. Если же оно отличается от номинала (но находится в пределах 198…242), то пропорционально пересчитать измеренные значения;
• ток холостого хода первичной обмотки (какой ток трансформатор потребляет из сети при отсутствии нагрузки на его вторичных обмотках).

К примеру, тороидальный силовой двухобмоточный трансформатор, мощностью 530 Вт, который я сам, вручную, мотал в 1982 году на сердечнике от сгоревшего бытового переходного 400-ваттного автотрансформатора 127/220 В, называвшегося в торговой сети “Юг-400”, имел следующие параметры:

• В = 1,2 Тесла;
• n220 = 1100 вит;
• d220 = 0,96 мм;
• n127 = 635 вит;
• d127 = 1,35 мм;
• при этом Iхх = 7 (семь!) мА,

что соответствует индуктивности первичной обмотки 100 Генри. Для сравнения. Промышленная обмотка того автотрансформатора содержала 880 витков на 220 вольт.

Не удивительно, что он перегревался, и в конце-концов сгорел. Когда трансформаторы мотают не для себя, а на продажу, то ради денег и в ущерб качеству экономят на всем. Не надо экономить – это, ведь, то же самое, что самому себе гадить. Желаю удачи!

С.Комаров, UA3ALW. г. Москва. РМ-03-17.

Расчёт трансформатора-2. Параметры катушки | HomeElectronics

Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказывал об определении размеров сердечника и предварительном выборе основных параметров трансформатора. Следующим этапом должен быть электрический расчёт трансформатора с окончательным выбором электрических параметров: ЭДС, напряжений, токов и сопротивлений обмоток. Однако здесь существует некоторая проблема: для точного электрического расчёта необходимо проверить размещение обмоток в окне сердечника, а также точно определить средние длины витков, вес и сопротивление проводов каждой обмотки. Это связано с тем, что с ростом частоты переменного напряжения происходит увеличение сопротивления обмоток в зависимости от числа слоёв, а также типа проводника (обычный провод, фольга или литцендрат). В связи с этим необходимо дать некоторые пояснения по расчёту конструкции обмоток.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Конструкция обмоток

Конструктивная схема размещения обмоток обычной катушки показана на рисунке ниже.

Конструкция катушки рядовой намотки в окне сердечника.

Конструкция катушки тороидального трансформатора.

Для данных изображений введены следующие обозначения:

С_Ki – толщина i-й обмотки, С_i – толщина катушки после намотки i-й обмотки, С_K – полная толщина катушки в окне, h – высота окна, h_K – высота катушки, Δh/2 – толщина изоляционного буртика в окне (для гильзовой намотки) или суммарная толщина щечки каркаса и технологического зазора по высоте окна (для каркасной катушки), d_ИЗ.i – диаметр провода вместе с витковой изоляцией для i-й обмотки, Δ_СЛ.i, Δ_ОБ.i – толщина слоевой и межобмоточной изоляции между i-й обмотки и смежной (предыдущей) обмоткой, Δ_КОРП – толщина корпусной изоляции, Δ_НАР – толщина наружной изоляции, δ – зазор в окне между боковой поверхностью катушки и продольным ярмом сердечника. Для тороидального трансформатора дополнительными параметрами являются: С_KНi и С_KН – толщина обмоток катушек расположенной по наружному диаметру сердечника.

Все выше перечисленные параметры являются заданными или же их необходимо выбрать, при этом должно выполняться следующее условие

где n_Δ – число сечений катушки в окне, для БТ n_Δ = 1, для СТ, ТТ n_Δ = 2,

δ₀ – технологический зазор, для БТ, СТ δ₀ = 0,7 мм, для ТТ – технологическое отверстие для прохода челнока, определяется ориентировочным выражением

где b – толщина сердечника.

Определяем толщину катушки

В общем виде толщина катушки после намотки i-й обмотки определяется выражением

Тогда толщина полностью намотанной катушки

Все изоляционные расстояния Δ_i берутся в зависимости от испытательного напряжения, диаметра проводов и размеров трансформатора. Об этих расстояниях будет сказано ниже.

Толщина i-й обмотки С_Ki определяют с учётом размещения проводов и технологических факторов намотки

где n_{СЛ i} – число слоёв провода в данной обмотке,

n_{СЛ И i} – число слоёв изоляции в данной обмотке,

С_Э – толщина электрического экрана между обмотками, при его наличии (С_Э = 0,05…0,1 мм),

K_разбi – коэффициент разбухания обмотки, учитывающий увеличение размеров катушки из-за вспучивания проводов. Он зависит от диаметра провода и соотношения размеров сердечника.

Для определения коэффициента разбухания можно воспользоваться следующим рисунком

Определение коэффициента разбухания K_{разб i}.

Слоевую изоляцию обычно кладут через несколько слоёв обмотки при условии суммарного напряжения 100…150 В, а в случае высоких требований к надёжности трансформатора укладываю через каждый слой обмотки.

Определяем число слоёв обмотки

Число слоёв i-й обмотки определяется отношением общего числа витков ω_i к числу витков в одном слое ω_{СЛ i}

При определении числа витков в одном слое необходимо учитывать неплотность прилегания витков друг к другу

Коэффициент укладки можно определить из следующей таблицы

Диаметр провода,   мм	Коэффициент укладки   kУКЛ
	Рядовая   намотка	Намотка   «внавал»
0,0635…0,0863	0,85	0,75
0,096…0,109	0,86	0,8
0,124…0,0152	0,87
0,17…0,267	0,88
0,294…0,452	0,89
0,505…2,67	0,9	0,9

В случае использования гильзовой намотки в каждом следующем слое необходимо уменьшать число витков на несколько единиц с каждой стороны. Неполностью заполненный проводом слой после наложения обмотки заполняется изоляцией.

Высота катушки h_K определяется следующим выражением

Величину Δh/2 берётся также как и межобмоточная изоляция.

Для тороидального трансформатора определение числа слоёв несколько сложнее из-за неравномерного заполнения обмотки снаружи и внутри сердечника. Для первой обмотке будет определяться

Для второй обмотки вместо ω₁ берется ω₂, вместо d_{ИЗ 1} берётся d_{ИЗ 2}, вместо с₀₁ берётся с₀₁-2(с_К1+Δ_{ОБ 1}), где с_К1 определяется при i=1.

И в общем случае для i-й обмотки число слоёв в окне

По наружному диаметр тороидального сердечника число слоёв

Диаметр провода без изоляции («по меди») определяется из площади сечения

В случае прямоугольных проводов вместо d_i берется толщина прямоугольника.

Определение толщины изоляционных параметров

При определение толщины катушки, обмоток и числа слоёв необходимо знать толщины изоляции корпусной, межслоевой, межобмоточной, наружной и толщина изоляционного буртика в окне (для гильзовой намотки) или суммарная толщина щечки каркаса и технологического зазора по высоте окна (для каркасной катушки). Они зависят от нескольких параметров, основными из которых являются: тип изоляционного материала, размеры проводов и трансформатора, значения испытательного напряжения.

Изоляция корпуса обмотки Δ_КОРП состоит из толщины стенки каркаса, бумажной подложки и технологического зазора между стержнем и каркасом. Толщина стенки каркаса в зависимости от размера трансформатора составляет 0,5…2,5 мм, для прессшпановых и бумажных каркасов в 1,3…1,7 раза больше. Толщина бумажнай подложки составляет 0,1…0,2 мм, а технологический зазор – 0,2…0,4 мм.

Величина Δh/2 – толщина изоляционного буртика в окне (для гильзовой намотки) или суммарная толщина щечки каркаса и технологического зазора по высоте окна (для каркасной катушки) равна суммарной толщине корпусной изоляции 0,8…3 мм.

Наружная изоляция Δ_НАР обычно составляет 0,16…0,24 мм.

Толщину межобмоточной изоляции Δ_ОБ выбирают в зависимости от испытательного напряжения U_ИСП трансформатора

UИСП, В	Величина ΔОБ в зависимости от диаметра провода, мм
	< 0,4	0,4…1,0	1…1,5	> 1,5
< 700	0,05	0,08	0,12	0,17
1000	0,1	0,16	0,24	0,34
1500	0,2	0,32	0,48	0,51
2000	0,25	0,4	0,6	0,68
2500	0,3	0,48	0,6	0,85
3500	0,35	0,56	0,72	1,02

Величина испытательного напряжения U_ИСП зависит от напряжения обмоток трансформатора U_i

Ui, В	До 24	24 — 100	100 — 250
UИСП, В	250	500	1000

При рабочем напряжении обмоток свыше 250 В испытательное напряжение определяется по следующему выражению

Для низковольтных трансформаторов выражением, заключенным в скобках, можно пренебречь.

Как выполнить выводы обмоток

Выводы обмоток трансформаторов, диаметр провода, которых менее 0,2…0,35 мм, выполняют гибким монтажным проводом сечением 0,05…0,2 мм. Если диаметр провода составляет от 0,35 до 2 мм, то выводы и отводы делают самим обмоточным проводом, а при диаметрах более 2 мм используют также гибкий монтажный провод.

После того как произведён расчёт размещения обмоток можно определить точные значения их параметров.

Средняя длина витка

Для любой обмотки определяется выражением

—  для первичной обмотки l_ω1

—  для вторичной обмотки l_ω2

— для всей катушки с толщиной С_К

Для тороидального трансформатора в качестве толщины i-й обмотки C_Ki используют эквивалентную среднюю величину C_KiЭ между её значениями снаружи и внутри сердечника

Как определить сопротивление обмоток трансформатора?

Сопротивление i–обмотки трансформатора постоянному току вычисляется по выражению

где ρ – удельное сопротивление материала проводника, при заданной температуре,

l_ωi – длина витка обмотки, см,

q_i – сечение провода обмотки, мм².

При проектировании трансформаторов на средних и высоких частотах (выше 1кГц) необходимо учитывать влияние высокочастотных эффектов: скин-эффект и эффект влияния близости витков. Поэтому сопротивление обмотки трансформатора возрастает в k_δ раз. Где k_δ – коэффициент добавочных потерь

где h_i – высота одного слоя обмотки,

μ – абсолютная магнитная проницаемость вещества проводника,

ρ – удельное электрическое сопротивление проводника,

n_СЛi – количество слоёв обмотки,

sinh() и cosh() – гиперболические синус и косинус.

В данных выражениях параметр h_i соответствует высоте прямоугольного проводника, при использовании круглого проводника используют эквивалентную высоту h_Э, так что h_i = h_Э

где d₀ – диаметр проводника без изоляции («по меди»),

p – расстояние между центрами проводников в одном слое.

При использовании литцендрата, состоящего из множества изолированных проводников, количество слоёв обмотки пересчитывается берётся эквивалентным с учётом количества жил литцендрата

где n_{СЛ i Э} – эквивалентное количество слоёв обмотки,

n_{СЛ i} – количество слоёв обмотки из литцендрата,

m – количество жил в литцендрате.

