Вибір трансформатора по потужності

Кожен радіоаматор стикається з вибором трансформатора для харчування різних схем і пристроїв, а також для створення блоків живлення. З цією метою можна використовувати вже готові варіанти або ж розрахувати і зробити трансформатор своїми руками. Необхідно розуміти основне призначення, принцип роботи, а також орієнтуватися і розраховувати потрібні параметри. Для вибору трансформатора використовуються кілька методів.

Основні поняття про трансформаторах

Основним призначенням трансформатора (Т) є перетворення змінної напруги (U) в необхідні номінали. Т набув широкого застосування як найпростіший перетворювач змінного U, хоча перетворювати можна і постійний струм, але цей спосіб є економічно невигідним. Т працює тільки від змінного U, і це пов'язано з принципом його дії.

Трансформатор (Т) – перетворювач змінного вхідного U в необхідний номінал або номінали для живлення споживачів. Більшість споживачів харчуються від постійного струму, який виходить при перетворенні змінного U в постійне за допомогою діодного моста або будь-якого іншого випрямляча. Цей перетворювач змінного U є примітивним за своїм устроєм, однак є деякі особливості конструктивного плану.

Т складається з магнітопровода і котушок, на які намотаний мідний ізольований провід. Магнитопровод виготовляється з спецсталі, яка володіє феромагнітними властивостями і називається феромагнетиком. Основна відмінність феромагнетиків від звичайної стали полягає в наявності атомів, що володіють постійними спинів і орбітальних (СИОМА). СИОМА залежать від температури і магнітного поля, і завдяки цьому обмотки Т при роботі не перегріваються через відсутність струмів Фуко. Спеціальна трансформаторна сталь з феромагнітними властивостями зводить освіту струмів Фуко до мінімуму, якого недостатньо для перегріву обмоток.

Найпоширенішими матеріалами для виготовлення муздрамтеатру є електротехнічна трансформаторна сталь (ЕТС) і пермаллой. ЕТС відрізняється від звичайної стали і фізико-хімічними властивостями, тому що містить значну масову частку кремнію (Si), який за допомогою спеціальних технологій, передбачених на заводі виробнику, з'єднується з вуглецем під дією високої температури і тиску.

Ця технологія виготовлення ЕТС набула широкого поширення, Так як використовується практично у всіх Т. Ще одним видом феромагнетика для виготовлення муздрамтеатру є пермаллой, який представляє собою з'єднання сплаву нікелю і заліза, що використовується для виготовлення Т невеликої потужності. Площа муздрамтеатру впливає потужність (P) Т.

Обмотки є котушками з намотаним ізольованим проводом зі спеціальним лаковим покриттям. Діаметр дроту і кількість витків залежить від U і струму (I), а також це впливає і на P трансформатора. Кількість котушок повинно бути не менше 2, однак допускається одна котушка за умови, що на неї намотані 2 обмотки (одна з яких первинна).

Принцип роботи

Принцип роботи Т досить простий і заснований на знаходженні провідника з кількістю витків n в змінному магнітному полі. Змінне магнітне поле (ПМП) – поле, значення і напрям ліній магнітного потоку (Ф) якого змінюється за законом зміни значень змінного I, що генерує його з плином часу. При проходженні струму по витків котушки первинної обмотки (КПО) утворюється Ф, що пронизує і котушку вторинної обмотки (КВО).

Завдяки замкнутої структурі муздрамтеатру лінії Ф є замкнутими.Для зменшення втрат електричної енергії котушок обмотки мають у своєму розпорядженні максимально близько один одному. Оптимальним є використання однієї котушки з 2 або більше обмотками. Однак цей варіант неприпустимий в старих зварювальних апаратах. В цьому випадку котушки повинні бути окремо для підвищення тепловіддачі при проведенні зварювальних робіт. Крім того, на силових підстанціях використовуються Т з масляним охолодженням, а й у них обмотки конструктивно знаходяться на різних котушках.

