Безкоштовна технічна бібліотека ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ Розрахунок мережевого трансформатора джерела живлення. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Блоки живлення У лінійних джерелах живлення, що стали вже "класичними", основний елемент - мережевий трансформатор, який зазвичай знижує, який зменшує мережну напругу до необхідного рівня. Про те, як правильно його розрахувати (вибрати магнітопровід, розрахувати діаметр обмотувального дроту, число витків в обмотках і т. д.), йтиметься у пропонованій статті. Як вибрати магнітопровід За конструктивним виконанням магнітопроводи для мережевих трансформаторів поділяють на броньові, стрижневі та тороїдальні, а за технологією виготовлення - на пластинчасті (рис. 1) і стрічкові (рис. 2). На рис. 1 і 2 позначені магнітопроводи: а) - броньові; б) - стрижневі; в) - тороїдальні. У трансформаторах малої (до З00 Вт) та середньої потужності (до 1000 Вт) частіше використовують стрічкові магнітопроводи [1]. А серед стрічкових найбільш застосовні стрижневі магнітопроводи. Вони мають ряд переваг у порівнянні, наприклад, з броньовими [2]:
Однак стрижневим магнітопроводам притаманні й недоліки:
У тороїдальних трансформаторах практично весь магнітний потік проходить магнітопроводом, тому індуктивність розсіювання у них мінімальна, проте складність виготовлення обмоток дуже висока. На підставі вищесказаного вибираємо стрижневий стрічковий магнітопровід [3]. Подібні магнітопроводи виготовляють наступних типів: ПЛ-стрижневий стрічковий; ПЛВ - стрижневий стрічковий найменшої маси; ПЛМ - стрижневий стрічковий із зменшеною витратою міді; ПЛР - стрижневий стрічковий найменшої вартості. На рис. 3 показано позначення габаритних розмірів магнітопроводу: А - ширина; Н – висота; а – товщина стрижня; b – ширина стрічки; з – ширина вікна; h – висота вікна; h1 – висота ярма. Стрижневим магнітопроводам присвоєно скорочене позначення, наприклад, ПЛ8х 12,5x16, де ПЛ - П-подібний стрічковий, 8 - товщина стрижня, 12,5 - ширина стрічки, 16 - висота вікна. Розміри магнітопроводів підводних човнів і ПЛР наведені в табл. 1 та 2. Варіанти розміщення котушок на магнітопроводі Різні варіанти розташування котушок на стрижнях магнітопроводу порівняємо по одному з основних параметрів трансформаторів - індуктивності розсіювання, яку розрахуємо за формулою [2] де μ0 = 4?10-7 Гн / м - магнітна постійна; w, - Число витків первинної обмотки; вср.об - середня довжина витка обмоток, см; b – товщина обмоток, см; h - висота обмотки, див. Ця формула отримана за умови, що обмотки - циліндричні, не секціоновані та розташовані концентрично. Схеми з'єднання обмоток всім варіантів показані на рис. 4. Порівняльні розрахунки проведемо для трансформатора на магнітопроводі ПЛx10x12,5x40, що має одну первинну та одну вторинну обмотки. Щоб усі розрахункові варіанти перебували в однакових умовах, приймемо товщину обмоток b = с/4 та число витків первинної обмотки w1 = 1000. Розглянемо перший варіант, коли первинна та вторинна обмотки розташовані на одному стрижні (рис. 4, а). Креслення котушки показано на рис. 5. Спочатку розрахуємо середню довжину витка обмоток а потім індуктивність розсіювання котушки першого варіанта У другому варіанті первинна та вторинна обмотки розділені на дві рівні частини, які розміщені на двох стрижнях (рис. 4, б). Кожна котушка складається з половини обмотки W1 та половини w2. Креслення котушок показано на рис. 6. Обчислимо індуктивність розсіювання однієї котушки (W1 = 500), а потім результат подвійним, оскільки котушки однакові: Дві первинні обмотки у третьому варіанті розташовані у двох котушках на різних стрижнях, кожна з яких містить по 1000 витків. Обидві первинні обмотки з'єднані паралельно. Вторинна обмотка також розміщена у двох котушках на різних стрижнях, причому можливі два випадки: дві напівобмотки з повним числом витків, з'єднані паралельно (рис. 4, в), або вторинна обмотка розділена на дві напівобмотки з удвічі меншим числом витків, з'єднані послідовно 4, г). Креслення котушок показано на рис. 6. У цьому варіанті індуктивність розсіювання така сама, як і в другому варіанті: LS3 = LS2 = 2,13 мГн. Слід пам'ятати, що у другому і третьому варіантах