Расчет маломощных трансформаторов напряжения Наиболее важными электрическими параметрами трансформаторов напряжения являются: выходное напряжение, номинальная мощность, КПД, падение напряжения. Номинальной мощностью трансформатора питания называют сумму номинальных мощностей вторичных обмоток. КПД трансформатора где Рном - номинальная мощность трансформатора; Рмп - мощность потерь в магнитопроводе; Роб - мощность потерь в обмотках. Падение напряжения AU, выраженное в относительных единицах, показывает степень изменения выходного напряжения при полном изменении тока нагрузки от нуля до номинального значения: Масса и габаритные размеры трансформатора зависят от номинальной мощности, напряжения, КПД и допустимой температуры перегрева трансформатора. Порядок расчета трансформатора следующий. Определяем номинальную мощность трансформатора где Pi = Ui Ii . Вычисляем произведение где Sm - площадь сечения магнитопровода, см2; Soк - площадь окна магнитопровода, см2; Рном - номинальная мощность, Вт; f - частота питающей сети, Гц; Bm - амплитуда магнитной индукции в магнитопроводе, Т; j - плотность тока в обмотках, А/мм2; koк - коэффициент заполнения окна магнитопровода; kм - коэффициент заполнения сечения магнитопровода. Коэффициент Bm можно выбрать по графику (рис. 1) в зависимости от значения габаритной мощности трансформатора и марки стали. Габаритная мощность определяется как Рис. 1. График для выбора индукции в зависимости от габаритной мощности трансформатора при частоте тока 50 Гц для стали: 1 - Э41, Э43; 2, 3 - Э310 (2 - магнитопровод из пластин; 3 - ленточный магнитопровод) Плотность тока в обмотках выбирается от 2 (при Рном ≥ 200 В·А) до 6 А/мм2 (при Рном = 10 В·А и менее). Коэффициент kок (табл. 1) тем меньше, чем тоньше провода обмоток (чем меньше номинальная мощность трансформатора). Коэффициент kм зависит от толщины листов и вида их изоляции (табл. 2). Таблица 1. Значение коэффициента kок Рном , В·А | 15-50 | 50-150 | >150 | kок | 0,22-0,28 | 0,28-0,34 | 0,35-0,38 |
Таблица 2. Значение коэффициента kм для Ш-образных пластин Вид изоляции | Толщина пластин | 0,1 | 0,2 | Лак | 0,7 | 0,85 | Фосфатная пленка | 0,75 | 0,89 |
Выбираем размеры магнитопровода (см. "Сердечники (магнитопроводы) трансформаторов"). Для маломощных трансформаторов рекомендуются броневые магнитопроводы, позволяющие без особых хлопот и денежных затрат изготовить трансформаторы не больших размеров и массы.
Для выбранного магнитопровода должно выполняться условие yy1bh > SмSок .
Отношение у1/у не должно превышать 2-2,5. В противном случае следует выбрать пластины большего размера.
Для кольцевых магнито-проводов должно выполняться условие (D – d)d2b > 3SмSок .
Определяем число витков обмоток где Ui - напряжение на i-й обмотке, В; f - частота, Гц; Bm - амплитуда магнитной индукции, Т; Sm - площадь, см2. Число витков вторичных обмоток следует увеличить на 2-5%, чтобы учесть внутреннее падение напряжения. Наибольшее значение относится к трансформаторам с номинальной мощностью до 10 В·А, наименьшее - к трансформаторам с номинальной мощностью не менее 200 В·А.
Определяем диаметры проводов обмоток где Ii - ток в i-й обмотке, А; j - плотность тока, А/мм2.
Ток в первичной обмотке приметно равен 1,1Pном /Ui
Выбираем ближайшие стандартные, большие значения диаметров проводов
(см. "Медные обмоточные провода" таблица П4.).
Проверяем размещение обмоток на магнитопроводе.
Число витков в слое цилиндрической обмотки ωсл=[h - 2(δк + 1)] /1,3δиз , где h - высота окна, мм; δк - толщина материала каркаса, мм; δиз - диаметр провода с изоляцией, мм.
Число слоев обмотки N = ω/ωcл , где ω - число витков обмотки.
Толщина обмотки δоб = Ncл(δиз + δиз) , где δиз - толщина изоляции между слоями.