Показатели заполнения окна сердечника

После размещения обмотки в окне сердечника и выбора изоляционных материалов можно определить коэффициенты характеризующие заполнение окна:

— коэффициент заполнения проводниковым материалом чистого сечения катушки

— степень заполнения окна катушкой

— коэффициент заполнения окна проводниковым материалом

где m_OK – число фаз в одном окне сердечника, для однофазных m_OK = 1, для трёхфазных m_OK = 2,

n_Δ – число сечений катушки в окне, для БТ n_Δ = 1, для СТ и ТТ n_Δ = 2,

S_O – чистое сечение катушки в окне сердечника на фазу.

В следующей статье я расскажу как выполнить электрический расчёт трансформатора.

Изготовление сетевого трансформатора. – Гитарное оборудование – Каталог статей

Для блока питания нужен трансформатор и Дима из мастерской Lumenus indi расскажет, как его рассчитать и намотать.

Так же, на Pikabu Вы можете почитать про его блок питания. Ссылка.

Limenus indi вКонтакте.

Наверно это некрасиво, но я скопирую статью, по которой был снят этот ролик к себе на сайт, что бы она всегда была доступна пользователям канала.

Наиболее распространённые типы магнитопроводы изображены на рисунке.

Ш-образные пластинчатые сердечники, аналогичны расчету Ш-образного ленточного сердечника. 

Тороидальный трансформатор может использоваться при мощностях от 30 до 1000 Вт, когда требуется минимальное рассеяние магнитного потока или когда требование минимального объема является первостепенным. Имея некоторые преимущества в объеме и массе перед другими типами конструкций трансформаторов, тороидальные являются вместе с тем и наименее удобными в изготовлении. 

Исходными начальными данными для упрощенного расчета являются:

• напряжение первичной обмотки U1;
• напряжение вторичной обмотки U2;
• ток вторичной обмотки I2;

1.Расчет трансформатора 

Расчет габаритной мощности трансформатора 

При выборе железа для трансформатора надо учитываять, чтобы габаритная мощность трансформатора была строго больше расчетной электрической мощности вторичных обмоток. 

Мощность вторичной обмотки Р2 = I2 * U2 = Рвых 

Если обмоток много, то мощность, отдаваемая трансформатором, определяется суммой мощностей всех вторичных обмоток (Рвых). 

Другими словами – габаритная мощность трансформатора – это мощность которую способно “вынести” железо. Прежде чем перейти к формуле, сделаем несколько оговорок:

• Главный качественный показатель силового трансформатора для радиоаппаратуры это его надежность. Следствие надежности – это минимальный нагрев трансформатора при работе (иными словами он должен быть всегда холодным!) и минимальная просадка выходных напряжений под нагрузкой (иными словами, трансформатор должен быть “жестким”).
• В расчетах примем КПД трансформатора 0,95
• Так как речь в статье пойдет об обычном сетевеом трансформаторе, примем рабочую частоту равной 50Гц.
• Учитывая то, что нам нужен надежный трансформатор, и учитывая то, что напряжение в сети может иметь отклонения от 220 вольт до 10%, принимаем В=1,2 Тл
• Плотность тока принимаем 3,5 А/мм2
• Коэффициент заполнения сердечника сталью принимаем 0,95
• Коэффициент заполнения окна принимаем 0,45

Исходя из принятых допущений, формула для расчета габаритной мощности у нас примет вид: 
 

Р=1.9 * Sc * So

Где: 
Sc и So – площади поперечного сечения сердечника и окна, соответственно [кв. см]; 

2. Определение количества витков в обмотках. 

Прежде всего рассчитываем количество витков в первичной обмотке. Расчёт одинаков, для всех типов сердечников.

Упрощенная формула выглядит так: 
 

W=(40 * U )/ Sc

Где: 
Sc – площадь поперечного сечения сердечника в квадратных сантиметрах; U – напряжение первичной обмотки в Вольтах; 

Количество витков во вторичной обмотке можно расчитать по этой же формуле, увеличив число витков примерно на 5% (КПД трансформатора), но можно поступить проще: после того как намотана первичка – наматываем поверх нее 10 витков и измеряем напряжение. Зная какое напряжение требуется получить на выходе трансформатора и зная какое напряжение приходится на 10 витков – определяем необходимое число витков. 

3. Расчет диаметра провода. 

Рассчитываем диаметры проводов обмоток исходя из протекающих в них токов по следующим формулам (для меди, серебра или алюминия):

Дополнительная таблица по диаметрам провода.

Как рассчитать трансформатор – Электропривод

Arty, я далек от мысли злиться на кого-либо, тем более на Вас.

Если на пальцах объяснить, то…

Чем больше масса трансформаторного железа тем больше можно в него вкачать энергии до насыщения. Это как чашка с чаем, чем больше в ней масса воды – тем больше можно растворить сахара до насыщения. Сечение же сердечника – это только один из параметров чашки (например высота) но объем чашки зависит еще и от ее диаметра.

Так же и с сердечником. Сечение магнитопровода – диаметр чашки, средняя длина магнитной линии (утрировано – периметр сердечника, можно еще представить, что сердечник разрезали и разогнули в прямую линию) – высота чашки.

грубо говоря – мощность сердечника прямо пропорциональна массе железа, через которую проходит магнитный поток. Понятно, что если где нибудь с боку прилепить кусок железа, то на мощность трансформатора он влияния оказывать не будет.

Извините, если получилось несколько сумбурно, но пытался объяснить, чтобы стал понятен принцип.

В случае с упрощенными расчетами для Ш-образного железа, как я уже писал, длина средней магнитной линии тоже учитывается, но она выведена в некоторый коэффициент, используемый при расчетах, т.к. пропорциональна ширине керна сердечника.

Такой пример: у нас есть Ш-образный сердечник с площадью сечения Х и, соответственно, массо-габаритной мощностью , например, 200 Вт. Если мы возьмем два таких сердечника, уберем из них замыкающие магнитный поток пластины и сложим их навстречу друг другу (это как на букву Ш поставить перевернутую букву Ш), то получим увеличение массогабаритной мощности практически в два раза. Но площадь сечения сердечника у нас так и осталась Х, а мощность стала 400 Вт за счет увеличения длины магнитной линии вдвое. Т.е. мы увеличили объем железа, через который проходит магнитный поток.

В теории, конечно, все значительно сложнее, но для понимания сути процесса, такого объяснения, по моему, достаточно.

Делаем тороидальный сварочный трансформатор | Самодельные сварочные аппараты, полуавтоматы, схемы

Тороидальный трансформатор своими руками

По всем характеристикам тороидальные трансформаторы превосходят П и Ш образные трансформаторы примерно в 1.5.. 2 раза. Также по весу торы в намного легче.

В связи с этим лучше делать тороидальный трансформатор для сварочных аппаратов.

Об изготовлении тороидального трансформатора в домашних условиях пойдет речь в нашей статье.

В наличии имелось железо от какого то трансформатора размерами 7 см х 65 см.

Берем пластины и обкатываем их круглым предметом, например бутылкой.

Берем одну пластину сворачиваем ее в кольцо и закрепляем саморезами. Это будет оправка для набора пластин.

Начинаем укладывать пластины начиная от края во внутрь. Так как внутренний диаметр самом начале большой, то сначала укладываем ровные пластины, не обкатанные бутылкой.

Набрав небольшое количество пластин, обязательно поджимаем их.

Примерно вот что должно получится. Так как внутренний диаметр кольца уменьшается, то далее применяем пластины, которые обкатывали бутылкой.

Первое кольцо магнитопровода тороидального трансформатора готово. Выглядит оно вот так.

Далее подготавливаем вторую оправку для второго кольца магнитопровода нашего трансформатора.

Продолжаем укладывать пластины от края во внутрь. Процесс повторяется, делать нужно то же самое, что и для первого кольца.

Стремитесь укладывать пластины без зазорно, то есть стык в стык. Конечно в начале будет получаться хорошо, но в конце все равно не получится.

Не забываем обжимать пластины. Делаем это постоянно. От этого зависит качество сборки тора. Лишние зазоры нам ни к чему.

Вот собственно оба кольца. Фотка получилась не резкой.

Далее обстукиваем торцы получившихся колец молотком.

Берем эпоксидный клей, разводим его растворителем.

Пропитываем клеем оба кольца магнитопровода. Клей не жалеем.

Затем склеиваем оба кольца.

Вот такой вот сердечник тороидального трансформатора у нас получился. Высота сердечника получилась 14 см и набор пластин 4 см. Площадь сердечника 56 см.кв. Учитывая небольшие зазоры, которые образовались при сборке, принимаем площадь сердечника 50 см.кв.

Теперь необходимо за изолировать сердечник. Для этого вырезаем из картона куги и накладываем на сердечник.

Далее берем тряпочную черную изоляционную ленту  и обматываем сердечник.

Вот что получилось.

Обматываем еще раз сердечник молярным скотчем.

Все готово для намотки обмоток трансформатора. Провод для первичной обмотки наматываем на самодельный челнок, сделанный из куска ДСП.

Обматываем конец провода филенкой.

Начинаем мотать. Просовываем челнок через отверстие в торе и аккуратно прижимаем каждый виток, равномерно распределяя по поверхности сердечника.

Намотав первый ряд обмотки, обматываем обмотку изоляционной лентой.

Далее мотаем второй ряд первичной обмотки, делая отводы для регулирования тока по первичной обмотке.

После того как первичная обмотка намотана, проверяем ток холостого тока трансформатора. Он должен быть в пределах от 0,2 А до 1,2 А.

На изображениях  показаны  замеры тока в в нормальном и форсированном режиме работы трансформатора. Цифровым мультиметром производился замер напряжения вторичной обмотки (для дальнейшего точного расчета количества витков вторичной обмотки), в качестве которой был намотан кусок провода из 4 витков.

Обматываем второй конец первичной обмотки филенкой и изолируем первичную обмотку.

Далее мотаем вторичную обмотку точно так же как первичную, только без применения челнока.

После намотки изолируем ее.

Далее вырезаем из текстолита или подобного материала два круга, сверлим отверстия под крепление обмоток.

В результате мы получаем вот такой вот сварочный трансформатор.

Данный тороидальный трансформатор был установлен в сварочный полуавтомат. При интенсивном использовании сварочного полуавтомата, температура трансформатора не повышалась выше 60 градусов. Трансформатор работает тихо без потрескиваний  и гула.

Вес данного экземпляра в собранном виде равен 16 кг.

---

Ответы на комментарии:

Изолирование проводов.

Пропитка сердечника эпоксидным клеем.

Расчет площади сердечника.

Площадь сердечника равна S=А*Б

Шпильки для тора

Если возникнут вопросы, задавайте их в комментариях.

