Онлайн расчет трансформатора по магнитопроводу: Расчет трансформатора с тороидальным магнитопроводом :: АвтоМотоГараж

Содержание

О расчете трансформаторов: толщина обмотки и сечения сердечника, сопротивление

Конструкция трансформатора

Если посмотреть на трансформатор с внешней стороны, то это Ш-образное устройство, состоящее из металлического сердечника, картонного или пластикового каркаса и обмотки из медной проволоки. Обмоток две.

Сердечник – это несколько стальных пластин, которые обработаны специальным лаком и соединены между собой. Лак наносится специально, чтобы между пластинами не проходило напряжение. Таким способом борются с так называемыми вихревыми токами (токами Фуко). Все дело в том, что токи Фуко просто будут нагревать сам сердечник. А это потери.

Именно с потерями связан и состав пластин сердечника. Трансформаторное железо (так чаще всего называют сталь для сердечника специалисты), если посмотреть ее в разрезе, состоит из больших кристаллов, которые, в свою очередь, изолированы друг от друга окисной пленкой.

Обмотки трансформатора

Эти самые катушки с проводом в трансформаторе называются обмотками.

В основном обмотки состоят из медного лакированного провода. Такой провод находится в лаковой изоляции, поэтому, провод в обмотке не коротит друг с другом. Выглядит такой обмоточный трансформаторный провод примерно вот так.

Он может быть разного диаметра. Все зависит от того, на какую нагрузку рассчитан тот или иной трансформатор.

У самого простого однофазного трансформатора можно увидеть две такие обмотки.

Обмотка, на которую подают напряжение называется первичной. В народе ее еще называют “первичка”. Обмотка, с которой уже снимают напряжение называется вторичной или “вторичка”.

Для того, чтобы узнать, где первичная обмотка, а где вторичная, достаточно посмотреть на шильдик трансформатора.

I/P: 220М50Hz (RED-RED) – это говорит нам о том, что два красных провода – это первичная обмотка трансформатора, на которую мы подаем сетевое напряжение 220 Вольт. Почему я думаю, что это первичка? I/P – значит InPut, что в переводе “входной”.

O/P: 12V 0,4A (BLACK, BLACK) – вторичная обмотка трансформатора с выходным напряжением в 12 Вольт (OutPut). Максимальная сила тока, которую может выдать в нагрузку этот трансформатор – это 0,4 Ампера или 400 мА.

Принцип работы устройства

Трансформатор — это электротехническое устройство, предназначенное для передачи энергии без изменения её формы и частоты. Используя в своей работе явление электромагнитной индукции, устройство применяется для преобразования переменного сигнала или создания гальванической развязки. Каждый трансформатор собирается из следующих конструктивных элементов:

  • сердечника;
  • обмотки;
  • каркаса для расположения обмоток;
  • изолятора;
  • дополнительных элементов, обеспечивающих жёсткость устройства.

В основе принципа действия любого трансформаторного устройства лежит эффект возникновения магнитного поля вокруг проводника с текущим по нему электрическим током. Такое поле также возникает вокруг магнитов.

Током называется направленный поток электронов или ионов (зарядов). Взяв проволочный проводник и намотав его на катушку и подключив к его концам прибор для измерения потенциала можно наблюдать всплеск амплитуды напряжения при помещении катушки в магнитное поле. Это говорит о том, что при воздействии магнитного поля на катушку с намотанным проводником получается источник энергии или её преобразователь.

В устройстве трансформатора такая катушка называется первичной или сетевой. Она предназначена для создания магнитного поля. Стоит отметить, что такое поле обязательно должно всё время изменяться по направлению и величине, то есть быть переменным.

Классический трансформатор состоит из двух катушек и магнитопровода, соединяющего их. При подаче переменного сигнала на контакты первичной катушки возникающий магнитный поток через магнитопровод (сердечник) передаётся на вторую катушку. Таким образом, катушки связаны силовыми магнитными линиями. Согласно правилу электромагнитной индукции при изменении магнитного поля в катушке индуктируется переменная электродвижущая сила (ЭДС).

Поэтому в первичной катушки возникает ЭДС самоиндукции, а во вторичной ЭДС взаимоиндукции.

Количество витков на обмотках определяет амплитуду сигнала, а диаметр провода наибольшую силу тока. При равенстве витков на катушках уровень входного сигнала будет равен выходному. В случае когда вторичная катушка имеет в три раза больше витков, амплитуда выходного сигнала будет в три раза больше, чем входного — и наоборот.

От сечения провода, используемого в трансформаторе, зависит нагрев всего устройства. Правильно подобрать сечение возможно, воспользовавшись специальными таблицами из справочников, но проще использовать трансформаторный онлайн-калькулятор.

Отношение общего магнитного потока к потоку одной катушки устанавливает силу магнитной связи. Для её увеличения обмотки катушек размещаются на замкнутом магнитопроводе. Изготавливается он из материалов имеющих хорошую электромагнитную проводимость, например, феррит, альсифер, карбонильное железо. Таким образом, в трансформаторе возникают три цепи: электрическая — образуемая протеканием тока в первичной катушке, электромагнитная — образующая магнитный поток, и вторая электрическая — связанная с появлением тока во вторичной катушке при подключении к ней нагрузки.

Правильная работа трансформатора зависит и от частоты сигнала. Чем она больше, тем меньше возникает потерь во время передачи энергии. А это означает, что от её значения зависят размеры магнитопровода: чем частота больше, тем размеры устройства меньше. На этом принципе и построены импульсные преобразователи, изготовление которых связано с трудностями разработки, поэтому часто используется калькулятор для расчёта трансформатора по сечению сердечника, помогающий избавиться от ошибок ручного расчёта.

Назначение и функциональность

Итак, какие функции выполняет трансформатор?

  1. Это снижение напряжения до необходимых параметров.
  2. С его помощью снижается гальваническая развязка сети.

Что касается второй функции, то необходимо дать пояснения. Обе обмотки (первичная и вторичная) трансформатора тока между собой напрямую не соединены. Значит, сопротивление прибора, по сути, должно быть бесконечным. Правда, это идеальный вариант. Соединение же обмоток происходит через магнитное поле, создаваемой первичной обмоткой. Вот такой непростой функционал.

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.

Пример.

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 Допустимая нагрузка при плотности тока 2А/мм² 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

Виды сердечников

Трансформаторы отличаются между собой не только сферой применения, техническими характеристиками и размерам, но и типом магнитопровода. Очень важным параметром, влияющим на величину магнитного поля, кроме отношения витков, является размер сердечника. От его значения зависит способность насыщения. Эффект насыщения наступает тогда, когда при увеличении тока в катушке величина магнитного потока остаётся неизменной, т. е. мощность не изменяется.
Для предотвращения возникновения эффекта насыщения понадобится правильно рассчитать объём и сечение сердечника, от размеров которого зависит мощность трансформатора. Следовательно, чем больше мощность трансформатора, тем большим должен быть его сердечник.

По конструкции сердечник разделяют на три основных вида:

  • стержневой;
  • броневой;
  • тороидальный.

Стержневой магнитопровод представляет собой П-образный или Ш-образный вид конструкции. Собирается из стержней, стягивающихся ярмом. Для защиты катушек от влияния внешних электромагнитных сил используются броневые магнитопроводы. Их ярмо располагается на внешней стороне и закрывает стержень с катушкой. Тороидальный вид изготавливается из металлических лент. Такие сердечники из-за своей кольцевой конструкции экономически наиболее выгодны.

Зная форму сердечника, несложно рассчитать мощность трансформатора. Находится она по несложной формуле: P=(S/K)*(S/K), где:

  • S — площадь сечения сердечника.
  • K — постоянный коэффициент равный 1,33.

Площадь сердечника находится в зависимости от его вида, её единица измерения — сантиметр в квадрате. Полученный результат измеряется в ваттах. Но на практике часто приходится выполнять расчёт сечения сердечника по необходимой мощности трансформатора: Sс = 1.2√P, см2. Исходя из формул можно подтвердить вывод: что чем больше мощность изделия, тем габаритней используется сердечник.

Программы для расчета

Известно много программ, которые предлагают онлайн расчет параметров любого трансформатора на броневом или стержневом сердечнике. Одной из таких может стать сервис на сайте «skrutka». Для определения характеристик потребуется указать ряд следующих данных:

  • входное напряжение — U1;
  • выходное напряжение — U2;
  • ширину пластины — а;
  • толщину стопки — b ;
  • частоту сети — Гц;
  • габаритная мощность — В*А;
  • КПД;
  • магнитную индуктивность магнитопровода — Тл;
  • плотность тока в обмотках — А/мм кв.

Последние 4 величины являются табличными, поэтому потребуется воспользоваться справочником.

Необходимо грамотно и ответственно отнестись к расчету параметров трансформатора, потому что от качества выполненной работы будет зависеть и качество функционирования вашего блока питания. Не всегда стоит надеяться на программы, в них могут быть ошибки. Выберите один или несколько параметров и пересчитайте их вручную по ранее приведенным формулам. Если получится примерно равное значение, то результат можно считать правильным.

Расчет трансформатора онлайн

Существует формула расчета трансформатора, которая помогает совершить расчет трансформатора питания. Чтобы упростить себе жизнь и избежать ошибок в вычислениях, вы можете воспользоваться данной программой. Она позволит вам конструировать трансформаторы на различные напряжения и мощности очень быстро и без проблем. Это очень удобный калькулятор для радиолюбителей и профессионалов. Он поможет не только рассчитать трансформатор, но и поможет изучить его устройство, как всё работает. Это самый простой и быстрый способ всё рассчитать. Для этого нужно заполнить все известные вам данные и нажать кнопку. Получается вам нужно нажать одну кнопку, чтобы произвести расчет трансформатора!

Преимущества онлайн калькулятора

В результате расчета трансформатора онлайн, на выходе получаются параметры в виде мощности, силы тока в амперах, количества витков и диаметра провода в первичной и вторичной обмотке.

Существуют формулы, позволяющие быстро выполнить расчеты трансформатора. Однако они не дают полной гарантии от ошибок при проведении вычислений. Чтобы избежать подобных неприятностей, применяется программа онлайн калькулятора.

Полученные результаты позволяют выполнять конструирование трансформаторов для различных мощностей и напряжений. С помощью калькулятора осуществляются не только расчеты трансформатора. Появляется возможность для изучения его устройства и основных функций.

Запрошенные данные вставляются в таблицу и остается только нажать нужную кнопку.

Благодаря онлайн калькулятору не требуется проводить каких-либо самостоятельных подсчетов. Полученные результаты позволяют выполнять перемотку трансформатора своими руками.

Большинство необходимых расчетов осуществляется в соответствии с размерами сердечника. Калькулятор максимально упрощает и ускоряет все вычисления.

Необходимые пояснения можно получить из инструкции и в дальнейшем четко следовать их указаниям.

Конструкция трансформаторных магнитопроводов представлена тремя основными вариантами – броневым, стержневым и тороидальным. Прочие модификации встречаются значительно реже. Для расчета каждого вида требуются исходные данные в виде частоты, входного и выходного напряжения, выходного тока и размеров каждого магнитопровода.

Типовой расчёт параметров

Довольно часто радиолюбители используют при расчёте трансформатора упрощённую методику. Она позволяет выполнить расчёт в домашних условиях без использования величин, которые трудно узнать. Но проще использовать готовый для расчёта трансформатора онлайн-калькулятор. Для того чтобы воспользоваться таким калькулятором, понадобится знать некоторые данные, а именно:

  • напряжение первичной и вторичной обмотки;
  • габаритны сердечника;
  • толщину пластины.

После их ввода понадобится нажать кнопку «Рассчитать» или похожую по названию и дождаться результата.

Стержневой тип магнитопровода

В случае отсутствия возможности расчёта на калькуляторе выполнить такую операцию самостоятельно несложно и вручную. Для этого потребуется определиться с напряжением на выходе вторичной обмотки U2 и требуемой мощностью Po. Расчёт происходит следующим образом:

После того как первый этап выполнен, приступают к следующей стадии расчёта. Число витков в первичной обмотке находится по формуле: K1 = 50*U1/S. А число витков вторичной обмотке определяется выражением K2= 55* U2/S, где:

  • U1 — напряжение первичной обмотке, В.
  • S — площадь сердечника, см².
  • K1, K2 — число витков в обмотках, шт.

Остаётся вычислить диаметр наматываемой проволоки. Он равен D = 0,632*√ I, где:

  • d — диаметр провода, мм.
  • I — обмоточный ток рассчитываемой катушки, А.

Читайте также:  Электросварка электродами для начинающих: как правильно варить

При подборе магнитопровода следует соблюдать соотношение 1 к 2 ширины сердечника к его толщине. По окончании расчёта выполняется проверка заполняемости, т. е. поместится ли обмотка на каркас. Для этого площадь окна вычисляется по формуле: Sо = 50*Pт, мм2.

Расчет сетевого трансформатора

  • Если у Вас есть некий трансформаторный сердечник, из которого нужно сделать трансформатор, то необходимо замерить сердечник (как показано на рисунке), а так же замерить толщину пластины или ленты.
  • Первым делом необходимо рассчитать  площадь сечения сердечника — Sc (см²) и площадь поперечного сечения окна — Sо (см²).
  • Для тороидального трансформатора:
  • Sc= H * (D – d)/2
  • S0=  π * d2/ 4

Для Ш и П — образного сердечника:

Определим габаритную мощность нашего сердечника на частоте 50 Гц:

  • η — КПД трансформатора,
  • Sc — площадь поперечного сечения сердечника, см2,
  • So — площадь поперечного сечения окна, см2,
  • f — рабочая частота трансформатора, Гц,
  • B — магнитная индукция, T,
  • j — плотность тока в проводе обмоток, A/мм2,
  • Km — коэффициент заполнения окна сердечника медью,
  • Kc — коэффициент заполнения сечения сердечника сталью.

При расчете трансформатора необходимо учитывать, что габаритная мощность трансформатора должна быть больше расчетной электрической мощности вторичных обмоток.

Исходными начальными данными для упрощенного расчета являются:

  • напряжение первичной обмотки U1
  • напряжение вторичной обмотки U2
  • ток вторичной обмотки l2
  • мощность вторичной обмотки Р2 =I2 * U2 = Рвых
  • площадь поперечного сечения сердечника Sc
  • площадь поперечного сечения окна So
  • рабочая частота трансформатора f = 50 Гц

КПД (η) трансформатора можно взять из таблицы, при условии что Рвых = I2 * U2 (где I2 ток во вторичной обмотке, U2 напряжение вторичной обмотки), если в трансформаторе несколько вторичных обмоток, что считают Pвых каждой и затем их складывают.

B — магнитная индукция выбирается из таблицы, в зависимости от конструкции магнитопровода и Pвых.

j — плотность тока в проводе обмоток , так же выбирается в зависимости от конструкции магнитопровода и Pвых.

Km — коэффициент заполнения окна сердечника медью

Kc — коэффициент заполнения сечения сердечника сталью

Коэффициенты заполнения для пластинчатых сердечников указаны в скобках при изоляции пластин лаком или фосфатной пленкой.

При первоначальном расчете необходимо соблюдать условие —Pгаб ≥ Pвых, если это условие не выполняется то при расчете уменьшите ток или напряжение вторичной обмотки.

После того как Вы определились с габаритной мощностью трансформатора, можно приступить к расчету напряжения одного витка:

  1. где Sc — площадь поперечного сечения сердечника, f — рабочая частота (50 Гц), B — магнитная индукция выбирается из таблицы, в зависимости от конструкции магнитопровода и Pвых.
  2. Теперь определяем число витков первичной обмотки:
  3. w1=U1/u1
  4. где U1 напряжение первичной обмотки, u1 — напряжение одного витка.
  5. Число витков каждой из вторичных обмоток находим из простой пропорции:
  • где w1 — кол-во витков первичной обмотки, U1 напряжение первичной обмотки, U2 напряжение вторичной обмотки.
  • Определим мощность потребляемую трансформатором  от сети с учетом потерь:
  • Р1 = Рвых /  η
  • где η — КПД трансформатора.
  • Определяем величину тока в первичной обмотке трансформатора:
  • I1 = P1/U1
  • Определяем диаметры проводов обмоток трансформатора:
  • d = 0,632*√ I
  • где d — диаметр провода, мм, I — ток обмотки, А (для первичной и вторичной обмотки).

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 броневого трансформатора

Распространен вид трансформаторов, используемый практически во всех устройствах от зарядных аппаратов для шуруповертов, заканчивая боками питания магнитофонов. В процессе эксплуатации всех этих устройств часто возникают поломки в питателе, связанные со сгоревшим намоточным изделием. Тогда для его восстановления потребуется перемотка, но это проблемы не решает.

Часто требуется увеличить мощность источника, тогда как рассчитать трансформатор, чтобы его железо не перегревалось? Потребуется выбрать железо больших размеров и использовать более толстый провод. Такой ход поможет сохранить работоспособность устройства и даже улучшить характеристики, сделав его стабильнее и устойчивее при скачках напряжений в сети.

К сожалению, не все производители учитывают этот фактор, а ведь наша сеть неустойчива и регулярно в ней наблюдаются помехи в виде высоковольтных игольчатых импульсов. Также возникают ситуации, когда наблюдается просадка сети до 170 В, что характерно в зимний период. Тогда необходимо предусмотреть запас по напряжению как минимум на 40−45%, увеличив мощность и компенсационного стабилизатора. Часто такие ситуации наблюдаются в частном секторе.

Вернемся к расчету Ш-образного трансформатора на ШП-сердечнике. Принцип будет одинаков и с сердечником типа ПЛ при условии размещения обмотки на средней части. Для чего потребуется выполнить следующие шаги:

  • Определить площадь поперечного сечения средней части сердечника. Она выражается буквой S сеч. и находится из произведения ее сторон. Взяв линейку, измеряем параметры сечения, перемножаем и получаем значение в квадратных сантиметрах.
  • На следующем этапе решается вопрос, как рассчитать мощность трансформатора. Это расчетная величина, которую можно определить, возведя S сеч. в квадрат. Значение будет измеряться в Вт и обозначаться буквой «P».
  • При расчете мощности сердечника необходимо учитывать тип использованных пластин. Например, если были применены для набора Ш-20, то общая толщина сердечника должна быть 30 мм при мощности в 36 Вт. Если для трансформатора были использованы пластины Ш-30, то толщина набора будет достаточно в 20 мм, а при использовании Ш-24 — 25 мм. Существуют справочные таблицы, в которых можно найти мощность трансформатора по сечению магнитопровода для конкретной ситуации. Для обеспечения наилучшей стабильности работы источников питания следует использовать железо с избытком мощности как минимум на 25%. То есть, если ранее была расчетная мощность равна 6 Вт, то для надежности работы и исключения насыщения сердечника следует брать в расчет как минимум 8 Вт. Это обязательное условие. Если использовать магнитопровод с меньшей площадью сечения сердечника, то трансформатор быстро выйдет из строя, потому что железо окажется в насыщении, что приведет к увеличению токов в обмотках.
  • На следующем этапе необходимо определиться с количеством обмоток. Для современных транзисторных устройств достаточно будет всего одной или сдвоенной со средней точкой. Поэтому рассмотрим пример расчета именно такого трансформатора. Для этого потребуется воспользоваться понятием «вольт на виток». Значение определяется следующим образом: W /В=(50÷70) / S сеч. Формула справедлива только для сердечников типа ШП и П. Л. При расчете первичной и вторичной обмоток потребуется взять произведение полученного отношения и входного напряжения: W1 = W / B∙U1, W2 = 1,2 ∙ W /B∙U2.
  • Выполняется расчет и выбор диаметра провода. Он выбирается исходя из хорошего теплоотвода и изоляции, для чего рекомендуется применять ПЭЛ или ПЭВ, покрытые лаком. Определить его размер можно по формуле: d =0,7∙√ I. Величина выражается в мм. Провод выбирается с небольшим запасом до 4−6%.

Все программы расчета трансформаторов позволяют находить параметры изделий в любом порядке. Они используют стандартные алгоритмы, по которым выводятся значения. При необходимости можно создать собственный калькулятор с помощью таблиц Excel. Подобным образом работает и калькулятор расчета трансформатора на стержневом сердечнике.

Источники

  • https://onlineelektrik.ru/eoborudovanie/transformatori/uproshhennyj-vid-rascheta-transformatora.html
  • https://www.RusElectronic.com/ustrojstvo-transformatora/
  • https://master-pmg.ru/oborudovanie/raschet-transformatora-onlajn.html
  • https://PlazmoSvarka.ru/sovety/raschet-toroidalnogo-transformatora-onlajn-kalkulyator.html
  • http://energo-novgorod.ru/calcs/calc-trans/
  • https://regionvtormet.ru/instrumenty/raschet-moshhnosti-transformatora-na-sterzhnevom-magnitoprovode-vruchnuyu-i-pri-pomoshhi-onlajn-kalkulyatora.html

Расчет трансформаторов тока по нагрузке калькулятор

Данный онлайн расчет трансформатора выполнен по типовым расчетам электрооборудования. В типовых расчётах все начинается с определения необходимой мощности вторичной обмотки, а уж потом с поправкой на КПД — коэффициент полезного действия, находим мощность всего трансформатора, и на основании этого рассчитываем необходимое сечение и тип сердечника и так далее.