первинні та вторинні обмотки і напівобмотки повинні бути включені згідно, щоб створювані ними магнітні потоки в магнітопроводі мали однаковий напрямок. Іншими словами, магнітні потоки повинні підсумовуватися, а не відніматися. На рис. 7 а показано неправильне підключення, а на рис. 7 б - правильне. Необхідність дотримання правил з'єднання обмоток та напівобмоток - нестача другого та третього варіантів. Крім того, у третьому варіанті сумарний магнітний потік від первинної обмотки вдвічі більше в порівнянні з іншими, що може призвести до насичення магнітопроводу і, як наслідок, спотворення синусоїдальної форми напруги. Тому застосовувати третій варіант включення обмоток практично слід обережно. У четвертому варіанті первинна обмотка повністю розташована одному стрижні магнитопровода, а вторинна - іншому (рис. 4, буд). Креслення котушок показано на рис. 8. Оскільки обмотки розташовані не концентрично, для розрахунку індуктивності розсіювання скористаємося формулою [2]: де b = с/4 – товщина обмоток, см; Rвн = воб/(2π) – зовнішній радіус обмотки, см; воб = 2а+2b+2πb - зовнішня довжина витка обмотки, див. Обчислимо зовнішню довжину витка та зовнішній радіус обмотки: = 6,5 см; Rвн = 1,04 см. Підставляючи розраховані значення формулу для обчислення індуктивності розсіювання, отримаємо LS4 = 88,2 мГн. Крім розглянутих чотирьох існує ще багато інших варіантів розташування обмоток на стрижнях магнітопроводу, однак у всіх інших випадках індуктивність розсіювання більше, ніж у другому та третьому варіантах. Аналізуючи отримані результати, можна зробити такі висновки:
Отже, при виготовленні трансформаторів малої потужності слід вибирати схему з'єднання та розташування обмоток, розглянуті у другому варіанті. Вторинні напівобмотки можна з'єднувати і послідовно, якщо необхідно отримати більш високу напругу на виході, і паралельно, якщо потрібно більший вихідний струм. Короткі відомості про матеріали магнітопроводів Досі ми не враховували втрати в реальному трансформаторі, які складаються з втрат у магнітопроводі – на вихровий струм та перемагнічування (гістерезис): у розрахунках їх враховують як потужність втрат у сталі Рст, і втрати в обмотках – як потужність втрат у міді Рм. Отже, сумарна потужність втрат у трансформаторі дорівнює: P∑ = Рст + Рм = Рв.т + Рг + Рм, де Рв.т – потужність втрат на вихровий струм; Рг – потужність втрат на гістерезис. Для їхнього зменшення сталь піддають термообробці - видаляють вуглець, а також легують - додають кремній, алюміній, мідь та інші елементи. Все це підвищує магнітну проникність, зменшує коерцитивну силу та, відповідно, втрати на гістерезис. Крім того, сталь піддають холодній або гарячій прокатці для отримання необхідної структури (тектури прокату). Залежно від вмісту легуючих елементів, структурного стану, магнітних властивостей стали маркують чотиризначними числами, наприклад, 3412. Перша цифра означає клас електротехнічної сталі за структурним станом та класом прокатки: 1 - гарячекатана ізотропна; 2 - холоднокатана ізотропна; 3 - холоднокатана анізотропна з ребровою текстурою. Друга цифра – відсоток вмісту кремнію: 0 – нелегована сталь із сумарною масою легуючих елементів не більше 0,5 %; 1 - легована із сумарною масою понад 0,5, але не більше 0,8 %; 2 - 0,8 ... 1,8%; 3 - 1,8...2,8%; 4 - 2,8...3,8%; 5 – 3,8...4,8 %. Третя цифра – група за основною нормованою характеристикою (питомі втрати та магнітна індукція): 0 – питомі втрати при магнітній індукції 1,7 Тл на частоті 50 Гц (Pij/so); 1 – втрати при магнітній індукції 1,5 Тл на частоті 50 Гц (P1,5/50); 2 – при індукції 1 Тл на частоті 400 Гц (Р1/400); 6 - індукція у слабких магнітних полях при напруженості 0,4 А/м (0,4); 7 - індукція середніх магнітних полях при напруженості 10 А/м (В10) або 5 А/м (В5). Перші три цифри позначають тип електротехнічної сталі. Четверта цифра – порядковий номер типу сталі. Магнітопроводи трансформаторів для побутової техніки виготовляють з текстурованої холоднокатаної сталі марок 3411-3415 [3] з нормованими питомими втратами при магнітній індукції 1,5 Тл на частоті 50 Гц і питомим опором 60·10-8 Ом·м. Параметри деяких марок електротехнічної сталі наведено у табл. 3. Холоднокатана електротехнічна