Последние новости
21.08.2017
Трансформаторы.
Автор: Melkor    04.10.2010 08:00   
(0 Голосов)

Трансформаторы


Общие сведения


Трансформатор, как известно, служит для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Это устройство состоит из расположенных на одном сердечнике двух и более катушек. Сердечник трансформатора представляет собой набор определенной формы тонких пластин из специальной стали (рис. 1.94). Катушка, к которой подводится напряжение и ток для преобразования, носит название первичной, а катушка, с которой снимается преобразованное напряжение, называют вторичной.

Первичный ток, текущий по первичной катушке, создает вокруг нее и в сердечнике переменное магнитное поле, которое пересекает витки вторичной катушки и возбуждает в ней переменную электродвижущую силу. Если теперь к вторичной обмотке подключить лампу накаливания, то по ней потечет переменный ток, и она загорится. Электрическая энергия передается из первичной обмотки трансформатора во вторичную обмотку без их непосредственного соединения, а только за счет связующего обмотки переменного магнитного поля.
Трансформатор характеризуется номинальной мощностью, которую он способен передать и номинальным напряжением, на которое он рассчитан. К трансформатору можно подводить напряжение и мощность меньше номинальных значений, но не выше этих значений, иначе произойдет перегрев обмоток и магнитопровода, что вызовет выход трансформатора из строя. Обычно напряжения первичной и вторичной обмоток неодинаковы.
Если первичное напряжение меньше вторичного, то трансформатор называется повышающим» если же наоборот, то понижающим. Отношение количества витков первичной обмотки трансформатора к количеству витков его вторичной обмотки называют коэффициентом трансформации трансформатора:

При этом отношение напряжений и токов в обмотках подчиняется
правилу:
Номинальная мощность, первичное напряжение и коэффициент трансформации определяют число витков обмоток, площадь сечения магнитопровода, диаметры проводов обмоток и другие характеристики трансформатора. Чем больше напряжение в данной обмотке, тем больше в ней должно быть витков. При этом изменяется и диаметр провода, так как при более высоких напряжениях ток уменьшается, то диаметр провода можно взять тоньше.
Для того, чтобы усилить магнитную связь между первичной и вторичной обмотками, их помещают на стальном сердечнике. Для уменьшения потерь на вихревые токи сердечник набирается из тонких листов трансформаторной стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, покрытых с одной стороны лаком или окленных тонкой бумагой. Трансформаторная сталь обладает меньшими потерями, чем обычная электротехническая сталь. Трансформатор, представленный на рис 1.94, называется стержневым, так как его магнитопро-вод напоминает собой стержень. Сердечник такого трансформатора набирается из Г-образных железных пластин. Наибольшее распространение
имеют броневые трансформаторы с разветвленным магнитным потоком и сердечником из Ш-образных стальных пластин (рис. 1.95). В этом трансформаторе обмотки намотаны на одном каркасе, который размещается на среднем стержне.
Сердечник, собранный из трансформаторной стали, характеризуется площадью поперечного сечения S = a b (а — ширина, b — толщина) (рис. 1.96).

Толщина пакета сердечника зависит от мощности трансформатора. Полезная площадь сечения сердечника S меньше произведения а*Ь. Это связано с неплотной упаковкой пластин, а также из-за присутствия лака или папиросной бумаги между пластинами, Отношение St = S/(a-b) называется коэффициентом заполнения сердечника (табл. 1.12). Обозначение типа Ш-образной пластины может состоять из буквы Ш или букв УШ и числа. Число, стоящее рядом с условным обозначением трансформаторной пластины, указывает ширину среднего стержня пластины в мм.

Например, Ш20 обозначает сталь броневого сердечника с шириной среднего стержня 20 мм. Пластины типа Ш при одинаковой ширине стержней изготавливаются с окнами различной высоты h и ширины с.