Изначально так и было в моём расчете. Пока не появились предложения от посетителей сайта внести изменения в расчет. По имеющимся размерам трансформаторного железа рассчитываем полную мощность трансформатора, а уж потом видим, какой ток и напряжение можно снять с этого железа. Далее все как по типовому расчёту, выбираем тип: броневой или стержневой, указываем напряжение первичной обмотки, вторичной, частоту переменного тока и так далее.

В результате получаем необходимые расчетные данные трансформатора, например сечение обмоточных проводов, которые сравниваются со стандартными обмоточными проводами и представляются для дальнейшего расчёта. Диапазон обмоточных проводов сечением от 0,000314 до 4,906 мм 2 , всего 63 позиции. На основании имеющихся данных рассчитывается площадь занимаемой обмотками трансформатора, для определения возможности их размещения в окнах трансформатора.
Хотелось бы узнать в комментариях ваше мнение, и практические результаты, чтобы если это возможно сделать более качественный расчёт.

Просмотр и ввод комментариев к статье

Одним из часто применяемых устройств в областях энергетики, электроники и радиотехники является трансформатор. Часто от его параметров зависит надёжность работы приборы в целом. Случается так, что при выходе трансформатора из строя или при самостоятельном изготовлении радиоприборов не получается найти устройство с нужными параметрами серийного производства. Поэтому приходится выполнять расчёт трансформатора и его изготовление самостоятельно.

Принцип работы устройства

Трансформатор — это электротехническое устройство, предназначенное для передачи энергии без изменения её формы и частоты. Используя в своей работе явление электромагнитной индукции, устройство применяется для преобразования переменного сигнала или создания гальванической развязки. Каждый трансформатор собирается из следующих конструктивных элементов:

  • сердечника;
  • обмотки;
  • каркаса для расположения обмоток;
  • изолятора;
  • дополнительных элементов, обеспечивающих жёсткость устройства.

В основе принципа действия любого трансформаторного устройства лежит эффект возникновения магнитного поля вокруг проводника с текущим по нему электрическим током. Такое поле также возникает вокруг магнитов. Током называется направленный поток электронов или ионов (зарядов). Взяв проволочный проводник и намотав его на катушку и подключив к его концам прибор для измерения потенциала можно наблюдать всплеск амплитуды напряжения при помещении катушки в магнитное поле. Это говорит о том, что при воздействии магнитного поля на катушку с намотанным проводником получается источник энергии или её преобразователь.

В устройстве трансформатора такая катушка называется первичной или сетевой. Она предназначена для создания магнитного поля. Стоит отметить, что такое поле обязательно должно всё время изменяться по направлению и величине, то есть быть переменным.

Классический трансформатор состоит из двух катушек и магнитопровода, соединяющего их. При подаче переменного сигнала на контакты первичной катушки возникающий магнитный поток через магнитопровод (сердечник) передаётся на вторую катушку. Таким образом, катушки связаны силовыми магнитными линиями. Согласно правилу электромагнитной индукции при изменении магнитного поля в катушке индуктируется переменная электродвижущая сила (ЭДС). Поэтому в первичной катушки возникает ЭДС самоиндукции, а во вторичной ЭДС взаимоиндукции.

Количество витков на обмотках определяет амплитуду сигнала, а диаметр провода наибольшую силу тока. При равенстве витков на катушках уровень входного сигнала будет равен выходному. В случае когда вторичная катушка имеет в три раза больше витков, амплитуда выходного сигнала будет в три раза больше, чем входного — и наоборот.

От сечения провода, используемого в трансформаторе, зависит нагрев всего устройства. Правильно подобрать сечение возможно, воспользовавшись специальными таблицами из справочников, но проще использовать трансформаторный онлайн-калькулятор.

Отношение общего магнитного потока к потоку одной катушки устанавливает силу магнитной связи. Для её увеличения обмотки катушек размещаются на замкнутом магнитопроводе. Изготавливается он из материалов имеющих хорошую электромагнитную проводимость, например, феррит, альсифер, карбонильное железо. Таким образом, в трансформаторе возникают три цепи: электрическая — образуемая протеканием тока в первичной катушке, электромагнитная — образующая магнитный поток, и вторая электрическая — связанная с появлением тока во вторичной катушке при подключении к ней нагрузки.

Правильная работа трансформатора зависит и от частоты сигнала. Чем она больше, тем меньше возникает потерь во время передачи энергии. А это означает, что от её значения зависят размеры магнитопровода: чем частота больше, тем размеры устройства меньше. На этом принципе и построены импульсные преобразователи, изготовление которых связано с трудностями разработки, поэтому часто используется калькулятор для расчёта трансформатора по сечению сердечника, помогающий избавиться от ошибок ручного расчёта.

Виды сердечников

Трансформаторы отличаются между собой не только сферой применения, техническими характеристиками и размерам, но и типом магнитопровода. Очень важным параметром, влияющим на величину магнитного поля, кроме отношения витков, является размер сердечника. От его значения зависит способность насыщения. Эффект насыщения наступает тогда, когда при увеличении тока в катушке величина магнитного потока остаётся неизменной, т. е. мощность не изменяется.

Для предотвращения возникновения эффекта насыщения понадобится правильно рассчитать объём и сечение сердечника, от размеров которого зависит мощность трансформатора. Следовательно, чем больше мощность трансформатора, тем большим должен быть его сердечник.

По конструкции сердечник разделяют на три основных вида:

Стержневой магнитопровод представляет собой П-образный или Ш-образный вид конструкции. Собирается из стержней, стягивающихся ярмом. Для защиты катушек от влияния внешних электромагнитных сил используются броневые магнитопроводы. Их ярмо располагается на внешней стороне и закрывает стержень с катушкой. Тороидальный вид изготавливается из металлических лент. Такие сердечники из-за своей кольцевой конструкции экономически наиболее выгодны.

Зная форму сердечника, несложно рассчитать мощность трансформатора. Находится она по несложной формуле: P=(S/K)*(S/K), где:

  • S — площадь сечения сердечника.
  • K — постоянный коэффициент равный 1,33.

Площадь сердечника находится в зависимости от его вида, её единица измерения — сантиметр в квадрате. Полученный результат измеряется в ваттах. Но на практике часто приходится выполнять расчёт сечения сердечника по необходимой мощности трансформатора: Sс = 1.2√P, см2. Исходя из формул можно подтвердить вывод: что чем больше мощность изделия, тем габаритней используется сердечник.

Типовой расчёт параметров

Довольно часто радиолюбители используют при расчёте трансформатора упрощённую методику. Она позволяет выполнить расчёт в домашних условиях без использования величин, которые трудно узнать. Но проще использовать готовый для расчёта трансформатора онлайн-калькулятор. Для того чтобы воспользоваться таким калькулятором, понадобится знать некоторые данные, а именно:

  • напряжение первичной и вторичной обмотки;
  • габаритны сердечника;
  • толщину пластины.

После их ввода понадобится нажать кнопку «Рассчитать» или похожую по названию и дождаться результата.

Стержневой тип магнитопровода

В случае отсутствия возможности расчёта на калькуляторе выполнить такую операцию самостоятельно несложно и вручную. Для этого потребуется определиться с напряжением на выходе вторичной обмотки U2 и требуемой мощностью Po. Расчёт происходит следующим образом:

После того как первый этап выполнен, приступают к следующей стадии расчёта. Число витков в первичной обмотке находится по формуле: K1 = 50*U1/S. А число витков вторичной обмотке определяется выражением K2= 55* U2/S, где:

  • U1 — напряжение первичной обмотке, В.
  • S — площадь сердечника, см².
  • K1, K2 — число витков в обмотках, шт.

Остаётся вычислить диаметр наматываемой проволоки. Он равен D = 0,632*√ I, где:

  • d — диаметр провода, мм.
  • I — обмоточный ток рассчитываемой катушки, А.

При подборе магнитопровода следует соблюдать соотношение 1 к 2 ширины сердечника к его толщине. По окончании расчёта выполняется проверка заполняемости, т. е. поместится ли обмотка на каркас. Для этого площадь окна вычисляется по формуле: Sо = 50*Pт, мм2.

Особенности автотрансформатора

Автотрансформаторы рассчитываются аналогично простым трансформаторам, только сердечник определяется не на всю мощность, а на мощность разницы напряжений.

Например, мощность магнитопровода 250 Вт, на входе 220 вольт, на выходе требуется получить 240 вольт. Разница напряжений составляет 20 В, при мощности 250 Вт ток будет равен 12,5 А. Такое значение тока соответствует мощности 12,5*240=3000 Вт. Потребление сетевого тока составляет 12,5+250/220=13,64А, что как раз и соответствует 3000Вт=220В*13,64А. Трансформатор имеет одну обмотку на 240 В с отводом на 220 В, который подключён к сети. Участок между отводом и выходом мотается проводом, рассчитанным на 12,5А.

Таким образом, автотрансформатор позволяет получить на выходе мощность значительно больше, чем трансформатор на таком же сердечнике при небольшом коэффициенте передачи.

Трансформатор тороидального типа

Тороидальные трансформаторы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами: меньший размер, меньший вес и при этом большее КПД. При этом они легко наматываются и перематываются. Использование онлайн-калькулятора для расчёта тороидального трансформатора позволяет не только сократить время изготовления изделия, но и «на лету» поэкспериментировать с разными вводными данными. В качестве таких данных используются:

  • напряжение входной обмотки, В;
  • напряжение выходной обмотки, В;
  • ток выходной обмотки, А;
  • наружный диаметр тора, мм;
  • внутренний диаметр тора, мм;
  • высота тора, мм.

Необходимо отметить, что почти все онлайн-программы не демонстрируют особой точности в случае расчёта импульсных трансформаторов. Для получения высокой точности можно воспользоваться специально разработанными программами, например, Lite-CalcIT, или рассчитать вручную. Для самостоятельного расчёта используются следующие формулы:

  1. Мощность выходной обмотки: P2=I2*U2, Вт.
  2. Габаритная мощность: Pg=P2/Q, Вт. Где Q — коэффициент, берущийся из справочника (0,76−0,96).
  3. Фактическое сечение «железа» в месте размещения катушки: Sch= ((D-d)*h)/2, мм2.
  4. Расчётное сечение «железа» в месте расположения катушки: Sw =√Pq/1.2, мм2
  5. Площадь окна тора: Sfh=d*s* π/4, мм2.
  6. Значение рабочего тока входной обмотки: I1=P2/(U1*Q*cosφ), А, где cosφ справочная величина (от 0,85 до 0,94).
  7. Сечение провода находится отдельно для каждой обмотки из выражения: Sp = I/J, мм2., где J- плотность тока, берущаяся из справочника (от 3 до 5).
  8. Число витков в обмотках рассчитывается отдельно для каждой катушки: Wn=45*Un*(1-Y/100)/Bm* Sch шт., где Y — табличное значение, которое зависит от суммарной мощности выходных обмоток.
  9. Остается найти выходную мощность и расчёт тороидального силового трансформатора считается выполненным. Pout = Bm*J*Kok*Kct* Sch* Sfh /0,901, где: Bm — магнитная индукция, Kok — коэффициент заполнения проводом, Kct —коэффициент заполнения железом.

Все значения коэффициентов берутся из справочника радиоаппаратуры (РЭА). Таким образом, проводить вычисления в ручном режиме несложно, но потребуется аккуратность и доступ к справочным данным, поэтому гораздо проще использовать онлайн-сервисы.

Рекомендации по сборке и намотке

При сборке трансформатора своими руками пластины сердечника собираются «вперекрышку». Магнитопровод стягивается обоймой или шпилечными гайками. Для того чтобы не нарушить изоляцию, шпильки закрываются диэлектриком. Стягивать «железо» нужно с усилием: если его окажется недостаточно при работе устройства возникнет гул.

Проводники наматываются на катушку плотно и равномерно, каждый последующий ряд изолируется от предыдущего тонкой бумагой или лавсановой плёнкой. Последний ряд обматывается киперной лентой или лакотканью. Если в процессе намотки выполняется отвод, то провод разрывается, а на место разрыва впаивается отвод. Это место тщательно изолируется. Закрепляются концы обмоток с помощью ниток, которыми привязываются провода к поверхности сердечника.

При этом существует хитрость: после первичной обмотки не следует наматывать всю вторичную обмотку сразу. Намотав 10—20 витков, нужно измерить величину напряжения на её концах.

По полученному значению можно представить, сколько витков потребуется для получения нужной амплитуды выходного напряжения, тем самым контролируя полученный расчёт при сборке трансформатора.

Счетчики для расчетов за потребляемую электроэнергию между энергоснабжающей организацией и потребителями следует устанавливать на границе раздела сети по балансовой принадлежности и эксплуатационной ответственности между энергоснабжающей организацией и потребителем. Число счетчиков на объекте должно быть минимальным и обосновано принятой схемой электроснабжения объекта и действующими тарифами на электроэнергию для данного потребителя. Расчетные счетчики у арендаторов, находящихся в жилых, общественных и других зданиях и обособленных в административно-хозяйственном отношении, надо устанавливать раздельно для каждого самостоятельного потребителя (организации, домоуправления, ателье, магазина, мастерской, склада и т. д.).

Коэффициент трансформации трансформаторов тока следует выбирать по расчетной присоединяемой нагрузке с учетом работы установки в аварийном режиме. Завышенным по коэффициенту трансформации считается такой трансформатор тока, у которого при 25%-ной расчетной присоединяемой нагрузке (в нормальном режиме) ток во вторичной обмотке будет менее 10% номинального тока счетчика (номинальный ток счетчика — 5 А).

В зависимости от величин сопротивления потребителей вторичной цепи Z 2, Ом, и вторичной нагрузки трансформатора тока S2, ВА, один и тот же трансформатор тока может работать в различных классах точности. Для обеспечения достаточной точности показаний приборов и действия аппаратов защиты, подключенных к трансформатору тока, необходимо, чтобы величина Z2 не выходила за пределы номинальной нагрузки трансформатора тока.

Трансформаторы тока имеют токовые ΔI и угловые погрешности δ . Токовая погрешность, проц., по приведенному соотношению учитывается в показаниях всех приборов:

где kном — номинальный коэффициент трансформации; I1 и I2 — ток соответственно первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Угловая погрешность определяется углом δ между векторами тока I1 и I2 и учитывается только в показаниях счетчиков и ваттметров.

Трансформаторы тока имеют следующие классы точности: 0,2; 0,5; 1; 3; 10, что соответствует величинам токовых погрешностей, проц. Класс точности трансформаторов тока должен быть для счетчиков коммерческого учета — 0,5; для электроизмерительных приборов— 1; для реле токовых защит — 3; для лабораторных приборов — 0,2.

Пример выбора трансформаторов тока для подключения счетчика.

Расчетный ток присоединения в нормальном режиме — 90 А, в аварийном — 126 А.

Выбирают трансформаторы тока с коэффициентом трансформации n т = 150/5 исходя из нагрузки в аварийном режиме.

Проверка. При 25%-ной нагрузке ток в первичной цепи составляет I1 = ( 90 х 25)/100 = 22,5 А.

Ток во вторичной цепи (при коэффициенте трансформации n т = 150 : 5 = 30) составит

I 2 = I1/nt = 22 , 5/30 = 0,75 А.

Трансформаторы тока выбраны правильно, так как I 2 > I н счетчика, т. е. 0,75 > 0,5.

Сечение жил проводов или кабелей от трансформаторов тока до счетчиков должно быть не менее: медных — 2,5, алюминиевых — 4 мм2. Максимальное сечение жил проводов и кабелей, которые возможно подключить к клеммам счетчика, не должно превышать 10 мм2.

При выборе трансформаторов тока к расчетным счетчикам рекомендуется использовать данные из ПУЭ (таблица «Выбор трансформаторов тока»). До приборов учета, смонтированных на вводе в целях безопасной установки, проверки и замены счетчиков и трансформаторов тока в электроустановках при наличии двух питающих линий (вводов) и двух распределительных сборок, имеющих коммутационные аппараты для их соединения (секционные рубильники, АВР и др.), до приборов учета, смонтированных на вводе, должны быть установлены отключающие аппараты, а после приборов учета — аппараты, обеспечивающие разрыв цепи со стороны распределительных сборок.

Расчет тороидального трансформатора по сечению сердечника

Перед конструкторами радиоэлектронной аппаратуры часто ставится задача создания таких устройств, которые отличались бы небольшими размерами и минимальным весом.

Практика показала, что лучше всего применять силовые трансформаторы с тороидальным магнитопроводом. В сравнении с броневыми сердечниками из Ш-образных пластин они имеют меньший вес и габариты, а также отличаются лучшими условиями охлаждения обмотки и повышенным к.п.д. Кроме того, при равномерном распределении обмоток по периметру сердечника практически отсутствует поле рассеяния и в большинстве случаев отпадает необходимость в экранировании трансформаторов,

В связи с тем, что полный расчет тороидального трансформатора по сечению сердечника сложен, приводим таблицу, с помощью которой радиолюбителю будет легче произвести расчет тороидального трансформатора мощностью до 120 вт.

Точность расчета вполне достаточна для любительских целей.

Расчет параметров тороидального трансформатора, не вошедших в таблицу, аналогичен расчету трансформаторов на Ш-образном сердечнике.

Таблицей можно пользоваться при расчете трансформаторов на сердечниках из холоднокатаной стали Э310, Э320, Э380 с толщиной ленты 0,35—0, 5 мм. и стали Э340, Э350, Э360 с толщиной ленты 0*05—0,1 мм. при частоте питающей сети 50 Гц.

При намотке трансформаторов допустимо применять лишь меж обмоточную 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 пригодны фторопластовая пленка ПЭТФ толщиной 0,01— 0,02 мм. лакоткань ЛШСС толщиной 0,06—0,12 мм. или батистовая лента.

Пример расчета трансформатора:

Дано: напряжение питающей сети                                 U= 220 в,

выходное напряжение                                                      Uн = 24 в,

ток нагрузки                                                                       Iн = 1,8 а.

  1.  Расчет мощности тороидального трансформатора. Определяют мощность вторичной обмотки                                                                             Uн*Iн =  24*1,8 = 43,2 вт.
  2.  определяют габаритную мощность трансформатора                                                                             Pг = p/η = 43,2 / 0,92 = 48 вт. Величину к. п. д. и другие необходимые для расчета данные выбирают по таблице из нужной графы ряда габаритных мощностей.
  3. Определяют площадь сечения сердечника тороидальной катушки

                                                                          Sрасч.=(Pг / 1,2) = 5,8 см2.

Pг Вт.  W1  W2  Sсм2  Δ А/мм2 η
до 10  41/S 38/S Pг 4,5 0,8
10-30  36/S 32/S Pг/1,1 4,0 0,9
30-50  33,3/S 29/S Pг/1,2 3,5 0,92
50-120  32/S 28/S Pг/1,25 3,0 0,95

Примечание. Рг, — габаритная мощность трансформатора, w1, — число витков на вольт для стали Э310, Э320, Э330,  w2— число витков на вольт для стали Э340, Э359, ЭЗ60, S — площадь сечения сердечника см2, Δ — допустимая плотность тока в обмотках, η — к. п. д. трансформатора.

4. Подбирают размеры сердечника Dc, dc и hc

                                                                                  S = ((Dc —  dc) / 2) * hc

Ближайший стандартный тип сердечника — ОЛ 50/80-40, площадь сечения которого равна 6 см2 (не менее расчетной).

5. При определении внутреннего диаметра сердечника должно быть выполнено условие: dc ≥ d`c,то есть 5 ≥3,8.

6. Предположим, что выбран сердечник из стали Э320, тогда число витков на вольт определяют по формуле;

                                                            w= 33,3 / S = 33,3 / 6 = 5,55 витков / вольт.

7. Находят расчетные числа витков первичной и вторичной обмоток W1-1 =w1* Uc = 5,55 * 220 = 1221 виток.  W1-2= w* Uc = 5,55*24 = 133 витка.

Так как в тороидальных трансформаторах магнитный поток рассеяния весьма мал, то падение напряжения в обмотках определяется практически лишь их 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 обметки необходимо увеличить количество ее витков лишь на 3%.

                                                                           W1-2 = 133 * 1,03 = 137 витков.

8. Определяют диаметры проводов обмоток d1 = 1,13 * √(I1 / Δ) , где I1 ток первичной обмотки трансформатора, определяемый иэ формулы:

                                                                       I1  = 1,1 * (Рг / Uc) = 1,1 * (48 / 220) = 0,24 а

                                                                          d1 =1,13 * √(0,24 / 3,5)  = 0,299 мм.

Выбирают ближайший диаметр провода в сторону увеличения (0*31 мм)

                                                               d2 = 1,13 * √(I/ Δ) = 1,13 * √(1,8 / 3,5) = 0,8 мм.

Трансформаторы, рассчитанные с помощью приводимой таблицы, после изготовления подвергались испытаниям под постоянной максимальной нагрузкой в течение нескольких часов и показали хорошие результаты.

Видео: Расчет тороидального трансформатора

Видео посвящено вопросу расчета тороидального трансформатора. При расчете используется классическая методика определения количества витков для первичной и вторичной катушек трансформатора.

Как сделать расчет трансформатора — Яхт клуб Ост-Вест

Разделы сайта

DirectAdvert NEWS

Друзья сайта

Рекламный блок

Рекламный блок

Рекламный блок

Статистика

Магнитопровод низкочастотного трансформатора состоит из стальных пластин. Использование пластин вместо монолитного сердечника уменьшает вихревые токи, что повышает КПД и снижает нагрев.

