Трансформатор – элемент, использующийся для преобразования напряжений. Он входит в состав трансформаторной подстанции. Ее задача – передача электроэнергии от питающей линии (воздушной или кабельной) потребителям в объеме, достаточном для обеспечения всех режимов работы их электрооборудования.
В роли потребителей выступают жилые многоэтажные здания, поселки или деревни, заводы или отдельные их цеха. Подстанции, в зависимости от условий окружающей среды и экономических факторов, имеют различные конструкции: комплектные (в том числе киосковые, столбовые), встраиваемые, расположенные на открытом воздухе или в помещениях. Они могут располагаться в специально предназначенном для них здании или занимать отдельное помещение здания.
Выбор трансформаторов подразумевает определение его мощности и количества трансформаторов. От результатов зависят габариты и тип трансформаторных подстанций. При выборе учитываются факторы :
Выбор числа трансформаторов
Для трансформаторных подстанций используют схемы с одним или двумя трансформаторами. Распределительные устройства, в состав которых входит более 2 трансформаторов, встречаются только на предприятиях или электрических станциях, где применение небольшого их числа не соответствует условиям бесперебойности электроснабжения, условиям эксплуатации. Там экономически целесообразнее установить несколько трансформаторов сравнительно небольшой мощности, чем один или два мощных. Так проще проводить ремонт, дешевле обходится замена неисправного аппарата.
Устанавливают однотрансформаторные подстанции в случаях :
- электроснабжения потребителей III категории надежности;
- электроснабжения потребителей любых категорий, имеющих другие независимые линии питания и собственную автоматику резервирования, переключающую их на эти источники.
Но к однотрансформаторным подстанциям есть дополнительное требование. Потребители III категории по надежности электроснабжения, хоть и допускают питание от одного источника, но перерыв его ограничен временем в одни сутки . Это обязывает иметь эксплуатирующую организацию складской резерв трансформаторов для замены в случае аварийной ситуации. Расположение и конструкция подстанции не должны затруднять эту замену. При обслуживании группы однотрансформаторных подстанций мощности их трансформаторов, по возможности, выбираются одинаковыми, либо максимально сокращается количество вариантов мощностей. Это минимизирует количество оборудования, находящегося в резерве.
К потребителям третьей категории относятся:
- деревни и села;
- гаражные кооперативы;
- небольшие предприятия, остановка которых не приведет к массовому браку выпускаемой продукции, травмам, экологическому и экономическому ущербу, связанному с остановкой технологического процесса.
Для потребителей, перерывы электроснабжения которых не допускаются или ограничиваются, применяют двухтрансформаторные подстанции .
| Категория электроснабжения | Время возможного перерыва питания | Схема питания |
| I | Невозможно | Два независимых источника с АВР и собственный генератор |
| II | На время оперативного переключения питания | Два независимых источника |
| III | 1 сутки | Один источник питания |
Отличие в питании категорий I и II – в способе переключения питания. В первом случае оно происходит автоматически (схемой автоматического ввода резерва – АВР) и дополнительно имеется собственный независимый источник питания. Во втором – переключение осуществляется вручную. Но минимальное количество трансформаторов для питания таких объектов – не менее двух.
В нормальном режиме работы каждый из двух трансформаторов питается по своей линии и снабжает электроэнергией половину потребителей подстанции. Эти потребители подключаются к шинам секции, питаемой трансформатором. Второй трансформатор питает вторую секцию шин, соединенную с первой секционным автоматом или рубильником.
В аварийном режиме трансформатор должен взять на себя нагрузку всей подстанции . Для этого включается секционный автоматический выключатель. Для потребителей первой категории его включает АВР, для второй включение производится вручную, для чего вместо автомата устанавливают рубильник
Поэтому мощность трансформаторов выбирается с учетом питания всей подстанции, а в нормальном режиме они недогружены . Экономически это нецелесообразно, поэтому, по возможности, усложняют схему электропитания. Имеющиеся потребители III категории в аварийном режиме отключают , что приводит к снижению требуемой мощности.
Выбор конструкции трансформатора
По способу охлаждения и изоляции обмоток трансформаторы выпускают:
- масляными;
- с синтетическими жидкостями;
- воздушными.
Наиболее распространенные – масляные трансформаторы . Их обмотки размещены в баках, заполненных маслом с повышенными изоляционными характеристиками (трансформаторное масло). Оно выполняет роль дополнительной изоляции между витками обмоток, обмотками разных фаз, разных напряжений и баком трансформатора. Циркулируя внутри бака, оно отводит тепло обмоток, выделяемое при работе. Для лучшего теплоотвода к корпусу трансформатора привариваются трубы дугообразной формы, позволяющие маслу циркулировать вне бака и охлаждаться за счет окружающего воздуха. Мощные масляные трансформаторы комплектуются вентиляторами, обдувающими элементы, в которых происходит охлаждение.
Недостаток масляных трансформаторов – риск возникновения пожара при внутренних повреждениях . Поэтому их можно устанавливать только в подстанциях, расположенных отдельно от зданий и сооружений.
При необходимости установить распределительное устройство с трансформатором поближе к нагрузке или во взрыво- или пожароопасных цехах, используются трансформаторы с воздушным охлаждением . Их обмотки изолированы материалами, облегчающими передачу тепла. Охлаждение происходит либо за счет естественной циркуляции воздуха, либо с помощью вентиляторов. Но охлаждение сухих трансформаторов все равно происходит хуже масляных.
Решить проблему пожарной безопасности позволяют трансформаторы с синтетическим диэлектриком . Их устройство похоже на конструкцию масляного трансформатора, но вместо масла в баке находится синтетическая жидкость, которая не так склонна к возгоранию, как трансформаторное масло.