Должно выполняться следующее условие: b ≥ δк+∑δоб+δпр , где ∑δоб - суммарная толщина всех обмоток; δпр - суммарная толщина всех прокладок между обмотками; b - ширина окна. Если это условие не выполняется, следует увеличить размеры магнитопровода и сделать повторный расчет трансформатора. Упрощенный расчет тороидальных трансформаторов При изготовлении малогабаритной радиоэлектронной аппаратуры лучше всего использовать трансформаторы с тороидальным магнито-проводом. По сравнению с броневыми сердечниками из Ш-образных пластин они имеют меньший вес и габариты, обладают повышенным КПД, а их обмотка лучше охлаждается. Кроме того, при равномерном распределении обмоток по периметру сердечника практически отсутствует поле рассеяния и в большинстве случаев отпадает необходимость в экранировании трансформаторов. Полный расчет силовых трансформаторов на тороидальных сердечниках громоздок и сложен, поэтому здесь приводится таблица, с помощью которой легко рассчитать тороидальный трансформатор мощностью до 120 Вт. Точность расчетов достаточна для любительской практики. Расчет параметров тороидального трансформатора, не вошедших в таблицу, аналогичен расчету трансформатора на Ш-образном сердечнике. Таблицей можно пользоваться при расчете трансформаторов на сердечниках из холоднокатаной стали Э340, Э350, Э360 с толщиной ленты 0,05-0,1 мм при частоте питающей сети 50 Гц. При намотке трансформаторов допустимо применять лишь межобмоточную и наружную изоляции. Хотя межслоевая изоляция и позволяет добиться более ровной укладки провода обмоток, из-за различия наружного и внутреннего диаметров сердечника при ее применении неизбежно увеличивается толщина намотки по внутреннему диаметру. Для намотки тороидальных трансформаторов необходимо применять обмоточные провода с повышенной механической и электрической прочностью изоляции. При намотке вручную следует пользоваться проводами ПЭЛШО, ПЭШО. В крайнем случае, можно применить провод ПЭВ-2. В качестве межобмоточной и внешней изоляции можно применять фторопластовую пленку ПЭТ толщиной 0,01-0,02 мм, лакоткань ЛШСС толщиной 0,06-0,012 мм или батистовую ленту. Пример расчета трансформатора. Дано напряжение питающей сети Uc = 220 В, выходное напряжение Uвых = 12 В, ток нагрузки Iн = 3,6 А. Сначала определяем мощность вторичной обмотки: Далее определяем габаритную мощность трансформатора: Величину КПД и другие необходимые для расчета данные выбираем в табл. 3. из нужной графы ряда габаритных мощностей. Находим площадь сечения сердечника: Подбираем размеры сердечника D, d и h: Ближайший стандартный тип сердечника ОЛ50/80-40, площадь сечения которого равна (не менее расчетной). Таблица 3. Таблица для расчета тороидальных трансформаторов Рг , Вт | ω1 | ω2 | S , см2 | Δ , А×мм2 | η , % | До 10 | 41 S | 38 S | vPг
| 4,5 | 0,8 | 20-30 | 36 S | 32 S | vPг 1,1 | 4 | 0,9 | 30-50 | 33,3 S | 29 S | vPг 1,2 | 3,5 | 0,92 | 50-120 | 32 S | 28 S | vPг 1,25 | 3 | 0,95 |
*Примечание: Рг - габаритная мощность трансформатора, ω1 - число витков на вольт для стали Э310, Э320, Э330, ω2 - число витков на вольт для стали Э340, Э350, Э360, S - площадь сечения сердечника, Δ - допустимая плотность тока в обмотках, η - КПД трансформатора. При определении внутреннего диаметра сердечника должно быть выполнено условие d ≥ dl то есть 5 > 3,8.
Предположим, выбран сердечник стали Э320, тогда число витков на вольт определяют по формуле Находим расчетные числа количества витков первичной и вторичной обмоток: Так как в тороидальных трансформаторах поток рассеяния весьма мал, то падение напряжения в обмотках определяется практически лишь активным сопротивлением, вследствие чего относительная величина падения напряжения в обмотках тороидального трансформатора значительно меньше, чем в трансформаторах стержневого и броневого типов. Поэтому для компенсации потерь на сопротивлении вторичной обмотки необходимо увеличить количество ее витков лишь на 3%. Определяем диаметры проводов обмоток. Диаметр провода первичной обмотки: где I1 - ток первичной обмотки трансформатора, вычисленный по формуле Выбираем ближайший диаметр провода в сторону увеличения (0,31 мм). Диаметр провода вторичной обмотки Расчет тороидального трансформатора закончен.
|