Магнитопроводы вида 1, 2 или 3 получают методом штамповки.
Магнитопроводы вида 4, 5 или 6 получают путём навивки стальной ленты на шаблон, причём магнитопроводы типа 4 и 5 затем разрезаются пополам.

1, 4 – броневые,
2, 5 – стержневые,
6, 7 – кольцевые.

Чтобы определить сечение магнитопровода, нужно перемножить размеры «А» и «В». Для расчётов в этой статье используется размер сечения в сантиметрах.

Трансформаторы с витыми стержневым поз.1 и броневым поз.2 магнитопроводами.

Трансформаторы с штампованными броневым поз.1 и стержневым поз.2 магнитопроводами.

Трансформаторы с витыми кольцевыми магнитопроводами.

Габаритную мощность трансформатора можно приблизительно определить по сечению магнитопровода. Правда, ошибка может составлять до 50%, и это связано с рядом факторов. Габаритная мощность напрямую зависит от конструктивных особенностей магнитопровода, качества и толщины используемой стали, размера окна, величины индукции, сечения провода обмоток и даже качества изоляции между отдельными пластинами.

Чем дешевле трансформатор, тем ниже его относительная габаритная мощность.
Конечно, можно путём экспериментов и расчетов определить максимальную мощность трансформатора с высокой точностью, но смысла большого в этом нет, так как при изготовлении трансформатора, всё это уже учтено и отражено в количестве витков первичной обмотки.
Так что, при определении мощности, можно ориентироваться по площади сечения набора пластин проходящего через каркас или каркасы, если их две штуки.

Где:
P – мощность в Ваттах,
B – индукция в Тесла,
S – сечение в см²,
1,69 – постоянный коэффициент.

Сначала определяем сечение, для чего перемножаем размеры А и Б.

Затем подставляем размер сечения в формулу и получаем мощность. Индукцию я выбрал 1,5Tc, так как у меня броневой витой магнитопровод.

Если требуется определить необходимую площадь сечения манитопровода исходя из известной мощности, то можно воспользоваться следующей формулой:

Нужно вычислить сечение броневого штампованного магнитопровода для изготовления трансформатора мощностью 50 Ватт.

О величине индукции можно справиться в таблице. Не стоит использовать максимальные значения индукции, так как они могут сильно отличаться для магнитопроводов различного качества.

Максимальные ориентировочные значения индукции.

КАК РАССЧИТАТЬ ПОНИЖАЮЩИЙ ТРАНСФОРМАТОР.

В домашнем хозяйстве бывает необходимо оборудовать освещение в сырых помещениях: подвале или погребе и т.д. Эти помещения имеют повышенную степень опасности поражения электрическим 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 .

В качестве примера давайте рассчитаем и изготовим однофазный силовой трансформатор 220/36 вольт.
Для освещения таких помещений подойдет электрическая лампочка на 36 Вольт и мощностью 25 — 60 Ватт . Такие лампочки с цоколем под стандартный патрон продаются в магазинах электро-товаров.

Если вы найдете лампочку другой мощности, например на 40 ватт , нет ничего страшного — подойдет и она. Просто наш трансформатор будет выполнен с запасом по мощности.

Мощность во вторичной цепи: Р2 = U2 • I2 = 60 ватт

Где:
Р2 – мощность на выходе трансформатора, нами задана 60 ватт ;
U2 — напряжение на выходе трансформатора, нами задано 36 вольт ;
I2 — 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:

Мощность передается из первичной обмотки во вторичную через магнитный поток в магнитопроводе. Поэтому от значения Р1 , 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 будет располагаться каркас с первичной и вторичной обмотками.

Площадь поперечного сечения магнитопровода рассчитывается по формуле:

Где:
S — площадь в квадратных сантиметрах,
P1 — мощность первичной сети в ваттах.

По значению S определяется число витков w на один вольт по формуле:

В нашем случае площадь сечения сердечника равна S = 10,4 см.кв .

Рассчитаем число витков в первичной и вторичной обмотках.

Число витков в первичной обмотке на 220 вольт:

Число витков во вторичной обмотке на 36 вольт:

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:

Ток во вторичной обмотке трансформатора:

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:

Для первичной обмотки диаметр провода будет:

Диаметр провода для вторичной обмотки:

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:

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:

Округлим до 1,0 мм² .

Из таблицы выбираем диаметры двух проводов сумма площадей поперечного 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.

Силовой трансформатор является нестандартным изделием, которое часто применяется радиолюбителями, промышленности и при конструировании многих бытовых приборов. Под этим понятием подразумевается намоточное устройство, изготовленное на металлическом сердечнике, набранном из пластин электротехнической стали. Стандартными являются немногие подобные изделия, поэтому чаще всего радиолюбители изготавливают их самостоятельно. Поэтому весьма актуален вопрос: как выполнить расчет трансформатора по сечению сердечника калькулятор использовав для этого?

Необходимые сведения

Для изготовления намоточного изделия необходимо руководствоваться множеством сведений. От этого напрямую будет зависеть качество, срок службы готового блока питания. Следует грамотно подойти к процессу расчета, учесть такие показатели, как магнитную индуктивность, КПД и плотность тока. Иначе изделие получится ненадежным и скоро выйдет из строя. К основным характеристикам следует отнести:

  • Входное напряжение сети. Оно зависит от источника, к которому будет подключен трансформатор. Стандартными являются: 110 В, 220 В, 380 В, 660 В. На практике оно может быть любым, что зависит от характеристик промежуточных цепей.
  • Выходное напряжение трансформатора — величина, требуемая для обеспечения стабильной работы потребителя. Часто требуется изготовить изделие с несколькими номиналами или с регулируемым напряжением. Тогда необходимо учитывать максимальную его величину.
  • Ток в нагрузке. При фиксированном значении рассчитываются жесткие характеристики устройства, но часто требуется обеспечить регулируемую величину, тогда потребуется учесть максимальную его величину.
  • Частота сети. У нас применяется европейский стандарт, то есть 50 Гц.
  • Мощность нагрузки. Это не основной параметр, потому что ее можно определить по напряжению и току.
  • Количество выходных обмоток. В некоторых электронных приборах используются блоки питания с несколькими выходными напряжениями. Для изготовления силовой электроники используется в основном один номинал, например, для сварочных трансформаторов.

Также потребуется учесть тип сердечника, потому что от его конструкции напрямую зависит принцип расчета показателей изделия. Существует много разновидностей как конструкций, так и материалов. Если учитывать последние нет смысла из-за незначительных погрешностей, то форма и размеры имеют большое значение. Поэтому необходимы разные алгоритмы расчета, что зависит от этого критерия. Начнем с самого простого и распространенного.

Не всегда требуется расчет вести с требуемых данных. Нередко в наличии есть какое-то железо, тогда потребуется определить мощность трансформатора по сечению магнитопровода. Программы онлайн, имеющиеся в интернете, позволяют определять параметры любым порядком.

Расчет броневого трансформатора

Распространен вид трансформаторов, используемый практически во всех устройствах от зарядных аппаратов для шуруповертов, заканчивая боками питания магнитофонов. В процессе эксплуатации всех этих устройств часто возникают поломки в питателе, связанные со сгоревшим намоточным изделием. Тогда для его восстановления потребуется перемотка, но это проблемы не решает.

Часто требуется увеличить мощность источника, тогда как рассчитать трансформатор, чтобы его железо не перегревалось? Потребуется выбрать железо больших размеров и использовать более толстый провод. Такой ход поможет сохранить работоспособность устройства и даже улучшить характеристики, сделав его стабильнее и устойчивее при скачках напряжений в сети.

К сожалению, не все производители учитывают этот фактор, а ведь наша сеть неустойчива и регулярно в ней наблюдаются помехи в виде высоковольтных игольчатых импульсов. Также возникают ситуации, когда наблюдается просадка сети до 170 В, что характерно в зимний период. Тогда необходимо предусмотреть запас по напряжению как минимум на 40−45%, увеличив мощность и компенсационного стабилизатора. Часто такие ситуации наблюдаются в частном секторе.

Вернемся к расчету Ш-образного трансформатора на ШП-сердечнике. Принцип будет одинаков и с сердечником типа ПЛ при условии размещения обмотки на средней части. Для чего потребуется выполнить следующие шаги:

  • Определить площадь поперечного сечения средней части сердечника. Она выражается буквой S сеч. и находится из произведения ее сторон. Взяв линейку, измеряем параметры сечения, перемножаем и получаем значение в квадратных сантиметрах.
  • На следующем этапе решается вопрос, как рассчитать мощность трансформатора. Это расчетная величина, которую можно определить, возведя S сеч. в квадрат. Значение будет измеряться в Вт и обозначаться буквой «P».
  • При расчете мощности сердечника необходимо учитывать тип использованных пластин. Например, если были применены для набора Ш-20, то общая толщина сердечника должна быть 30 мм при мощности в 36 Вт. Если для трансформатора были использованы пластины Ш-30, то толщина набора будет достаточно в 20 мм, а при использовании Ш-24 — 25 мм. Существуют справочные таблицы, в которых можно найти мощность трансформатора по сечению магнитопровода для конкретной ситуации. Для обеспечения наилучшей стабильности работы источников питания следует использовать железо с избытком мощности как минимум на 25%. То есть, если ранее была расчетная мощность равна 6 Вт, то для надежности работы и исключения насыщения сердечника следует брать в расчет как минимум 8 Вт. Это обязательное условие. Если использовать магнитопровод с меньшей площадью сечения сердечника, то трансформатор быстро выйдет из строя, потому что железо окажется в насыщении, что приведет к увеличению токов в обмотках.
  • На следующем этапе необходимо определиться с количеством обмоток. Для современных транзисторных устройств достаточно будет всего одной или сдвоенной со средней точкой. Поэтому рассмотрим пример расчета именно такого трансформатора. Для этого потребуется воспользоваться понятием «вольт на виток». Значение определяется следующим образом: W /В=(50÷70) / S сеч. Формула справедлива только для сердечников типа ШП и П. Л. При расчете первичной и вторичной обмоток потребуется взять произведение полученного отношения и входного напряжения: W1 = W / B∙U1, W2 = 1,2 ∙ W /B∙U2.
  • Выполняется расчет и выбор диаметра провода. Он выбирается исходя из хорошего теплоотвода и изоляции, для чего рекомендуется применять ПЭЛ или ПЭВ, покрытые лаком. Определить его размер можно по формуле: d =0,7∙√ I. Величина выражается в мм. Провод выбирается с небольшим запасом до 4−6%.

Все программы расчета трансформаторов позволяют находить параметры изделий в любом порядке. Они используют стандартные алгоритмы, по которым выводятся значения. При необходимости можно создать собственный калькулятор с помощью таблиц Excel. Подобным образом работает и калькулятор расчета трансформатора на стержневом сердечнике.

Программы для расчета

Известно много программ, которые предлагают онлайн расчет параметров любого трансформатора на броневом или стержневом сердечнике. Одной из таких может стать сервис на сайте «skrutka». Для определения характеристик потребуется указать ряд следующих данных:

  • входное напряжение — U1;
  • выходное напряжение — U2;
  • ширину пластины — а;
  • толщину стопки — b ;
  • частоту сети — Гц;
  • габаритная мощность — В*А;
  • КПД;
  • магнитную индуктивность магнитопровода — Тл;
  • плотность тока в обмотках — А/мм кв.

Последние 4 величины являются табличными, поэтому потребуется воспользоваться справочником.

Необходимо грамотно и ответственно отнестись к расчету параметров трансформатора, потому что от качества выполненной работы будет зависеть и качество функционирования вашего блока питания. Не всегда стоит надеяться на программы, в них могут быть ошибки. Выберите один или несколько параметров и пересчитайте их вручную по ранее приведенным формулам. Если получится примерно равное значение, то результат можно считать правильным.

В статье на конкретном примере приводится простой метод расчета силового трансформатора для блока питания или зарядного устройства.

  1. Перед тем, как использовать силовой трансформатор необходимо определиться с его мощностью.

Например, нужно рассчитать силовой трансформатор для зарядного устройства, которым будем заряжать автомобильные аккумуляторы емкостью до 60 А/час.

Как известно, ток заряда равен 0,1 от емкости аккумулятора, в нашем случае это 6 Ампер.

Напряжение для заряда аккумулятора должно быть не менее 15 В, плюс падение напряжения на диодах и токоограничивающем резисторе, примем его около 5 В.

Итого, напряжение вторичной обмотки должно быть около 20 В, при токе до 6 А. Мощность при этом, будет равна Р = 6 А х 20 В = 120 Вт.

К.п.д. силового трансформатора при мощности до 60 Вт составляет 0,75. При мощности до 150 Вт 0,8 и при больших мощностях 0,85.

В нашем случае принимаем к.п.д. равным 0,8.

При мощности вторичной обмотки 120 Вт, с учетом к.п.д. мощность первичной обмотки равна:

120 Вт : 0,8 = 150 Вт.

  1. По этой мощности определяем площадь поперечного сечения сердечника, на котором будут расположены обмотки.

S (см 2 ) = (1,0 ÷1,2) √Р

Коэффициент перед корнем квадратным из мощности зависит от качества электротехнической стали сердечника.

Принимаем его равным среднему значению 1,1 и получаем площадь сердечника равной 13,5 см 2 .

  1. Теперь нужно определить дополнительную величину – количество витков на вольт. Обозначим ее N.

Коэффициент от 50 до 70 зависит от качества стали. Возьмем среднее значение 60. Получаем количество витков на вольт равным:

Округлим это значение до 4,5 витка на вольт.

Первичная обмотка будет работать от 220 В. Ее количество витков равно 220 х 4,5 = 990 витков.

Вторичная обмотка должна выдавать 20 В. Ее количество витков равно 20 х 4,5 = 90 витков.

  1. Осталось определить диаметр провода обмоток.

Для этого нужно знать ток каждой обмотки. Для вторичной обмотки ток нам известен, его величина 6 А.

Ток первичной обмотки определим, как мощность, деленную на напряжение. (Сдвиг фаз для упрощения расчета учитывать не будем).

I1 = 150 Вт / 220 В = 0,7 А

Диаметр провода определяем по формуле:

Коэффициент перед корнем квадратным влияет на плотность тока в проводе. Чем больше его значение, тем меньше будет греться провод при работе. Примем среднее значение.

Для меди плотность тока до 3,2 А/мм кв, для алюминиевых проводов до 2А/мм кв.

Диаметр провода первичной обмотки:

D1 = 0,75 √0,7 = 0,63 мм

Диаметр провода вторичной обмотки:

D2 = 0,75 √6 = 1,84 мм

Для намотки выбираем ближайший больший диаметр. Если нет толстого провода для вторичной обмотки, можно намотать ее в два провода. При этом суммарная площадь сечения проводов должна быть не меньше площади сечения для рассчитанного диаметра провода. Как известно, площадь сечения равна πr² , где π это 3,14, а r — радиус провода.

Вот и весь расчет.

Если вторичных обмоток несколько, сумма их мощностей не должна превышать величину, равную мощности первичной обмотки, умноженной на к.п.д. Количество витков на вольт одинаково для всех обмоток конкретного трансформатора. Если известно количество витков на вольт, можно намотать обмотку на любое напряжение, главное, чтобы она влезла в окно магнитопровода. Диаметр провода каждой обмотки определяется исходя из величины тока этой обмотки.

Овладев этой простой методикой, вы сможете не только изготовить нужный вам силовой трансформатор, но и подобрать уже готовый.

Материал статьи продублирован на видео:

Калькулятор расчета трансформатора онлайн

Результаты расчета

Мощность:

Первичная обмотка

Ток (A):

Количество витков (Шт):

Диаметр провода (мм):

Вторичная обмотка

Ток (A):

Количество витков (Шт):

Диаметр провода (мм):

Трансформаторы постоянно используются в различных схемах, при устройстве освещения, питании цепей управления и прочем электронном оборудовании. Поэтому довольно часто требуется вычислить параметры прибора, в соответствии с конкретными условиями эксплуатации. Для этих целей вы можете воспользоваться специально разработанным онлайн калькулятором расчета трансформатора. Простая таблица требует заполнения исходными данными в виде значения входного напряжения, габаритных размеров, а также выходного напряжения.

Преимущества онлайн калькулятора

В результате расчета трансформатора онлайн, на выходе получаются параметры в виде мощности, силы тока в амперах, количества витков и диаметра провода в первичной и вторичной обмотке.

Существуют формулы, позволяющие быстро выполнить расчеты трансформатора. Однако они не дают полной гарантии от ошибок при проведении вычислений. Чтобы избежать подобных неприятностей, применяется программа онлайн калькулятора. Полученные результаты позволяют выполнять конструирование трансформаторов для различных мощностей и напряжений. С помощью калькулятора осуществляются не только расчеты трансформатора. Появляется возможность для изучения его устройства и основных функций. Запрошенные данные вставляются в таблицу и остается только нажать нужную кнопку.

Благодаря онлайн калькулятору не требуется проводить каких-либо самостоятельных подсчетов. Полученные результаты позволяют выполнять перемотку трансформатора своими руками. Большинство необходимых расчетов осуществляется в соответствии с размерами сердечника. Калькулятор максимально упрощает и ускоряет все вычисления. Необходимые пояснения можно получить из инструкции и в дальнейшем четко следовать их указаниям.

Конструкция трансформаторных магнитопроводов представлена тремя основными вариантами – броневым, стержневым и тороидальным. Прочие модификации встречаются значительно реже. Для расчета каждого вида требуются исходные данные в виде частоты, входного и выходного напряжения, выходного тока и размеров каждого магнитопровода.

Расчет силовых трансформаторов при произвольных законах изменения напряжения и тока

Расчету трансформаторов посвящено много работ, например [1–5]. В данной статье представлен подход к их расчету,
основанный на обеспечении:

  • заданного нагрева магнитопровода (МП) при намагничивании его переменным напряжением произвольной формы и нагрева обмоток рабочим током произвольной формы;

  • получения заданной индуктивности рассеивания, то есть получения заданного значения напряжения короткого замыкания или заданной длительности фронта импульса.

Первый подход хорошо зарекомендовал себя при расчете дросселей с магнитопроводом при произвольной форме тока [6]. Созданная теория подтверждалась результатами статистической обработки значений удельной энергии промышленных дросселей, которая выявила зависимость удельной энергии дросселя как степень 1/7 от значения самой энергии в широких пределах изменения энергий от долей до тысяч джоулей.

Далее не рассматривается расчет «строчных» трансформаторов, которые по виду выполняемых функций являются двухобмоточными дросселями.

В трансформаторе закон изменения индукции задается напряжением, в дросселе — током. Другими словами, сердечник трансформатора намагничивается напряжением, а дросселя — током. Можно выделить несколько типичных несинусоидальных режимов работы трансформатора.

  1. Минимальное и максимальное значения напряжения близки по абсолютному значению, но имеют противоположные знаки
    (рис. 1а). Имеет место режим переменного тока.

  2. Минимальное и максимальное значения напряжения намного отличаются друг от друга, например,
    одно равно 5–10% другого (рис. 1б). Время действия положительного и отрицательного напряжения сильно отличаются.
    Режим принято называть импульсным. Разность между максимальным и минимальным значением индукции называют перепадом ΔB
    (иногда размахом), а половину этого значения — амплитудой переменной составляющей Bm.

В обоих режимах постоянная составляющая индуктированного напряжения равна нулю. В противном случае индукция в магнитопроводе стала бы непрерывно нарастать.

Дроссель и трансформатор состоят из одинаковых частей: магнитопровода и обмоток. Задачей конструктивного расчета трансформатора и дросселя является определение основных геометрических размеров магнитопровода, числа витков обмоток, сечения проводов обмоток, а для дросселя — еще и определение размеров воздушного зазора.

Исходными данными для расчета трансформатора являются:

  1. Закон изменения напряжения u(t) и тока i(t) с заданными параметрами: средним
    значением напряжения Uср, эффективным значением тока I или амплитудой Im
    и коэффициентом амплитуды импульса ka = Im/I, а также скважностью импульсов
    ν = τи/T (рис. 1б).

  2. Ls — индуктивность рассеивания, или напряжение короткого замыкания uк,
    или τs = Ls/Rн — постоянная времени, где Rн — сопротивление нагрузки
    трансформатора.

Если трансформатор работает совместно с формирующей линией, то при вычислении постоянной времени сопротивление
нагрузки должно быть удвоено, так как сопротивление нагрузки и, как правило, равное ему волновое сопротивление
линии включены последовательно с индуктивностью рассеивания трансформатора.

Далее будут рассмотрены броневые и стержневые типы трансформаторов. Самые плохие условия охлаждения, ввиду закрытости
магни-топровода катушками, имеет стержневой тип с катушками на обоих стержнях. Стержневой тип трансформатора с двумя
катушками эквивалентен тороидальному трансформатору. Удельные потери для этих магнитопроводов, как правило, должны
составлять 3–5 Вт/кг, а для остальных — 7–10 Вт/кг.

Предварительно по принятому значению удельных потерь в магнитопроводе при известном законе изменения индукции
определяют допустимую амплитуду переменной составляющей индукции Вmc или перепад индукции
ΔBи.

Рассмотрим выбор и расчет режима работы магнитопроводов.

Самым простым является выбор рабочей индукции для работы на очень низких частотах — 10–20 Гц.
В этом случае могут быть применены шихтованные или витые магнитопро-воды из обычных трансформаторных
сталей с толщиной листа или ленты 0,3–0,5 мм. Для импульсных трансформаторов перепад индукций может
быть близким к значению 2Вs. Для обеспечения такого режима должно быть применено смещение рабочей
точки на кривой намагничивания путем подмагничивания МП постоянным током.