Группы и схемы соединений
Критериями выбора группы электрических соединений разных фаз обмоток между собой являются:
- Минимизация в сетях уровней высших гармоник. Это актуально при увеличении доли нелинейных нагрузок потребителей.
- При несимметричной загрузке фаз трансформатора токи первичных обмоток должны выравниваться. Это стабилизирует режим работы сетей питания.
- При питании четырехпроводных (пятипроводных) сетей трансформатор должен иметь минимальное сопротивление нулевой последовательности для токов короткого замыкания. Это облегчает защиту от замыканий на землю.
Для соблюдения условий №1 и №2 одна обмотка трансформатора соединяется в звезду, при соединении другой – в треугольник. При питании четырехпроводных сетей наилучшим вариантом считается схема Δ/Yo. Обмотки низшего напряжения соединяются в звезду с выведенным наружу нулевым ее выводом, используемым в качестве PEN-проводника (нулевого проводника).
Еще лучшими характеристиками обладает схема Y/Zo, у которой вторичные обмотки соединяются по схеме «зигзаг» с нулевым выводом.
Схема Y/Yo имеет больше недостатков, чем достоинств, и применяется редко.
Выбор мощности трансформатора
Типовые мощности трансформаторов стандартизированы.
| Стандартные мощности трансформаторов | ||||||||
| 25 | 40 | 60 | 100 | 160 | 250 | 400 | 630 | 1000 |
Для расчета присоединенной к трансформатору мощности собираются и анализируются данные о подключенных к нему мощностях потребителей. Однозначно цифры сложить не получится, нужны данные о распределении нагрузок по времени. Потребление электроэнергии многоквартирным домом варьируется не только в течение суток, но и по временам года: зимой в квартирах работают электрообогреватели, летом – вентиляторы и кондиционеры. Типовые графики нагрузок и величины потребляемых мощностей для многоквартирных домов определяются из справочников.
Для расчета мощностей на промышленных предприятиях требуется знание принципов работы их технологического оборудования, порядок его включения в работу. Определяется режим максимальной загрузки, когда в работу включено наибольшее число потребителей (Sмакс). Но все потребители одновременно включиться не могут никогда. Но при расчетах требуется учитывать и возможное расширение производственных мощностей, а также – вероятность в дальнейшем подключения дополнительных потребителей к трансформатору.
Учитывая число трансформаторов на подстанции (N) мощность каждого рассчитывают по формуле, затем выбирают из таблицы ближайшее большее значение:
В этой формуле Кз – коэффициент загрузки трансформатора . Это отношение потребляемой мощности в максимальном режиме к номинальной мощности аппарата. Работа с необоснованно пониженным коэффициентом загрузки экономически не выгодна. Для потребителей, в зависимости от категории бесперебойности электроснабжения, рекомендуются коэффициенты:
Из таблицы видно, что коэффициент загрузки учитывает взятия одним трансформатором дополнительной нагрузки, переходящей к нему при выходе из строя другого трансформатора или его питающей линии. Но он ограничивает перегрузку трансформатора, оставляя по мощности некоторый запас.
Систематические перегрузки трансформаторов возможны, но их время и величина ограничиваются требованиями заводов-изготовителей этих устройств. По правилам ПТЭЭП длительная перегрузка трансформаторов с масляным или синтетическим диэлектриком ограничивается до 5%.
Отдельно ПТЭЭП определяется длительность аварийных перегрузок в зависимости от их величины.
Для масляных трансформаторов:
Для сухих трансформаторов:
Из таблиц видно, что сухие трансформаторы к перегрузкам более критичны.
Как бы ни развивалась электроника, но всё же отказаться от такого устройства, как трансформатор пока не удаётся. Каждый надёжный блок питания и преобразователь напряжения содержит этот электромагнитный аппарат с гальванической развязкой обмоток. Они применяются широко и на производстве, и в быту, и представляют собой статическое электромагнитное устройство, работающее по принципу взаимоиндукции. Состоят такие устройства из двух основных элементов:
- замкнутого магнитопровода;
- двух и более обмоток.
Обмотки трансформаторов не имеют между собой никакой связи, кроме индуктивной. Предназначен он для преобразования только переменного напряжения, частота которого, после передачи по магнитопроводу, будет неизменна.
Расчет параметров трансформатора необходим для того, чтобы на вход этого устройства было подано одно напряжение, а на выходе генерировалось пониженное или повышенное напряжение другой заданной величины. При этом нужно учесть токи, протекающие во всех обмотках, а также мощность устройства, которая зависит от подключаемой нагрузки и от назначения.
Любой даже простейший расчет трансформатора состоит из электрической и конструктивной составляющей. Электрическая часть включает в себя:
- Определение напряжений и токов, протекающих по обмоткам;
- Определение коэффициента трансформации.
К конструктивным относятся:
- Размеры сердечника и тип устройства;
- Выбор материала сердечника трансформатора;
- Возможные варианты закрывающего корпуса и вентиляции.
Через один квадратный сантиметр сечения магнитопровода протекает магнитная индукция, единица измерения её - Тесла. Тесла, в свою очередь, выдающийся физик, в честь которого и она и названа. Это значение напрямую зависит от частоты тока. И так при частоте 50 Гц и, допустим, 400 Гц величины индукция (тесла) будет разной, а значит и габариты устройства с увеличением частоты снижаются.