Автор статьи и фото: Admin Svapka.Ru

Понравилась ли вам статья? Если не трудно, то проголосуйте пожалуйста:

Похожие записи

Расчет и намотка трансформатора своими руками. Правильная намотка трансформатора своими руками. Намоточный станок своими руками

Тороидальный трансформатор – электротехнический преобразователь напряжения или тока, сердечник которого изогнут кольцом и замкнут. Профиль сечения отличается от круглого, название все равно применяют за неимением лучшего.

Отличия тороидальных трансформаторов

Автором тороидальных трансформаторов признан Майкл Фарадей. Возможно встретить в отечественной литературе (особенно, коммунистических времен) утопичную идею: первым собрал подобное Яблочков, сравнив указываемую дату – обычно, 1876 год – с ранними опытами по электромагнитной индукции (1830). Просится вывод: Англия опередила Россию на полвека. Интересующихся подробностями отошлем к обзору . Приводятся детальные сведения о конструкции первого в мире тороидального трансформатора. Изделие отличает форма сердечника. Помимо тороидальных принято по форме различать:

1. Броневые. Отличаются избыточностью ферромагнитного сплава. Для замыкания линий поля (чтобы проходили внутри материала) ярма охватывают обмотки с внешней стороны. В результате входная и выходная наматываются вокруг общей оси. Одна поверх другой или рядом.
2. Стержневые. Сердечник трансформатора проходит внутри витков обмотки. Пространственно входная и выходная разнесены. Ярма вбирают малую часть линий напряженности магнитного поля, проходящих за пределами витков. Фактически нужны, чтобы соединить стержни.

Тороидальный трансформатор

Новичку приходится туго, нелишне пояснить подробнее. Стержнем называется часть сердечника, проходящая внутри витков. На остов наматывается проволока. Ярмом называется часть сердечника, соединяющая стержни. Нужны передавать линии магнитного поля. Ярма замыкают сердечник, формируя цельную конструкцию. Замкнутость требуется для свободного распространения внутри материала магнитного поля.

Тема Магнитная индукция показывает – внутри ферромагнетика поле значительно усиливается. Эффект образует базис функционирования трансформаторов.

В состав стержневого сердечника ярмо входит минимальным составом. В броневом охватывает дополнительно обмотки снаружи вдоль длины, как бы защищая. От аналогии произошло название. Майкла Фарадея выбрал тор скорее интуитивно. Формально можно назвать стержневым сердечником, хотя направляющая оси симметрии обмоток идет дугой.

Опорой первому магниту (1824 год) стала лошадиная подкова. Возможно, факт придал направлению полета творческой мысли ученого верный азимут. Используй Фарадей иной материал, опыт окончится неудачей.

Тор навивают единой лентой. Подобные сердечники называют спиральными в отличие от броневых и стержневых, которые фигурируют в литературе за термином пластинчатые. Это введет в заблуждение. Лишний раз следует сказать: тороидальный сердечник, будучи намотанным отдельными пластинами, называется спиральным. Разбивать частями приходится, когда отсутствует лента. Это вызвано чисто экономическими причинами.

Подытожим: в исходном виде тороидальный трансформатор Фарадея имел сердечник круглого сечения. Сегодня форма невыгодна, невозможно обеспечить массовое производство соответствующей технологией. Хотя деформация проволоки по углам сгиба приводит однозначно к ухудшению характеристик изделия. Механические напряжения повышают омическое сопротивление обмотки.

Сердечники тороидальных трансформаторов

Тороидальный трансформатор назван за форму сердечника. Майкл Фарадей изготовил бублик, использовав цельный кусок мягкой стали круглого сечения. Конструкция нецелесообразна на современном этапе по нескольким причинам. Главное внимание уделяется минимизации потерь. Сплошной сердечник невыгоден, наводятся вихревые токи, сильно разогревающие материал. Получается плавильная индукционная печь, легко превращающая в жидкость сталь.

Чтобы избежать ненужных трат энергии и нагревания трансформатора, сердечник нарезают полосами. Каждая изолируется от соседней, например, лаком. В случае тороидальных сердечников наматывают единой спиралью, либо полосами. Сталь обычно на одной стороне имеет изолирующее покрытие толщиной единицы микрометра.

Упомянутые стали используются для конструирования , довольно часто по исполнению являющихся тороидальными. Интересующимся можно ознакомиться с ГОСТ 21427.2 и 21427.1. Для сердечников (как следует из названия документов) сегодня чаще используется анизотропная холоднокатаная листовая сталь. В название заложено: магнитные свойства материала неодинаковы по разным осям координат. Вектор потока поля должен совпадать с направлением проката (в нашем случае движется по кругу). Ранее применялся другой металл. Сердечники высокочастотных трансформаторов могут изготавливаться из стали 1521. В рамках сайта особенности применяемых материалов обсуждались (см. ). Сталь маркируется по-разному, в состав обозначения включаются сведения:

• Первое место отводится цифре, характеризующей структуру. Для анизотропных сталей применяется 3.
• Вторая цифра указывает процентное содержание кремния:

1. менее 0,8%.
2. 0,8 – 1,8%.
3. 1,8 – 2,8%.
4. 2,8 – 3,8%.
5. 3,8 – 4,8%.

• Третья цифра указывает основную характеристику. Могут быть удельные потери, величина при фиксированной напряженности поля.
• Тип стали. С ростом числа удельные потери ниже. Зависит от технологии производства металла.

Теряет значение взаимное расположение конца и начала ленты. Чтобы спираль не размоталась, последний виток приваривают к предыдущему точечной сваркой. Намотка ведется с натяжением, собранные из нескольких полос ленты обычно не удаётся подогнать плотно, сварной шов выполняется внахлест. Иногда тор режется на две части (разрезной сердечник), на практике требуется сравнительно редко. Половинки при сборке стягиваются бандажом. В процессе изготовления готовый тороидальный сердечник режется инструментом, торцы шлифуются. Витки спирали скрепляются связующим веществом, чтобы не размоталась.

Намотка тороидальных трансформаторов

Стандартно производится дополнительная изоляция тороидального сердечника от обмоток, даже если используется лакированная проволока. Широко применяется электротехнический картон (ГОСТ 2824) толщиной до 0,8 мм (возможным другие варианты). Распространенные случаи:

1. Картон наматывается с захватом предыдущего витка на тороидальный сердечник. Способ характеризуется, как вполнахлеста (половина ширины). Конец приклеивается или закрепляется киперной лентой.
2. По торцам сердечник защищают картонные шайбы с надрезами глубиной 10 – 20 мм, шагом 20-35 мм, перекрывающие толщину тора. Наружная, внутренняя грань закрываются полосами. Технологически шайбы идут в сбор последними, прорезанные зубцы загибаются. Поверх спирально наматывается киперная лента.
3. Надрезы могут производиться на полосах, тогда берутся с запасом, чтобы больше высоты тора, кольца – строго по ширине, накладываются поверх загибов.
4. Тонкие полосы, кольца текстолита закрепляются на тороидальном сердечнике лентами стеклоткани вполнахлеста.
5. Иногда кольца выполняются из электротехнической фанеры, гетинакса, толстого (до 8 мм) текстолита с запасом наружного диаметра 1-2 мм. Внешнюю и внутреннюю грань защищают картонными полосами с загибом по краям. Меж первыми витками обмотки, сердечником остается воздушный зазор. Промежуток под картоном нужен на случай, если края под проволокой протрутся. Тогда токонесущая часть никогда не коснется тороидального сердечника. Поверх наматывается киперная лента. Иногда внешнее ребро колец сглаживается, чтобы намотка углами шла плавно.
6. Имеется разновидность изоляции, сходная с предыдущей, с внутренней стороны по кольцам на внешних ребрах имеются проточки до сердечника, куда ложатся полосы. Элементы выполняются из текстолита. Поверх наматывается киперная лента.

Обмотки обычно выполняются концентрическими (одна над другой), либо чередующимися (как в первом опыте Майкла Фарадея 1831 года), называют иногда дисковыми. В последнем случае через одну может наматываться достаточно большое их число, попеременно: то высокое напряжение, то низкое. Применяется чистая электротехническая медь (99,95%) удельным сопротивлением 17,24 – 17,54 нОм м. Ввиду дороговизны металла для изготовления тороидальных трансформаторов малой и средней мощности берется рафинированный алюминий. Для прочих случаев сказываются ограничения по проводимости и пластичности.

В мощных трансформаторах медный провод бывает прямоугольного сечения. Делается для экономии места. Жила должна быть толстой, пропуская значительный ток, дабы не расплавиться, круглое сечение приведет к излишнему росту габаритов. Выигрыш равномерности распределения поля по материалу свелся бы к нулю. Толстый прямоугольный провод достаточно удобно укладывать, чего нельзя сказать касательно тонкого. В остальном (по конструктивным признакам) намотка производится в точности теми же путями, как в случае обычного трансформатора. Катушки делаются цилиндрическими, винтовыми, однослойными, многослойными.

Определение конструкции тороидального трансформатора

Интересующимся вопросом рекомендуем изучить книгу С. В. Котенева, А. Н. Евсеева по расчету оптимизации тороидальных трансформаторов (издание Горячая линия – Телеком, 2011 год). Напоминаем: издание защищено законом об авторских правах. Профессионалы найдут силы (средства) приобрести при необходимости книгу. Согласно главам, расчет начинается определением параметров режима холостого хода. Подробно описывается, как найти активный и реактивный токи, высчитать ключевые параметры.

Печатное издание, несмотря на некоторую спорность изложения, попутно дает понять, почему включенный в цепь трансформатор, лишенный нагрузки, не сгорает (энергия тока расходуется намагничиванием). Хотя, казалось бы, предсказан очевидный исход мероприятия.

Число витков первичной обмотки выбирается из условия не превышения магнитной индукцией максимального значения (до входа в режим насыщения, где значение не меняется ростом напряженности поля). Если конструирование ведется для бытовой сети 230 вольт, берется допуск согласно ГОСТ 13109. В нашем случае, имеется в виду отклонение амплитуды в пределах 10%. Помним: вся промышленность перешла в XXI веке на 230 вольт (220 не используется, приводится в литературе, «наследием тяжелого прошлого»).

Если вы заинтересованы в изготовлении сварочного аппарата или стабилизатора напряжения, то вам обязательно нужно знать, что такое тороидальные трансформаторы. Но самое главное – как они работают и какие тонкости при изготовлении имеют. Кроме того, такие трансформаторы, ввиду своей конструкции, способны отдать большую мощность в сравнении с теми, которые намотаны на Ш-образном сердечнике. Следовательно, такие устройства идеально подходят для питания очень мощной аппаратуры – например, усилителей низкой частоты.

Основные данные

Итак, прежде чем приступать к изготовлению трансформатора, вам нужно изучить матчасть. Во-первых, вам необходимо определиться с типом используемого провода. Во-вторых, нужно рассчитать количество витков (отсюда следует, что вы будете знать, сколько всего метров провода вам необходимо). В-третьих, обязательно нужно выбрать сечение провода. От этого параметра зависит выходной ток, следовательно, мощность тороидального трансформатора.