На частотах в десятки и сотни герц должен быть проведен традиционный выбор материалов и режимов работы.

На частотах несколько десятков килогерц потери в МП являются определяющими в выборе марки и толщины магнитного
материала. На этих частотах вихревые потери можно регулировать выбором толщины материала. Особо тонкими выпускаются
ленты из пермаллоев (толщиной 10–20 мк) и аморфные или нанокристаллические материалы (25 мк). Гистерезисные потери
не зависят от толщины материала, а на высоких частотах становятся определяющими. Необходимо выбирать материалы с
узкой петлей гистерезиса или с высокой начальной магнитной проницаемостью. Здесь МП из аморфных сплавов практически
не имеют преимуществ по сравнению с МП из высоколегированных сплавов (пермаллоев).

Радикальный способ снижения потерь — это уменьшение рабочего значения индукции вплоть до десятых долей тесла.
Повышенное значение индукции насыщения материала часто оказывается невостребованным. При малом значении индукции
размеры магнитопровода и трансформатора сильно возрастают.

Для повышения индукции и уменьшения размеров трансформатора может быть применен интенсивный обдув или масляное
охлаждение, повышающие теплосъем с поверхностей в 1,5-2 раза. Ферритовые сердечники при естественном охлаждении
позволяют работать с индукцией 0,3-0,4 Тл.

Выше 10-15 кГц — область работы ферри-товых сердечников или обычных сплавов с очень низкими значениями рабочей
индукции или принудительным охлаждением. К сожалению, изготовление ферритовых сердечников больших размеров связано
с технологическими трудностями. Выбор рабочей индукции производится расчетным путем или по графикам справочных
материалов [7, 8].

Объективным способом контроля качества расчета является экспериментальная проверка теплового режима магнитопровода
при выбранной рабочей индукции на опытном сердечнике или его модели. На сердечник наматывается контрольная обмотка
из тонкого провода с числом витков, обеспечивающим выбранное значение индукции при известной амплитуде импульса
контрольного генератора w=Uг × τи/(s × ΔВи).

Такой генератор имеет небольшую мощность, так как обеспечивает намагничивание сердечника только на холостом ходу.
Те участки сердечника, на которых будет располагаться обмотка, могут быть закрыты теплоизоляционным материалом.

Пример результатов проверки приведен на графиках (рис. 2). Выбором магнитного материала и величины рабочей индукции заканчивается первый этап расчета трансформатора.

В последующих выводах принято допущение, что тепловой режим магнитопровода не влияет на тепловой режим катушки. При тепловом расчете магнитопровода и катушек не должны учитываться поверхности их соприкосновения.

Второй этап — расчет обмоток. За основную переменную величину принимаем сечение магнитопровода (первая строка таблицы).
Сечение — единственный геометрический параметр, входящий в формулу закона электромагнитной индукции. Закон инвариантен
по отношению к форме сечения. Через сечение при выбранной конфигурации трансформатора могут быть определены все
остальные размеры трансформатора, например, короткая сторона сечения a=0,5×s1/2 (вторая строка таблицы), длинная
сторона в=2а, высота окна h=4,6а, длина средней силовой линии lc=(4,6+4,6+2+2+3,14)×а=k2×s1/2
(третья строка таблицы), длина витка lм=k4×s1/2 , сечение окна
sок=k6×s. При вычислении площади охлаждения катушек участки поверхности,
соприкасающиеся с маг-нитопроводом, исключены из общей площади охлаждения.

В таблице приведены данные об отношении открытой для охлаждения поверхности магнитопровода к его объему (k12),
определяющие допустимые удельные потери в сердечнике Вт·м/кг.

Выбор в качестве аргумента сечения s удобен тем, что после определения основных геометрических размеров трансформатора
стержень с прямоугольным сечением может быть заменен стержнем любой формы (например, круглым, ступенчатым) с
равновеликим сечением при сохранении основных электрических параметров трансформатора. В таблице представлен ряд
типовых конструкций трансформаторов броневого и стержневого типов. Два первых — броневые с квадратным и прямоугольным
сечением магнитопровода, два следующих — стержневые с квадратным и прямоугольным сечением магнитопровода с катушками
на каждом стержне, и два последних — тоже стержневые с катушкой на одном стержне.

Проблема рассматривается без учета нелинейности вебер-амперных характеристик и при предположении, что в обмотках
отсутствуют дополнительные каналы охлаждения.

Напряжение, индукция, сечение магнитопровода и число витков связаны законом электромагнитной индукции:

  • при переменном напряжении:

    отсюда может быть найдено число витков:

  • при синусоидальном напряжении:

  • при импульсном напряжении:

    где ΔBи=2Bmc — перепад индукций, Bmc — максимальное
    значение индукции в материале сердечника.

Видно, что при произвольном законе изменения напряжения роль импульса намагничивания играет среднее значение
напряжения за ту часть периода, в которой напряжение выше (или ниже) нуля; эффективное значение тока вычисляется
за целый период. Импульсный режим отличается от периодического, в первую очередь, наличием скважности, отличием
амплитуд и длительностей положительной и отрицательной частей кривой напряжения.

Умножая левую и правую части первых уравнений при переменном режиме на I, а при импульсном режиме на Iи,
с учетом того, что I=Im/ka√v и T=1/f, получим:

  • при переменном напряжении:

  • при синусоидальном напряжении:

  • при импульсном напряжении:

Покажем, что МДС (Iw)1 катушек каждого магнитопровода имеет некоторое предельное значение, ограниченное
нагревом катушек. Пусть в окне сердечника площадью sок размещается w витков обмотки, коэффициент заполнения
окна проводниковым материалом kм=0,35, тогда активное сопротивление обмотки:

где lм1 — средняя длина одного витка обмотки, ρ=1,85 × 10–8 Ом·м — удельное
сопротивление медного провода.

Для того чтобы сопротивление обмотки и выделяющаяся мощность не увеличивались с ростом рабочей частоты (кГц)
трансформатора, его обмотки должны быть намотаны проводом типа литцендрат. Жила провода литцендрат состоит из
многих изолированных проводников. Диаметр одного проводника (мм) не должен превышать значения [9]:

Мощность, выделяемая в катушке и рассеиваемая ее поверхностью:

где sохл — поверхность охлаждения обмотки, то есть поверхность обмотки за исключением частей,
обращенных к стержню; q=650 Вт/м2 — допустимая плотность теплового потока при превышении температуры
поверхности обмотки над окружающим воздухом на 55 °С.

Для уменьшения индуктивности рассеивания (см. далее) бывает целесообразно при заданной площади окна снизить
толщину намотки, то есть занять обмоткой лишь часть ширины окна. Эта же задача возникает при необходимости
разместить в окне высоковольтную изоляцию первичной или вторичной обмотки.

Введем параметр ß

Предельная МДС зависит от геометрических размеров катушки, коэффициента теплоотдачи с ее поверхности,
удельного сопротивления провода и коэффициента использования ширины окна.

Поверхность охлаждения, площадь окна, площадь сечения сердечника, средняя длина витка для выбранной
формы сердечника могут быть выражены через сечение зазора s, и поэтому

для распространенных геометрических форм магнитопроводов приведены в таблице (при расчетах предполагается
использование системы СИ).

В каждой катушке стержня трансформатора имеется минимум две обмотки, их магнитодвижущие силы равны:
(Iw)1=(Iw)2=(Iw)пред/2. С учетом этого уравнения (3) и (4) примут вид:

  • при переменном напряжении:
  • при синусоидальном напряжении:
  • при импульсном напряжении:

Это первая группа формул для определения сечения магнитопровода проектируемого трансформатора. Затем могут
быть определены остальные размеры, например, короткая сторона сечения магнитопровода a=√s при
квадратной или a=√(s/2) при прямоугольной форме сечения, высота окна h=4a и т. д.

Обратим внимание, что исходными данными для расчета трансформатора на переменном токе являются среднее напряжение
за полпериода и эффективный ток обмоток без учета фазы их взаимного расположения во времени. Другими словами,
размеры трансформатора зависят не от передаваемой активной мощности, а от полной или кажущейся мощности S.

Однако если производить расчет трансформатора исходя только из условий охлаждения, то может оказаться, что
индуктивность рассеивания Ls обмоток будет очень большой, что приведет к недопустимо большому падению напряжения
uк при синусоидальном режиме работы трансформатора, искажению формы кривой при другом законе изменения напряжения
или к недопустимо большой длительности фронта τsи в импульсном режиме.

Значение индуктивности рассеивания Ls пропорционально площади сечения катушек трансформатора в плоскости,
перпендикулярной оси катушек, и обратно пропорционально их длине. Если одна обмотка короче другой, то индуктивность
рассеивания резко возрастает, поэтому длины обмоток должны совпадать. При малом числе витков для выполнения этого
условия секции с малым числом витков должны быть повторены необходимое число раз, а затем соединены параллельно.
Эффективная площадь рассеивания ss представляет сумму третьей части от площади сечения обмоток и полной площади
сечения зазора между обмотками. Если обмотки занимают не всю ширину окна, то:

Значения коэффициента kLs приведены в таблице.

У стержневого трансформатора с двумя катушками длина катушек вдвое больше, чем у трансформаторов остальных видов,
а их толщина вдвое меньше. Индуктивность рассеивания получается примерно в 4 раза меньше, чем у других видов.
Она сопоставима с индуктивностью рассеивания трансформатора, выполненного на тороидальном сердечнике с обмоткой,
расположенной не по всей длине средней силовой линии МП (из-за необходимости выполнить выводы от нижней обмотки).
Однако, если на высоких частотах из-за плохого охлаждения сердечника придется вдвое снизить индукцию, то потребуется
вдвое увеличивать число витков, в четыре раза возрастет индуктивность рассеивания. Преимущества тороидальной конструкции
полностью теряются.

Подставим в формулу (12) значения витков (1) и (2) для обоих режимов и получим:

  • при переменном напряжении
  • при импульсном напряжении

Мы получили вторую пару формул для определения размеров трансформатора. Она определяет размеры трансформатора при
любой форме кривой напряжения. Предполагается, что известно значение индуктивности рассеивания и напряжение той
обмотки, относительно которой определяется эта индуктивность.

Если значение Ls неизвестно, то размеры могут быть определены через относительные величины: напряжение короткого
замыкания для синусоидального режима (понятие напряжение короткого замыкания существует только для синусоидального
режима, когда существует величина — круговая частота ω=2πf) или относительную длительность фронта импульса для
импульсного режима.

Умножим левую и правую части уравнения (13) для синусоидального режима на I, а для импульсного режима
(15) — на Iи и после несложных преобразований получим:

  • при синусоидальном напряжении
  • при импульсном напряжении

где uк=100ω>LsI/U — напряжение короткого замыкания в %, а
для импульсного режима τsи — относительная длительность фронта импульса.

Таким образом, мы получили третью пару формул для определения площади сечения магнитопровода.

Если известны Ls и uк или τsи,
то вторая и третья группы формул дают одинаковый результат. Из найденных по (9-11) сечения s1
и по (14, 16-18) сечения s2 должно быть выбрано большее по величине,
и с ним проведены расчеты остальных геометрических параметров, чисел витков и др. Однако, если сечение,
найденное из (14, 16-18), окажется много больше сечения, полученного из (9-11) с учетом только тепловой
нагрузки трансформатора (через kIw),, то должен быть произведен повторный расчет с β s20/21 ≡ s1) значение р может быть принято равным отношению полученных на первом шаге
сечений s1/s2.

Тепловыделение внутри обмоток трансформатора, поверхность охлаждения и принятая допустимая температура поверхности
катушек определяют максимально допустимую плотность тока в проводах обмоток:

Значения коэффициента kΔ также приведены в таблице.

С учетом найденных соотношений могут быть определены объемы меди обмотки и стали сердечника.

Зная плотность меди и стали, предполагая массу конструктивных элементов (10%), найдем массу этих частей и
общую массу трансформатора, кг:

Значения коэффициентов kg , kg и kg приведены в таблице.

В формулу для определения общей массы трансформатора mТ (21) может быть подставлено
значение сечения из (9). Получим выражение для вычисления массы трансформатора без учета влияния индуктивности
рассеивания:

Используя формулу (17), найдем выражение для массы через полную мощность и напряжение короткого замыкания:

Используя формулу (18), определим массу трансформатора при одновременном задании энергии импульса и постоянной времени цепи нагрузки:

Значения коэффициентов kgSu=kgWz приведены в таблице.

При анализе этих коэффициентов видно, что если проектировать трансформатор с одинаковым уровнем индукции
(если позволяют условия охлаждения МП), то самым легким является стержневой трансформатор с прямоугольным
сечением магнитопровода.

Порядок применения формул для инженерных расчетов покажем на примерах.

Пример 1

Требуется спроектировать трансформатор, работающий от генератора напряжения прямоугольной формы («меандр») с
амплитудой 375 В. Ток нагрузки в виде резонансного контура обуславливает синусоидальную форму тока с эффективным
значением I=Im/(ka√v) = 43 А, рабочая частота 15 кГц, индуктивность рассеивания
должна составлять 9,5 мкГн.

Высокая рабочая частота заставляет сразу обраться к применению ферритового магнитопровода. Коэффициент заполнения
материалом сердечника kc=1. В соответствии с приведенным на рис. 2 графиком выбираем уровень рабочей индукции
Bcm=0,22 Тл.

Выбираем магнитопровод стержневого типа с прямоугольным сечением. Рассчитываем сечение магнитопровода без учета
требований к напряжению короткого замыкания по (9), первоначально с Β=1.

Теперь с учетом требований к индуктивности рассеивания рассчитаем по (16):

Очевидно, трансформатор должен быть выполнен на магнитопроводе с большим сечением — 8,6 см2. По найденному сечению
могут быть определены остальные размеры трансформатора. Например, а=0,71√s=0,02 м,
высота окна h=4a=0,08м; ширина окна 1,6а=0,032м; площадь окна 0,0026 м2 и т. д.
Число витков рассчитываем по формуле (1):

Плотность тока вычисляем по формуле (19):

Сечение провода 43/2,9 = 14,8 мм2, или иначе:

Диаметр составляющих литцендрат проводников по (6) составит 1/√15 = 0,26 мм.

Число витков и сечение другой обмотки будут отличаться в коэффициент трансформации раз.

Масса трансформатора составит mТ= kgs((β+1)/2)s3/2,
mТ=1,40×105×1×(8,6×104)3/2 = 3,5 кг.

Пример 2

Требуется рассчитать трансформатор, работающий совместно с формирующей линией, импульсным напряжением 40 кВ,
током 300 А (импульсная мощность 12 МВт), длительностью импульса 360 мкс, длительностью фронта tф = 10% и частотой
повторения импульсов 1 Гц.

Скважность импульсов 1/0,00036 = 2780. Трансформатор, работающий на активную нагрузку без формирующей линии,
будет иметь постоянную времени фронта вдвое больше — 20%. Длительность фронта — 360×0,2 = 72 мкс = 3τs.
Постоянная времени фронта трансформатора тs составит 72/3=24 мкс. При этом сопротивление нагрузки
Rн=40 000/300=133 Ом, и индуктивность рассеивания LssRн=24×133 = 3200 мкГ.

Расчет начинаем с выбора режима работы магнитного материала сердечника. При частоте повторения 1 Гц можно использовать
любой магнитомягкий материал — листовую трансформаторную сталь. Максимальное значение индукции может
быть ΔВи=2Bs=2,4 Тл.

Выбираем стержневой магнитопровод с квадратным (круглым, ступенчатым) сечением стержня с двумя катушками.

Рассчитываем сечение магнитопровода по энергии импульса без учета требований к длительности фронта (11)
первоначально β=1.

Теперь по энергии импульса с учетом требований к длительности фронта (18) находим s:

Масса трансформатора с сечением 255·10–4 м2 составит в соответствии с (21):

Редкие импульсы не могут сильно нагреть обмотки, поэтому первое сечение и магнитопровод получаются небольшими.
Второе большое сечение является следствием требований, связанных с длительностью фронта, то есть с индуктивностью
рассеивания. Два полученных сечения отличаются примерно в пять раз. Можно в 2-3 раза уменьшить толщину обмотки.
Проведем расчет по тем же формулам (11) и (18) при β=0,4:

Дальнейшие вычисления необходимо производить с этим значением сечения, например, масса трансформатора будет не 1006 кг, а:

Значение В может быть еще уменьшено.

Пример 3

Оценим размеры трансформатора с прямоугольной формой кривых рабочего напряжения и тока (меандр) 50 В, ток 1 А (эфф.) для работы на частоте 50 кГц.

Предполагаем применение ферритового броневого магнитопровода (Ш-образного) с индукцией 200 мТл.

По формуле (9) находим необходимое сечение магнитопровода: 0,31 см2 = 31 мм2.

По формуле (22) его массу: 0,012 кг =12 г и т. д.

Далее могут быть проанализированы другие варианты конструкций, иные соотношения размеров с целью проведения уточнений при той или иной оптимизации (по массе, объему, стоимости, введению каналов охлаждения и т. п.).

Расчет по разработанным формулам типовых, выпускаемых промышленностью рядов трансформаторов серии ТН, ОСМ дает совпадение расчетных параметров с фактическими.

Одинаково успешный расчет и малых, и больших трансформаторов при различных законах изменения напряжения и тока указывает на фундаментальность приведенной теории расчета.

Литература


1. Тихомиров П. М. Расчет трансформаторов. М.: Госэнергоиздат, 1953.

2. Ицхоки Я. С. Импульсная техника. М.: Советское радио, 1949.

3. Булгаков Н. И. Расчет трансформаторов. М.: Госэнергоиздат, 1950.

4. Ицхоки Я. С. Импульсные устройства. М.: Советское радио, 1959.

5. Черкашин Ю. С. Определение условий эквивалентности электрических режимов мощных силовых и импульсных трансформаторов // Электричество. 1966. № 5.

6. Черкашин Ю. С. Расчет дросселей с маг-нитопроводом при произвольной форме тока // Силовая электроника. 2008. № 3.

7. Черкашин Ю. С. Процесс и энергия намагничивания листового магнитопровода при прямоугольном напряжении // Электричество. 1978. № 6.

8. Бабин С. В., Карасев В. В., Филиппов Ф. Е. Характеристики магнитопроводов трансформаторов тока при одновременном воздействии постоянного и переменного магнитного поля // Электротехническая промышленность. 1981. Вып. 6.

9. Черкашин Ю. С. Проектирование катушек индуктивности для мощных радиотехнических устройств // Радиотехника. 1986. № 6.

Как выполнить расчет трансформатора в полном объеме

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:

  1. замкнутого магнитопровода;
  2. 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:

  1. вихревые токи;
  2. 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.

Далее, по этой формуле определяем сечение

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

I=P/U

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

Калькулятор магнитодвижущей силы • Магнитостатика, магнетизм и электромагнетизм • Онлайн-конвертеры единиц измерения

Определения и формулы

Магнитодвижущая сила (ммс) — это физическая величина, которая характеризует магнитное действие электрического тока. Для соленоида магнитодвижущая сила может быть определена

, где F м — магнитодвижущая сила, измеряемая в амперах, ампер-витках и иногда в гильбертах, I — ток в амперах и ω — количество витков.

Если сила намагничивания ( H -поле) и длина соленоида известны, то магнитодвижущая сила может быть определена как

, где H — сила намагничивания (сила намагничивания поле или H -поле), измеряется в амперах на метр (А / м) в единицах СИ или эрстедах (Э) в единицах CGS, а L — длина соленоида или окружность тороида в случае тороидальная катушка.

Обзор

Парадоксально, но победить электричество нам помогли магнитные взаимодействия, которые физики считают более слабыми, чем электрические. К тому времени, когда был открыт электромагнетизм, у нас уже были технологии, позволяющие использовать энергию ветра, воды и пара в дополнение к энергии, производимой тягловыми животными. У нас были относительно простые механизмы преобразования этих форм энергии в механическую.

Слева направо: Майкл Фарадей, Джозеф Генри, Андре-Мари Ампер и Ганс Кристиан Эрстед.Источник: Wikipedia

Открытие электромагнитной индукции Майклом Фарадеем и Джозефом Генри сделало возможным легко преобразовывать механическую энергию в электрическую и обратно с помощью электромеханических и электрических устройств. Это преобразование между различными типами энергии было высокоэффективным с минимальными потерями энергии. Такое использование электромагнетизма послужило катализатором новой технологической революции, которая позволила человечеству перейти от эпохи пара в 19 веке к эпохе электричества 20 века.

Высоковольтные электродвигатели на водонасосной станции

Новые технологии были основаны на электрических машинах, вырабатывающих постоянный и переменный электрический ток (постоянный и переменный), используя механическую энергию, генерируемую вращением. Электродвигатели, которые делали обратное, также были основой этих технологий.

Различные электромеханические устройства, такие как электромагниты, соленоиды и реле, используются для преобразования электричества в поступательное движение. Реле были одними из первых устройств, объявивших о приближении информационной революции, и были первыми устройствами, которые имели двоичный переключатель с электрическим управлением.Они использовались как приемники сигналов и регистрировали электрические сигналы, передаваемые по телеграфу. Они также усиливали сигнал, поскольку он передавался на большие расстояния. Это позволило отделить информацию от ее носителя (например, бумаги) и ее почти мгновенную передачу без физической необходимости в объекте, несущем сообщение, таком как посыльный или почтовый голубь.