Заметим, что трансформатор, у которого вторичная обмотка является продол-жением первичной, называют автотрансформатором. Другими словами, автотрансформатор отличается от обычного трансформатора тем, что он имеет одну обмотку на фазу, вместо двух. Принципиальная схема автотрансформатора дана на рис. 1,97. Вторичное напряжение U2 берется от некоторой промежуточной точки а обмотки. Коэффициент трансформации к в этом

случае:

В части обмотки аб протекает разность токов L3 =L2 - L1 Благодаря этому при

малом значении коэффициента трансформации автотрансформатор является более экономичным по сравнению с обычным трансформатором. При больших коэффициентах трансформации автотрансформатор теряет свое преимущество.

 

Расчет трансформатора


Если нет готового трансформатора с необходимыми характеристиками, то иногда приходится самостоятельно изготовлять силовой трансформатор для выпрямителя. В этом случае простейший расчет силовых трансформаторов мощностью до 100...200 Вт производится по известной методике. По заданному напряжению и наибольшему току во вторичной обмотке определяется мощность вторичной цепи в Вт:

При наличии нескольких вторичных обмоток мощность подсчитывают путем сложения мощностей отдельных обмоток. Если принять коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора, изготовленного в домашних условиях, не выше 80%, то потребляемую от сети мощность можно подсчитать по формуле:


Заметим, что КПД трансформатора равен отношению суммы мощностей, снимаемых со всех его вторичных обмоток, к мощности потребляемой первичной обмоткой от электросети. Недогруженный трансформатор имеет КПД меньше, чем нагруженный полностью. КПД полностью нагруженного трансформатора в зависимости от его мощности точно определить довольно сложно, приблизительные его значения указаны в табл. 1.13.

Мощность передается из первичной обмотки во вторичную через магнитный поток в магнитопроводе. Площадь поперечного сечения магнитопровода S зависит от величины мощности Рь она возрастает при увеличении мощности. После определения сечения сердечника следует определить ширину пластин среднего стержня, если пластины Ш-образные, и толщину набора в см (табл. 1.14). Перемножив эти величины, получаем площадь сечения стержня. Так как расчет всех геометрических размеров сердечника довольно сложный для начинаю- * щего электрика, то рекомендуется применять сердечники, у которых b/a = 1...2, например, Ш25х40, УШЗОхбО. При больших значениях отношения bfa затруднительно получить нужную плотность намотки.

 

Количество витков, приходящихся на один вольт:

Для пластин из трансформаторной стали хорошего качества в числителе берется число 45, а при плохой стали — 60. Если для магнитопрово-да берутся пластины из стали худшего качества, например, из жести, кровельного железа, стальной или железной проволоки, то их необходимо перед сборкой отжечь, чтобы они стали мягкими. Количество витков вторичной обмотки:

В режиме нагрузки может быть заметная потеря части напряжения на сопротивлении вторичных обмоток. Поэтому для них рекомендуется число витков брать на 5... 10% больше рассчитанного.
Количество витков первичной обмотки:

Диаметр провода вторичной обмотки можно определить из табл. 1.15 или вычислить по формуле:

Если трансформатор имеет мощность вторичной обмотки больше 20 Вт, то диаметр лучше вычислять по формуле:

Диаметр провода первичной обмотки при мощности вторичной обмотки до 20 Вт определяют по формуле:

При мощности вторичной обмотки от 20 до 70 Вт пользуются следующей формулой:

а если мощность вторичной обмотки больше 70 Вт, то используют
такую формулу:

Диаметры проводов обмоток, как видим, определяются по значениям токов и исходя из допустимой плотности тока, которая для трансформаторов принимается в среднем 2 А/мм2. При такой плотности тока диаметр провода без изоляции любой обмотки в миллиметрах вычисляется по формуле:

 

Диаметры проводов обмоток, при известных значениях токов в них, в зависимости от величины плотности тока приведены в табл. 1.16.