Также обязательно нужно учитывать, что при малом числе витков в первичной обмотке будет происходить нагрев. Аналогичная ситуация возникает и в том случае, если мощность потребителей, подключенных ко вторичной обмотке, превышает то значение, которое может отдать трансформатор. Следствие перегрева – это снижение надежности. Причем привести перегрев может даже к воспламенению трансформатора.

Что потребуется для изготовления

Итак, вы приступаете к изготовлению трансформатора. Вам нужно обзавестись инструментами и материалами. Конечно, может потребоваться даже швейная игла или спички, но наверняка такие принадлежности имеются у каждого. Самое главное – это железо, из которого делаются тороидальные трансформаторы. Вам потребуется много трансформаторной стали, она должна быть в форме тора. Далее, конечно же, провод в лаковой изоляции. Обязательно наличие малярного скотча и клея типа ПВА. Также для разделения обмоток необходима изолента на основе ткани. И несколько кусков провода для соединения концов обмоток. Причем провод необходимо использовать в силиконовой или резиновой изоляции.

Трансформаторная сталь

Достать такой аксессуар, как может показаться, очень сложно. Но в любом доме, сарае, даже на пунктах приема металла сегодня можно найти негодные стабилизаторы напряжения. В советские годы они были весьма популярны, использовались совместно в черно-белых телевизорах, дабы не посадить кинескопы. Вам не важно, работает этот стабилизатор либо же он сгоревший. Самое главное – это тороидальные трансформаторы, которые в нем используются. Именно они и будут основой вашей конструкции. Но перед этим нужно избавиться от старой обмотки, которая изготовлена из алюминиевого провода. А дальше – подготовка сердечника. Обратите внимание на то, что у него прямые углы. Вам это не нужно, так как можно повредить лаковую изоляцию при намотке. Постарайтесь максимально скруглить углы, обработав их напильником. Затем поверх трансформаторной стали укладываете изоленту на основе ткани. Всего необходим только один слой.

Обмотки

А теперь немного о том, как проводится расчет тороидального трансформатора. Можно, конечно, использовать простые программы, которых великое множество. Можно с линейкой и калькулятором произвести расчет. Конечно, он будет иметь погрешность, так как не учитывается еще множество факторов, которые имеются вообще в природе. Вам следует придерживаться одного правила при расчете – мощность во вторичной катушке не должна быть больше этого же значения в первичной обмотке.

Что касается такого процесса, как намотка тороидального трансформатора, то он очень трудоемкий. Хорошо, если имеется возможность разобрать магнитопровод и после намотки собрать его воедино. Но если такой возможности нет, то можно применить своеобразное веретено. На него наматываете определенное количество провода. Затем, пропуская это веретено сквозь тор, укладываете витки обмоток. Времени на это уйдет немало, поэтому если не уверены в своих силах, лучше приобретите готовый блок питания.

Пример расчета

Лучше всего процесс описать на конкретном примере. Первичная обмотка, как правило, питается от сети переменного напряжения 220 В. Допустим, вам нужны две вторичные обмотки, чтобы каждая выдавала по 12 В. А еще вы используете в первичной обмотке провод сечением 0,6 мм. Следовательно, площадь сечения составит примерно 0,23 кв. мм. Но это еще не все вычисления, тороидальные трансформаторы нуждаются в тщательной подгонке всех параметров. А теперь опять немного математики – нужно разделить 220 (В) на сумму напряжений вторичных цепей. В итоге получаете некий коэффициент 3,9. Он обозначает, что сечение провода, используемого во вторичной обмотке, должно быть ровно в 3,9 раз больше, нежели в первичной. Чтобы вычислить количество витков для первичной обмотки, вам потребуется воспользоваться простой формулой: коэффициент «40» умножить на напряжение (в первичной цепи оно равно 220 В), после чего это произведение разделить на площадь поперечного сечения магнитопровода. Стоит отметить, что от того, насколько точно проведен расчет тороидального трансформатора, зависит его КПД и срок службы. Поэтому лучше лишний раз повторите каждый этап расчета.

Намотать трансформатор своими руками – процесс не столько сложный, сколько длительный, требующий постоянной концентрации внимания.

Тем, кто приступает к такой работе в первый раз, бывает трудно разобраться, какой материал использовать и как проверить готовый прибор. Пошаговая инструкция, представленная ниже, даст новичкам ответы на все вопросы.

Прежде чем приступить непосредственно к намотке, необходимо запастись всеми необходимыми для выполнения работы приспособлениями и инструментами:

Виды и способы, направления намотки обмоток трансформатора представлены на фото:

Изоляция слоев обмотки

В некоторых случаях между проводами требуется вставить прокладки для изоляции. Чаще всего для этого используют конденсаторную или кабельную бумагу.
Середину соседних трансформаторных обмоток следует изолировать сильнее. Для изоляции и выравнивания поверхности под следующий слой обмотки потребуется специальная лакоткань , которую нужно обернуть с обеих сторон бумагой. Если лакоткани не найдется, то решить проблему можно с помощью все той же бумаги, сложенной в несколько слоев.

Бумажные полосы для изоляции должны быть шире обмотки на 2-4 мм.

Для проверки , прежде всего надо определить выводы всех его обмоток. Полезные советы о том, как проверить трансформатор мультиметром на работоспособность, читайте в следующей статье.

Алгоритм действий

1. Провод с катушкой закрепить в устройстве намотке , а каркас трансформатора – в устройстве намотки. Вращения делать мягкие, умеренные, без срывов.
2. Провод с катушки опустить на каркас.
3. Между столом и проводом оставить минимум 20 см , чтобы можно было расположить на столе руку и фиксировать провод. Также на столе должны находиться все сопутствующие материалы: наждачная бумага, ножницы, бумага для изоляции, включенный паяльный инструмент, карандаш или ручка.
4. Одной рукой плавно вращать намоточное устройство, а второй – фиксировать провод. Необходимо, чтобы провод ложился ровно, виток к витку.
5. Трансформаторный каркас заизолировать , а выведенный конец провода продеть сквозь каркасное отверстие и ненадолго зафиксировать на оси намоточного устройства.
6. Намотку следует начинать без спешки: необходимо «набить руку», чтобы получалось укладывать обороты друг рядом с другом.
7. Нужно следить, чтобы угол провода и натяжение были постоянными. Мотать каждый последующий слой «до упора» не следует, т. к. провода могу соскользнуть и провалиться в каркасные «щечки».
8. Счетное устройство (если есть) установить на ноль либо внимательно считать витки устно.
9. Изолирующий материал склеить или прижать мягким кольцом из резины.
10. Каждый последующий оборот на 1-2 витка делать тоньше предыдущего.

О намотке катушек трансформатора своими руками смотрите в видео-ролике:

Соединение проводов

Если в ходе наматывания произойдет разрыв, то:

• тонкие провода (тоньше 0,1 мм) скрутить и заварить;
• концы проводов средней толщины (менее 0,3 мм) следует освободить от изоляционного материала на 1-1.5 см, скрутить и спаять;
• концы толстых проводов (толще 0,3 мм) нужно немного зачистить и спаять без скрутки;
• место спайки (сварки) заизолировать.

Важные моменты

Если для намотки используется тонкий провод, то количество витков должно превышать несколько тысяч . Сверху обмотку необходимо защитить бумагой для изоляции или дерматином.

Если трансформатор обмотан толстым проводом, то наружная защита не требуется.

Испытание

После того, как с намоткой будет закончено, необходимо испытать трансформатор в действии , для этого следует подключить к сети его первичную обмотку.

Чтобы проверить прибор на возникновение коротких замыканий, следует последовательно подключить к источнику питания первичную обмотку и лампу.

Степень надежности изоляции проверяется посредством поочередного касания выведенным концом провода каждого выведенного конца сетевой обмотки.

Проводить испытание трансформатора следует очень внимательно и осторожно, дабы не попасть под напряжение повышающей обмотки.

Если неукоснительно следовать предложенной инструкции и не пренебрегать ни одним из пунктов , то намотка трансформатора вручную не будет представлять никаких сложностей, и справиться с ней сможет даже новичок.

По форме магнитопровода трансформаторы подразделяются на стержневые, броневые и тороидальные. Казалось бы, разницы нет, ведь главное – мощность, которую способен преобразовать трансформатор. Но если взять три трансформатора с магнитопроводами разной формы на одну и ту же габаритную мощность, то выяснится, что тороидальный трансформатор покажет лучшие рабочие характеристики из всех. Именно по этой причине чаще всего для питания различных устройств во многих промышленных сферах выбор останавливают, конечно, на тороидальных трансформаторах в силу их высокой эффективности.

Сегодня тороидальные трансформаторы применяют в различных сферах промышленности, и наиболее часто тороидальные трансформаторы устанавливают в источники бесперебойного питания, в стабилизаторы напряжения, применяют для питания осветительной техники и радиотехники, часто тороидальные трансформаторы можно увидеть в медицинском и диагностическом оборудовании, в сварочном оборудовании и т.д.

Как вы понимаете, говоря «тороидальный трансформатор», подразумевают обычно сетевой однофазный трансформатор, силовой или измерительный, повышающий или понижающий, у которого тороидальный сердечник оснащен двумя или несколькими обмотками.

Работает тороидальный трансформатор принципиально так же как и : он понижает или повышает напряжение, повышает или понижает ток – преобразует электроэнергию. Но тороидальный трансформатор отличается при той же передаваемой мощности меньшими размерами и меньшим весом, то есть лучшими экономическими показателями.

Главная особенность тороидального трансформатора – небольшой общий объем устройства, доходящий до половины в сравнении с другими типами магнитопроводов. вдвое больше по объему чем тороидальный ленточный сердечник при той же габаритной мощности. Поэтому тороидальные трансформаторы удобнее устанавливать и подключать, и уже не так важно, идет ли речь о внутреннем или о наружном монтаже.

Любой специалист скажет, что тороидальная форма сердечника является идеальной для трансформатора по нескольким причинам: во-первых, экономия материалов на производстве, во-вторых, обмотки равномерно заполняют весь сердечник, распределяясь по всей его поверхности, не оставляя неиспользованных мест, в-третьих, поскольку обмотки имеют меньшую длину, КПД тороидальных трансформаторов получается выше в силу меньшего сопротивления провода обмоток.

Охлаждение обмоток – еще один важный фактор. Обмотки эффективно охлаждаются будучи расположены в форме тороида, следовательно плотность тока может быть более высокой. Потери в железе при этом минимальны и ток намагничивания сильно меньше. В итоге тепловая нагрузочная способность тороидального трансформатора оказывается очень высокой.