Немного истории

Широкое использование магнитодвижущей силы зависит от надежных генераторов электричества и устройств, преобразующих электрическую энергию в механическую.

Слева направо: Доминик Франсуа Жан Араго, Уильям Стерджен, Эдвард Дэви и Сэмюэл Морс. Источник: Wikipedia

Французский ученый Андре-Мари Ампер изобрел первый соленоид в 1820 году. Он состоял из проволочной катушки, через которую проходил постоянный ток, и использовался для усиления магнитных свойств электрического тока, обнаруженных Гансом Кристианом Эрстедом. Земляк Ампера Франсуа Араго использовал его в своих экспериментах для намагничивания стальных стержней. Ампер изучил магнитные свойства соленоидов в 1822 году и определил, что магнитные свойства соленоидов эквивалентны свойствам естественных постоянных магнитов.

Старый трансформатор, выставленный в Канадском музее науки и техники, Оттава

Первый электромагнит был создан британским ученым Уильямом Стердженом в 1824 году. Это была катушка неизолированной медной проволоки, намотанная в один ряд вокруг подковообразной формы. сердечник из мягкого железа. Из-за небольшого количества витков электромагнит Стерджена был относительно слабым. Магнит, который использовал одну батарею в качестве источника питания, мог поднимать до 4 кг. При отключении электрического тока намагниченный металлический стержень не мог удерживать даже 200 граммов, хотя он все еще оставался намагниченным.Это был отличный пример, демонстрирующий, как работают электромагниты.

В 1930-х годах американский ученый и изобретатель Джозеф Генри популяризировал электромагниты и значительно улучшил их конструкцию. Он изолировал медные провода шелковой нитью и таким образом создал многослойную обмотку с несколькими тысячами витков. В результате его электромагнит мог поднимать ферромагнитные материалы весом до 936 кг.

Изобретение электромеханического реле приписывают как Джозефу Генри, так и британскому ученому, врачу и изобретателю Эдварду Дэви.Интересно отметить, что оба они изобрели реле независимо, но примерно в одно и то же время (1835–1837), работая над развитием телеграфии.

Реле Морзе на выставке в Музее военной связи и электроники, Кингстон, Онтарио

Реле, подобные этому, использовались в логических модулях космического оборудования почти до конца 20 века.

Использование электромагнитного реле в качестве цифрового Усилитель с прямой связью (как мы его называем сегодня) был запатентован Сэмюэлем Морсом в 1840 году.Это изобретение произвело революцию в использовании телеграфа и позволило передавать сигналы на любое расстояние, даже между континентами. Релейная логика, которая стала возможной благодаря электромагнитным реле, использовалась в системах управления космическими кораблями, ракетами, космическими станциями и спутниками до конца 20-го века, хотя с 1970-х годов эти системы управления космической техникой также оснащались бортовыми компьютерами.

Определение магнитодвижущей силы

Магнитодвижущая сила — это физическая сущность, которая определяет способность электрического тока создавать магнитный поток.

Его можно рассчитать, используя следующее уравнение, также известное как закон Хопкинсона:

F = Ф · R м

где F — магнитодвижущая сила, Ф — магнитный поток в цепи, а R м — магнитное сопротивление

Из этого уравнения видно, что оно эквивалентно уравнению закона Ома для напряжения V:

U = I · R

Магнитодвижущая сила для магнитных цепей аналогична электродвижущей сила для электрических цепей.Он отвечает за магнитный поток Ф.

В системе СИ магнитодвижущая сила измеряется в амперах (А), а в системе сантиметр-грамм-секунда — в гильбертах (Ги).

1 A = 1,257 Gi

В электротехнике также используется другая единица измерения — ампер-виток, значение которой численно равно амперам в единицах СИ.

Мы рассчитываем магнитодвижущую силу F для соленоида, индуктора или электромагнита по формуле:

F = ϖ · I

где F — магнитодвижущая сила, ω — количество витков в катушке, I — электрический ток в проводнике.

Преобразователь единиц дает обзор других единиц, используемых для измерения магнитодвижущей силы в других приложениях. Вы также можете узнать, как преобразовать каждую единицу в другую единицу.

Магнитодвижущая сила в электротехнике

Студийный магнитофон, конец 1980-х

В современном мире магнитодвижущая сила находит множество применений, но особенно широко она используется в энергетике и силовой электронике. Электромагниты очень распространены в электрических и электронных устройствах, включая электродвигатели и генераторы, трансформаторы, различные реле, электрические зуммеры, громкоговорители и наушники, электронные дверные замки, индукционные нагреватели и магнитные подъемники.Мы также можем добавить к этому списку устройства магнитной записи и хранения, включая магнитофоны и видеомагнитофоны, а также жесткие диски.

Блок головок жесткого диска и головки чтения-записи

Электромагниты используются в научных и медицинских приборах; они являются важными компонентами масс-спектрометров и ускорителей частиц, устройств магнитно-резонансной томографии, а также устройств для обнаружения и удаления электромагнитных инородных тел. Электромагниты также используются для отделения ферромагнитных материалов от других материалов, а также в автоматических выключателях, которые являются устройствами, используемыми для защиты электрических цепей от повреждений, вызванных перегрузкой или коротким замыканием.

Электромагниты

Конструкция и принципы работы

Электромагнит — это устройство, которое генерирует магнитное поле, когда через него протекает электрический ток. Типичный электромагнит состоит по крайней мере из одной электромагнитной катушки, которая сделана из проводящих материалов, и магнитопровода, сделанного из ферромагнетика. Этот сердечник приобретает свойства магнита, когда через его катушку протекает электрический ток.

Электромагнитные обмотки обычно изготавливаются из изолированных алюминиевых или медных проводов.Однако в некоторых случаях в катушках также используются сверхпроводящие материалы. Сердечники электромагнитов изготовлены из «мягких» магнитных материалов, таких как слоистая кремнистая сталь, конструкционная сталь или чугун. Также используются железо-никелевые сплавы.

Согласно современной физике, эти материалы состоят из небольших намагниченных областей, известных как магнитные домены. Без внешнего магнитного поля эти домены ориентированы случайным образом, и их полное магнитное поле равно нулю. Когда на катушку подается электрический ток, создается магнитное поле, и домены меняют свою ориентацию, выравниваясь с магнитным полем и усиливая его.Когда внешнее магнитное поле достигает максимального значения для определенного материала, все домены переориентируются вместе с магнитным полем. Дальнейшее увеличение тока не вызывает увеличения магнитного поля в доменах. Это явление известно как намагничивание насыщения.

Магнитопроводы электромагнитов могут иметь различную форму в зависимости от их предполагаемого использования. Самые простые из них состоят из C-образных сердечников, которые также иногда называют U-образными сердечниками.

Рабочий соленоид

Основным преимуществом использования электромагнитов перед постоянными магнитами является возможность пользователя легко и быстро управлять их магнитодвижущей силой (силой, с которой они притягиваются друг к другу), изменяя величину протекающего электрического тока. через электрическую катушку.С другой стороны, это же свойство можно рассматривать как помеху, когда дело доходит до сравнения электромагнитов с постоянными магнитами, потому что для поддержания магнитного поля требуется постоянная подача электричества.

Из-за этого электромагниты чувствительны к резистивным потерям, вызванным джоулевым нагревом. Кроме того, электромагниты, использующие переменный ток, также теряют энергию из-за вихревых токов и из-за поворота ориентации магнитных доменов материала сердечника, как мы обсуждали выше.Последние потери электрической энергии происходят из-за коэрцитивной силы, которая измеряет степень магнитного гистерезиса. Чтобы уменьшить эти потери, электромагнитные сердечники изготовлены из специально разработанных материалов с низкой коэрцитивной силой. По той же причине сердечник часто изготавливается из тонких металлических листов, покрытых изоляционным слоем.

Из-за ограничений, которые мы только что обсудили, напряженность магнитного поля обычных электромагнитов с ферромагнитными сердечниками ограничена 1,6 Тл. имеют ферромагнитные сердечники.

Муфты электромагнитные

Муфты электромагнитные широко используются в современной технике для регулярной и бесконтактной передачи крутящего момента. Когда электрический ток подается на катушку электромагнитной муфты, муфта притягивает якорь ведомого вала из-за магнитного поля, созданного вокруг катушки. Из-за трения ведомый вал в конечном итоге достигает скорости вращения, равной скорости вращения ротора. Когда катушка обесточена, пружина отводит якорь от ротора, и вал свободно вращается.Этот тип сцепления используется во многих машинах и механизмах в различных областях техники, особенно в автоматизированном производстве. Электромагнитная муфта используется практически в каждом современном автомобиле для соединения вала компрессора кондиционера с двигателем.

Электромагнитная муфта компрессора кондиционера в автомобиле

Магнитно-порошковые муфты невероятно полезны для передачи вращающего момента. Они могут передавать этот момент почти линейно, что позволяет точно регулировать вращающий момент.Эти устройства используются при волочении проволоки и для контроля натяжения проволоки, фольги и металлических полос во время их производства.

Кроме того, магнитно-порошковые муфты широко используются, когда вращающий момент должен передаваться через немагнитный физический барьер, который разделяет вещества на различные состояния или с разными коррозионными свойствами. Например, они используются в механизмах бесконтактного перемешивания для смешивания активных растворов в стеклянных контейнерах в химических лабораториях или для циркуляции воды в аквариумах.

Сверхпроводящие электромагниты

Такие электромагниты были предложены в 1911 году голландским физиком Хайке Камерлинг-Оннесом, когда он изобрел сверхпроводимость. Однако первый сверхпроводящий электромагнит был построен только в 1955 году. В нем использовалась сверхпроводящая ниобиевая проволока, охлаждаемая жидким гелием до 4,2 К. Магнитное поле этого электромагнита было 0,7 Тл.

Слева направо: Хайке Камерлинг-Оннес, Карл Александр Мюллер и Георг Беднорц. Источник: Wikipedia

Открытие в 1986 году швейцарским физиком Карлом Александром Мюллером и его немецким коллегой Георгом Беднорцем материалов с высокотемпературной проводимостью на основе купратов предоставило возможность создать электромагниты, в которых используются высокотемпературные сверхпроводники с температурами кипения жидкого азота. 77 ° К или –196 ° С.Это значительно снизило стоимость электромагнитов, генерирующих магнитные поля высокой интенсивности.

Электромагнит, построенный в 2007 году с обмотками из сверхпроводящего материала YBCO (оксид иттрия, бария, меди), создавал рекордное магнитное поле в 26,8 Тл.

К сожалению, сверхпроводимость современных сверхпроводящих материалов ограничена. Их сверхпроводящие свойства ухудшаются, когда на них действует очень сильное магнитное поле или когда плотность тока высока.Несмотря на это, сверхпроводящие электромагниты используются не только в научных исследованиях, но и в медицине, в частности в магнитно-резонансной томографии.

Электромагнит Горького

Фрэнсис Биттер

Электромагнит Горького — это электромагнит, используемый для создания очень сильных стационарных магнитных полей. Он был изобретен американским физиком Фрэнсисом Биттером в 1933 году и построен в 1936 году. Он использовался до 1962 года и считался самым мощным электромагнитом в мире до 1958 года.Он генерировал магнитное поле с магнитной индукцией 10 Тл. Он также мог генерировать поле 15,2 Тл в течение короткого периода времени. Сложности создания мощных электромагнитов в основном связаны с трудностью повышения устойчивости их обмоток к перегреву электрическим током. Также непросто обеспечить механическую устойчивость конструкции. Электромагнит Горького представляет собой соленоид, состоящий из нескольких металлических дисков, вырезанных по радиусу и изолированных друг от друга слюдяными дисками одинаковой формы.Эти диски из меди и слюды образуют двойную спираль. После сборки змеевика в дисках просверливается несколько сотен отверстий, через которые проходит охлаждающая жидкость (вода). Эта конструкция может выдерживать большие нагрузки, вызванные силой Лоренца. Мощность такой системы до 2 мегаватт.

Современные электромагниты этого типа имеют диски другой формы и имеют прорези вместо круглых отверстий. Форма и размер тарелок тоже разные. Кроме того, они состоят из противоположных секций, которые содержат несколько соленоидов Bitter разного диаметра, вставленных один в другой.

31 марта 2014 года исследователи из Университета Радбауд, Неймеген, Нидерланды, получили самое высокое значение стационарного магнитного поля этого типа на сегодняшний день, 37,5 Тл (тесла) при комнатной температуре.

Электрические приводы

Электромагнитный клапан

Электромагниты и контроллеры, преобразующие энергию электрического тока в поступательное движение рабочего механизма, называются исполнительными механизмами. Они состоят из линейного соленоида с подпружиненным якорем или плунжером.Они используются в системах управления «точка-точка», поскольку механизм управления такого контроллера имеет две настройки, которые соответствуют двум состояниям сердечника электромагнита.

Электромагнитный клапан

Электромагнитный клапан — это электромагнитное устройство, которое используется для управления потоком жидкостей и газов. Он состоит из корпуса и соленоида с подвижным сердечником, имеющим диск или заглушку, регулирующую поток.

Магнитный прерыватель цепи

Клапан с одним входным и одним выходным портами образует систему, блокирующую поток.Подобный клапан с одним входом и двумя выходами может перенаправить поток на правильный выход. Чтобы открыть или закрыть клапан, на соленоид подается электрический ток, в результате чего магнитный сердечник втягивается в соленоид. В результате клапан открывается, закрывается или переключает поток. Чтобы обеспечить надежную герметичность клапана, его сердечник помещен в герметичную трубку внутри соленоида.

Электромагнитные клапаны используются в промышленности и быту. Например, они могут помочь удаленно управлять потоком жидкости, пара или газа в определенное время, что, в свою очередь, полезно в системах полива, обогревателях и других областях техники.

Электромагнитные клапаны также используются в стиральных машинах для заполнения и слива воды, в клапанах карбюратора, в системах регулирования холостого хода, в системе управления трансмиссией и в других системах управления в автомобилях.

Механизм отключения автоматического выключателя

Автоматический выключатель используется для передачи электрического тока в электрическую цепь во время нормального функционирования системы и для отключения тока, когда он выходит за пределы нормальных значений, достигая предела отключения, для пример во время короткого замыкания.

Существует два типа механизмов, которые «размыкают» цепь: медленно работающая биметаллическая пластина и соленоид, мгновенно отключающий автоматический выключатель. Последний имеет подвижную катушку, которая отключает цепь, когда ток достигает заданного максимального значения, известного как ток отключения. Ток отключения обычно в 2-10 раз превышает ток полной нагрузки.

Реле

Реле

Электромагнитные реле — это устройства, используемые для замыкания или размыкания механических электрических контактов, когда катушка реле находится под напряжением.Реле состоит из электромагнита, подвижного якоря и переключателя, который соединен с якорем. Электромагнит состоит из катушки с намотанным вокруг сердечника (якоря) электрическим проводом. Чтобы усилить магнитный поток, электромагнит реле часто снабжен дополнительной дорожкой с низким сопротивлением, которая образует ярмо.

Реле A

Якорь в небольших реле удерживается на месте благодаря пружинному действию механических контактов. В некоторых случаях к реле добавляется механическая пружина для возврата якоря в исходное положение.Когда электрический ток проходит через катушку реле, электромагнит притягивает якорь и преодолевает воздействующую на него пружину, в результате якорь толкает контакты и либо замыкает, либо размыкает их. Чувствительность реле к току в его катушке зависит от количества витков в катушке: чем их больше, тем чувствительнее реле.

Некоторые реле снабжены группой контактов, которые либо нормально замкнуты (NC), либо нормально разомкнуты (NO), когда ток не течет через реле.Различные типы электромагнитных реле широко используются в телефонии и различных автоматических устройствах. Они использовались до тех пор, пока не были разработаны твердотельные устройства для той же функции.

К специальному классу реле относятся ступенчатые переключатели, которые представляют собой электромеханические переключающие устройства, которые использовались в телефонии и промышленном контрольном оборудовании. Шаговые переключатели управляются серией импульсов электрического тока, и они обычно использовались в технике до появления твердотельных устройств.Самыми популярными были десятиуровневые ступенчатые переключатели, которые использовались на первых телефонных станциях.

Шаговые переключатели телефонной станции

Герконовые реле также являются особым подтипом слаботочных реле, которые состоят из герконового переключателя и соленоида. Геркон состоит из пары или группы гибких ферромагнитных контактов, которые заключены в герметичный стеклянный флакон. Внутри флакона либо вакуум, либо он наполнен благородным газом. При приближении к устройству магнита или включении электромагнита контакты замыкаются накоротко.До недавнего времени герконовые реле широко использовались в качестве датчиков местоположения в промышленных системах управления, в системах безопасности, в компьютерных периферийных устройствах, таких как клавиатуры или датчики, в бесщеточных двигателях исполнительных систем и т. Д. В последние годы герконовые реле заменены датчиками Холла. .

Геркон

Контакторы

Контакторы широко используются в тепловозах и электрических системах легковых автомобилей.

Контакторы — это еще один тип электромагнитных реле.Это двухпозиционные электромагнитные устройства, которые используются для дистанционного включения и выключения электрических цепей.

Они состоят из электромагнита, системы неподвижных и подвижных контактов и системы дугогасящения. Кроме того, они включают вторичные контакты для переключения цепей сигнализации и управления.

Контакторы используются для электрического переключения электрических цепей в разнообразном промышленном электрооборудовании. Ток отключения в этих устройствах составляет до нескольких тысяч ампер, а напряжение может колебаться от нескольких вольт до нескольких киловольт.В основном они используются для управления мощными электродвигателями в промышленности и тяговыми двигателями транспортных средств, таких как электропоезда, трамваи, троллейбусы, лифты и т. Д.

Некоторые эксперименты с использованием магнитодвижущей силы

Для наших экспериментов , нам понадобится регулируемый регулируемый источник постоянного тока, мультиметр (если в источнике питания нет возможности измерения тока), немного изолированного медного магнитного провода и стального сердечника. Для последнего мы можем использовать большой гвоздь и набор мелких металлических предметов, таких как шайбы.

Сделаем две катушки с равным числом витков (около 100 витков в каждой), используя пластиковую трубку в качестве бобины. Подойдет пластиковый корпус старой шариковой ручки, если гвоздь или стержень легко войдут внутрь.

Эксперимент 1. Подключим одну из катушек к мультиметру, который настроен на измерение электрического тока. Затем подключим систему к блоку питания и установим электрический ток на 1 ампер с помощью регулятора напряжения. Затем мы оценим количество шайб или других небольших металлических предметов, которые может поднять наш самодельный электромагнит.

Вывод: легко увидеть, что постоянный ток, протекающий через катушку, превращает ее в постоянный магнит.

Experiment 2: Сохраняя те же настройки, давайте вставим гвоздь или стальной стержень в пластиковую трубку. Мы заметим, что намагничивающие свойства нашего электромагнита увеличились, хотя электрический ток остался прежним.

Вывод: использование ферромагнитного сердечника увеличивает магнитодвижущую силу электромагнита.

Эксперимент 3: Теперь увеличим электрический ток до 2 А.Мы видим, что количество предметов, которые может удерживать электромагнит, увеличилось вдвое.

Вывод: увеличение тока, протекающего через катушку электромагнита, увеличивает силу электромагнита.

Experiment 4: Теперь давайте подключим две катушки последовательно к мультиметру и к источнику питания и установим электрический ток на 2 ампера. Оценим визуально, сколько предметов может удерживать этот «сдвоенный» электромагнит. Видно, что его магнитодвижущая сила снова увеличилась вдвое.

Вывод: удвоение числа витков электромагнита увеличивает вдвое магнитодвижущую силу.

Общий вывод: электромагнит можно использовать для преобразования электрической энергии в линейную механическую энергию.

Эксперимент 5: Электромагнитный поезд своими руками . Для тех, кто любит экспериментальную физику, давайте попробуем интересную установку, которая использует магнитодвижущую силу для перемещения модельного поезда:

Чтобы сделать простой электропоезд, нам понадобится около 50 метров неизолированного медного провода, чтобы сделать катушку, пару неодимовые магниты, батарейка (можно использовать батарейку АА) и шайбу из пенопласта или латуни.Нам нужно, чтобы последний окружал «выступ» на плюсовой стороне батареи, чтобы выровнять поверхность и не дать магниту соскользнуть. Мы должны убедиться, что диаметр катушки достаточно широк, чтобы позволить магнитам и батарее проходить сквозь нее. Немного графита будет действовать как токопроводящая смазка. Прикрепляем магнит к минусовой стороне батареи, а другой магнит — к плюсовой. Не забудьте добавить поролоновую или латунную шайбу на положительную сторону, прежде чем добавлять магниты. Затем мы размещаем наш поезд прямо внутри катушки, и он будет двигаться внутрь и через катушку самостоятельно, потому что система становится электромагнитом.

Вот как работает наша установка. Поезд — это разновидность униполярного двигателя. Неодимовые магниты действуют как контакты батареи, соединяя ее с неизолированной катушкой, намотанной на трубку или стержень. Электрический ток, протекающий через катушку, создает электрическое поле. Это поле взаимодействует с магнитными полями неодимовых магнитов и создает магнитодвижущую силу, которая толкает один магнит и притягивает другой.