Когда нет провода нужного диаметра, то берут несколько соединенных параллельно более тонких проводов, при этом их суммарная площадь сечения должна быть не менее той, которая соответствует рассчитанному сечению одного провода. Площадь поперечного сечения провода рассчитывается по формуле:

:Для обмоток низкого напряжения, имеющих небольшое число витков толстого провода и расположенных поверх других обмоток, плотность тока можно увеличить до 2,5 и даже 3 А/мм2, так как эти обмотки имеют лучшее охлаждение. Тогда в формуле для диаметра провода постоянный коэффициент вместо 0,8 должен быть соответственно 0,7 или 0,65.
В заключение производят выбор марки и диаметр изолированного провода по таблицам сортамента проводов и проверяют размещение обмоток в окне магнитопровода. Число витков ш^ в одном слое обмотки при использовании броневого сердечника определяется из формулы;

Если приведенное условие не выполняется, то тогда увеличивают размеры сердечника и расчет трансформатора делают снова. По табл. 1,17 и 1,18 можно проверить и скорректировать площадь окна сердечника. Площадь окна магнитопровода не должна быть меньше значения, полученного из расчета.

 

Пример расчета трансформатора


Необходимо произвести расчет трансформатора с такими характеристиками: первичная обмотка должна подключаться к сети напряжением 220 или 127 В, на вторичной обмотке необходимо получить напряжения 9 В, 24 В и 36 В. Требуемое напрядение снимается между началом вторичной обмотки и соответствующим от нее отводом. В данном случае вторичная обмотка имеет два отвода для 9 В и 24 В, а вся обмотка позволяет получить напряжение 36 В. Сила тока во вторичной обмотке должна быть 3 А, если нагрузка подключена к выводам трансформатора с напряжением 24 В и 2 А при 36 В,
Мощность вторичной цепи будет наибольшей при P2 = U2*I2 = 24*3 = 72 Вт. При вычислении площади поперечного сечения сердечника по приведенной выше формуле получается несколько завышенный результат, в связи с чем, некоторые авторы советуют брать коэффициент не 1,2, а несколько меньше, например, 1.1 и даже 0,85, что иногда бывает равносильно использованию такого выражения;

Так как вторичная обмотка разделена выводами на три секции, то ее можно рассматривать как обмотку, состоящую из последовательно соединенных секций. В этом случае третью секцию обмотки, позволяющую получить напряжение 36 В при токе 2 А, можно сделать более тонким проводом, чем первые две секции, рассчитанные на ток 3 А.
Диаметр провода вторичной обмотки для секции с напряжением 36 В и током 2 А:


Диаметр провода первичной обмотки при нагрузке 220 В:

Диаметр провода первичной обмотки при нагрузке 127 В:

По вычисленным значениям диаметров проводов в табл. L.13 берем провод ближайшего диаметра. Определив диаметр провода в изоляции для выбранной марки провода, проверяют размещение обмоток в окне магнитопровода. Для сердечника можно взять трансформаторную сталь с шириною среднего стержня от 20 до 32 мм (табл. 1.12), Толщина пакета определяется из соотношения:


Если взять сталь Ш-32т то толщина пакета составит:

Это наиболее удобный тип стали, так, сечение катушки будет представлять квадрат 3,2x3,2 см.
Отметим, что существуют и другие приближенные методики расчета трансформатора. Отличаются они в основном заданием исходных данных, порядком расчета и коэффициентами в используемых формулах.


Изготовление трансформатора с Ш-образным сердечником


После расчета трансформатора, подбора диаметра провода, пластин сердечника, изготавливают каркас для намотки обмоток трансформатора (рис 1,98). Допустим необходимо изготовить трансформатор с такими характеристиками: напряжение на первичной обмотке 220 В или 127 В, напряжение на вторичной обмотке 3,5 В, 6 В и 12 В при токе 2 А. Трансформатор наматывается на сердечнике Ш18 с толщиной пакета 35 мм. По размерам среднего стержня трансформаторной пластины делают деревянный брусок и склеивают на нем из картона прочную катушку. Вначале нужно обернуть брусок двумя слоями бумаги, чтобы можно было с него снять склеенную катушку. Высота катушки должна быть на 1 мм меньше высоты среднего стержня, а щечки должны входить между крайними стержнями буквы «Ш».