После этого определяют падение напряжения и потери в магнитопроводе, на этапе электрического расчёта все эти величины определяются лишь примерно. Расчет нагрузки в трансформаторе является ключевым в его исполнении. В сварочном, например, нагрузочную особенность выражают из режима короткого замыкания. Большое значение тока короткого замыкания, связано с малым значением сопротивления трансформатора в данных условиях работы.
Важнейшим элементом всех формул данного расчёта является коэффициент трансформации, который определяется как соотношение числа намотанных витков в первичной обмотке, к количеству витков во вторичной обмотке. Если обмоток не две, а больше, значит и соответственно таких коэффициентов тоже будет несколько. Если известны напряжения обмоток, то можно его рассчитать как отношение напряжений первичной обмотки, ко вторичной.
Расчет силового трансформатора
Расчет силового трансформатора напрямую зависит от количества фаз в питающей сети, то есть однофазной или же трехфазной. Прежде всего в силовом трансформаторе основную роль играет его мощность. Упрощенный расчет трансформаторов малой мощности и большой можно выполнить и в домашних условиях. Расчёт потерь неизбежен, как и для любых электромагнитных устройств, здесь же он состоит из двух основных магнитных составляющих:
- вихревые токи;
- намагничивание.
Расчет однофазного трансформатора
Рассчитывая понижающие трансформаторы однофазного тока, как самые распространенные в быту, для начала нужно выяснить его мощность. Конечно, понизить напряжение можно и другими способами, но этот самый эффективный и даёт ещё вдобавок гальваническую развязку, а значит возможность подключения силовой нагрузки.
Например, если напряжение первичной обмотки 220 Вольт, что свойственно для стандартных сетей однофазного тока, то вторичное напряжение нужно определить по нагрузке, которая будет подключаться к нему. Это может быть как низшее, так и высшее напряжение. Например, для зарядки автомобильных аккумуляторов необходимо напряжение 12-14 Вольт. То есть вторичное напряжение и ток тоже должно быть заранее известно.
Примерная мощность будет равна произведению тока на напряжение. Стоит учесть также и КПД. Для силовых аппаратов он составляет примерно 0,8–0,85. Тогда с учётом этого коэффициента полезного действия расчётная мощность будет составлять:
Ррасч= P*КПД
Именно эта мощность и ложится в основу расчёта поперечного сечения сердечника, на котором будут произведены намотки обмоток. Кстати, видов этих сердечников магнитопровода может быть несколько, как показано на рисунке снизу.
S (см2) = (1,0 ÷1,3) √Р
Коэффициент 1–1,3 зависит от качества электротехнической стали. К электротехнической стали относится чистое железо в виде листов или ленты толщиной 0,1–8 мм либо в виде сортового проката (круг или квадрат) различных размеров.
После чего определяется количество витков, на один вольт напряжения.
N = (50 ÷70)/S (см2)
Берем среднюю величину коэффициента 60.
Теперь зная количество витков на один вольт есть возможность подсчитать количество витков в каждой обмотке. Осталось всего лишь найти сечение провода, которым выполнится намотка обмоток. Медь, для этого лучший материал, так как обладает высокой токопроводимостью и быстро остывает в случае нагрева. Тип провода ПЭЛ или ПЭВ. Кстати, нагрев даже самого идеального электромагнитного устройства неизбежен, поэтому при изготовлении сетевого трансформатора актуален и вопрос вентиляции. Для этого хотя бы предусмотреть на корпусе естественную вентилируемую конструкцию путём вырезания отверстий.
Ток в обмотке равен
Диаметр сечения проводника для обмотки определяется по формуле:
D= (0,7÷0,9)√I
где 0,7-0,9 это коэффициент плотности тока в проводнике. Чем больше его значение, тем меньше будет греться провод при работе.
Существует множество методов расчёта характеристик и параметров, этот же самый простой, но и примерный (неточный). Более точный расчет обмоток трансформатора применяется для производственных и промышленных нужд.
Расчёт трехфазного трансформатора
Изготовление трехфазного трансформатора и его точный расчёт процесс более сложный, так как здесь первичная и вторичная обмотка состоят уже из трёх катушек. Это разновидность силового трансформатора, магнитопровод которого выполнен чаще всего стержневым способом. Здесь уже появляются такие понятие, как фазные и линейные напряжения. Линейные измеряются между двумя фазами, а фазные между фазой и землёй. Если трансформатор трехфазный рассчитан на 0,4 кВ, то линейное напряжение будет 380В, а фазное 220 В. Обмотки могут быть соединены в звезду или треугольник, что даёт разные величины токов и напряжений.
Обмотки трехфазного трансформатора расположены на стержнях так же, как и в однофазном, т. е. обмотки низшего напряжения НН размещаются ближе к стержню, а обмотки высшего напряжения ВН - на обмотках низшего напряжения.
Высоковольтные трансформаторы трёхфазного тока рассчитываются и изготавливаются исключительно в промышленных условиях. Кстати, любой понижающий трансформатор при обратном включении, выполняет роль повышающего напряжение устройства.
Расчет тороидального трансформатора
Такая конструкция трансформаторов используется в радиоэлектронной аппаратуре, они обладают меньшими габаритами, весом, а также повышенным значением КПД. За счёт применения ферритового стержня помехи практически отсутствует, это даёт возможность не экранировать данные устройства.
Простой расчет тороидального трансформатора состоит из 5 пунктов:
- Определение мощность вторичной обмотки P=Uн*Iн;
- Определение габаритной мощности трансформатора Рг=Р/КПД. Величина его КПД примерно 90-95%;
- Площадь сечения сердечника и его размеры
- Определение количества витков на вольт и соответственно количества витков для необходимой величины напряжения.