В Т застосовується закон електромагнітної індукції, При якому відбувається зміна Ф і індукування електрорушійної сили (ЕРС) самоіндукції в КПО, а ЕРС, що виникає в КВО, називається ЕРС взаємоіндукції.

У Т існує 2 режиму роботи: холостий хід і активний (навантаження). При холостому ході відбувається споживання I від 3 до 10% від номінального значення (Iн). При активному режимі відбувається виникнення I в КВО, а отже, з'являється магнитодвижущая сила (МДС). У цьому випадку можливо розрахувати основний параметр Т, який називається коефіцієнтом трансформації k: I1 / I2 = w2 / w1 = 1 / k, де I1, I2 – I КПО і КВО відповідно, а w2 і w1 – кількість витків КВО і КПО.

З визначення k слід ще одне співвідношення взаємозв'язку ЕРС обмоток (e1 і e2) і струмів: e1 * I1 = e2 * I2 = 1. Виходячи з цього співвідношення можна зробити висновок про те, що потужність (P = e * I), яку споживає КПО, дорівнює потужності споживання КВО при навантаженні. Потужність Т вимірюється в вольт-амперах і позначається скорочено «ВА».

Зв'язок між ЕРС в обмотках прямо пропорційно залежить від кількості витків. Виходячи із закону Ленца, обмотки Т пронизуються одним і тим же Ф, а цей факт дозволяє обчислити k ще одним способом. Грунтуючись на законі індукції для миттєвих значень ЕРС, виходять такі рівності для КПО і КВО:

1. e1 = – w1 * dФ / dt * E-8.
2. e2 = – w2 * dФ / dt * E-8.

Співвідношення dФ / dt – величина зміни Ф за одиницю часу (за законом, що описує змінну U). На підставі виразів для миттєвих значень ЕРС виводиться залежність ЕРС для кожної обмотки від кількості витків: e1 / e2 = w1 / w2. Це твердження справедливо також і не для миттєвих показників, це означає, що e1 = U1, e2 = U2. Провівши заміну величин, виходять такі співвідношення: e1 / e2 = U1 / U2 = w1 / w2 = k.

За коефіцієнтом трансформації Т діляться на знижують і підвищують. Для пошуку k необхідно скористатися кількома способами:

1. За паспортом.
2. Практичним шляхом.
3. Застосування моста Шеринга.
4. Використання УІКТ.

Дуже часто радіоаматори користуються практичним визначенням цього параметра. Хоча він і не зовсім точний. Для розрахунку блоку живлення цього способу цілком достатньо.

Паспорт до Т не завжди виходить знайти. Для визначення k використовуються 2 вольтметра (1 для КПО, 2 – для КВО), потім вимірюється кілька разів U на обмотках. Після цього розраховується k при декількох значення і береться середнє його значення.

розрахунок потужності

Для вибору Т в якості джерела живлення слід розрахувати допустиму потужність споживача або групи споживачів. Існує 2 варіанти побору Т: вибір за таблицею і здійснення розрахунку. Дізнатися потужність трансформатора досить просто, необхідно скористатися формулою визначення потужності: P = U * I. Найбільш точний варіант – виконання розрахунку Т в якості джерела живлення.

В наявності є Т, повна потужність якого дорівнює 180 ВА. Необхідно з'ясувати можливість його застосування в якості джерела живлення потужністю 160 ВА. Цей метод дозволяє здійснити вибір трансформатора по потужності по таблиці.

Коефіцієнт завантаження Т: k з = S р / Sтр. S р – повна розрахункова потужність: Sp = P / cosф = 180 / 0,8 = 225 ВА. Коефіцієнт cosф приймається рівним 0,8. Потужність силового Т Sтр = 160 ВА. Виходячи з цього, k з = 225/160 = 1,4 (> 1). Якщо взяти Т потужністю 250 ВА, то k з = 225/250 = 0,9 (

В основному Т довго працювати не буде при навантаженні, а в режимі холостого ходу він споживає близько 65% від номінальної потужності: S = 225 * 0,65 = 146,25 ВА.