сталь має більш високі магнітні характеристики. Крім того, більш гладка поверхня дозволяє збільшити коефіцієнт заповнення об'єму магнітопроводу (ксТ) до 98% [4]. Вихідні дані для розрахунку трансформатора Розрахуємо трансформатор, що має первинну та дві однакові вторинні обмотки, з наступними параметрами: ефективна (діюча) напруга первинної обмотки U1 = 220 В; ефективна (діюча) напруга вторинних обмоток U2 = U3 = 24 В; ефективний (діючий) струм вторинних обмоток l2 = I3 = 2А. Частота напруги f = 50 Гц. Коефіцієнт трансформації дорівнює відношенню напруги на первинній до напруги на розімкнутій (ЕРС) вторинній обмотці. При цьому нехтують похибкою, що виникає через відмінність ЕРС від напруги на первинній обмотці: де w1 і w2 - число витків, відповідно, первинної та вторинної обмоток; Е1 і Е2 - ЕРС первинної та вторинної обмоток. Струм у первинній обмотці дорівнює: Габаритна потужність трансформатора дорівнює: У процесі розрахунку необхідно визначити розміри магнітопроводу, число витків всіх обмоток, діаметр і зразкову довжину обмотувального дроту, потужність втрат, повну потужність трансформатора, ККД, максимальні габарити та масу. Розрахунок магнітопроводу трансформатора Методика розрахунку розмірів та інших параметрів взята, переважно, з [1]. Спочатку розрахуємо добуток площі поперечного перерізу стрижня на площу вікна магнітопроводу. Стрижнем називають ділянку магнітопроводу (axbxh), на якій розміщена котушка: де В - магнітна індукція, Тл; j - густина струму в обмотках, А/мм2; η - ККД трансформатора, n - число стрижнів магнітопроводу; кс - коефіцієнт заповнення перерізу магнітопроводу сталлю; км - коефіцієнт заповнення вікна магнітопроводу міддю. Рекомендовані значення магнітної індукції та середні значення густини струму, ККД та коефіцієнта заповнення вікна для частоти f - 50 Гц наведені в табл. 4. Коефіцієнт заповнення перерізу магнітопроводу для сталей 3411-3415 дорівнює 0,95...0,97, а сталей 1511-1514 - 0,89...0,93. Для розрахунку приймаємо В = 1,35 Тл; j = 2,5 А/мм2; η = 0,95; Кc = 0,96; км = 0,31; n = 2: Товщину стрижня магнітопроводу обчислюють за формулою Підходящий магнітопровід вибирають по табл. 1 і 2. При виборі слід прагнути до того, щоб переріз магнітопроводу був близьким до квадрата, оскільки в цьому випадку витрата обмотувального дроту мінімальна. Ширину стрічки магнітопроводу розраховують за формулою Вибираємо магнітопровід ПЛР18х25, у якого а – 1,8 см; b = 2,5 см; h = 7,1 см; Розрахунок обмоток трансформатора Обчислимо ЕРС одного витка за формулою Розрахуємо приблизно падіння напруги на обмотках: Потім обчислимо число витків первинної обмотки: вторинних обмоток: Розрахуємо діаметр обмотувального дроту без ізоляції за формулою Підставивши числові значення, отримаємо діаметр дроту первинної: та вторинних обмоток: За табл. 5 вибираємо марку та діаметр обмотувального дроту в ізоляції [5]: для первинної обмотки - ПЕЛ або ПЕВ-1 di = 0,52 мм; для вторинних – ПЕЛ або ПЕВ-1 d2 = d3 = 1,07 мм. Уточнюємо кількість витків обмоток. Для цього спочатку уточнимо падіння напруги на обмотках: Розрахуємо середню довжину витка, використовуючи рис. 5 або 6: а потім і довжину дроту в обмотках: Уточнені значення падіння напруги на обмотках дорівнюють: З урахуванням отриманих значень обчислимо число витків первинної: та вторинних обмоток: Розрахуємо масу дроту обмоток: де m1 і m2 - погонна маса проводів, відповідно, первинної та вторинних обмоток з табл. 5. Масу магнітопроводу визначаємо за табл. 2: Мм = 713 р. Маса трансформатора без урахування маси деталей кріплення дорівнює М = = 288+2-165+713 = 1331 р. Максимальні розміри: (Ь+с)х(А+с)хН = 43x72x107 мм. Коефіцієнт трансформації k=W1/W2=1640/192=8,54. Розрахунок потужності втрат Втрати в магнітопроводі рівні: де руд - питомі втрати у магнітопроводі з табл. 3. Припустимо, що магнітопровід виготовлений із сталевої стрічки 3413 товщиною 0,35 мм, тоді за табл. 3 знаходимо, що питомі втрати у такому магнітопроводі дорівнюють 1,3 Вт/кг. Відповідно, втрати у магнітопроводі Рст = 0,713-1,3 = 0,93 Вт. Втрати в обмотці – на активному опорі проводів – обчислимо за формулою де r1, r2 - активний опір, відповідно, первинної та вторинних обмоток, I'1 - струм