Экономия электроэнергии – еще один плюс в пользу тороидального трансформатора. Примерно на 30% больше энергии сохраняется при полной нагрузке, и примерно 80% на холостом ходу, в сравнении с шихтованными магнитопроводами иных форм. Показатель рассеяния у тороидальных трансформаторов в 5 раз меньше чем у броневых и стержневых трансформаторов, поэтому их можно безопасно использовать с чувствительным электронным оборудованием.

При мощности тороидального трансформатора до киловатта, он настолько легок и компактен, что для монтажа достаточно применить прижимную металлическую шайбу и болт. Потребителю всего то и нужно выбрать подходящий трансформатор по току нагрузки и по первичному и вторичному напряжениям. При изготовлении трансформатора на заводе рассчитывают площадь сечения сердечника, площадь окна, диаметры проводов обмоток, – и выбирают оптимальные габариты магнитопровода с учетом допустимой индукции в нем.

Для преобразования тока используются различные вид специальных устройств. Тороидальный трансформатор ТПП для сварочного аппарата и других приборов, можно намотать своими руками в домашних условиях, он является идеальным преобразователем энергии.

Конструкция

Первый двухполярный трансформатор был изготовлен еще Фарадеем, и согласно данным, это было именно тороидальное устройство. Тороидальный автотрансформатор (марка Штиль, ТМ2, ТТС4)– это прибор, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в другое. Они используется в различных линейных установках. Этот электромагнитный прибор может быть однофазным и трехфазным. Конструктивно состоит из:

1. Металлического диска, изготовленного из рулонной магнитной стали для трансформаторов;
2. Резиновой прокладки;
3. Выводов первичной обмотки;
4. Вторичной обмотки;
5. Изоляции между обмотками;
6. Экранирующей обмотки;
7. Дополнительным слоем между первичной обмоткой и экранирующей;
8. Первичной обмотки;
9. Изоляционного покрытия сердечника;
10. Тороидального сердечника;
11. Предохранителя;
12. Крепежных элементов;
13. Покрывной изоляции.

Для соединения обмоток используется магнитопровод.

Этот тип преобразователей может классифицироваться по назначению, охлаждению, типу магнитопровода, обмоткам. По назначению бывает импульсный, силовой, частотный преобразователь (ТСТ, ТНТ, ТТС, ТТ-3). По охлаждению – воздушный и масляный (ОСТ, ОСМ, ТМ). По количеству обмоток – двухобмоточный и более.

Фото — принцип работы трансформатора

Устройство этого типа используется в различных аудио- и видеоустановках, стабилизаторах, системах освещения. Главным отличием этой конструкции от других устройств является количество обмоток и форма сердечника. Физиками считается, что кольцевая форма – это идеальное исполнения якоря. В таком случае, намотка тороидального преобразователя выполняется равномерно, как и распределение тепла. Благодаря такому расположению катушек, преобразователь быстро охлаждается и даже при интенсивной работе не нуждается в использовании кулеров.

Фото — тороидальный кольцевой преобразователь

Достоинства тороидального трансформатора :

1. Небольшие габариты;
2. Выходной сигнал на торе очень сильный;
3. Обмотки имеют небольшую длину, и как результат уменьшенное сопротивление и повышенный КПД. Но также из-за этого при работе слышен определенный звуковой фон;
4. Отличные характеристики энергосбережения;
5. Простота в самостоятельной установке.

Преобразователь используется как сетевой стабилизатор, зарядное устройство, в качестве блока питания галогенных ламп, лампового усилителя УНЧ.

Фото — готовый ТПН25

Видео: назначение тороидальных трансформаторов

Принцип работы

Самый просто тороидальный трансформатор состоит из двух обмоток на кольце и сердечнике из стали. Первичная обмотка подключается к источнику электрического тока, а вторичная – к потребителю электроэнергии. За счет магнитопровода осуществляется соединение отдельных обмоток между собой и усиления их индуктивной связи. При включении питания в первичной обмотке создается переменный магнитный поток. Сцепляясь с отдельными обмотками, этот поток создает в них электромагнитную силу, которая зависит от количества витков намотки. Если изменять число обмоток, то можно сделать трансформатор для преобразования любого напряжения.

Фото — Принцип действия

Также преобразователи такого типа бывают понижающими и повышающими. Тороидальный понижающий трансформатор имеет высокое напряжение на выводах вторичной обмотки и низкое на первичной. Повышающий наоборот. Помимо этого, обмотки могут быть высшего напряжения или низшего, в зависимости от характеристик сети.

Как сделать

Изготовление тороидального трансформатора под силу даже молодым электрикам. Намотка и расчет не представляют собой ничего сложного. Предлагаем рассмотреть, как правильно мотать тороидальный магнитопровод для полуавтомата:

Учитывая, что 1 виток переносит 0,84 Вольт, схема намотки тороидального трансформатора выполняется по такому принципу:

Так можно с легкостью самостоятельно сделать тороидальный трансформатор 220 на 24 вольта. Описанную схему можно подключить как к дуговой сварке, так и к полуавтоматической. Параметры рассчитываются исходя из сечения провода, количества витков, размера кольца. Характеристики этого устройства позволяют производить ступенчатую регулировку. Среди достоинств принципа сборки: простота и доступность. Среди недостатков: большой вес.

Обзор цен

Купить тороидальный трансформатор HBL-200 можно в любом городе Российской Федерации и стран СНГ. Он используется для различной аудиоаппаратуры. Рассмотрим, сколько стоит преобразователь.

Термический анализ тороидальных трансформаторов с использованием метода конечных элементов

Авторов: Адриан Т.

Реферат:

В данной работе трехмерная тепловая модель силовой тороидальный трансформатор предлагается как для стационарного, так и для переходные состояния. Влияние электрического тока и окружающей среды температура на температурном распределении, было исследовано. Для подтверждения трехмерной тепловой модели были проведены некоторые экспериментальные были сделаны тесты.Существует хорошая корреляция между результаты экспериментов и моделирования.

Ключевые слова: Распределение температуры, термический анализ, тороидальный трансформатор.

Цифровой идентификатор объекта (DOI): doi.org/10.5281/zenodo.1082742

Процессия АПА БибТекс Чикаго EndNote Гарвард JSON МДА РИС XML ISO 690 PDF Скачано 3342

Каталожные номера:

[1] Эрнандес, Ф.де Леон и П. Гомес, “Расчетные формулы для утечки индуктивность тороидальных распределительных трансформаторов», IEEE Trans. on Power Доставка, т. 26, стр. 2197-2204, 2011.
[2] М.Т. Аскари, MZA Ab. Кадир и М. Изади, “О тенденции усовершенствование тепловой модели для расчета TOT и HST», Przegl─àd Elektrotechniczny, vol. 88, стр. 297-301, 2012.
[3] В. Маджаревич, И. Капетанович, М. Теьянович и М. Касумович, “Разный подход к тепловому моделированию трансформаторов – сравнение методов», междунар.Журнал энергетики и окружающей среды, том. 5, стр. 610-617, 2011.
[4] М.К. Попеску, Н.Э. Масторакис и Л. Попеску-Переску, “Новые аспекты предоставление моделей трансформаторов», Int. J. of Systems Applications, Инженерия и разработка, том. 2, стр. 53-63, 2009.
[5] Е.И. Амойралис, М. А. Цили, А. Г. Кладас, “Конструкция трансформатора и оптимизация: обзор литературы», IEEE Trans. On Power Delivery, vol. 24, стр. 1999-2024, 2009.
[6] A. Folvarcny, и M. Marek, “Экспериментальный анализ температуры влияние на параметры тока типа нагрузки тороидальный трансформаторов по сравнению с обычными типами трансформаторов», в 11-й междунар.науч. конф. по электроэнергетике, Брно, 2010, стр. 727- 731.
[7] К.К. Хван, П.Х. Тан и Ю.Х. Цзян, “Тепловой анализ высокочастотных трансформаторы с использованием конечных элементов, связанных с температурой метод подъема», IEE Proc. – Приложения для электроэнергетики, том 152, стр. 832-836, 2005.
[8] А. Лефевр, Л. Мьежвиль, Ж. Фуладгар и Г. Оливье, “3-D расчет перегрева трансформаторов при нелинейных нагрузках», IEEE Транс. по магнетизму, т. 1, с. 41, стр. 1564-1567, 2005.
[9] К.Коидзуми и М. Ишизука, «Тепловое моделирование тороидального индуктора». J. Nihon Kikai Gakkai Nenji Taikai Koen Ronbunshu, vol. 6, стр. 299- 300, 2005.
[10] В. Гальди, Л. Ипполито, А. Пикколо и А. Ваккаро, “Параметр идентификация тепловой модели силовых трансформаторов с помощью генетического алгоритмы, “Исследование систем электроэнергетики”, том 60, стр. 107-113, 2001.
[11] Н. Туткун, “Генетическая оценка потерь железа в полосовой намотанной тороидальной сердечники в условиях потока ШИМ, “J. of Magnetism and Magnetic Материалы, вып.300, стр. 506-518, 2006.
[12] O. Nimet, G. Grellet, H. Morel, J.J. Руссо и Д. Лиго «Оптимальный конструкция тороидального трансформатора, питаемого несинусоидальной высокочастотной тока», на 8-й Международной конференции по силовой электронике и регулируемой скорости. Диски, 2000, стр. 57-62.
[13] С. Р. Салливан, В. Ли, П. Прабхакаран и С. Лу, “Проектирование и изготовление тороидальных индукторов с воздушным сердечником с малыми потерями», в IEEE Power Electronics конф. специалистов, 2007, с. 1754-1759.
[14] А.Дж. Мозес и Н. Туткун, “Исследование потери мощности в ране”. тороидальные сердечники при ШИМ-возбуждении», IEEE Trans.по магнетизму, т. 1, с. 33, стр. 3763-3765, 1997.
[15] П. Дж. Турчи, В. А. Реасс, К. Л. Русскульп, Д.М. Оро, Ф.Э. Меррилл, Дж.Р. Гриего и др., “Оценка напряжения проводника в импульсном сильноточном тороидальный трансформатор», на 17-й Международной конференции по импульсной мощности IEEE, Вашингтон, округ Колумбия, 2009 г., стр. 372-377.
[16] С. Пурушотаман и Ф. де Леон, «Модель теплопередачи для тороидальных трансформаторы», IEEE Trans. on Power Delivery, том 27, стр. 813-820, 2012.
[17] М.А. Сакет, Б. Джандаги, М. Могаддами и Х.Ораи, «Термальный моделирование с сосредоточенными параметрами тороидального трансформатора», в Electric Power Инженерные системы и системы управления 2011, Львов, 2011, стр. 1-6.
[18] А.В. Сериков, Т.В. Герасименко, “Тепловой расчет радиатор трансформаторного типа, Российская электротехника, т. 82, с. 371-376, 2011.
[19] А. Фольварм, М. Марек, Р. Хольков, “Магнитные свойства типы сердечников для тороидальных трансформаторов из тонких листов с низкими потерями и тепловое влияние на результирующий ток холостого хода трансформатора», Дж.из Электротехника, вып. 61, стр. 137-140, 2010.
[20] Б. Гржесик, М. Степьен и Р. Джез, «Тороидальный высокотемпературный трансформатор с холодным магнитопровод – анализ с помощью ПО МКЭ // Журн. физики: конф. Серия: 9-я Европейская конф. по прикладной сверхпроводимости, 2009, стр. 1-8.
[21] Б.А. Лучано, Х. М. Кавальканте де Альбукерке, В. Бенсио де Кастро, и C.R.M. Афонсо, «Нанокристаллический материал в тороидальных сердечниках для трансформатор тока: аналитическое исследование и компьютерное моделирование». Материаловедение, том.8:4, стр. 395-400, 2005.
[22] М. Ван дер Вин, Ф. де Леон, Б. Гладстон и В. Тату, “Измерение акустический шум, издаваемый силовыми трансформаторами», в AES 109th Конвенция, Лос-Анджелес, 2000 г., стр. 1-19.