- Расчёт тока в каждой обмотке и выбор диаметра проводника делается аналогично, как и в силовых однофазных трансформаторах, описанных выше.
Расчет трансформатора для сварочного полуавтомата
Сварочный полуавтомат предназначен для сварки с механической подачей специальной сварочной проволоки вместо электрода. Источник питания такого устройства также имеет в своей основе мощный трансформатор. Расчёт основан на принципе его работы, на выходе которого должно быть 60 Вольт при холостом ходу. Работает он в короткозамкнутом режиме поэтому и нагрев его обмоток явление нормальное. Расчёт в принципе тоже аналогичен, только в этом случае ещё стоит учесть мощность при продолжительной сварке
Pдл = U2I2 (ПР/100)0.5 *0.001.
Напряжение и силу одного витка измеряют в вольтах и оно будет равно E=Pдл0.095+0.55. Зная эти величины можно приступить и к полному расчёту.
Расчет импульсного трансформатора двухтактного преобразователя
Преимуществом двухтактных преобразователей является их простота и возможность наращивания мощности. В правильно сконструированном двухтактном преобразователе через обмотку проходит неизменный ток, поэтому сильное подмагничивание сердечника отсутствует. Это позволяет использовать полный цикл перемагничивания и получить максимальную мощность. Так как он выполняется на ферритовом сердечнике то и расчет выходного напряжения трансформатора аналогичен обычному тороидальному.
Упростить варианты расчета трансформатора можно применяя специальные калькуляторы расчета, которые предлагают некоторые интернет-ресурсы. Стоит только внести желаемые данные, и автомат выдаст нужные параметры планируемого электромагнитного устройства.
Видео с расчетом трансформатора
При проектировании трансформаторов основным параметром является его мощность. Именно она определяет габариты трансформатора. При этом основным определяющим фактором будет полная мощность, отдаваемая в нагрузку:
Для трансформатора с большим количеством вторичных обмоток полную мощность можно определить, просуммировав мощности, потребляемые нагрузками, подключенными ко всем его обмоткам:
(2)При полностью резистивной нагрузке (отсутствие индуктивной и емкостной составляющей в токе) потребляемая мощность активна и равна отдаваемой мощности S 2 . При расчете трансформатора важным параметром является типовая или габаритная мощность трансформатора. В этом параметре кроме полной мощности учитывается мощность, потребляемая трансформатором от сети по первичной обмотке. Типовая мощность трансформатора вычисляется следующим образом:
(3)
Определим типовую мощность для трансформатора с двумя обмотками. Полная мощность первичной обмотки S 1 = U 1 I 1 , где U 1 , I 1 — действующие значения напряжения и тока Именно этой мощностью определяются габариты первичной обмотки. При этом число витков первичной обмотки трансформатора зависит от входного напряжения, сечение провода от протекающего по ней максимального тока (действующее значение). Габаритная мощность трансформатора определяет необходимое сечение сердечника s с. Ее можно рассчитать следующим образом:
(4)
Напряжение на первичной обмотке трансформатора можно определить из выражения U 1 = 4k ф W 1 fs B m , где s – площадь сечения сердечника магнитопровода, определяемая как произведение ширины сердечника на его толщину. Эквивалентная площадь сечения сердечника трансформатора обычно меньше и зависит от толщины пластин или ленты и расстояния между ними, поэтому при расчете трансформатора вводится коэффициент заполнения сердечника, который определяется как отношение эквивалентной площади сечения сердечника магнитопровода к его геометрической площади . Его значение обычно равно k c = 1 ... 0,5 и зависит от толщины ленты. Для прессованных сердечников (изготовленных из феррита, альсифера или карбонильного железа) k c = 1. Таким образом, s = k c s c и выражение для напряжения первичной обмотки трансформатора принимает следующий вид:
U 1 = 4k ф k c W 1 fs c B m (5)Аналогичное выражение можно записать и для вторичной обмотки. В трансформаторе с двумя обмотками мощность первичной обмотки и типовая мощность трансформатора равны. Мощность первичной обмотки можно определить по следующему выражению:
U 1 = U 1 I 1 = 4k ф k c fs c B m W 1 I 1 (6)При этом типовая мощность трансформатора будет рассчитываться по следующей формуле:
(7)Отношение тока в проводе обмотки к его сечению называется плотностью тока. В правильно рассчитанном трансформаторе плотность тока во всех обмотках одинакова:
(8) где s обм1 , s обм2 — площади сечения проводников обмоток.Заменим токи I 1 = js обм1 и I 2 = js обм2 , тогда сумма в скобках выражения (7) может быть записана следующим образом: W 1 I 1 + W 2 I 2 = , j (s обм1 W 1 + s обм2 W 2) = js м, где s м — сечение всех проводников (меди) в окне сердечника трансформатора. На рисунке 1 приведена упрощенная конструкция трансформатора, где отчетливо видны площадь сердечника s с, площадь окна магнитопровода s ок и площадь, занимаемая проводниками первичной и вторичной обмоток s м.
Рисунок 1 Упрощенная конструкция трансформатора
Введём коэффициент заполнения окна медью . Его величина находится в пределах k м = 0,15 ... 0,5 и зависит от толщины изоляции проводов, конструкции каркаса обмоток, межслойной изоляции, способа намотки провода. Тогда js м = jk м s ок и выражение для типовой мощности трансформатора можно записать следующим образом:
(9)Из выражения (9) следует, что типовая мощность определяется произведением s с s ок. При увеличении линейного размера трансформатора в m раз, его объём (масса) увеличится в m³ раз, а мощность возрастёт в m 4 раз. Поэтому, удельные массо-габаритные показатели трансформаторов улучшаются с увеличением номинальной мощности. С этой точки зрения предпочтительны многообмоточные трансформаторы по сравнению с несколькими двухобмоточными.