Намотку провода на каркас лучше производить на специальном станке со счетчиком количества намотанных витков. Если такого намоточного станка нет, то тогда наматывают обмотки вручную, аккуратно укладывая витки вдоль каркаса. Если напряжение тока 127 В, наматывают на катушку 1200 витков изолированного провода диаметром 031...035 мм. Если напряжение 220 В, наматывают 2200 витков изолированного провода диаметром 0,25...0,29 мм.
Концы обмоток выводят через щечки катушки. При этом нужно учесть в каком месте щечки их выводить, чтобы при сборке трансформатора концы не попали под пластины сердечника.
При намотке первичной обмотки необходимо через каждые несколько рядов провода прокладывать ленту парафинированной бумаги или чертежной кальки на всю ширину катушки. При намотке нужно быть внимательным, чтобы крайние витки не западали возле щечек. Намотав первичную обмотку, оборачивают ее двумя-тремя слоями бумаги и уже поверх нее мотают вторичную обмотку.
Число витков вторичной обмотки зависит от того, какое напряжение нужно получить. В данном случае на выходе должно быть несколько разных напряжений для питания различных потребителей. Поэтому вторичную обмотку делают с несколькими отводами. Напряжение во вторичной обмотке будет в несколько раз ниже, чем в первичной, но зато величина тока будет почти во столько же раз больше.

Тонкий провод при прохождении по нему большого тока сильно нагреется. Поэтому вторичную обмотку нужно намотать проводом диаметром не меньше 1 мм. Лучше всего взять провод диаметром около 1,2 мм. Намотав 40 витков вторичной обмотки, сладывают провод вдвое и протягивают получившуюся петлю через отверстие в щечке. Это будет первый отвод. Часть обмотки между началом и первым отводом даст напряжение около 3,5 В, нужное для горения лампочки карманного фонаря. Следующий отвод делают через 28 витков. Напряжение между ним и началом обмотки будет 6 В, Сюда можно будет подключить 6-вопьтовую автомобильную лампочку. Наконец, намотав еще 67 витков, делают последний вывод. Полное напряжение всей вторичной обмотки будет 12 В и сюда можно подключать 12-вольтовую лампочку.
Готовую катушку оклеивают двумя слоями плотной бумаги. Затем туго набивают ее стальными пластинами «вперехлест» (рис. 1.99). При вставке последних пластин нужно быть внимательным, чтобы их не перекосить, иначе можно углом пластины порезать каркас катушки и повредить обмотку.

После этого сердечник обжимают стальной обоймой с лапками для прикрепления к панели. Если готовой обоймы подходящего размера нет, то ее вырезают и сгибают согласно рис. 1.100. Готовый трансформатор привинчивают к деревянной панели с ножками из двух реек. К выводам первичной обмотки присоединяют шнур с вилкой для подключения к сети переменного тока. Выводы вторичной обмотки присоединяют к четырем клеммам.
С нижней стороны панели прошедшие насквозь концы клемм заливают расплавленной канифолью или так называемой кабельной массой, чтобы между ними не могло возникнуть случайного замыкания, если под панель попадет проволочка или обрезок жести. Во время работы трансформатор немного нагревается, но на это можно не обращать внимания, так как правильно рассчитанный трансформатор должен быть чуть-чуть теплым. Очень плохо, когда трансформатор нагревается очень сильно и начинает дымиться. Значит где-то повреждена изоляция проводов. В этом случае разбирают трансформатор, находят поврежденное место и устраняют неисправность.