Конструкция трансформатора и катушки индуктивности — Switchcraft

Затем максимальный поток в сердечнике рассчитывается как: однако двойная, так как сердечник может быть намагничен в обоих направлениях, т.е.{\pi} \]

\( \cos(0) = 1 \) и \( \cos(\pi) = -1 \), следовательно:

\[ V_{avg} = \frac{2 V_p }{\pi} \]

В нашем примере среднее напряжение вычисляется как:

\[ V_{avg} = \frac{2 \cdot 230 \cdot \sqrt{2}}{\pi} = 207 V \]

Необходимое количество витков вычисляется как:

\[ N = \frac{207 \cdot 0,01}{0,00352} = 588\]

Следовательно, выраженное в среднеквадратичных значениях, мы имеем 0,39 вольта на виток или 2,56 витка на вольт. Для вторичной обмотки необходимое количество витков просто рассчитывается путем умножения на 2.56 на желаемое напряжение.

если требуемое вторичное напряжение равно \(18\;В\) (что может быть подходящим для линейного регулируемого источника питания 12 В), необходимое количество витков будет:

\begin{equation*}
2,56 \cdot 18 = 46
\end{equation*}

Допустимая мощность

Вычисление мощности не так просто, как вычисление необходимого количества витков. Однако для небольших трансформаторов обычно безопасно делать некоторые предположения, основанные на опыте. Одним из таких предположений является то, что эффективность 90%, т.е.2}{R} = \frac{230 \cdot 0,05}{8,59} = 15,4 Вт \]

Тогда номинальная входная мощность трансформатора рассчитывается как:

\[ P = \frac{15,4}{0,1} = 154 Вт \]

Примечание о постоянном токе

Постоянный ток в трансформаторе обычно не очень хорош. Это будет , а не вклад в мощность, выдаваемую трансформатором, но он будет способствовать магнитному потоку в сердечнике. Это означает, что ядро ​​будет ближе к насыщению. Если трансформатор спроектирован таким образом, чтобы быть на грани насыщения без постоянного тока, он будет насыщаться.

Если вы предполагаете, что в трансформаторе должен быть постоянный ток, вы должны применять те же конструктивные ограничения, что и при проектировании катушки индуктивности, предназначенной для постоянного тока. Обычно это означает добавление воздушного зазора к сердечнику, чтобы уменьшить эффективную проницаемость.

Индуктивность – параметр любой электрической сети, характеризующий ее способность сопротивляться изменению тока.

\begin{equation}
\text{ЭДС} = -L\frac{\mathrm{d}i}{\mathrm{d}t} \Rightarrow L =  – \text{ЭДС} \frac{\mathrm{ d}t}{\mathrm{d}i}
\end{equation}

Аккумулирование энергии

Аккумулирование энергии обычно нежелательно в трансформаторах, однако часто это основная цель индуктора.2
\end{equation}

Где \(I\) – ток намагничивания. т.е. при расчете запаса энергии в трансформаторе он будет меньше полного тока.

Коэффициент добротности

Коэффициент добротности катушки индуктивности описывает устройство по отношению к идеальному компоненту. Это имеет особое значение в радиочастотных приложениях.

Добротность индуктора определяется по формуле:

\begin{equation}
Q_L = \frac{X_L}{R_L} = \frac{2\pi f L}{R_L}
\end{equation}

Следовательно, добротность зависит от частоты, на которой используется дроссель.2\) площадь поперечного сечения. Лучший способ увеличить мощность — уменьшить индуктивность и, следовательно, увеличить ток в сердечнике. Помните, что мощность зависит от тока в квадрате.

Вводя воздушный зазор в магнитопровод, эффективная магнитная проницаемость уменьшится, и, следовательно, уменьшится значение \(A_L\).

Энергия, запасенная в сердечнике, может извлекаться второй обмоткой на том же сердечнике, как и в обратноходовой топологии. В качестве альтернативы его можно использовать, подключив катушку индуктивности к другой цепи после ее зарядки, как в топологиях buck/boost.

Тороиды

Тороидальные сердечники можно разделить на две основные категории в зависимости от материала, из которого они изготовлены. Сердечники из феррита и железного порошка.

Феррит обладает самой высокой проницаемостью, но не подходит для высоких частот. Кроме того, как мы видели, высокая проницаемость не всегда является преимуществом.

Полезный веб-сайт со спецификациями для различных тороидальных сердечников находится по адресу: http://toroids.info/

Как упоминалось ранее, плотность потока должна быть ограничена, чтобы избежать насыщения сердечника.Для ферритовых тороидальных сердечников это накладывает ограничение:

\begin{equation}
\frac{V}{2 f N A} \le 0,3
\end{equation}

Где \(N\) – число витков обмотки , а \(А\) — площадь поперечного сечения сердечника.

Практические соображения – Трансформаторы | Трансформеры

Мощность

Как уже отмечалось, трансформаторы должны быть хорошо спроектированы, чтобы обеспечить приемлемую мощность, жесткую регулировку напряжения и низкое искажение тока возбуждения.Кроме того, трансформаторы должны быть спроектированы так, чтобы без проблем выдерживать ожидаемые значения тока первичной и вторичной обмотки.

Это означает, что проводники обмотки должны быть изготовлены из проволоки соответствующего сечения, чтобы избежать проблем с нагревом.

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор должен иметь идеальную связь (отсутствие индуктивности рассеяния), идеальное регулирование напряжения, идеально синусоидальный ток возбуждения, отсутствие потерь на гистерезис или вихревые токи, а также достаточно толстый провод, чтобы выдерживать любой ток.К сожалению, идеальный трансформатор должен быть бесконечно большим и тяжелым, чтобы соответствовать этим конструктивным целям.

Таким образом, при разработке практичного трансформатора необходимо идти на компромиссы.

Кроме того, изоляция проводников обмотки представляет собой проблему, когда встречаются высокие напряжения, как это часто бывает в повышающих и понижающих силовых распределительных трансформаторах.

Не только обмотки должны быть хорошо изолированы от железного сердечника, но и каждая обмотка должна быть достаточно изолирована от другой, чтобы поддерживать электрическую изоляцию между обмотками.

Номинальные параметры трансформатора

С учетом этих ограничений трансформаторы рассчитаны на определенные уровни напряжения и тока первичной и вторичной обмотки, хотя номинальный ток обычно определяется номинальным значением вольт-ампер (ВА), присвоенным трансформатору.

Например, возьмите понижающий трансформатор с номинальным первичным напряжением 120 вольт, номинальным напряжением вторичной обмотки 48 вольт и номиналом ВА 1 кВА (1000 ВА). Максимальные токи обмотки можно определить следующим образом: кВА (1000 ВА).Максимальные токи обмотки можно определить следующим образом:

 

 

Иногда обмотки имеют номинальный ток в амперах, но это обычно наблюдается на небольших трансформаторах. Большие трансформаторы почти всегда оцениваются по напряжению обмотки и ВА или кВА.

Потери энергии

Когда трансформаторы передают энергию, они делают это с минимальными потерями. Как было сказано ранее, современные конструкции силовых трансформаторов обычно превышают 95% КПД.Однако полезно знать, куда уходит часть этой потерянной силы и что вызывает ее потерю.

Есть, конечно, потери мощности из-за сопротивления обмоток проводов. Если не используются сверхпроводящие провода, всегда будет рассеиваться мощность в виде тепла через сопротивление проводников с током. Поскольку для трансформаторов требуются такие длинные провода, эти потери могут быть значительным фактором.

Увеличение сечения обмоточного провода является одним из способов минимизировать эти потери, но только при существенном увеличении стоимости, размера и веса.

Вихретоковые потери

Помимо резистивных потерь, большая часть потерь мощности трансформатора связана с магнитными эффектами в сердечнике. Возможно, наиболее значительными из этих «потерей в сердечнике» являются потери на вихревые токи , которые представляют собой резистивное рассеивание мощности из-за прохождения индуцированных токов через железо сердечника.

Поскольку железо является проводником электричества, а также отличным «проводником» магнитного потока, в железе будут индуцироваться токи точно так же, как во вторичных обмотках индуцируются токи от переменного магнитного поля.

Эти индуцированные токи, как описано в пункте о перпендикулярности закона Фарадея, имеют тенденцию циркулировать через поперечное сечение сердечника перпендикулярно виткам первичной обмотки.

Их круговое движение дало им необычное название: они похожи на водовороты в потоке воды, которые циркулируют, а не движутся по прямым линиям.

Железо является хорошим проводником электричества, но не таким хорошим, как медь или алюминий, из которых обычно изготавливаются обмотки. Следовательно, эти «вихревые токи» должны преодолевать значительное электрическое сопротивление, когда они циркулируют через сердечник.

Преодолевая сопротивление железа, они рассеивают энергию в виде тепла. Следовательно, у нас есть источник неэффективности трансформатора, который трудно устранить.

Индукционный нагрев

Это явление настолько выражено, что его часто используют для нагревания черных (железосодержащих) материалов. На фотографии ниже показан блок «индукционного нагрева», повышающий температуру большого участка трубы.

Петли проволоки, покрытые высокотемпературной изоляцией, окружают трубу по окружности, вызывая вихревые токи в стенке трубы за счет электромагнитной индукции.Для максимального эффекта вихревых токов используется переменный ток высокой частоты, а не частота сети (60 Гц).

Коробчатые блоки в правой части изображения производят высокочастотный переменный ток и регулируют величину тока в проводах, чтобы стабилизировать температуру трубы на заранее определенном «уставке».

 

Индукционный нагрев: Первичная изолированная обмотка наводит ток в железную трубу с потерями (вторичную).