При разработке конструкции трансформаторов стараются увеличить коэффициент заполнения окна сердечника обмотками, так как при этом возрастает значение номинальной мощности S тип. Для достижения этой цели применяются обмоточные проводники с прямоугольным сечением. Следует отметить, что при практических расчетах формулу (9) преобразуют к более удобному виду.
(10)
При расчете трансформатора по заданной мощности на нагрузке исходя из выражения (10) определяется произведение s с s ок. Затем по справочнику выбирается конкретный тип и размер магнитопровода трансформатора, у которого этот параметр будет больше или равен рассчитанному значению. Затем приступают к расчету количества витков в первичной и вторичной обмотках. Рассчитывают диаметр провода и проверяют, помещаются ли обмотки в окне магнитопровода.
Литература:
Вместе со статьей "Мощность трансформатора" читают:
http://сайт/BP/KlassTransf/
http://сайт/BP/SxZamTransf/
В домашнем хозяйстве бывает необходимо оборудовать освещение в сырых помещениях: подвале или погребе и т.д. Эти помещения имеют повышенную степень опасности поражения электичческим током.
В этих случаях следует пользоваться электрооборудованием рассчитанным на пониженное напряжение питания, не более 42 вольт
.
Можно пользоваться электрическим фонарем с батарейным питанием или воспользоваться понижающим трансформатором с 220 вольт на 36 вольт.
Рассчитаем и изготовим однофазный силовой трансформатор 220/36 вольт, с выходным напряжением 36 вольт
с питанием от электрической сети переменного тока напряжением 220 вольт.
Для освещения таких помещений подойдет электрическая лампочка
на 36
Вольт и мощностью 25 — 60
Ватт. Такие лампочки с цоколем под обыкновенный электропатрон продаются в магазинах электротоваров.
Если вы найдете лампочку на другую мощнось, например на 40 ватт
, нет ничего страшного — подойдет и она. Просто трансформатор будет выполнен с запасом по мощности.
Сделаем упрощенный расчет трансформатора 220/36 вольт.
Мощность во вторичной цепи: Р_2 = U_2 · I_2 = 60 ватт
Где:
Р_2
– мощность на выходе трансформатора, нами задана 60 ватт
;
U
_2
— напряжение на выходе трансформатора, нами задано 36 вольт
;
I
_2
— ток во вторичной цепи, в нагрузке.
КПД трансформатора мощностью до 100 ватт
обычно равно не более η = 0,8
.
КПД определяет, какая часть мощности потребляемой от сети идет в нагрузку. Оставшаяся часть идет на нагрев проводов и сердечника. Эта мощность безвозвратно теряется.
Определим мощность потребляемую трансформатором от сети с учетом потерь:
Р_1 = Р_2 / η = 60 / 0,8 = 75 ватт .
Мощность передается из первичной обмотки во вторичную через магнитный поток в магнитопроводе.
Поэтому от значения
Р_1
, мощности потребляемой от сети 220
вольт,
зависит площадь поперечного сечения магнитопровода S
.
Магнитопровод – это сердечник Ш – образной или О – образной формы, набранный из листов трансформаторной стали. На сердечнике будут располагаться первичная и вторичная обмотки провода.
Площадь поперечного сечения магнитопровода рассчитывается по формуле:
S = 1,2 · √P_1.
Где:
S
— площадь в квадратных сантиметрах,
P
_1 — мощность первичной сети в ваттах.
S = 1,2 · √75 = 1,2 · 8,66 = 10,4 см².
По значению S определяется число витков w на один вольт по формуле:
w = 50/S
В нашем случае площадь сечения сердечника равна S = 10,4 см.кв.
w = 50/10,4 = 4,8 витка на 1 вольт.
Рассчитаем число витков в первичной и вторичной обмотках.
Число витков в первичной обмотке на 220 вольт:
W1 = U_1 · w = 220 · 4.8 = 1056 витка.
Число витков во вторичной обмотке на 36 вольт:
W2 = U_2 · w = 36 · 4,8 = 172.8 витков ,
округляем до 173 витка .
В режиме нагрузки может быть заметная потеря части напряжения на активном сопротивлении провода вторичной обмотки. Поэтому для них рекомендуется число витков брать на 5-10 % больше рассчитанного. Возьмем W2 = 180 витков.
Величина тока в первичной обмотке трансформатора:
I_1 = P_1/U_1 = 75/220 = 0,34 ампера .
Ток во вторичной обмотке трансформатора:
I_2 = P_2/U_2 = 60/36 = 1,67 ампера.
Диаметры проводов первичной и вторичной обмоток определяются по значениям токов в них исходя из допустимой плотности тока, количества ампер на 1 квадратный миллиметр площади проводника. Для трансформаторов плотность тока, для медного провода, принимается 2 А/мм² .
При такой плотности тока диаметр провода без изоляции в миллиметрах определяется по формуле: d = 0,8√I .
Для первичной обмотки диаметр провода будет:
d_1 = 0,8 · √1_1 = 0,8 · √0,34 = 0,8 · 0,58 = 0,46 мм. Возьмем 0,5 мм .
Диаметр провода для вторичной обмотки:
d_2 = 0,8 · √1_2 = 0,8 · √1,67 = 0,8 · 1,3 = 1,04 мм. Возьмем 1,1 мм.