первинної обмотки з урахуванням втрат: де r1м, r2м - погонне опір проводів, відповідно, первинної та вторинних обмоток з табл. 5. Перерахуємо струм вторинних обмоток до струму первинної обмотки: Струм первинної обмотки з урахуванням втрат дорівнює: де η = 0,95 – ККД трансформатора з табл. 4 для потужності 100 Вт. Втрати в обмотках дорівнюють: Повна потужність трансформатора з урахуванням втрат дорівнює: ККД трансформатора розрахуємо за формулою Виготовлення трансформатора Виготовлятимемо трансформатор будемо за другим варіантом, розглянутим вище. Розташування котушок показано на рис. 6. Для цього необхідно виготовити дві котушки, кожна з яких містить половину витків первинної та кожної з вторинних обмоток: w'1 = 820 витків дроту ПЕЛ (або ПЕВ-1) діаметром 0,52 мм; w'2=w'3= 96 витків дроту ПЕЛ (або ПЕВ-1) діаметром 1,07 мм. Оскільки трансформатор має малі потужність та габарити, котушки можна виготовити безкаркасними. Товщина котушки b ≤ с/2 = 9 мм, її висота hK ≤ 71 мм. Число витків у шарі первинної обмотки кількість шарів Число витків у шарі вторинної обмотки кількість шарів Обмотки намотують на дерев'яній оправці, виготовленій відповідно до розмірів ділянки магнітопроводу, на якому будуть розташовані котушки (18x25x71 мм). До торців оправки прикріплюють щічки. Незважаючи на те, що обмотувальні дроти покриті емалевою ізоляцією і тому мають високу електричну міцність, зазвичай між шарами обмотки прокладають додаткову, наприклад, паперову ізоляцію. Найчастіше для ізолювання обмоток від магнітопроводу та між собою застосовують трансформаторний папір товщиною 0,1 мм. Розрахуємо максимальну напругу між двома сусідніми шарами первинної обмотки Оскільки напруга між шарами невелика, додаткову ізоляцію можна укладати через шар або зробити більш тонкою, наприклад, використовувати конденсаторний папір. Між первинною і вторинними слід помістити обмотку, що екранує, - один незамкнений виток тонкої мідної фольги або один шар обмотувального дроту, яка перешкоджає проникненню перешкод з мережі у вторинні обмотки і навпаки. Спочатку оправку обмотують трьома шарами паперової стрічки (мал. 9), пелюстки стрічки приклеюють до щічок. Потім намотують первинну обмотку, прокладаючи кожен шар ізоляцією. Між первинною, екрануючою та вторинними обмотками прокладають два шари ізоляції. Загальна товщина виготовлених котушок не перевищує 8 мм. Перевірка трансформатора Зібраний трансформатор спочатку перевіряють у режимі холостого ходу – без навантаження. При мережній напрузі 220 В струм у первинній обмотці напруга на вторинних обмотках Напруга на вторинних обмотках можна точно виміряти лише вольтметром з високим вхідним опором. Остаточно напруга на вторинних обмотках трансформатора вимірюють за номінального навантаження. література
Автор: В.Першин, м.Іллічівськ Одеської обл., Україна Дивіться інші статті розділу Блоки живлення. Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті. Останні новини науки та техніки, новинки електроніки: Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
Інші цікаві новини: ▪ Фотосинтез допоможе у покращенні сонячних батарей ▪ Алмазний квантовий комп'ютер ▪ Виявлено зв'язок між прийомом їжі та біологічним годинником ▪ Папір, що зберігає енергію електрики ▪ IGBT-модулі для трирівневих інверторів UPS Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки
Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки: ▪ розділ сайту Телебачення. Добірка статей ▪ стаття Ракетоплан класу S4А. Поради моделісту ▪ стаття За яку зелену революцію отримав Нобелівську премію миру Норман Борлоуг? Детальна відповідь ▪ стаття Робота на обладнанні з виготовлення конвертів. Типова інструкція з охорони праці ▪ стаття Регулятор яскравості у торшері. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Залишіть свій коментар до цієї статті: Коментарі до статті: Гість У принципі допомогло формули струму піріпешу та сайту [up] [up] Валерій Відмінна таблиця [up] Микола Хороший матеріал [up] Анатолій Номально-корисна стаття, коротко і зрозуміло для стрижневих трансформаторів. [up] Гість Відмінно, що є таблиці за типорозмірами заліза. All languages of this page Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт www.diagram.com.ua |