 

Смягчение вихревых токов

Основная стратегия уменьшения этих расточительных вихревых токов в сердечниках трансформаторов состоит в том, чтобы формировать железный сердечник в виде листов, каждый из которых покрыт изолирующим лаком, так что сердечник делится на тонкие пластины.В результате ширина сердечника очень мала для циркуляции вихревых токов:

 

Разделение стального сердечника на тонкие изолированные слои сводит к минимуму потери на вихревые токи.

 

Многослойные сердечники , подобные показанному здесь, входят в стандартную комплектацию почти всех низкочастотных трансформаторов. Вспомните из фотографии разрезанного пополам трансформатора, что железный сердечник состоял из множества тонких листов, а не из одного сплошного куска.

Потери на вихревые токи увеличиваются с увеличением частоты, поэтому трансформаторы, предназначенные для работы на более высокой частоте (например, 400 Гц, используемой во многих военных и авиационных приложениях), должны использовать более тонкие пластины, чтобы свести потери к приемлемому минимуму.

Это приводит к нежелательному эффекту увеличения стоимости изготовления трансформатора.

Другой аналогичный метод минимизации потерь на вихревые токи, который лучше подходит для высокочастотных приложений, заключается в изготовлении сердечника из железного порошка вместо тонких листов железа.

Как и ламинированные листы, эти гранулы железа по отдельности покрыты электроизоляционным материалом, что делает сердцевину непроводящей, за исключением ширины каждой гранулы.Сердечники из порошкового железа часто встречаются в трансформаторах, работающих с радиочастотными токами.

Магнитный гистерезис

Еще одна «потеря в сердечнике» связана с магнитным гистерезисом . Все ферромагнитные материалы имеют тенденцию сохранять некоторую степень намагниченности после воздействия внешнего магнитного поля.

Эта тенденция оставаться намагниченной называется «гистерезисом», и для преодоления этого противодействия требуются определенные затраты энергии, чтобы измениться каждый раз, когда магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой, меняет полярность (дважды за цикл переменного тока).

Этот тип потерь можно уменьшить за счет правильного выбора материала сердечника (выбор сплава сердечника с низким гистерезисом, о чем свидетельствует «тонкая» кривая гистерезиса B/H) и проектирования сердечника с минимальной плотностью потока (большая площадь поперечного сечения). ).

Скин-эффект на высоких частотах

Потери энергии в трансформаторе увеличиваются с увеличением частоты. Скин-эффект в проводниках обмотки уменьшает доступную площадь поперечного сечения для потока электрического заряда, тем самым увеличивая эффективное сопротивление по мере увеличения частоты и увеличивая потери мощности из-за резистивного рассеяния.

Потери в магнитном сердечнике также преувеличены с более высокими частотами, вихревыми токами и эффектами гистерезиса, которые становятся более серьезными. По этой причине трансформаторы значительных размеров рассчитаны на эффективную работу в ограниченном диапазоне частот.

В большинстве систем распределения электроэнергии, где частота сети очень стабильна, можно подумать, что чрезмерная частота никогда не будет проблемой. К сожалению, это происходит в виде гармоник, создаваемых нелинейными нагрузками.

Как мы видели в предыдущих главах, несинусоидальные сигналы эквивалентны аддитивным сериям нескольких синусоидальных сигналов с разными амплитудами и частотами.В энергосистемах эти другие частоты являются целыми кратными основной (линейной) частоте, а это означает, что они всегда будут выше, а не ниже расчетной частоты трансформатора.

В значительной степени они могут вызвать сильный перегрев трансформатора. Силовые трансформаторы могут быть спроектированы так, чтобы справляться с определенными уровнями гармоник энергосистемы, и эта способность иногда обозначается рейтингом «К-фактор».

Паразитная емкость и индуктивность

Помимо номинальной мощности и потерь мощности, трансформаторы часто имеют другие нежелательные ограничения, о которых должны знать разработчики схем.Как и их более простые аналоги — катушки индуктивности, трансформаторы обладают емкостью за счет диэлектрической изоляции между проводниками: от обмотки к обмотке, от витка к витку (в одной обмотке) и от обмотки к сердечнику.

Резонансная частота трансформатора

Обычно эта емкость не имеет значения в силовых приложениях, но приложения со слабыми сигналами (особенно с высокой частотой) могут плохо переносить эту особенность.

Кроме того, эффект наличия емкости наряду с расчетной индуктивностью обмоток дает трансформаторам возможность резонировать на определенной частоте, что определенно является проблемой при разработке сигналов, где приложенная частота может достигать этой точки (обычно резонансная частота силовой трансформатор находится далеко за пределами частоты сети переменного тока, для которой он был разработан).

Защита от флюса

Сдерживание магнитного потока (убедиться, что магнитный поток трансформатора не уходит, чтобы мешать другому устройству, и убедиться, что магнитный поток других устройств экранирован от сердечника трансформатора) — еще одна проблема, которую разделяют как катушки индуктивности, так и трансформаторы.

Индуктивность рассеяния

С проблемой сдерживания магнитного потока тесно связана индуктивность рассеяния. Мы уже видели пагубное влияние индуктивности рассеяния на регулирование напряжения с помощью моделирования SPICE в начале этой главы.Поскольку индуктивность рассеяния эквивалентна индуктивности, включенной последовательно с обмоткой трансформатора, она проявляется как последовательное сопротивление с нагрузкой.

Таким образом, чем больший ток потребляет нагрузка, тем меньшее напряжение имеется на клеммах вторичной обмотки. Обычно в конструкции трансформатора требуется хорошая стабилизация напряжения, но есть и исключительные случаи.

Как было сказано ранее, разрядные осветительные цепи требуют наличия повышающего трансформатора с «свободной» (плохой) регулировкой напряжения для обеспечения пониженного напряжения после образования дуги через лампу.Один из способов выполнить этот конструктивный критерий состоит в том, чтобы спроектировать трансформатор с путями рассеяния магнитного потока, чтобы магнитный поток обходил вторичную обмотку (обмотки).

Результирующий поток рассеяния создаст индуктивность рассеяния, что, в свою очередь, приведет к плохому регулированию, необходимому для газоразрядного освещения.

Основная насыщенность

Производительность трансформаторов

также ограничена ограничениями магнитного потока сердечника. Для трансформаторов с ферромагнитным сердечником мы должны помнить о пределах насыщения сердечника.

Помните, что ферромагнитные материалы не могут поддерживать бесконечные плотности магнитного потока: они имеют тенденцию к «насыщению» на определенном уровне (продиктованном размерами материала и сердечника), а это означает, что дальнейшее увеличение силы магнитного поля (ммс) не приводит к пропорциональному увеличению поток магнитного поля (Ф).

Когда первичная обмотка трансформатора перегружена из-за чрезмерного приложенного напряжения, поток сердечника может достичь уровней насыщения в пиковые моменты синусоидального цикла переменного тока.Если это произойдет, напряжение, индуцированное во вторичной обмотке, больше не будет соответствовать форме волны напряжения, питающего первичную обмотку.

Другими словами, перегруженный трансформатор будет искажать форму волны от первичной обмотки к вторичной, создавая гармоники на выходе вторичной обмотки. Как мы обсуждали ранее, содержание гармоник в энергосистемах переменного тока обычно вызывает проблемы.

Пиковые трансформаторы

Специальные трансформаторы, известные как пиковые трансформаторы , используют этот принцип для создания коротких импульсов напряжения вблизи пиков формы сигнала напряжения источника.Ядро рассчитано на быстрое и резкое насыщение при уровнях напряжения значительно ниже пиковых.

Это приводит к сильно обрезанной синусоидальной форме волны потока и импульсам вторичного напряжения только при изменении потока (ниже уровня насыщения):

 

Осциллограммы напряжения и потока для пикового трансформатора.

 

Работа на частотах ниже нормы

Другой причиной ненормального насыщения сердечника трансформатора является работа на частотах ниже нормы.Например, если силовой трансформатор, предназначенный для работы на частоте 60 Гц, вынужден вместо этого работать на частоте 50 Гц, поток должен достичь более высоких пиковых уровней, чем раньше, чтобы создать такое же противодействующее напряжение, необходимое для баланса с напряжением источника.

Это верно, даже если напряжение источника такое же, как и раньше.

 

Магнитный поток выше в сердечнике трансформатора с частотой 50 Гц по сравнению с 60 Гц при том же напряжении.

 

Поскольку мгновенное напряжение обмотки пропорционально мгновенной скорости изменения магнитного потока в трансформаторе, форма волны напряжения, достигающая того же пикового значения, но требующая больше времени для завершения каждого полупериода, требует, чтобы поток поддерживал с той же скоростью изменения, что и раньше, но в течение более длительных периодов времени.

Таким образом, если поток должен увеличиваться с той же скоростью, что и раньше, но в течение более длительных периодов времени, он будет увеличиваться до большего пикового значения.

Математически это еще один пример исчисления в действии. Поскольку напряжение пропорционально скорости изменения потока, мы говорим, что форма волны напряжения является производной формы волны потока, «производной» является та вычислительная операция, которая определяет одну математическую функцию (форму волны) в терминах скорости- из-изменения другого.

Однако, если мы возьмем противоположную точку зрения и свяжем исходную форму волны с ее производной, мы можем назвать исходную форму волны интегралом производной формы волны. В этом случае форма волны напряжения является производной формы волны потока, а форма волны потока является интегралом формы волны напряжения.

Интеграл любой математической функции пропорционален площади под кривой этой функции. Поскольку каждый полупериод сигнала с частотой 50 Гц накапливает большую площадь между ним и нулевой линией графика, чем сигнал с частотой 60 Гц, а мы знаем, что магнитный поток является интегралом напряжения, поток будет достигать более высоких значений в рисунок ниже.

 

Поток, изменяющийся с той же скоростью, поднимается до более высокого уровня при 50 Гц, чем при 60 Гц.

 

Еще одной причиной насыщения трансформатора является наличие постоянного тока в первичной обмотке. Любое падение напряжения постоянного тока на первичной обмотке трансформатора вызовет дополнительный магнитный поток в сердечнике. Это дополнительное «смещение» или «смещение» потока подтолкнет сигнал переменного потока ближе к насыщению в одном полупериоде, чем в другом.

 

DC в первичной обмотке смещает пики сигнала в сторону верхнего предела насыщения.

 

Для большинства трансформаторов насыщение сердечника является очень нежелательным эффектом, и его можно избежать за счет хорошей конструкции: проектирования обмоток и сердечника таким образом, чтобы плотность магнитного потока оставалась значительно ниже уровней насыщения.

Это гарантирует, что связь между mmf и Φ будет более линейной на протяжении всего цикла магнитного потока, что хорошо, поскольку вносит меньшие искажения в форму волны тока намагничивания.

Кроме того, разработка сердечника для низких плотностей потока обеспечивает безопасный запас между нормальными пиками потока и пределами насыщения сердечника для адаптации к случайным аномальным условиям, таким как изменение частоты и смещение постоянного тока.