ЕСЛИ НЕТ ПРОВОДА НУЖНОГО ДИАМЕТРА, то можно взять несколько, соединенных параллельно, более тонких проводов. Их суммарная площадь сечения должна быть не менее той, которая соответствует рассчитанному одному проводу.
Площадь поперечного сечения провода определяется по формуле:
s = 0,8 · d².
где : d — диаметр провода .
Например: мы не смогли найти провод для вторичной обмотки диаметром 1,1 мм.
Площадь поперечного сечения провода диаметром 1,1 мм. равна:
s = 0,8 · d² = 0,8 · 1,1² = 0,8 · 1,21 = 0,97 мм² .
Округлим до 1,0 мм².
Из выбираем диаметры двух проводов сумма площадей сечения которых равна 1.0 мм².
Например, это два провода диаметром по 0,8 мм . и площадью по 0,5 мм² .
Или два провода:
- первый диаметром 1,0 мм
. и площадью сечения 0,79 мм²
,
— второй диаметром 0,5 мм
. и площадью сечения 0,196 мм²
.
что в сумме дает: 0,79 + 0,196 = 0,986 мм².
Намотка катушки ведется двумя проводами одновременно, строго выдерживается равное количество витков обоих проводов. Начала этих проводов соединяются между собой. Концы этих проводов также соединяются.
Получается как бы один провод с суммарным поперечным сечением двух проводов.
Смотрите статьи:Как определить количество витков вторичной обмотки?
Для расчёта количества витков вторичной обмотки необходимо знать, сколько витков приходится на один Вольт. Если количество витков первичной обмотки неизвестно, то это значение можно получить одним из предложенных ниже способов.
Первый способ.
Перед удалением вторичных обмоток с каркаса трансформатора, нужно замерить на холостом ходу (без нагрузки) напряжение сети и напряжение на одной из самых длинных вторичных обмоток. При размотке вторичных обмоток, нужно посчитать количество витков той обмотки, на которой был произведён замер.
Второй способ.
Этот способ можно применить, когда вторичная обмотка уже удалена, а количество витков не посчитано. Тогда можно намотать в качестве вторичной обмотки 50 -100 витков любого провода и сделать необходимые замеры. То же самое можно сделать, если используется трансформатор, имеющий всего несколько витков во вторичной обмотке, например, трансформатор для точечной сварки. Тогда временная измерительная обмотка позволит значительно увеличить точность расчётов.
Когда данные получены, можно воспользоваться простой формулой:
ω1 / U1 = ω 2 / U2
ω 1 – количество витков в первичной обмотке,
ω 2 – количество витков во вторичной обмотке,
U1 – напряжение на первичной обмотке,
U2 – напряжение на вторичной обмотке.
Я раздобыл вот такой трансформатор без вторичной обмотки и опознавательных знаков.
Намотал в качестве временной вторичной обмотки – 100 витков.
Намотал я эту обмотку тонким проводом, который не жалко и которого у меня больше всего. Намотал «в навал», что значит, как попало.
Результаты теста.
Напряжение сети во время замера – 216 Вольт.
Напряжение на вторичной обмотке – 20,19 Вольт.
Определяем количество витков на вольт при 216V:
100 / 20,19 = 4,953 вит./Вольт
Здесь на точности не стоит экономить, так как погрешность набегает при замерах. Благо, считаем-то не на бумажке.
Рассчитываем число витков первичной обмотки:
4,953 * 216 = 1070 вит.
Теперь можно определить количество витков на вольт при 220V.
1070 / 220 = 4,864 вит./Вольт
Рассчитываем количество витков во вторичных обмотках.
4,864 * 12,8 = 62 вит.
4,864 * 14,3 = 70 вит.
Как рассчитать диаметр провода для любой обмотки?
Чем толще, тем лучше, но с условием, что он поместится в окно магнитопровода. Если окно небольшое, то желательно посчитать ток каждой наматываемой обмотки, чтобы подобрать оптимальный диаметр провода из имеющихся в наличии.
I = P / U
I – ток обмотки,
P – мощность потребляемая от данной обмотки,
U – действующее напряжение данной обмотки.
Например, у меня потребляемая мощность 31 Ватт и вся она будет отдаваться катушками "III" и "IV".
31 / (12,8+12,8) = 1,2 Ампер
Диаметр провода можно вычислить по формуле:
D = 1,13 √(I / j)
D – диаметр провода в мм,
I – ток обмотки в Амперах,
j – плотность тока в Ампер/мм².
При этом плотность тока можно выбрать по таблице.
| Конструкция трансформатора | Плотность тока (а/мм2) при мощности трансформатора (Вт) | ||||
| 5-10 | 10-50 | 50-150 | 150-300 | 300-1000 | |
| Однокаркасная | 3,0-4,0 | 2,5-3,0 | 2,0-2,5 | 1,7-2,0 | 1,4-1,7 |
| Двухкаркасная | 3,5-4,0 | 2,7-3,5 | 2,4-2,7 | 2,0-2,5 | 1,7-2,3 |
| Кольцевая | 4,5-5,0 | 4,0-4,5 | 3,5-4,5 | 3,0-3,5 | 2,5-3,0 |
Ток, протекающий через катушки «III» и «IV» – 1,2 Ампера.
А плотность тока я выбрал – 2,5 А/ мм².
1,13√ (1,2 / 2,5) = 0,78 мм
У меня нет провода диаметром 0,78 мм, но зато есть провод диаметром 1,0мм. Поэтому, я на всякий случай посчитаю, хватит ли мне места для этих катушек.
На картинке два варианта конструкции каркаса: А – обычная, В– секционная.
- Количество витков в одном слое.
- Количество слоёв.