Примечание: при создании этой установки мы должны быть осторожны с использованием правильной стороны обмотки катушки (левая или правая обмотка) и правильной полярности магнитной установки нашего поезда.Южный полюс S переднего магнита подключается к положительной стороне батареи, а северный полюс N второго магнита подключается к отрицательному полюсу. Если ваша установка отличается, вы можете просто перевернуть магниты. Проще говоря, вы можете взять пару магнитов, убедиться, что они раздвигают друг друга, а затем приклеить их к батарее. Если он проходит через катушку, все готово, если нет — просто переверните его, и он пойдет. Если нет, то вам придется перевернуть один из магнитов.

Эксперимент 6: Сделай сам динамик для жесткого диска . В заключение попробуем переделать старый жесткий диск в динамик. Почему мы можем это сделать? Ведь у динамиков и жестких дисков много общего. Давайте посмотрим. Есть магниты… И движущиеся звуковые катушки. Если через катушку протекает ток, он создает магнитное поле вокруг этой катушки. Катушка притягивается к магниту и движется к магниту или между магнитами. Все, что связано с этой катушкой механически, также перемещается.Это может быть узел стека головок жесткого диска с головками и звуковой катушкой или диффузор динамика. Если мы изменим направление электрического тока, направление магнитного поля в катушке также изменится. Катушка будет двигаться в обратном направлении.

В динамическом динамике усиленный аудиосигнал от этого устройства обеспечивает электрический ток для перемещения катушки и диффузора динамика для создания звуковых волн. Как видите, на жестком диске происходит то же самое. Усиленный звуковой сигнал обеспечивает электрический ток для перемещения катушки, которая, в свою очередь, перемещает головки жесткого диска.Головки соединены с пластиковой пленкой для создания звуковых волн с более низкими частотами. Подголовники издают высокочастотные звуки.

Итак, возьмем старый жесткий диск и откроем его. Вы можете ясно видеть его основные части: несколько дисков или пластин, шпиндель для их удержания и вращения, рычаг головки для удержания головок чтения и записи, головки и звуковая катушка между двумя сильными магнитами. Шлейф подключается к головкам. В этом кабеле есть два провода, которые соединяют звуковую катушку с драйвером.

Снимем разъем и найдем провода звуковой катушки визуально или с помощью мультиметра. Сопротивление звуковой катушки составляет от 5 до 40 Ом. Мы можем подключить или припаять два провода к клеммам катушки и подключить их к усилителю. Лучше еще раз проверить сопротивление, чтобы убедиться, что провода подключены к правильным контактам. Теперь включим усилитель и послушаем звук с этого жесткого диска.

Попробуем внести некоторые улучшения, чтобы лучше воспроизводить низкие частоты.Мы попробуем сделать простой диффузор динамика и механически соединить его с головным рычагом. Этот звук однозначно лучше!

Электромагнитный линейный привод жесткого диска на 200 МБ (1980-е годы)

Кстати, а вы знаете, почему жесткие диски называются жесткими? Это потому, что в старые времена в персональных компьютерах были дисководы для гибких дисков и дискеты, в которых информация хранилась на тонком гибком магнитном диске. Затем появились жесткие диски, в которых информация записывалась на жестких, быстро вращающихся дисках (пластинах), покрытых магнитным материалом.В то же время следует отметить, что жесткие диски появились раньше, чем дисководы гибких дисков.

А почему это называется звуковая катушка? Это потому, что в старых жестких дисках, которые были огромными, как стиральные машины, линейный привод со звуковой катушкой соленоида использовался для перемещения головок по пластине. Его катушка была цилиндрической, как в громкоговорителе, только побольше.

Эта статья написана Сергеем Акишкиным.

Конвертер единиц измерения статей отредактировал и проиллюстрировал Анатолий Золотков

Калькулятор максимальной плотности потока (Bmax)

Что такое магнитный поток?

Предположим, что в однородном магнитном поле с напряженностью магнитной индукции B существует плоскость площадью S, перпендикулярная направлению магнитного поля.Произведение интенсивности магнитной индукции B и площади S называется магнитным потоком, проходящим через эту плоскость, называемым магнитным потоком. Скалярный, символ «Φ».

Обычно магнитный поток определяется интегралом магнитного поля на площади поверхности. Среди них Φ — магнитный поток, B — интенсивность магнитной индукции, S — поверхность, B · dS — скалярное произведение, а dS — бесконечно малый вектор (см. Интегрирование по поверхности). Магнитный поток обычно измеряется измерителем потока.Измеритель потока включает в себя измерительную катушку и схему, которая оценивает изменение напряжения на измерительной катушке для расчета магнитного потока.

Изменение магнитного потока

Величину магнитного потока, проходящего через определенную плоскость, можно наглядно объяснить количеством магнитных линий индукции, проходящих через эту плоскость. В одном и том же магнитном поле, чем больше напряженность магнитной индукции, тем плотнее магнитные линии индукции.Следовательно, чем больше B и больше S, тем больше магнитный поток, а это означает, что количество магнитных линий, проходящих через эту поверхность, больше. Если есть два магнитных потока в противоположных направлениях через плоскость, объединенный магнитный поток в это время является алгебраической суммой магнитных потоков в противоположном направлении (то есть противоположный комбинированный магнитный поток компенсирует оставшийся магнитный поток).

Теорема Гаусса о магнитном поле утверждает, что магнитный поток, проходящий через любую замкнутую поверхность, равен нулю, то есть указывает, что магнитное поле является пассивным, и никакой источник или хвост не излучает или не сходится магнитные силовые линии, то есть нет нет изолированного магнитного монополя.B в приведенной выше формуле может быть либо магнитным полем, создаваемым током, магнитным полем, создаваемым изменяющимся электрическим полем, либо суммой двух.

Определение плотности магнитного потока

Плотность магнитного потока отражает количественную плотность магнитных силовых линий. Сила магнитного поля обычно выражается интенсивностью магнитной индукции «B».

Единица плотности магнитного потока:

Единица магнитной индукции — Тесла, ее символ — Т, и есть устаревшая единица: Гаусс, ее символ — Гс: 1 Тл = 10000 Гс.

Формула для расчета плотности магнитного потока:

Выражение магнитного потока Φ

1. Φ = BSsinα, где α — угол между направлением магнитного поля и плоскостью.

2. Φ = BScosα, где α — проекционный угол между плоскостью и плоскостью, перпендикулярной направлению магнитного поля.

Если где-то в магнитном поле напряженность магнитной индукции равна B, и имеется поверхность, перпендикулярная магнитному потоку, и ее площадь равна S, то проходящий через нее магнитный поток равен:

Φ = BS

Единицей магнитного потока в формуле является Максвелл (Mx), а единицей интенсивности магнитной индукции B является Гаусс (Гс) в квадратных сантиметрах или Тесла (Тл) в квадратных метрах.

Формулы и уравнения для калькулятора максимальной плотности потока

в трансформаторе,

Bmax = V / (4,44 f N A) …… в Тесла

Bmax = (V x 108) / (4,44 f N A) …… в гуассе

Где;

Bmax = максимальная плотность потока

В = приложенное действующее значение напряжения

f = частота

N = количество оборотов обмотки], где V — приложенное напряжение

A = Площадь поперечного сечения магнитной цепи, заключенной в обмотку (м2)

Формулы и уравнения плотности потока

Bmax = Bmax [AC] + Bmax [DC]

Примечание: в случае отсутствия постоянного тока второй член уравнения опускается.

FAQ

1. Какова максимальная магнитная индукция сердечника трансформатора в настоящее время?

Максимальная магнитная индукция сердечника трансформатора составляет 1,1 Тл. (E = 4,44 кг .kd.kp.flux max .f.N), в основном максимальное значение плотности потока зависит от количества витков в обмотке сердечника. Еще одним фактором является воздушный зазор. Если воздушный зазор (кг меньше) будет больше потока.

2. Какая магнитная индукция у силового трансформатора?

Плотность потока — это мера количества магнитных силовых линий на единицу площади поперечного сечения.

3. По какому принципу выбираем магнитную индукцию в сердечнике трансформатора?

Размер трансформатора является основным фактором при выборе плотности потока. По мере увеличения номинальной мощности трансформатора в МВА существует тенденция к использованию более высокой плотности магнитного потока для ограничения размера трансформатора, даже если это означает компромисс с более высоким содержанием гармоник в токе намагничивания. Увеличение магнитной индукции уменьшает габариты трансформатора двумя способами: (1) уменьшение площади поперечного сечения сердечника (2) уменьшение средней длины витка обмотки.

Расчет полной мощности сердечника трансформатора онлайн. Расчет трансформатора с армированным магнитопроводом

Виктора Хрипченко село Октябрьское Белгородская область

Занимаясь расчетами мощного источника питания, столкнулся с проблемой — мне нужен трансформатор тока, который бы точно измерял ток. По этой теме не так много литературы. А в интернете только запросы — где найти такой расчет.Прочитать статью; Зная, что ошибки могут присутствовать, я основательно разобрался в этой теме. Ошибки, конечно же, присутствовали: нет согласующего резистора Rc (см. Рис. 2) для согласования на выходе вторичной обмотки трансформатора (не рассчитывалась) по току. Вторичная цепь трансформатора тока рассчитывается как обычно для трансформатора напряжения (выставляют нужное напряжение на вторичной обмотке и производят расчет).

Немного теории

Итак, для начала немного теории.Трансформатор тока работает как источник тока с заданным первичным током, представляющим ток защищаемого участка цепи. Величина этого тока практически не зависит от нагрузки вторичной цепи трансформатора тока, поскольку его сопротивление с нагрузкой, приведенное к числу витков первичной обмотки, ничтожно мало по сравнению с сопротивлениями элементов электрической цепи. Это обстоятельство отличает работу трансформатора тока от работы силовых трансформаторов и трансформаторов напряжения.

На рис. 1 показана маркировка концов первичной и вторичной обмоток трансформатора тока, намотанных на магнитопровод в одном направлении (I1 — первичный ток, I2 — ток вторичной обмотки). Ток вторичной обмотки I2, пренебрегая небольшим током намагничивания, всегда направлен так, чтобы размагнитить магнитную цепь.

Стрелки указывают направление токов. Следовательно, если мы возьмем за начало верхний конец первичной обмотки, то начало вторичной обмотки n также будет ее верхним концом.Принятое правило маркировки соответствует одинаковому направлению токов с учетом знака. И самое главное правило: условие равенства магнитных потоков.

Алгебраическая сумма произведений I 1 x W 1 — I 2 x W 2 = 0 (без учета малого тока намагничивания), где W 1 — число витков первичной обмотки трансформатора тока, W 2 — число витков вторичной обмотки трансформатора тока.

Пример. Пусть вы, учитывая ток первичной обмотки 16 А, сделали расчет, а в первичной обмотке 5 витков — рассчитали.Вы спрашиваете ток вторичной обмотки, например, 0,1 А, и по приведенной выше формуле I 1 x W 1 = I 2 x W 2 рассчитываете количество витков вторичной обмотки трансформатора.

Вт 2 = I 1 x Вт 1 / I 2

Затем, вычислив индуктивность L2 вторичной обмотки, ее сопротивление XL1, мы вычисляем U2, а затем Rc. Но это чуть позже. То есть вы видите, что, получив ток во вторичной обмотке трансформатора I2, вы только потом рассчитываете количество витков.Вторичный ток трансформатора тока I2 может быть установлен на любой — отсюда будет рассчитываться Rc. И -I2 должно быть больше нагрузок, которые вы подключите

Трансформатор тока должен работать только на согласованной по току нагрузке (Rc).

Если пользователю требуется трансформатор тока для использования в схемах защиты, то такими тонкостями, как направление намотки, точность резистивной нагрузки Rc можно пренебречь, но это уже будет не трансформатор тока, а датчик тока с большой погрешностью.И устранить эту ошибку можно, только создав нагрузку на устройство (я имею в виду блок питания, где пользователь собирается установить защиту с помощью трансформатора тока) и схему защиты для установки порога его токовой реакции. Если пользователю нужна схема измерения тока, необходимо соблюдать эти детали.

На рис. 2 (точки — начало обмоток) показан резистор Rc, который является составной частью трансформатора тока для согласования токов первичной и вторичной обмоток.То есть Rc устанавливает ток во вторичной обмотке. В качестве Rc не обязательно использовать резистор, можно поставить амперметр, реле, но необходимо соблюдение необходимого условия — внутреннее сопротивление нагрузки должно быть равно расчетному Rc.

Если нагрузка не соответствует току — это будет генератор повышенного напряжения. Объясняю почему. Как уже было сказано, ток вторичной обмотки трансформатора направлен в сторону, противоположную направлению тока первичной обмотки.А вторичная обмотка трансформатора работает как размагничивающее. Если нагрузка вторичной обмотки трансформатора не соответствует току или отсутствует, первичная обмотка будет работать как намагничивающая. Индукция резко возрастает, вызывая сильный нагрев магнитопровода из-за повышенных потерь в стали. ЭДС, индуцированная в обмотке, будет определяться скоростью изменения потока во времени, которая имеет наибольшее значение, когда трапецеидальный (из-за насыщения магнитного потока) поток проходит через нулевые значения.Резко уменьшается индуктивность обмоток, что вызывает еще больший нагрев трансформатора и, в конечном итоге, его выход из строя.

Типы магнитопроводов показаны на рис. 3

Скрученный или ленточный магнитопровод — это одно и то же понятие, а также выражение круглого или тороидального магнитного сердечника: оба они встречаются в литературе.

Это может быть ферритовый сердечник или трансформатор W-образной формы, или ленточные сердечники. Ферритовые сердечники обычно используются на повышенных частотах — 400 Гц и выше в связи с тем, что они работают в слабых и средних магнитных полях (W = 0.Не более 3 т). А поскольку ферриты, как правило, обладают высокой магнитной проницаемостью μ и узкой петлей гистерезиса, они быстро попадают в область насыщения. Выходное напряжение на вторичной обмотке при f = 50 Гц составляет несколько вольт или меньше. Как правило, маркировка их магнитных свойств наносится на ферритовые сердечники (например, М2000 означает магнитную проницаемость сердечника µ равную 2000 единиц).

На ленточных магнитопроводах или на W-образных пластинах такой маркировки нет, поэтому необходимо определять их магнитные свойства экспериментально, и они работают в средних и сильных магнитных полях (в зависимости от типа используемой электротехнической стали — 1.5 .. .2 Тл и более) и используются на частотах 50 Гц. .400 Гц. Кольцевые или тороидальные витые (ленточные) магнитопроводы также работают на частоте 5 кГц (а из пермаллоя даже до 25 кГц). При расчете S — площади поперечного сечения тороидального магнитопровода рекомендуется умножить результат на коэффициент k = 0,7 … 0,75 для большей точности. Это связано с конструктивной особенностью магнитопровода ленты.

Что такое ленточный разъемный магнитопровод (рис. 3)? Стальная лента, 0.Толщина 08 мм и более, наматывается на оправку, а затем отжигается на воздухе при температуре 400 … 500 ° C для улучшения их магнитных свойств. Затем эти формы обрезаются, края полируются, и магнитопровод собирается. Кольцевые (сплошные) скрученные магнитопроводы из тонких ленточных материалов (пермаллоев толщиной 0,01 … 0,05 мм) при намотке покрываются электроизоляционным материалом, а затем отжигаются в вакууме при 1000 … .1100 ° С.

Для определения магнитных свойств таких магнитопроводов необходимо намотать 20… 30 витков провода (чем больше витков, тем точнее будет магнитная проницаемость сердечника) на сердечнике магнитопровода и измерьте L-индуктивность этой обмотки (мкГн). Вычислить S — площадь поперечного сечения сердечника трансформатора (мм2), lm — средняя магнитная длина ЛЭП (мм) И по формуле для расчета jll — магнитная проницаемость сердечника:

(1) µ = (800 x L x lm) / (N2 x S) — для ленты и W-образного сердечника.

(2) µ = 2500 * L (D + d) / W2 x C (D — d) — для кольцевого (тороидального) сердечника.

При расчете трансформатора на более высокие токи в первичной обмотке используется провод большого диаметра, и здесь вам понадобится сердечник с витым (U-образным) сердечником, витой кольцевой сердечник или ферритовый тороид.

Если кто-то держал в руках трансформатор тока большой емкости, он видел, что на магнитной цепи нет намотки первичной обмотки, но есть широкая алюминиевая шина, проходящая через магнитную цепь.

Я напомнил об этом тогда, что трансформатор тока можно рассчитать, задав W — магнитную индукцию в сердечнике, в то время как первичная обмотка будет состоять из нескольких витков и должна будет страдать из-за наматывания этих витков на сердечник трансформатора.Или необходимо рассчитать магнитную индукцию поля W, создаваемого проводником с током в сердечнике.

А теперь приступим к расчету трансформатора тока, применяя законы .

Вы спрашиваете ток первичной обмотки трансформатора тока, то есть ток, которым вы будете управлять в цепи.

Пусть будет I1 = 20 А, частота, на которой будет работать трансформатор тока, f = 50 Гц.

Возьмите кольцевой сердечник ленты OJ125 / 40-10 или (40x25x10 мм), схематически представленный на рис.четыре.


Размеры: D = 40 мм, d = 25 мм, C = 10 мм.

Далее идут два расчета с подробным объяснением того, как именно рассчитывается трансформатор тока, но слишком много формул затрудняет размещение расчетов на странице сайта. По этой причине полная статья о том, как рассчитать трансформатор тока, была преобразована в PDF и может быть загружена с помощью

.

Определение силового трансформатора

Как узнать мощность трансформатора?

Для изготовления трансформаторных источников питания необходим однофазный силовой трансформатор, который понижает напряжение переменного тока 220 вольт до требуемых 12-30 вольт, которое затем выпрямляется диодным мостом и фильтруется электролитическим конденсатором.Эти преобразования электрического тока необходимы, потому что любое электронное оборудование, собранное на транзисторах и микросхемах, обычно требует напряжения не более 5-12 вольт.

Чтобы самостоятельно собрать блок питания, начинающему радиолюбителю необходимо найти или приобрести подходящий трансформатор для будущего блока питания. В исключительных случаях силовой трансформатор можно изготовить самостоятельно. Такие рекомендации можно найти на страницах старых книг по электронике.

Но теперь проще найти или купить готовый трансформатор и использовать его для изготовления собственного блока питания.

Полный расчет и самостоятельное изготовление трансформатора для начинающего радиолюбителя — довольно сложная задача. Но есть другой способ. Можно использовать б / у, но исправный трансформатор. Для питания большинства самодельных конструкций достаточно и маломощного блока питания, мощностью 7-15 Вт.

Если трансформатор приобретен в магазине, то особых проблем с подбором нужного трансформатора обычно не возникает. Новинка имеет все свои основные параметры, такие как мощность , входное напряжение , выходное напряжение , а также количество вторичных обмоток, если их больше одной.

Но если у вас в руках трансформатор, который уже работал в каком-либо устройстве, и вы хотите снова использовать его для построения источника питания? Как определить мощность трансформатора хотя бы приблизительно? Мощность трансформатора — очень важный параметр, ведь от нее напрямую будет зависеть надежность блока питания или другого собранного вами устройства. Как известно, мощность, потребляемая электронным устройством, зависит от потребляемого им тока и напряжения, которые необходимы для его нормальной работы.Примерно эту мощность можно определить, умножив потребляемый устройством ток ( I n на напряжение питания устройства ( U n ). Думаю, многие люди знакомы с этой формулой со школы.

P = U n * I n

Где U n — Напряжение в вольтах; I n — ток в амперах; P — мощность в ваттах.

Рассмотрим определение мощности трансформатора на реальном примере. Тренируемся на трансформаторе ТП114-163М.Это трансформатор броневого типа, который собирается из штампованных W-образных и прямых пластин. Следует отметить, что трансформаторы этого типа не самые лучшие по КПД , КПД (КПД , КПД ). Но хорошо, что такие трансформаторы широко распространены, часто используются в электронике и их легко найти на полках радиомагазинов или в старой и неисправной радиоаппаратуре. Кроме того, они дешевле тороидальных (или, по-другому, кольцевых) трансформаторов, которые имеют высокий КПД и используются в достаточно мощной радиоаппаратуре.

Итак, перед нами трансформатор ТП114-163М. Попробуем примерно определить его мощность. За основу расчетов берем рекомендации из популярных книг В.Г. Борисова «Юный радиолюбитель».

Для определения мощности трансформатора необходимо рассчитать сечение его магнитопровода. Применительно к трансформатору ТП114-163М магнитопровод представляет собой набор штампованных W-образных и прямых пластин из электротехнической стали. Итак, для определения поперечного сечения необходимо толщину набора пластин (см. Фото) умножить на ширину центрального лепестка W-образной пластины.

При расчете нужно соблюдать размерность. Толщину комплекта и ширину центральной доли лучше всего измерять в сантиметрах. Расчеты также необходимо производить в сантиметрах. Итак, толщина комплекта исследуемого трансформатора составила около 2 сантиметров.

Затем измерьте ширину центральной доли линейкой. Это более сложная задача. Дело в том, что трансформатор ТП114-163М имеет герметичный комплект и пластиковую рамку. Поэтому центральный выступ W-образной пластины практически не виден, он закрыт пластиной, и определить его ширину довольно сложно.

Ширину центрального выступа можно измерить сбоку, у самой первой W-образной пластины в зазоре между пластиковой рамкой. Первая пластина не дополнена прямой пластиной, поэтому виден край центрального выступа W-образной пластины. Его ширина составляла около 1,7 сантиметра. Хотя этот расчет ориентировочный , но все же желательно проводить измерения как можно точнее.