Изготовление трансформатора с самодельным сердечником


Трансформатор, описанный выше, изготовляется при наличии пластин из специальной трансформаторной стали. В том случае, когда таких пластин нет, в качестве сердечника можно использовать полоски, вырезанные из белой жести и изолированные друг от друга. Рассмотрим изготовление трансформатора с самодельным сердечником с такими характеристиками: напряжение на первичной обмотке 220 В или 127 В, напряжение на вторичной обмотке 2 В, 6 В, 15 В и 18 В.
Каркас склеивают из прессшпана, фибры или, в крайнем случае, из картона (рис. 1.101). Сверху каркас покрывают шеллаком или парафинируют и сушат при комнатной температуре. Поверхность просушенного каркаса слегка обчищают шкуркой, а после производят на нем намотку. Наматывают две обмотки, сначала первичную — сетевую (высоковольтную), затем вторичную — понижающую (низковольтную). Сетевая обмотка производится медным одножильным проводом диаметром 0,3—0,35 мм в эмалевой изоляции типа ПЭЛ. Сетевая обмотка для напряжения в 220 В содержит 1450 витков, а для напряжения 127 В — 820 витков.
Витки первичной обмотки укладывают вплотную в несколько слоев. Между слоями намбтки прокладывают один-два слоя папиросной или парафинированной бумаги. Сверху сетевую обмотку тщательно обматывают лакотканью или изоляционной лентой. Затем укладывают 105 витков проволоки диаметром 1,5 мм в эмалевой, хлопчатобумажной или шелковой изоляции. Понижающая обмотка имеет три вывода: от тринадцатого, от тридцать восьмого и от восемьдесят шестого витка. Все выводы делаются гибкими многожильными проводами в надежной изоляции. Вторичную обмотку после намотки обматывают лакотканью или парафинированной бумагой.
Следующим этапом изготовления трансформатора является изготовление его сердечника. Для сердечника из тонкого кровельного железа вырезают пластины размером 30x50 мм. Пластины тщательно выравнивают и укладывают в пакет. Пластин должно быть такое количество, чтобы при плотном их сжатии толщина пакета равнялась 30...35 мм. Пластины связывают вместе и кладут в топящуюся печь и отжигают. В печи пластины нагревают до светло-красного каления, после чего их зарывают в горячую золу.
Охлаждение длится несколько часов, по мере охлаждения печи. Остывшие пластины очищают от окалины и обклеивают с одной стороны тонкой бумагой, например, папиросной. Это позволит уберечь сердечник собранного трансформатора от нагрева при работе. Готовые обклеенные пластины складывают в пакет так, чтобы обклеенные поверхности были направлены в одну сторону, то есть обклеенная поверхность одной пластины должна соприкасаться с неоклеенной поверхностью другой пластины. Плотно сжатый пакет вставляют в отверстие каркаса катушки (рис. 1.102). Пакет приблизительно делят на две равные части. Каждую часть пакета загибают вокруг щечек в разные стороны, как показано на рис. 1.102. Отгибание пластин начинают с крайних, при этом края пластины должны немного перекрывать друг друга. После того как все пластины загнуты, их нужно как можно сильнее сжать и обвязать изоляционной лентой или тесьмой. Обвязывать пластины проволокой нельзя.
Готовый трансформатор укрепляют скобкой с двумя шурупами на пластмассовой или деревянной панели размером 150x100 мм. К выводам первичной, сетевой обмотки, припаивают провода осветительного шнура, заделанного на конце штепсельной вилкой для включения в розетку электросети. К панели у выводов от сетевой обмотки трансформатора шнур прикрепляют металлической скобкой. На шнур под скобкой, чтобы он не перетерся, надевают кусок резиновой трубки. На панели со стороны выводов понижающей обмотки устанавливают пять зажимов (рис. 1.103). Возле зажимов пишут краской величины напряжений, снимаемых со вторичной обмотки. К зажимам (по порядку) подключают начало обмотки, первый, второй, третий выводы и конец обмотки.
С зажимов понижающей обмотки для питания самодельных электроустройств и приборов можно снимать ток разного напряжения. Сверху панель с трансформатором желательно закрыть кожухом из пластмассы или сухой фанеры. В кожухе необходимо прорезать отверстия для шнура, а также для выводов понижающей обмотки, после чего кожух крепят шурупами к панели.


В наше время на замену трансформатору пришел электронный трансформатор, который занимает меньше места и обладает большей мощностью.  Особенно его хорошо использовать если вы решили воспользоваться галогенновыми лампами. Так как электронный трансформатор обеспечивает мягкое включение и меньше весит.


 
Мир боевых искусств, описание стилей единоборств, школы и федерации,будо, форум о боевых искусствах, боевая социальная сеть Сайт охватывает все виды спорта, имеет все свежие новости о спорте, статистика, результаты, рейтинги, досье игроков, видео просмотр матчев, турнирные таблицы. На сайте имеется форум, каталог ссылок по данной тематике, также много другой подобной информации которая заинтересует любителей спорта.