Коефіцієнт К1 розраховується наступним чином: К1 = 146,25 / 160 = 0,91 (початкова навантаження Т). По таблиці при К1 = 0,9 при Sтр = 160 ВА Т пропрацює 0,5 годин. Цей варіант неприпустимий. Отже, необхідно вибрати Т з запасом потужності – 250 ВА.

самостійний розрахунок

Для виготовлення Т необхідної потужності слід виконати розрахунок самостійно.Якщо відомо U і максимальний I, який має генерувати КВО, то P вторинному ланцюзі розраховується за такою формулою: P2 = U2 * I2. При коефіцієнті корисної дії (ККД = 0,8) Т потужність КПО обчислюється таким способом: P1 = P2 / 0,8 = 1,25 * P2.

Передача потужності з однієї обмотки на іншу здійснюється за допомогою Ф в муздрамтеатрі, отже, від P1 залежить площа поперечного перерізу сердечника S, що дорівнює квадратному кореню з P1 (у ВАТ): S = sqrt (P1) (сантиметри квадратні). Виходячи із значення S, визначається кількість витків w на 1 В: w = 50 / S. Число витків обмоток обчислюється за формулами: w1 = w * U1 і w2 = w * U2 + (w * U2 * 0,1).

Струм первинної обмотки розраховується за формулою: I1 = P1 / U1. Діаметри (d) дроти обмоток визначаються за значеннями струмів, а допустима щільність струму для Т дорівнює 2 А / кв.мм: d = 0,8 * sqrt (I). Площа поперечного перерізу розраховується за формулою: S = 3,1416 * d * d / 4.

Приклад обчислення основних параметрів

Необхідно виготовити і розрахувати Т для блоку живлення.

Т повинен мати наступні параметри:

1. Первинна обмотка 220 В.
2. Вторинні обмотки: 660 В – 100 мА і 6 В – 5 А.
3. Загальна потужність КВО: P2 = 660 * 0,1 + 6 * 5 = 96 Вт.
4. Потужність первинної ланцюга: P1 = 1,25 * 96 = 120 Вт.
5. Площа перетину сердечника: S = sqrt (120) = 10,95 = 11 кв. см.
6. Число витків на 1 В: w = 50/11 = 4,54 = 5.
7. Струм первинної обмотки: I1 = 96/220 = 0,436 А.

Число витків і d:

• КПО: w1 = 5 * 220 = 1100 і d = 0,8 * sqrt (0,436) = 0,53 кв. мм.
• КВО – 660 В: w2 = 5 * 660 + (5 * 660 * 0,1) = 3300 + 330 = 3630 і d = 0,8 * sqrt (I) = 0,25 кв. мм.
• КВО – 6 У: w2 = 5 * 6 + (5 * 6 * 0,1) = 30 + 3 = 33 і d = 1,79 кв. мм.

Площа поперечного перерізу сердечника (вибір вже готового) становить S м = 5 * 4 = 20 кв. см = 2000 кв. мм. Перевірка розміщення обмоток, виходячи з параметрів муздрамтеатру:

1. Для КПО діаметр з урахуванням ізоляції: d1із = 0,63 мм.
2. Для КВО: d2із = 0,35 мм і d2із = 1,89 мм.

Для КПО: S = 0,8 * 0,63 * 1100 = 554,4 кв. мм. Для КВО: S = 0,8 * (0,35 * 3630 + 33 * 1,89) = 1332,87 кв. мм. Загальна площа S = 554,4 + 1332,87 = 1887,27 кв. мм. Перевірка виконання нерівності: S м> S 2000> 1887,27 (виконується, отже, муздрамтеатр підходить для Т).

Таким чином, вибір трансформатора по потужності для вирішення конкретного завдання можна зробити за допомогою таблиці або розрахувати і виготовити його самостійно. Останній варіант дозволяє більш гнучко і якісно підійти до вибору Т для будь-якого споживача. Однак підхід вибору вже готового Т значно економить час.