Ширина моего несекционированного каркаса 40мм.
Мне нужно намотать 124 витка проводом 1,0 мм, у которого диаметр с изоляцией равен 1,08 мм. Таких обмоток требуется две.
124 * 1,08 * 1,1: 40 ≈ 3,68 слоя
1,1 – коэффициент. На практике, при расчёте заполнения нужно прибавить 10 – 20% к полученному результату. Я буду мотать аккуратно, виток к витку, поэтому добавил 10%.
Получилось 4 слоя провода диаметром 1,08мм. Хотя, последний, четвёртый слой заполнен только на несколько процентов.
Определяем толщину обмотки:
1,08 * 4 ≈ 4,5 мм
У меня в распоряжении 9мм глубины каркаса, а значит, обмотка влезет и ещё останется свободное место.
Ток катушки "II" вряд ли будет больше чем – 100мА.
1,13√ (0,1 / 2,5) = 0,23 мм
Диметр провода катушки "II" – 0,23мм.
Это малюсенькая по заполнению окна обмоточка и её можно даже не принимать в расчёт, когда остаётся так много свободного места.
Конечно, на практике у радиолюбителя выбор проводов невелик. Если нет провода подходящего сечения, то можно намотать обмотку сразу несколькими проводами меньшего диаметра. Только, чтобы не возникло перетоков, мотать нужно одновременно двумя, тремя или даже четырьмя проводами. Перетоки, возникают тогда, когда есть даже незначительные отклонения в длине обмоток соединённых параллельно. При этом, из-за разности напряжений, возникает ток, который греет обмотки и создаёт лишние потери.
Перед намоткой в несколько проводов, сначала нужно посчитать длину провода обмотки, а затем разрезать провод на требуемые куски.
Длина проводов будет равна:
L = p * ω * 1,2
L – длина провода,
p – периметр каркаса в середине намотки,
ω – количество витков,
1,2* – коэффициент.
* Укладывать обмотку при намотке в несколько проводов сложно и утомительно, поэтому лучше перестраховаться и использовать этот коэффициент, компенсирующий ошибки расчёта и неаккуратной укладки.
Толстый провод необходимо мотать виток к витку, а более тонкие провода можно намотать и в навал. Главное, чтобы обмотка поместилась в окно магнитопровода.
Если намотка производится аккуратно без повреждения изоляции, то никаких прокладок между слоями можно не применять, так как, при постройке УНЧ средней мощности, большие напряжения не используются. Изоляция же обмоточного провода рассчитана на напряжение в сотни вольт. Чем толще провод, тем выше пробивное напряжение изоляции провода. У тонкого провода пробивное напряжение изоляции около 400 Вольт, а у толстого может достигать 2000 Вольт.
Закрепить конец провода можно обычными нитками.
Если при удалении вторичной обмотки повредилась межобмоточная изоляция, защищающая первичную обмотку, то её нужно обязательно восстановить. Тут можно применить плотную бумагу или тонкий картон. Не рекомендуется использовать всякие синтетические материалы вроде скотча, изоленты и им подобные.
Если катушка разделена на секции для первичных и вторичных обмоток, то тогда и вовсе можно обойтись без изоляционных прокладок.
Как измерить диаметр провода.
Если у Вас дома завалялся микрометр, то можно им замерить диаметр провода.
Провод сначала лучше прогреть на пламени спички и лишь потом скальпелем удалить ослабленную изоляцию. Если этого не сделать, то вместе с изоляцией можно удалить и часть меди, что снизит точность измерения особенно для тонкого провода.
Если микрометра нет, то можно воспользоваться обыкновенной линейкой. Нужно намотать на жало отвёртки или на другую подходящую ось 100 витков провода, сжать витки ногтем и приложить полученный набор к линейке. Разделив полученный результат на 100, получим диаметр провода с изоляцией. Узнать диметр провода по меди можно из таблицы приведённой ниже.
Я намотал 100 витков провода и получил длину набора –39 мм.
39 / 100 = 0,39 мм
По таблице определяю диметр провода по меди – 0,35мм.
Таблица данных обмоточных проводов.