Умножаем толщину комплекта магнитопровода ( 2 см на .) и шириной центрального лепестка пластины ( 1,7 см, .). Получаем сечение магнитопровода — 3,4 см 2. Далее нам понадобится следующая формула.

Где S — площадь сечения магнитопровода; П трр — трансформатор силовой; 1,3 — средний коэффициент.

После несложных преобразований получаем упрощенную формулу для расчета мощности трансформатора по сечению его магнитопровода.Вот она.

Подставим в формулу значение сечения S = 3,4 см 2 , полученное нами ранее.

В результате расчетов получаем примерное значение мощности трансформатора ~ 7 Вт. Такого трансформатора вполне хватит, чтобы собрать блок питания для монофонического усилителя звука мощностью 3-5 Вт, например, на базе микросхемы усилителя TDA2003.

Вот еще один из трансформаторов. Обозначается как PDPC24-35. Это один из представителей трансформеров — «малышка».Трансформатор очень маленький и, естественно, маломощный. Ширина центрального лепестка W-образной пластины составляет всего 6 миллиметров (0,6 см).

Толщина набора пластин всего магнитопровода — 2 сантиметра. По формуле мощность этого мини-трансформатора получается равной примерно 1 ватту.

Этот трансформатор имеет две вторичные обмотки, допустимый ток достаточно мал и составляет десятки миллиампер. Такой трансформатор можно использовать только для питания цепей с малым потреблением тока.

Трансформатор — это тип электрического компонента, который предназначен для преобразования напряжения и тока из одного значения в другое пропорционально потребляемой мощности на входе и выходе. Этот элемент силового оборудования обычно может содержать одну первичную обмотку и одну или несколько вторичных.

Являясь довольно сложным устройством, расчет трансформатора порой занимает много времени и не каждый может сделать это качественно. Но многое зависит от правильности процесса. Стабильность работы Готовый прибор, КПД, энергопотребление. Кроме того, при неправильном расчете подмоточного устройства может произойти множество непонятных вещей:

  • перегрев;
  • издает вызывной сигнал при работе;
  • потребляют большое количество энергии с низким КПД и так далее.

В более серьезных ситуациях он вообще может загореться, вызвав дополнительные неприятности. Поэтому многих интересует вопрос, как рассчитать трансформатор того или иного типа, чтобы он давал необходимое количество электроэнергии, а КПД был максимально приближен к 1 .

Но сразу стоит заверить, что КПД равный 1 — это нереальный фактор, потому что потери присутствуют всегда, поэтому выполняя расчет онлайн или традиционным методом, увидев показатель равный 40% при расчете силового трансформатора на железе это уже хорошо. Для импульсных устройств расчетная программа даст не менее 55-60%. Поэтому, если вы хотите сделать устройство максимально эффективным, то выбирайте трансформатор импульсного типа, а если вы хотите сделать надежный блок питания, где не важна потребляемая мощность, то, конечно, учитываем железо трансформатора. .

Порядок расчета трансформаторов

Все программы для расчета трансформаторов обрабатывают данные по формулам, известным нам из научных публикаций, поэтому правильность своей программы всегда можно проверить. Но необходимость знания табличных значений может ввести вас в заблуждение . Поэтому теперь разберем некоторые детали расчета трансформаторов с тороидальным сердечником на трансформаторном железе или феррите.

Тороид имеет лучшие качества по сравнению со всеми другими типами сердечников, так как в нем отсутствуют зазоры, и как следствие минимизируются вихретоковые потери.Поэтому КПД таких трансформаторов значительно выше, поэтому если вы хотите сделать качественный прибор, то используйте именно этот тип сердечника, хотя на него сложнее намотать обмотку, но оно того стоит.

Этапы определения параметров

Прежде всего, для правильного расчета потребуется определить основные параметры будущего трансформатора . К ним относятся:

  • напряжение и ток первичной обмотки;
  • такие же показатели на вторичной обмотке.

Далее выполняется расчет количества витков на каждой из обмоток, тип провода выбирается по таблице и результатам расчета тока, но предварительно нужно измерить размеры сердечника, если таковой имеется . Или, наоборот, запросить необходимую мощность и рассчитать параметры кольца. Это то, что предлагают все онлайн-программы расчета трансформаторов.

Выбирая количество витков на первичной обмотке, необходимо помнить, что при недостаточном их количестве она будет очень горячей и со временем сгорит.А при достаточно большом напряжении на вторичке будет мало, поэтому необходимо использовать строго справочные данные и формулы из учебников.

Рассмотрим пример расчета трансформатора, намотанного на сердечнике тороидального типа и запитанного от сети частотой 50 Гц.

Для упрощения процесса расчета устройства можно использовать табличные данные, в которых показаны формулы и переменные, используемые для определения параметров обмоточного изделия, сведенные в таблицу ниже:

Для изготовления сердечников таких сетевых трансформаторов используются 2 марки стали:

  • Э310-330 холоднокатаный тип и толщина листа в пределах 0.35-0,5 мм;
  • Сталь Э340-360 обыкновенная толщиной 0,05 — 0,1 мм.

Следует понимать, что количество витков для каждого вида стали может быть разным, что связано с магнитной проницаемостью сердечника, другими показателями. В таблице ω 1 и ω 2 — количество витков для холоднокатаной и обыкновенной стали соответственно. Пр — общая мощность трансформатора; S — параметры сердечника (площадь сечения), ∆ — максимально допустимая плотность тока в обмотках; η — КПД устройства.

Одной из особенностей изготовления тороидального трансформатора является то, что в нем используется внешняя и межобмоточная изоляция, поэтому проводники должны иметь достаточно эластичное покрытие. В качестве таковых часто выбирают ПЕЛШО или ПЕШО , также популярны ПЭВ-2. В качестве типа внешней изоляции используются следующие типы материалов:

  • ткань лакированная;
  • лента батистовая;
  • триацетатная пленка;
  • Пленка пТФЭ.

Преимущества использования программ

Одним из преимуществ использования онлайн-калькуляторов для расчета параметров трансформатора является отсутствие необходимости во всех вышеперечисленных нюансах.Но результат приблизительный , поэтому важно помнить об использовании той или иной программы. Конечно, есть проекты получше с расчетом трансформаторов, в которых учитывается толщина изоляционной пленки, тип стали, плотность обмотки.

Основные формулы и порядок их применения

Далее необходимо задать основные параметры будущего трансформатора. К ним относятся сетевое напряжение Uc и выходное напряжение вторичной обмотки Un.Так же выставляем ток в нагрузке В, этот показатель зачастую самый важный, определяющий характеристики устройства.

Некоторые калькуляторы, помимо ввода данных в форму, также показывают основные формулы, по которым определялось результирующее значение. Это значительно упрощает процесс и в то же время позволяет более глубоко понять принцип расчета. В любом случае, при вводе исходных данных в форму, программа в первую очередь определяет мощность вторичной обмотки nV по известной формуле:

Следующим шагом в расчете параметров любого тороидального трансформатора является определение сечения сердечника.Рассчитывается по формуле:

S расчет = √ Pg / 1,2.

Чтобы правильно выбрать сердечник, необходимо использовать следующую формулу расчета сечения:

S = (Dc — dc) hc / 2.

После этого, используя справочную таблицу основных параметров, отбираем наиболее близкие по характеристикам. Необходимо подбирать магнитопровод с большей мощностью, чем рассчитанная по формуле.

Следующий шаг, который программа расчета сварочного или силового трансформатора выполняет 50 Гц с питанием от сети , — это определение количества витков на 1 вольт.Для этого необходимо использовать постоянные значения, взятые из справочника. Дело в том, что для каждого типа сердечника существует своя константа. Например, для магнитопровода из стали Э320 он равен 33,3, а формула выглядит следующим образом:

Вт 1-1 = ω 1 x Uc;

Вт 1-2 = ω 1 x U н.

При расчете количества витков на обмотках сварочного тороидального трансформатора необходимо учитывать рассеиваемую мощность, из-за которой выходное напряжение будет занижено на 3%.Поэтому для правильных расчетов рекомендуется увеличивать количество витков вторичной обмотки именно на эту разницу.

Следующим шагом будет определение диаметра провода обе обмотки. Для этого рассчитаем значение тока в первичной обмотке:

I 1 = 1,1 (P2 / Uc). И по формуле:

d 1 = 1,13√ I 1 / ∆ определяет параметр провода.

Этот расчет действителен для всех типов трансформаторов, как силовых, так и сварочных, с питанием от сети 50 Гц.Программа расчета выполняет те же операции, что и выше. Только она может обрабатывать данные в любом порядке. Например, указав количество витков, вы можете определить напряжение и мощность сердечника, введя параметры сердечника, вы можете узнать мощность и электрические характеристики трансформатора.

Расчет импульсного трансформатора

Как и в случае с обычным силовым трансформатором, импульсы также можно рассчитать с помощью онлайн-калькуляторов и различных программ.Формулы будут аналогичными, но вам потребуется с учетом магнитной проницаемости и других параметров ферритового сердечника. Ведь от его свойств напрямую зависит качество и правильность работы готового устройства.

При расчете сварочных импульсных трансформаторов с помощью программ многие из них дают подсказки, представляют схемы мостовых выпрямителей и так далее. Все это значительно упрощает процесс, так как он усложняется традиционными методами. Но в целом принцип остается прежним.Что касается программ-калькуляторов, то в Интернете можно найти их большое количество для выполнения расчета любых импульсных или обычных сетевых устройств с различной мощностью и электрическими параметрами.

Трансформаторы

постоянно используются в различных схемах, с устройством освещения, цепями управления мощностью и другим электронным оборудованием. Поэтому довольно часто требуется рассчитать параметры устройства в соответствии с конкретными условиями эксплуатации. Для этих целей можно использовать специально разработанный онлайн-калькулятор для расчета трансформатора. Простая таблица требует заполнения исходными данными, такими как значение входного напряжения, габаритные размеры, а также выходное напряжение.

Преимущества онлайн-калькулятора

В результате онлайн-расчета трансформатора на выходе получается мощность, ток в амперах, количество витков и диаметр провода в первичной и вторичной обмотках.


Есть, позволяющие быстро произвести расчеты трансформатора. Однако они не дают полной гарантии от ошибок при расчетах. Чтобы избежать подобных неприятностей, воспользуйтесь программой онлайн-калькулятора.Полученные результаты позволяют создавать трансформаторы на различные мощности и напряжения. С помощью калькулятора проводятся не только расчеты трансформатора. Есть возможность изучить его устройство и основные функции. Запрошенные данные вставляются в таблицу и остается только нажать нужную кнопку.

Благодаря онлайн-калькулятору не требуется проводить никаких самостоятельных расчетов. Полученные результаты позволяют перематывать трансформатор своими руками.Большинство необходимых расчетов проводится в соответствии с размерами сердечника. Калькулятор упрощает и ускоряет все расчеты. Необходимые пояснения можно получить из инструкций и в дальнейшем следовать им.


Конструкция магнитопроводов трансформатора представлена ​​тремя основными вариантами — броневой, шкворневой и. Другие модификации встречаются гораздо реже. Для расчета каждого типа требуются исходные данные в виде частоты, входного и выходного напряжения, выходного тока и размеров каждого магнитопровода.

Руководство по проектированию магнитных цепей | Технические примечания | Магниты

Руководство по проектированию магнитной цепи

1. Основные формулы расчета

1-1. Полный магнитный поток Φ и магнитная проницаемость P

Основная формула расчета для магнитных цепей аналогична закону Ома; а именно, когда полный магнитный поток обозначен через Φ, магнитодвижущей силы на F и магнитного сопротивления на R, соотношение между этими тремя элементами выражается следующей формулой:

Однако при расчете магнитной цепи вместо магнитного сопротивления R обычно используется проницаемость P, которая обратно пропорциональна магнитному сопротивлению R.Следовательно, приведенную выше формулу можно заменить следующей формулой:

Если длина магнитного пути обозначена L, площадь поперечного сечения магнитного пути — A, а проницаемость магнитного пути — μ, проницаемость P выражается следующей формулой:

Эта формула показывает, что чем короче длина магнитного пути L и чем больше площадь поперечного сечения A и магнитная проницаемость μ, тем больше проницаемость P (т.е. тем меньше магнитное сопротивление).

Кроме того, проницаемость Pt для всей магнитной цепи выражается суммой проницаемости зазора Pg, которая определяется как величина, обратная магнитному сопротивлению в зазоре, а проницаемость рассеяния Pf определяется как величина, обратная магнитному сопротивлению, вызванному магнитный поток рассеяния (Pt = Pg + Pf).

Чтобы определить поток рассеяния для каждого пространства магнитного пути, общая проницаемость Pt выражается как сумма проницаемости зазора Pg и проницаемости рассеяния каждого пространства магнитного пути (Pf 1 + Pf 2 + Pf 3 +……. Pf n ).

1-2. Коэффициент потерь магнитодвижущей силы f

Коэффициент потери магнитодвижущей силы f определяется как отношение общей магнитодвижущей силы F магнитопровод к зазору магнитодвижущей силы Fg.

Полная магнитодвижущая сила F магнитной цепи определяется используемым магнитом, а ее значение является произведением напряженности магнитного поля в рабочая точка магнита Hd и длина магнита Lm.
Кроме того, магнитодвижущая сила зазора Fg является произведением плотности магнитного потока зазора Bg и длины зазора Lg; поэтому формулу (5) можно разложить до следующей формулы:

1-3. Коэффициент утечки σ

Коэффициент утечки выражается отношением полного магнитного потока Φt, генерируемого от магнита в магнитной цепи, к магнитному потоку зазора, сходящемуся в зазоре Φg.

Общий магнитный поток Φt, генерируемый магнитом, определяется как произведение плотности магнитного потока в рабочей точке Bd и поперечного сечения магнита. площадь сечения Am, а магнитный поток, сходящийся в зазоре Φg, задается как произведение плотности магнитного потока Bg зазора и площади поперечного сечения зазора Ag; поэтому формулу (7) можно разложить до следующей формулы:

Кроме того, из формулы (2): Φ = FP, формула (7) также может быть выражена следующей формулой:

Поскольку коэффициент потерь магнитодвижущей силы f обычно становится значением, близким к 1, формула (9) станет следующей формулой путем замены формулы (5) и формулы (4):

Эту формулу можно также выразить в следующей форме, разделив Pf на каждое пространство магнитного пути утечки:

1-4.Коэффициент проницаемости Pc

Коэффициент проницаемости Pc используется для выражения рабочей точки магнита на кривой B-H. Это значение определяется как отношение плотности магнитного потока Bd и напряженности магнитного поля Hd на рабочая точка и выражается следующей формулой (см. рисунок выше):

1-4-а. Коэффициент магнитной проницаемости магнита, встроенного в магнитную цепь

Коэффициент магнитной проницаемости магнита, включенного в магнитную цепь, можно определить, получив Hd и Bd из формулы (6) и формулы (8) и подставив их в формулу (11).

И, заменив это на

, может быть получена следующая формула:
1-4-б. Коэффициент магнитной проницаемости монотельного магнита

На коэффициент магнитной проницаемости одиночного магнита в значительной степени влияет форма магнита, и поэтому очень трудно получить точное значение путем расчета.
Следовательно, из приведенного ниже рисунка с использованием столбчатого магнита в качестве образца (график, показывающий соотношение между отношением размеров и коэффициентом проницаемости), получается приблизительная оценка.

Формула приближения будет следующей:

1-5. Методы расчета длины Lm, площади поперечного сечения Am и объема Vm

Длина Lm и площадь поперечного сечения Am, необходимые для магнита, составляют

Задавая Hd, Bd, Bg, Ag, Lg, f и σ в эту формулу, можно получить необходимые Lm и Am.
А необходимый Vm —

, что указывает на то, что необходимый объем магнита обратно пропорционален произведению энергии в рабочей точке.

1-6. Метод определения коэффициента утечки σ и коэффициента потерь магнитодвижущей силы f
1-6-а. Методики экспериментального получения σ и f

■ Метод с использованием поисковой катушки

  1. 1. Оберните поисковую катушку вокруг магнита и измерьте магнитный поток в зазоре.
  2. 2. Рассчитайте Bd из общего потока Φg / площади поперечного сечения Am магнита.
  3. 3. Получите Hd из кривой B-H (кривая размагничивания).
  4. 4. Измерьте Bg, Ag, Lg, Am и Lm.
  5. 5. Вычислите f и σ по формуле (6) и формуле (8).

■ Метод без поисковой катушки

  1. 1. Примите значение f (обычно от 1,0 до 1,2).
  2. 2. Измерьте Lm, Bg и Lg.
  3. 3. Вычислите Hd по формуле (12) на предыдущей странице.
  4. 4. Получите Bd по кривой B-H (кривая размагничивания).
  5. 5. Измерьте Am и Ag и рассчитайте σ по формуле (8).
1-6-б. Метод получения σ расчетным путем

Получить Pg и Pf 1 — Pf n по формуле (10),

и вычислим σ.

Ссылочный пример

Пример расчета магнитной проницаемости основных компонентов (Pg, P 1 , P 2 P 3 и P 4 ) пространства магнитного пути утечки показан ниже.

1) Проницаемость области зазора на рисунке

2) Проницаемость полуцилиндрического магнитного тракта утечки

3) Проницаемость полуцилиндрического (полого) магнитного тракта утечки

4) Проницаемость четверть сферического магнитного тракта утечки

5) Магнитная проницаемость полого четверти сферического магнитного тракта утечки

Комбинируя проницаемость, указанную выше с 1) по 5), можно получить приблизительную оценку σ в пространстве магнитного пути утечки (μ 0 : проницаемость вакуума).

2. Формула для расчета плотности магнитного потока B (X) на центральной линии магнита

Когда кривая BH прямая или рабочая точка Bd расположена выше точки перегиба, распределение магнитного поля вне магнита можно рассматривать так же, как магнитное поле, создаваемое током замкнутой цепи на внешней периферии. поверхность пространства длиной X, имеющего такую ​​же проницаемость и форму поперечного сечения, как у магнита.
Формулы расчета для получения этого B (X) для трех типичных форм будут показаны ниже. Эти формулы эффективны в качестве приближенных формул для ферритовых магнитов или неодимовых магнитов.

2-1. Магнит цилиндрической формы
2-2. Магнит квадратно-столбчатый
2-3. Трубчатый магнит
2-4. Когда магнитное тело помещается за магнитным полюсом

Заменить 2L членом L формул 2-1, 2-2 и 2-3.

2-5. Когда магниты одинаковой формы противостоят друг другу на расстоянии 2X

B (X) в центре зазора станет вдвое больше, чем B (X), полученное с использованием формул 2-1, 2-2 и 2-3.
B (X) в точке P внутри промежутка будет суммой B (XP), в которой XP подставляется в член X предыдущей формулы, и B (X + P), в котором X + P вставляется в член X предыдущей формулы.

2-6. Когда магнитное тело расположено за магнитным полюсом в той же конфигурации, что и в предыдущем разделе

Заменить 2L членом L формул 2-1, 2-2 и 2-3.B (X) в центре зазора и точку P внутри зазора можно получить с помощью тех же процедур, что и 2-5.

3. Расчет эффективного магнитного потока магнитопровода для двигателей

В магнитных цепях для двигателей условия магнитной цепи сильно различаются в зависимости от элементов, включая количество пазов ротора, форму пазов и т. Д. и толщину стенки корпуса. Поэтому в этом разделе будут показаны только формулы, отражающие основные понятия.

1) Площадь поперечного сечения магнита Am

2) Соотношение эквивалентных размеров магнита ℓ / d

3) Коэффициент проницаемости одиночного магнита Pi

4) Коэффициент магнитной проницаемости одинарного магнита, включая ярмо PL

5) Коэффициент Куртера K c

6) Эффективный коэффициент проницаемости P u

7) Магнитный поток утечки σ

8) Магнитный поток полюсов (или Эффективный магнитный поток) Φg

О насыщении магнитной цепи
Приведенный выше метод расчета Φg не учитывает во внимание насыщение магнитной цепи.Однако в реальных магнитных цепях насыщение может происходить в области корпуса или ротора. Другими словами, когда сравниваются Φg, полученные вышеуказанным способом вычисления, и Φg в фактическом двигателе, а g в фактическом двигателе меньше расчетного значения, возможно, что магнитная цепь насыщена.

Таблица преобразования единиц SI / CGS

Умножив характеристическое значение в единицах СИ на коэффициент преобразования в левой части ▶, можно получить значение в единицах СГС.
Аналогичным образом, умножив характеристическое значение в единицах CGS на коэффициент преобразования в правой части, можно получить значение в единицах SI.

Единица СИ ▶ ◀ Единица СКУ
Магнитный термин Условное обозначение Название устройства Условное обозначение Передаточное число ▶ ◀ Передаточное число Условное обозначение Название устройства
Магнитный поток Φ Вебер Wb 10 8 ◀ 10 -8 Mx Максвелл
Плотность магнитного потока B тесла Т 10 4 ◀ 10 -4 G Гаусс
Магнитное поле H Ампер / м А / м 4π × 10 -3 ◀ 10 3 / 4π Oe Эрстед
Намагничивание M Ампер / м А / м 10 -3 ◀ 10 3 G Гаусс
Магнитная поляризация Дж тесла Т 10 4 / 4π ▶ ◀ 4π × 10 -4 G Гаусс
Магнитодвижущая сила Fm Ампер А 4π × 10 -1 ◀ 10 / 4π Ги Гилберт
Сила магнитного притяжения F Ньютон N 10 5 ◀ 10 -5 дин Dyne
Проницаемость мкм Генри / м Г / м 10 7 / 4π ▶ ◀ 4π × 10 -7 Безразмерный
Проницаемость вакуума мкм 0 4π × 10 -7 Генри / м Г / м Безразмерный 1
Магнитное сопротивление Rm 1 / Генри H -1 4π × 10 -9 ◀ 10 9 / 4π Ги / Мкс Гилберт / Максвелл
Проницаемость P Генри H 10 9 / 4π ▶ ◀ 4π × 10 -9 Mx / Gi Максвелл / Гилберт
Продукт магнитной энергии BH Джоуль / м 3 Дж / м 3 4π × 10 ▶ ◀ 10 -1 / 4π G · Oe Гаусс · Эрстед
10 ▶ 10 -1 эрг / см 3 эрг / см 3

Как рассчитать обмотку трансформатора

Обновлено 28 декабря 2020 г.