Пусковой ток

Когда трансформатор изначально подключен к источнику переменного напряжения, может возникнуть значительный выброс тока через первичную обмотку, называемый пусковым током . Это аналогично пусковому току электродвигателя, который запускается при внезапном подключении к источнику питания, хотя пусковой ток трансформатора вызывается другим явлением.

Мы знаем, что скорость изменения мгновенного потока в сердечнике трансформатора пропорциональна мгновенному падению напряжения на первичной обмотке. Или, как указывалось ранее, форма волны напряжения является производной формы волны потока, а форма волны потока является интегралом формы волны напряжения.

В непрерывно работающем трансформаторе эти две формы волны сдвинуты по фазе на 90°. Поскольку поток (Φ) пропорционален магнитодвижущей силе (mmf) в сердечнике, а mmf пропорционален току обмотки, форма волны тока будет совпадать по фазе с формой волны потока, и обе они будут отставать от формы волны напряжения на 90°. °:

 

Непрерывная установившаяся работа: магнитный поток, как и ток, отстает от приложенного напряжения на 90°.

 

Предположим, что первичная обмотка трансформатора внезапно подключается к источнику переменного напряжения именно в тот момент времени, когда мгновенное напряжение имеет положительное пиковое значение.

Для того, чтобы трансформатор создавал противоположное падение напряжения, чтобы уравновесить это приложенное напряжение источника, должен быть создан магнитный поток быстро увеличивающегося значения. В результате ток обмотки быстро увеличивается, но на самом деле не быстрее, чем в нормальных условиях:

 

Подключение трансформатора к линии при пиковом напряжении переменного тока: поток быстро возрастает от нуля, как и в установившемся режиме.

 

И поток в сердечнике, и ток в обмотке начинаются с нуля и достигают тех же пиковых значений, что и во время непрерывной работы. Таким образом, в этом сценарии нет ни «броска», ни «броска», ни тока.

В качестве альтернативы рассмотрим, что произойдет, если подключение трансформатора к источнику переменного напряжения произойдет именно в тот момент времени, когда мгновенное напряжение равно нулю.

Во время непрерывной работы (когда трансформатор находится под напряжением в течение достаточно долгого времени) это момент времени, когда и магнитный поток, и ток обмотки имеют свои отрицательные пики, испытывая нулевую скорость изменения (dΦ/dt = 0 и di /дт = 0).

Когда напряжение достигает своего положительного пика, кривые потока и тока достигают своей максимальной положительной скорости изменения и поднимаются вверх до своих положительных пиков, когда напряжение снижается до уровня нуля:

 

Запуск при e=0 В отличается от непрерывной работы на рисунке выше. Эти ожидаемые формы сигналов неверны — Φ и I должны начинаться с нуля.

 

Однако существует значительная разница между работой в непрерывном режиме и условиями внезапного пуска, предполагаемыми в этом сценарии: во время непрерывной работы уровни потока и тока были на своих отрицательных пиках, когда напряжение было на нулевых точках; однако в трансформаторе, который простаивал, как магнитный поток, так и ток обмотки должны начинаться с нуля .

Когда магнитный поток увеличивается в ответ на повышение напряжения, он будет увеличиваться от нуля вверх, а не от ранее отрицательного (намагниченного) состояния, как это обычно бывает в трансформаторе, на который некоторое время подается питание.

Таким образом, в трансформаторе, который только «запускается», магнитный поток достигнет примерно вдвое большей своей нормальной пиковой величины, так как он «интегрирует» площадь под первым полупериодом сигнала напряжения:

 

Начиная с e=0 В, Φ начинается с начального состояния Φ=0, увеличиваясь вдвое по сравнению с нормальным значением, при условии, что ядро ​​не насыщается.

 

В идеальном трансформаторе ток намагничивания также увеличился бы примерно в два раза по сравнению с нормальным пиковым значением, создавая необходимую МДС для создания этого потока, превышающего нормальный.

Однако большинство трансформаторов спроектированы с недостаточным запасом между нормальными пиками потока и пределами насыщения, чтобы избежать насыщения в таких условиях, и поэтому сердечник почти наверняка насыщается в течение этого первого полупериода напряжения.

Во время насыщения для создания магнитного потока требуется непропорциональное количество МДС.Это означает, что ток обмотки, который создает МДС, вызывающий магнитный поток в сердечнике, непропорционально возрастет до значения , легко превысив в два раза по сравнению с его нормальным пиком:

 

Начиная с e=0 В, ток также увеличивается в два раза по сравнению с нормальным значением для ненасыщенного сердечника или значительно выше в (предназначенном для) случае насыщения.

 

Это механизм, вызывающий пусковой ток в первичной обмотке трансформатора при подключении к источнику переменного напряжения.Как видите, величина пускового тока сильно зависит от точного времени электрического подключения к источнику.

Если в момент подключения к источнику в сердечнике трансформатора имеется остаточный магнетизм, пусковой ток может быть еще более серьезным. Из-за этого устройства защиты трансформатора от перегрузки по току обычно относятся к типу «медленного действия», чтобы выдерживать скачки тока, подобные этому, без размыкания цепи.

Тепло и шум

В дополнение к нежелательным электрическим эффектам трансформаторы могут также проявлять нежелательные физические эффекты, наиболее заметными из которых являются тепловыделение и шум.Шум в первую очередь является неприятным эффектом, но тепло является потенциально серьезной проблемой, поскольку изоляция обмотки будет повреждена, если допустить перегрев.

Нагрев можно свести к минимуму за счет хорошей конструкции, гарантирующей, что сердечник не приближается к уровню насыщения, что вихревые токи сведены к минимуму, а обмотки не перегружены или не работают слишком близко к максимальной мощности.

Сердечник и обмотки крупных силовых трансформаторов погружаются в масляную ванну для отвода тепла и подавления шума, а также для вытеснения влаги, которая в противном случае могла бы нарушить целостность изоляции обмоток.

Теплоотводящие «радиаторные» трубки на внешней стороне корпуса трансформатора обеспечивают конвективный путь потока масла для передачи тепла от сердечника трансформатора окружающему воздуху:

 

Большие силовые трансформаторы погружены в теплорассеивающее изоляционное масло.

 

Безмасляные или «сухие» трансформаторы часто оцениваются по максимальной рабочей температуре «повышение» (превышение температуры окружающей среды) в соответствии с буквенной системой класса: A, B, F или H.Эти буквенные коды расположены в порядке от самой низкой термостойкости к самой высокой:

• Класс A: Повышение температуры обмотки не более чем на 55°C при температуре окружающего воздуха 40°C (максимум).
• Класс B: Превышение температуры обмотки не более 80°C при температуре окружающего воздуха 40°C (максимум).
• Класс F: Превышение температуры обмотки не более 115°С при температуре окружающего воздуха 40°С (максимум).
• Класс H: Превышение температуры обмотки не более 150°C при температуре окружающего воздуха 40°C (максимум).

Звуковой шум — это эффект, в первую очередь возникающий из-за явления магнитострикции : легкое изменение длины ферромагнитного объекта при намагничивании.

Знакомый «гул», слышимый вокруг больших силовых трансформаторов, — это звук расширения и сжатия железного сердечника на частоте 120 Гц (удвоенная системная частота, равная 60 Гц в США) — один цикл сжатия и расширения сердечника на каждый пик формы волны магнитного потока плюс шум, создаваемый механическими силами между первичной и вторичной обмотками.

Опять же, поддержание низких уровней магнитного потока в сердечнике является ключом к минимизации этого эффекта, что объясняет, почему феррорезонансные трансформаторы, которые должны работать в режиме насыщения для большей части формы волны тока, работают как с перегревом, так и с шумом.

Потери из-за магнитных сил обмотки

Другим явлением, вызывающим шум в силовых трансформаторах, является сила физической реакции между первичной и вторичной обмотками при большой нагрузке.

Если вторичная обмотка разомкнута, то через нее не будет протекать ток, а следовательно, и создаваемая ею магнитодвижущая сила (МДС).Однако, когда вторичная обмотка «нагружена» (в настоящее время подается на нагрузку), обмотка генерирует МДС, которой противодействует «отраженная» МДС в первичной обмотке, чтобы предотвратить изменение уровней магнитного потока в сердечнике.

Эти противоположные МДС, генерируемые между первичной и вторичной обмотками в результате вторичного тока (нагрузки), создают отталкивающую физическую силу между обмотками, которая заставляет их вибрировать.

Разработчики трансформаторов должны учитывать эти физические силы при конструировании катушек обмотки, чтобы обеспечить достаточную механическую опору для преодоления нагрузок.Однако в условиях большой нагрузки (высокого тока) эти напряжения могут быть достаточно большими, чтобы вызвать слышимый шум, исходящий от трансформатора.

 

ОБЗОР:

• Силовые трансформаторы ограничены по мощности, которую они могут передавать от первичной обмотки к вторичной. Большие устройства обычно оцениваются в ВА (вольт-ампер) или кВА (киловольт-ампер).
• Сопротивление в обмотках трансформатора снижает его эффективность, так как ток рассеивает тепло, что приводит к потере энергии.
• Магнитные эффекты в железном сердечнике трансформатора также способствуют снижению эффективности. Среди эффектов вихревые токи (циркулирующие индукционные токи в железном сердечнике) и гистерезис (потеря мощности из-за преодоления тенденции железа намагничиваться в определенном направлении).
• Увеличение частоты приводит к увеличению потерь мощности в силовом трансформаторе. Наличие гармоник в энергосистеме является источником частот, значительно превышающих нормальные, что может вызвать перегрев больших трансформаторов.
• Как трансформаторы, так и катушки индуктивности обладают определенной неизбежной емкостью из-за изоляции проводов (диэлектрика), отделяющей витки обмотки от железного сердечника и друг от друга. Эта емкость может быть достаточно значительной, чтобы обеспечить трансформатору собственную резонансную частоту , что может быть проблематично в сигнальных приложениях.
• Индуктивность рассеяния возникает из-за того, что магнитный поток не на 100 % связан между обмотками трансформатора. Любой поток, не связанный с передачей энергии от одной обмотки к другой, будет накапливать и выделять энергию, как работает (само)индуктивность.Индуктивность рассеяния имеет тенденцию ухудшать стабилизацию напряжения трансформатора (вторичное напряжение «проседает» сильнее при заданном токе нагрузки).
• Магнитное насыщение сердечника трансформатора может быть вызвано чрезмерным первичным напряжением, работой на слишком низкой частоте и/или наличием постоянного тока в любой из обмоток. Насыщение можно свести к минимуму или избежать с помощью консервативной конструкции, которая обеспечивает достаточный запас прочности между пиковыми значениями плотности магнитного потока и пределами насыщения сердечника.
• Трансформаторы часто испытывают значительные пусковые токи при первоначальном подключении к источнику переменного напряжения.