| Диаметр без изоляции, мм | Сечение меди, мм² | Сопротив-ление 1м при 20ºС, Ом | Диаметр с изоляцией, мм | Вес 100м с изоляцией, гр | |
| 0,03 | 0,0007 | 24,704 | 0,0014 | 0,045 | 0,8 |
| 0,04 | 0,0013 | 13,92 | 0,0026 | 0,055 | 1,3 |
| 0,05 | 0,002 | 9,29 | 0,004 | 0,065 | 1,9 |
| 0,06 | 0,0028 | 6,44 | 0,0057 | 0,075 | 2,7 |
| 0,07 | 0,0039 | 4,73 | 0,0077 | 0,085 | 3,6 |
| 0,08 | 0,005 | 3,63 | 0,0101 | 0,095 | 4,7 |
| 0,09 | 0,0064 | 2,86 | 0,0127 | 0,105 | 5,9 |
| 0,1 | 0,0079 | 2,23 | 0,0157 | 0,12 | 7,3 |
| 0,11 | 0,0095 | 1,85 | 0,019 | 0,13 | 8,8 |
| 0,12 | 0,0113 | 1,55 | 0,0226 | 0,14 | 10,4 |
| 0,13 | 0,0133 | 1,32 | 0,0266 | 0,15 | 12,2 |
| 0,14 | 0,0154 | 1,14 | 0,0308 | 0,16 | 14,1 |
| 0,15 | 0,0177 | 0,99 | 0,0354 | 0,17 | 16,2 |
| 0,16 | 0,0201 | 0,873 | 0,0402 | 0,18 | 18,4 |
| 0,17 | 0,0227 | 0,773 | 0,0454 | 0,19 | 20,8 |
| 0,18 | 0,0255 | 0,688 | 0,051 | 0,2 | 23,3 |
| 0,19 | 0,0284 | 0,618 | 0,0568 | 0,21 | 25,9 |
| 0,2 | 0,0314 | 0,558 | 0,0628 | 0,225 | 28,7 |
| 0,21 | 0,0346 | 0,507 | 0,0692 | 0,235 | 31,6 |
| 0,23 | 0,0416 | 0,423 | 0,0832 | 0,255 | 37,8 |
| 0,25 | 0,0491 | 0,357 | 0,0982 | 0,275 | 44,6 |
| 0,27 | 0,0573 | 0,306 | 0,115 | 0,31 | 52,2 |
| 0,29 | 0,0661 | 0,2бб | 0,132 | 0,33 | 60,1 |
| 0,31 | 0,0755 | 0,233 | 0,151 | 0,35 | 68,9 |
| 0,33 | 0,0855 | 0,205 | 0,171 | 0,37 | 78 |
| 0,35 | 0,0962 | 0,182 | 0,192 | 0,39 | 87,6 |
| 0,38 | 0,1134 | 0,155 | 0,226 | 0,42 | 103 |
| 0,41 | 0,132 | 0,133 | 0,264 | 0,45 | 120 |
| 0,44 | 0,1521 | 0,115 | 0,304 | 0,49 | 138 |
| 0,47 | 0,1735 | 0,101 | 0,346 | 0,52 | 157 |
| 0,49 | 0,1885 | 0,0931 | 0,378 | 0,54 | 171 |
| 0,51 | 0,2043 | 0,0859 | 0,408 | 0,56 | 185 |
| 0,53 | 0,2206 | 0,0795 | 0,441 | 0,58 | 200 |
| 0,55 | 0,2376 | 0,0737 | 0,476 | 0,6 | 216 |
| 0,57 | 0,2552 | 0,0687 | 0,51 | 0,62 | 230 |
| 0,59 | 0,2734 | 0,0641 | 0,547 | 0,64 | 248 |
| 0,62 | 0,3019 | 0,058 | 0,604 | 0,67 | 273 |
| 0,64 | 0,3217 | 0,0545 | 0,644 | 0,69 | 291 |
| 0,67 | 0,3526 | 0,0497 | 0,705 | 0,72 | 319 |
| 0,69 | 0,3739 | 0,0469 | 0,748 | 0,74 | 338 |
| 0,72 | 0,4072 | 0,043 | 0,814 | 0,78 | 367 |
| 0,74 | 0,4301 | 0,0407 | 0,86 | 0,8 | 390 |
| 0,77 | 0,4657 | 0,0376 | 0,93 | 0,83 | 421 |
| 0,8 | 0,5027 | 0,0348 | 1,005 | 0,86 | 455 |
| 0,83 | 0,5411 | 0,0324 | 1,082 | 0,89 | 489 |
| 0.86 | 0,5809 | 0,0301 | 1,16 | 0,92 | 525 |
| 0,9 | 0,6362 | 0,0275 | 1,27 | 0,96 | 574 |
| 0,93 | 0,6793 | 0,0258 | 1,36 | 0,99 | 613 |
| 0,96 | 0,7238 | 0,0242 | 1,45 | 1,02 | 653 |
| 1 | 0,7854 | 0,0224 | 1,57 | 1,07 | 710 |
| 1,04 | 0,8495 | 0,0206 | 1,7 | 1,12 | 764 |
| 1,08 | 0,9161 | 0,0191 | 1,83 | 1,16 | 827 |
| 1,12 | 0,9852 | 0,0178 | 1,97 | 1,2 | 886 |
| 1,16 | 1,057 | 0,0166 | 2,114 | 1,24 | 953 |
| 1,2 | 1,131 | 0,0155 | 2,26 | 1,28 | 1020 |
| 1,25 | 1,227 | 0,0143 | 2,45 | 1,33 | 1110 |
| 1,3 | 1,327 | 0,0132 | 2,654 | 1,38 | 1190 |
| 1,35 | 1,431 | 0,0123 | 2,86 | 1,43 | 1290 |
| 1,4 | 1,539 | 0,0113 | 3,078 | 1,48 | 1390 |
| 1,45 | 1,651 | 0,0106 | 3,3 | 1,53 | 1490 |
| 1,5 | 1,767 | 0,0098 | 3,534 | 1,58 | 1590 |
| 1,56 | 1,911 | 0,0092 | 3,822 | 1,64 | 1720 |
| 1,62 | 2,061 | 0,0085 | 4,122 | 1,71 | 1850 |
| 1,68 | 2,217 | 0,0079 | 4,433 | 1,77 | 1990 |
| 1,74 | 2,378 | 0,0074 | 4,756 | 1,83 | 2140 |
| 1,81 | 2,573 | 0,0068 | 5,146 | 1,9 | 2310 |
| 1,88 | 2,777 | 0,0063 | 5,555 | 1,97 | 2490 |
| 1,95 | 2,987 | 0,0059 | 5,98 | 2,04 | 2680 |
| 2,02 | 3,205 | 0,0055 | 6,409 | 2,12 | 2890 |
| 2,1 | 3,464 | 0,0051 | 6,92 | 2,2 | 3110 |
| 2,26 | 4,012 | 0,0044 | 8,023 | 2,36 | 3620 |
| 2,44 | 4,676 | 0,0037 | 9,352 | 2,54 | 4220 |