Автор: S.Hussain Ather

Если вы когда-нибудь задумывались, как дома и здания используют электроэнергию от электростанций, вы должны узнать о трансформаторах в распределительных сетях электроснабжения, которые преобразуют токи высокого напряжения в токи, которые вы используете в бытовых приборах. Эти трансформаторы имеют простую конструкцию для большинства типов трансформаторов, но могут сильно различаться по степени изменения входного напряжения в зависимости от конструкции.

Формула обмотки трансформатора

Трансформаторы, которые используются в системах распределения электроэнергии, имеют простую конструкцию, в которой в различных областях используются катушки, намотанные вокруг магнитного сердечника.

Эти проволочные катушки принимают входящий ток и изменяют напряжение в соответствии с коэффициентом витков трансформатора , который равен

\ frac {N_P} {N_S} = \ frac {V_P} {V_S}

для числа обмотки первичной обмотки и вторичной обмотки N p и N p соответственно, а напряжение первичной обмотки и вторичной обмотки V p и V s соответственно.

Эта формула обмотки трансформатора сообщает вам, на какую долю трансформатор изменяет входящее напряжение, и что напряжение обмоток катушки прямо пропорционально количеству обмоток самих катушек.

Имейте в виду, что, хотя эта формула называется «соотношением», на самом деле это дробь, а не соотношение. Например, если у вас есть одна обмотка в первичной обмотке и четыре обмотки во вторичной обмотке трансформатора, это будет соответствовать доле 1/4, что означает, что трансформатор снижает напряжение на значение 1/4.Но соотношение 1: 4 означает, что для одного из чего-то есть четыре из чего-то другого, что не всегда означает то же самое, что и дробь.

Трансформаторы могут повышать или понижать напряжение и известны как повышающие трансформаторы , или понижающие трансформаторы , , в зависимости от того, какое действие они выполняют. Это означает, что коэффициент трансформации трансформатора всегда будет положительным, но может быть больше единицы для повышающих трансформаторов или меньше единицы для понижающих трансформаторов.

Формула обмотки трансформатора верна только тогда, когда углы первичной и вторичной обмоток совпадают по фазе друг с другом. Это означает, что для данного источника питания переменного тока, который переключается вперед и назад между прямым и обратным током, ток как в первичной, так и во вторичной обмотках синхронизируется друг с другом во время этого динамического процесса.

Могут быть трансформаторы с коэффициентом трансформации 1, которые не изменяют напряжение, а вместо этого используются для разделения различных цепей друг от друга или для небольшого изменения сопротивления цепи.

Калькулятор конструкции трансформатора

Вы можете понять свойства трансформаторов, чтобы определить, что калькулятор конструкции трансформатора будет учитывать в качестве метода определения того, как сконструировать трансформаторы.

Хотя первичная и вторичная обмотки трансформатора отделены друг от друга, первичная обмотка индуцирует ток во вторичных обмотках за счет индуктивности. Когда источник питания переменного тока подается через первичные обмотки, ток течет по виткам и создает магнитное поле с помощью метода, называемого взаимной индуктивностью.

Формула обмотки трансформатора и магнетизм

Магнитное поле описывает, в каком направлении и насколько сильный магнетизм будет действовать на движущуюся заряженную частицу. Максимальное значение этого поля составляет dΦ / dt , скорость изменения магнитного потока Φ за небольшой промежуток времени.

Поток — это измерение того, сколько магнитного поля проходит через определенную площадь поверхности, например прямоугольную. В трансформаторе силовые линии магнитного поля направляются наружу от магнитной катушки, вокруг которой намотаны провода.

Магнитный поток связывает обе обмотки вместе, а сила магнитного поля зависит от силы тока и количества обмоток. Это может дать нам калькулятор расчета трансформатора , который учитывает эти свойства.

Закон индуктивности Фарадея, который описывает, как магнитные поля индуцируются в материалах, диктует, что напряжение от любой из обмоток индуцируется

либо для первичной обмотки, либо для вторичной обмотки. Обычно это называют наведенной электродвижущей силой ( ЭДС ).

Если бы вы измеряли изменение магнитного потока за небольшой период времени, вы могли бы получить значение dΦ / dt и использовать его для расчета ЭДС . Общая формула для магнитного потока:

\ Phi = BA | cos {\ theta}

для магнитного поля B , площади поверхности плоскости в поле A и угла между магнитным полем линии и направление, перпендикулярное площади θ .

Вы можете учесть геометрию обмоток вокруг магнитного сердечника трансформатора, чтобы измерить поток, аскат

для источника переменного тока, где ω — угловая частота ( 2πf для частоты f ) и Φ max — максимальный поток.В этом случае частота f относится к количеству волн, которые проходят через заданное место каждую секунду. Инженеры также называют произведение тока на количество витков обмотки « ампер на », то есть мерой силы намагничивания катушки.

Примеры калькулятора обмоток трансформатора

Если вы хотите сравнить экспериментальные результаты того, как обмотки трансформаторов влияют на их использование, вы можете сравнить наблюдаемые экспериментальные свойства с характеристиками калькулятора обмоток трансформатора.

Компания-разработчик программного обеспечения Micro Digital предлагает онлайн-калькулятор обмотки трансформатора для расчета стандартного калибра проводов (SWG) или американского калибра проводов (AWG). Это позволяет инженерам изготавливать провода соответствующей толщины, чтобы они могли нести заряды, необходимые для их целей. Калькулятор оборотов трансформатора подскажет индивидуальное напряжение на каждом витке обмотки.

Другие калькуляторы, например, от компании-производителя Flex-Core, позволяют рассчитать сечение провода для различных практических приложений, если вы введете номинальную нагрузку, номинальный вторичный ток, длину провода между трансформатором тока и измерителем и входную нагрузку. метра.

Трансформатор тока создает напряжение переменного тока во вторичной обмотке, пропорциональное току в первичной обмотке. Эти трансформаторы снижают токи высокого напряжения до более низких значений, используя простой метод контроля фактического электрического тока. Нагрузка — это сопротивление самого измерителя пропускаемому через него току.

Hyperphysics предлагает онлайн-интерфейс расчета мощности трансформатора, который позволяет использовать его в качестве калькулятора конструкции трансформатора или в качестве калькулятора сопротивления трансформатора.Чтобы использовать его, вам необходимо ввести частоту напряжения питания, индуктивность первичной обмотки, индуктивность вторичной обмотки, количество катушек первичной обмотки, количество катушек вторичной обмотки, вторичное напряжение, сопротивление первичной обмотки, сопротивление вторичной обмотки, сопротивление нагрузки вторичной обмотки и взаимная индуктивность.

Взаимная индуктивность M учитывает влияние изменения нагрузки на вторичную обмотку на ток через первичную обмотку с ЭДС:

ЭДС = -M \ frac {\ Delta I_1} {\ Delta t }

для изменения тока через первичную обмотку ΔI 1 и изменения во времени Δt .

Любой онлайн-калькулятор обмотки трансформатора делает предположения о самом трансформаторе. Убедитесь, что вы знаете, как каждый веб-сайт рассчитывает заявленные ценности, чтобы вы могли понять теорию и принципы, лежащие в основе трансформаторов в целом. Насколько они близки к формуле обмотки трансформатора, вытекающей из физики трансформатора, зависит от этих свойств.

Зачем нужен воздушный зазор в магнитной цепи и как его рассчитать?

В этом блоге мы рассмотрим теорию воздушных зазоров в магнитных цепях.Магнитная цепь — это то место, где магнитный поток циркулирует или проходит через замкнутую область или путь. Воздушный зазор — это немагнитная часть магнитной цепи, и она обычно магнитно соединена последовательно с остальной частью цепи. Это позволяет значительной части магнитного потока проходить через зазор. В зависимости от применения воздушный зазор может быть заполнен немагнитным материалом, таким как газ, вода, вакуум, пластик, дерево и т. Д., И не обязательно только воздухом. Ну, а какова функция воздушной прослойки?

Зачем нужен воздушный зазор в магнитной цепи?

Рассмотрим магнитную цепь с воздушным зазором, как показано ниже.Давайте обсудим различные причины, по которым воздушные зазоры имеют решающее значение в практических приложениях. В этой цепи есть только один путь для магнитной цепи, поэтому ее можно назвать последовательной магнитной цепью.

Рис. 1. Последовательная магнитная цепь с воздушным зазором

Одна из основных причин появления воздушного зазора — увеличение сопротивления магнитной цепи. Количество воздуха или другого немагнитного материала, такого как волокнистая пластина или волокнистая плита, увеличивает сопротивление цепи, тем самым увеличивая количество тока, который мы могли бы подать в катушку, прежде чем мы достигнем насыщения.Кроме того, воздушные зазоры помогают магнитному потоку расширяться за пределы магнитной цепи. Этот поток выходит в соседний воздушный канал, и такие пути для потока называют полосами потока, что приводит к неоднородной плотности потока в воздушном зазоре. По мере увеличения воздушного зазора увеличивается флюсовая окантовка и наоборот. При небольших воздушных зазорах окантовкой можно пренебречь, если не указано иное. Однако с большим воздушным зазором нам, возможно, придется принять во внимание это изменение площади, когда мы начнем проводить расчеты плотности потока.

Как рассчитать плотность потока в воздушном зазоре?

Давайте посмотрим на основную формулу для расчета плотности потока.

Плотность потока, B г = Φ г / A г

где, B — плотность магнитного потока в теслах (Тл)

Φ — магнитный поток в Веберсе (Вб)

A — площадь в квадратных метрах (m2)

Как мы знаем, проницаемость любого материала может быть выражена как отношение плотности магнитного потока к напряженности магнитного поля материала.Это можно выразить как

.

мк = B / H

где μ — проницаемость материала, Генри / метр

H — напряженность магнитного поля, ампер-виток / метр

B — плотность потока, тесла

Решая приведенное выше уравнение относительно B, получаем

B = μ x H… .. (Уравнение 1)

Теперь сила намагничивания воздушного зазора определяется следующим образом:

H = Fm / l….. (Уравнение 2)

где, Fm — магнитодвижущая сила (ммс), в ампер-витках, l — длина материала (зазора), в метрах

Подставляя значение H из уравнения 2 в уравнение 1, мы получаем

B = μ x (Фм / л)

Решая приведенное выше уравнение для магнитодвижущей силы, получаем

Fm = Bl / μ …….. (Уравнение 3)

Предположим, у нас есть воздушный зазор, а проницаемость воздуха (свободного пространства) постоянна.

мкм воздух = 4π x 10 -7 Гн / м

Заменяя значение μ в уравнении 3, мы получаем очень простую формулу для определения магнитодвижущей силы, необходимой для создания определенного потока в воздушном зазоре.

F м = BL / (4π x 10 -7 )

Воздушный зазор может иметь различную форму, форму и размер в зависимости от типа магнитной цепи и ее формы. В некоторых схемах это может быть фактически неотъемлемая часть, обеспечивающая правильную работу устройства, но в других случаях она должна быть как можно меньше. Такие требования будут определяться принципом работы, производительностью, размером, эффективностью и многими другими технологическими факторами.

Мы надеемся, что это было полезно для вас как для технического специалиста или студента, выходящего на поле.Если у вас есть какие-либо вопросы о программах по электронике или электромеханику, вы можете связаться с одним из наших консультантов по программе по бесплатному телефону 1-888-553-5333 или по электронной почте [email protected]

Основы силового трансформатора

: Магнитная цепь

Трансформатор — это электромагнитное устройство для передачи электрической энергии от одной цепи к другой магнитным способом. Трансформатор обычно используется для передачи энергии между цепями с разным напряжением. Магнитопровод трансформатора состоит из двух или более обмоток.Трансформатор является жизненно важным звеном в промышленных и коммерческих электроэнергетических системах и важным компонентом многих маломощных приложений, таких как системы управления и электронные схемы.

Принципы силового трансформатора

Трансформаторы — это статические устройства, которые передают энергию от одного набора катушек к другому посредством переменного магнитного потока, при условии, что оба набора находятся на общей магнитной цепи (сердечнике). Изменение величины магнитных связей со временем вызывает электродвижущие силы (рисунок 1).

Рисунок 1. Элементарный трансформатор, вторичная обрыв цепи

Прямоугольные штамповки из магнитной листовой стали, соединенные вместе, составляют сердечник трансформатора. Медные или алюминиевые обмотки, расположенные на сердечнике (или ножках), составляют первичную, вторичную и третичную части трансформатора.

Обычно мы называем сторону приема энергии первичной стороной, а сторону подачи энергии — вторичной стороной.Третичные понятия, когда они используются, имеют разные цели.

Мы также можем идентифицировать обмотки по напряжению: сторона высокого напряжения (HV) и сторона низкого напряжения (LV). Такой подход практичен, когда мощность течет в обоих направлениях.

Коэффициент трансформации или отношение витков зависит от относительного количества витков в каждой обмотке. Это также отношение первичного к вторичному напряжению холостого хода или соотношение напряжений. В условиях нагрузки фактическое соотношение напряжений немного отличается из-за падения напряжения в обмотках трансформатора.Регулирование напряжения трансформатора относится к этому падению при номинальной нагрузке, которое зависит от коэффициента мощности нагрузки, даже при постоянном кВА (киловольт-ампер).

Когда напряжение увеличивается или уменьшается на коэффициент трансформации трансформатора, с током происходит обратное. Произведение напряжения и тока с каждой стороны одинаковое. В идеальном трансформаторе:

E1 · I1 = E2 · I2

Передаточное отношение N = N1 / N2 = E1 / E2 = I2 / I1

E2 = 1 / N · E1 и I2 = N · I1

Ключевое понятие, которое следует запомнить, — это произведение тока на количество витков в каждой обмотке, которую необходимо сбалансировать N · i.Этот баланс называется ампер-витками, хотя единицей измерения N · i, согласно закону Ампера, является ампер.

Петля гистерезиса и нормальная кривая намагничивания

Материалы с высокой относительной магнитной проницаемостью, такие как стальные сплавы, содержащие комбинации кобальта, никеля, алюминия, вольфрама и кремния, используются для направления магнитного потока в область для достижения высоких плотностей энергии. Это ферромагнитные материалы, и их проницаемость намного выше, чем у воздуха.

Работа многих устройств зависит от нелинейных характеристик их магнитных цепей. В других случаях нелинейность нежелательна, поскольку она может искажать формы сигналов напряжений и токов в цепях переменного тока, как мы увидим дальше.

На рисунке 2 показана основная характеристика ферромагнитных материалов — соотношение между плотностью магнитного потока B и напряженностью магнитного поля или силой намагничивания H — для синусоидального изменения магнитного потока.Значение B для данного количества H зависит от того, увеличивается или уменьшается H. Это отставание плотности потока от напряженности магнитного поля является петлей гистерезиса.

Рисунок 2. Петля гистерезиса. Изображение предоставлено Виртуальным институтом прикладных наук.

Если несколько петель гистерезиса построены последовательно для нескольких последовательно более высоких значений напряжения и магнитного потока, каждая петля полностью охватывает предыдущую.Пунктирная кривая через положительные концы петель, обозначенная буквами o-g-h, представляет собой нормальную кривую намагничивания, показанную на рисунке 3.

Рисунок 3. Кривая нормального намагничивания

Плотность потока Br при H = 0 — это остаточная плотность магнитного потока, а сила намагничивания Hc при B = 0 — это коэрцитивная сила, необходимая для уменьшения остаточного магнетизма до нуля.

В течение одного полного цикла энергия, подводимая к магнитной цепи, выше, чем энергия, возвращаемая источнику.Площадь петли гистерезиса является мерой реальных потерь энергии, которые проявляются в виде тепла, выделяемого внутри материала в течение одного цикла намагничивания.

Мощные силовые трансформаторы работают с высокой плотностью магнитного потока, поскольку для работы с ненасыщенным железом требуются большие габариты, что увеличивает затраты.

В немагнитных материалах, таких как воздух, петля гистерезиса становится единственной диагональной прямой линией, проходящей через начало координат.

Вихретоковые потери

Переменный поток заставляет токи течь в сердечнике.Потери на вихревые токи — это мощность, необходимая для поддержания этих вихревых токов, которая проявляется в виде тепла.

Возбуждающий ток

Характеристики железных сердечников не идеальны из-за потерь в сердечнике и конечной проницаемости.

Когда генератор переменного тока (AC) подает ток на первичную обмотку ненагруженного трансформатора, его магнитодвижущая сила (MMF) создает переменный взаимный поток (m) в сердечнике. Этот небольшой ток называется возбуждающим током.Его величина составляет около 3% или менее от тока полной нагрузки.

При коротком замыкании вторичной обмотки трансформатора протекающий ток очень высок — до 30 раз больше тока полной нагрузки.

Возбуждающий ток (Ie) состоит из двух компонентов: тока потерь в сердечнике (Ih + e) ​​и тока намагничивания (Im). Потери в сердечнике — это составляющая реальной мощности из-за гистерезиса и вихревых токов, которые проявляются в виде тепла, выделяемого в сердечнике. Ток намагничивания (Im) обеспечивает MMF, чтобы преодолеть магнитное сопротивление сердечника.

Полный ток возбуждения — это векторная сумма двух составляющих:

Ie = Im + Ih + e

Векторная диаграмма на рисунке 4 показывает, что Im находится в фазе с ɸm. Ih + e, как явление энергии, находится в фазе с напряжением и опережает ток намагничивания на 90 °.

Рисунок 4. Фазорное сложение составляющих возбуждающего тока

Флюсы утечки

Прибор с постоянным магнитом может показывать пульсации в области вокруг трансформатора, находящегося под напряжением.Поток утечки, который находится в воздухе, потому что он не может соединиться со всеми обмотками сердечника, вызывает пульсации.

На рис. 5 слева показан поток утечки (1 ‘), создаваемый током, протекающим в витках первичной обмотки. Утечка вторичной обмотки (поток 2 ‘), справа, существует только тогда, когда ток течет по ее виткам. Оба потока связаны со всеми витками своих обмоток, но не со всеми остальными.

Рисунок 5. Поток намагничивания ɸm, потоки утечки ɸ1 ‘и ɸ2’ в трансформаторе.

Рис. 5. Поток намагничивания ɸm, потоки утечки ɸ1 ‘и ɸ2’ в трансформаторе

Существенным фактором является то, что существует принципиально линейная зависимость между потоками утечки и MMF (или токами), которые их создают. Путь потоков утечки почти полностью проходит через воздух, и это немагнитная среда.

Схема эквивалента трансформатора

Эквивалентная схема адекватно отображает поведение трансформатора.Индуктивности символизируют потоки и резисторы рассеяния и намагничивания, сопротивление обмотки и потери в сердечнике.

Существуют сложные и простые схемы замещения трансформаторов. На рисунках 6 и 7 показаны модели, полезные для понимания основных концепций, обсуждаемых в этой статье.

Рисунок 6. Эквивалентная схема трансформатора, без нагрузки

Без нагрузки:

V1 = Ie · R1 + Ie · ω · L1 + Im · ω · Lm ​​= Ie · R1 + Ie · ω · L1 + E1 = Ie · (R1 + jX1) + E1

V1 и E1 имеют разницу от 2% до 3% в высококачественных трансформаторах, а это означает, что полное сопротивление утечки R1 + jX1 довольно мало.Трансформаторы сверхвысокого напряжения могут иметь разницу до 12%.

Когда трансформатор выдает ток нагрузки, аналогичная эквивалентная схема представляет вторичный поток рассеяния, включающий вторичную индуктивность (L2) и реактивное сопротивление (X2), а также сопротивление вторичной обмотки (R2), показанное на Рисунке 7.

Рисунок 7. Эквивалентная схема трансформатора с нагрузкой

Вторичное наведенное напряжение E2 зависит от коэффициента трансформации,

E2 = N2 / N1 · E1

Без нагрузки,

V2 = E2

Когда ток нагрузки I2 течет во вторичной обмотке,

V2 = E2 — I2 · (R2 + jX2)


Обзор характеристик трансформатора

Трансформатор — это электромагнитная машина, используемая для передачи электрической энергии между двумя цепями посредством переменного магнитного потока.

В сердечниках трансформаторов

используются ферромагнитные материалы с проницаемостью намного выше воздухопроницаемости. Их проницаемости меняются в зависимости от плотности потока, и заданное значение mmf создает поток, величина которого изменяется. Внутри сердечников возникают потери из-за гистерезиса и вихревых токов, проявляющиеся в виде тепла.

Когда источник переменного тока питает трансформатор в условиях холостого хода, протекает небольшой возбуждающий ток, вызывающий взаимный поток и тепловые потери в сердечнике.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *