Jak závisí počet závitů vinutí transformátoru na napětí?

Výkonový transformátor je nejjednodušším příkladem přeměny elektrické energie. I při neustálém zdokonalování radioelektronických zařízení a napájecích zdrojů na nich založených neztrácejí napájecí zdroje založené na transformátorech střídavého napětí svůj význam.

Transformátory pro napájení jsou velké co do velikosti a hmotnosti, pracují v omezeném rozsahu přípustného vstupního napětí, ale jsou velmi snadno implementovatelné a jsou vysoce spolehlivé a udržovatelné.

Typy magnetických jader

Základem střídavého transformátoru je magnetické jádro, které musí mít určité magnetické vlastnosti. Transformátory používají ocel speciálního složení a se specifickým zpracováním (transformátorové železo). Při provozu transformátoru vznikají v magnetickém jádru vířivé proudy, které jádro ohřívají a vedou ke snížení účinnosti transformátoru. Pro snížení vířivých proudů není jádro vyrobeno monolitické, ale sestavené z tenkých ocelových plátů nebo pásků potažených nevodivou vrstvou oxidu.

Podle druhu použitého kovu se jádra dělí na:

První typ jader je sestaven ve formě balíku jednotlivých desek příslušného tvaru a druhý je navíjen z pásky. V budoucnu může být jádro pásky rozřezáno na samostatné segmenty pro snadné navíjení drátu.

Jádra jsou klasifikována podle typu magnetického obvodu:

Každý z uvedených typů se může lišit tvarem desek nebo segmentů:

• Obrněný;
• ve tvaru Ш;
• Prstencový.

Tvar a typ jádra teoreticky neovlivňují metodu výpočtu, ale v praxi by to mělo být zohledněno při stanovení účinnosti a počtu závitů vinutí.

Nejlepší vlastnosti má prstencové (toroidní) jádro. Transformátor vyrobený na takovém magnetickém jádru bude mít maximální účinnost a minimální proud naprázdno. To ospravedlňuje největší pracovní náročnost navíjení, protože doma se tato práce provádí výhradně ručně, bez použití navíjecího stroje.

Počáteční data

Počáteční údaje, na jejichž základě je transformátor vypočítán, jsou nutně:

• Síťové napětí;
• Napětí a počet sekundárních vinutí;
• Odběrové proudy zátěže.

Pro úplný a přesný výpočet snižujícího transformátoru je nutné vzít v úvahu teplotní režim, dovolené odchylky napětí primárního vinutí a některé další faktory, nicméně praxe ukazuje, že transformátory vyrobené podle zjednodušených výpočtových údajů mají poměrně dobré parametry. Dále vám řekneme, jak vypočítat transformátor, aniž byste se uchýlili ke složitým a těžkopádným výpočtům.

Postup výpočtu

Výpočet výkonového transformátoru začíná určením celkového výkonu. Nejprve je určen celkový celkový výkon všech sekundárních vinutí:

Jak vypočítat výkon transformátoru, pokud je výkon vinutí neznámý? Vzorec známý z kurzu fyziky vám pomůže zjistit:

Celkový výkon transformátoru se počítá z celkového součtu s přihlédnutím k účinnosti, která se u zařízení různého výkonu liší. Následující orientační hodnoty účinnosti byly stanoveny experimentálně:

• Až 50 W – 0.6 (60 %);
• Od 50 do 100 W – 0.7 (70 %);
• Od 100 do 150 W – 0.8 (80 %).

Výkonnější transformátor bude mít účinnost 0.85.

Výpočet celkového výkonu tedy vypadá takto:

Рг = účinnost∙Рс, kde Рс – celkový výkon.

Na základě celkového výkonu transformátoru lze určit plochu průřezu magnetického obvodu:

Podle tohoto vzorce se požadovaná plocha průřezu získá v centimetrech čtverečních. Na základě získaných dat je vybráno jádro s podobnou nebo mírně větší hodnotou průřezu. Pomocí skládacích jader vyrobených z desek ve tvaru W a U můžete změnit tloušťku sady v určitých mezích přidáním nebo odebráním několika desek.

Jak určit výkon neznámého transformátoru? Je nutné odmocnit plochu jádra, vyjádřenou v centimetrech čtverečních.

Dávejte pozor! Průřez magnetického obvodu by měl mít pokud možno tvar blízký čtverci.

Po výběru magnetického jádra vypočítáme data vinutí. S magnetickým jádrem a znalostí jeho průřezové plochy můžete vypočítat vinutí transformátoru (počet závitů ve vinutí). Je obvyklé brát jako základ pro výpočet počet závitů na 1 V napětí, protože toto číslo je stejné pro všechna vinutí a závisí na vlastnostech magnetického obvodu a frekvenci napájecího napětí. Kompletní vzorec, který bere v úvahu síťovou frekvenci a magnetickou indukci v jádře, je velmi složitý a při výpočtech se téměř nepoužívá. Místo toho se používá zjednodušená verze, která bere v úvahu pouze materiál a konstrukci jádra:

N=k/S, kde k je koeficient z následujícího seznamu:

• Desky magnetických obvodů tvaru W a P – k = 60;
• Jádro pásky – k = 50;
• Toroidní magnetický obvod – k = 40.

Jak vidíte, při použití toroidního jádra bude počet závitů minimální.

Při znalosti počtu závitů na volt je snadné určit data vinutí vinutí pro jakékoli napětí:

Pro primární vinutí to bude:

Dávejte pozor! Protože u snižujících transformátorů je průřez vodiče a počet závitů síťového vinutí větší než u všech ostatních, budou také vyšší ohmické ztráty ve vodičích, proto u transformátorů s nízkým výkonem (do 100 W ) tyto ztráty je nutné zohlednit zvýšením počtu závitů primárního vinutí o 5 %.

Pokud se počítá tyčový transformátor, pak se obvykle vinutí rozdělí na polovinu a navinou se rovnoměrně na obě tyče. Části identických vinutí jsou pak zapojeny do série.

Neméně důležitým krokem při výpočtu transformátoru je určení průřezu vodičů vinutí. Zde se za základ bere aktuální hodnota ve vodičích, která způsobuje jejich minimální zahřívání. Čím větší je průřez drátu, tím nižší je proudová hustota na jednotku průřezu a tím menší ohřev. Nadměrné zvětšení průřezu vodičů vinutí však vede ke zvýšení hmotnosti transformátoru, zvýšení nákladů a také pravděpodobnosti, že se vinutí jednoduše nevejde do oken magnetického obvodu.

Obecně se uznává, že optimální proudová hustota ve vinutí je 4-7 A na 1 mm2. Nižší hodnota hustoty se používá pro výpočet průřezu vodičů primárního vinutí nebo jakéhokoli jiného, ​​který je blíže k jádru magnetického obvodu. Tato vinutí mají nejhorší podmínky chlazení.

Abyste nepracovali s aktuálními hustotami a složitými vzorci pro převod plochy průřezu na průměr, můžete vypočítat průměr pomocí jejich zjednodušené verze:

• d = 0.7∙√I – pro vodiče primárního vinutí;
• d = 0.6∙√I – pro vodiče sekundárních vinutí.

Pro vinutí se používá izolovaný drát vinutí s průřezem nejbližším konstrukčnímu, ale ne menším než je.

Důležité! Vzorec udává vypočítanou hodnotu pro holý drát, bez izolace.

Pro měření průměru neznámého drátu je potřeba mikrometr. Průměr přibližně určíte namotáním deseti závitů na tužku a změřením délky návinu.

Chcete-li určit, zda se vinutí vejde do oken magnetického obvodu, vypočítejte faktor plnění okna:

K=0.008∙(d12 ∙w1+ d22 ∙w2+ d32 ∙w3+…)/okno.

Pokud je výsledná hodnota větší než 0.3, pak se vinutí nevejdou a převinutí napůl hotového zařízení nepovede k dobrému výsledku. Existuje několik cest ven:

• Použijte magnetické jádro s velkým průřezem;
• Zvyšte proudovou hustotu ve vinutí (ne více než 5%);
• Snižte počet závitů ve všech vinutích současně (také ne více než 5%).

Snížení počtu závitů povede ke zvýšení proudu naprázdno a ztrátám v transformátoru, což se projeví zvýšením jeho teploty. Použití posledních dvou metod lze proto doporučit pouze jako poslední možnost.

Výroba vinutí

Vinutí transformátoru je vyrobeno na rámu z izolačního materiálu. Rám může být pevný nebo skládací. Navzdory své zdánlivé složitosti je skládací rám jednodušší na výrobu a jeho rozměry lze snadno vypočítat tak, aby se vešly na jakékoli stávající jádro. Z materiálů pro rám si můžete vzít list getinax, textolit nebo sklolaminát. V lících rámu musíte zajistit otvory pro vedení.

Svorky vinutí jsou vyrobeny z ohebného lanka, pečlivě izolujícího oblast pájení. Samotné navíjení se provádí, pokud je to možné, otočením k otočení. Takové vinutí umožňuje lepší využití volného prostoru, snižuje spotřebu drátu a hlavně v místech křížení drátů při špatném provedení vinutí hrozí poškození izolace a přepólování. Toto pravidlo se nevztahuje na tenký drát o průměru menším než 0.2 mm, protože je velmi obtížné na něj doma provést běžné navíjení.

Každé vinutí musí být od sebe izolováno, zejména primární vinutí. Pro izolaci můžete použít několik vrstev pásky FUM. Je vyrobena z fluoroplastu, který má dobré elektroizolační vlastnosti.

Důležité! Páska FUM má malou tloušťku a fluoroplast má tekutost, takže musíte vytvořit několik vrstev izolace.

Sestava transformátoru

Kvalita transformátoru do značné míry závisí na správné montáži magnetického obvodu. Při montáži jádra pancéřování ve tvaru W musí být sousední desky položeny střídavě v různých směrech. Sada desek by měla být naskládána co nejtěsněji. Po montáži musí být pevně utažen šrouby. Uvolněný transformátor dělá během provozu velký hluk. Zvláštní pozornost by měla být věnována těsnému spojení desek ve tvaru W s podlahovými deskami. Mezera mezi nimi povede k tomu, že se jádro stane otevřeným okruhem, a to znamená následující:

• Zvýšený proud naprázdno;
• Snížení účinnosti;
• Zvýšené magnetické pole rozptylu.

Při montáži děleného pásového jádra je třeba věnovat pozornost vzájemnému lícování dílů, protože při výrobě jsou upraveny broušením. Pro snížení hluku mohou být konce balíků desek potaženy vrstvou laku.

Dávejte pozor! Části magnetického obvodu pásky vyžadují pečlivé zacházení, protože delaminované pásky je téměř nemožné nainstalovat na jejich původní místo. Desky skládacího jádra nelze ohýbat ani vystavovat nárazům, protože to naruší strukturu kovu a ztratí své vlastnosti. V krajním případě je třeba desky ohnuté na velký poloměr opatrně ručně ohnout a po sestavení je umístit doprostřed sady desek. S dalším potěrem se vyrovnají.

Výpočet síťového transformátoru není obtížný. Důležitější je stanovit na něj požadavky. Přesnost dalších výpočtů bude záviset na správnosti úlohy. U výkonového transformátoru lze výpočet pohodlně provést také pomocí online kalkulačky. Zvyšovací transformátor se vypočítá pomocí stejné metody.

Na obrázcích a, b, cad jsou nakresleny železné transformátory typu Sh, ShL, P a PL.

a — šířka jádra, na kterém je vinutí navinuto,

c — tloušťka jádra (souboru desek),

b – šířka okna,

h – výška okna.

Přidán obrázek pro železo typu OL (toroidy).

a — šířka jádra, a=(Dd)/2

D — vnější průměr,

d — Vnitřní průměr, okénko transformátoru.

h — Výška železa

S – na obrázku oblast železa.

Je vhodné zaznamenat všechny rozměry v milimetrech, ale ve výpočtech budou použity rozměry v centimetrech.

V závislosti na tloušťce plátů (pro typy žehličky Sh a P) nebo pásky (pro ShL, PL a OL) se při výpočtu plochy železa bere v úvahu faktor plnění oceli – Kst . Pro desky o tloušťce 0,2 mm Kst =0,85; na 0,35 mm Kst =0,9; na 0,5 mm Kst =0,93. 0,95.

Kroucená jádra mají obvykle tloušťku pásky 0,2 mm a Kst = 0,9. Tento koeficient bere v úvahu mezeru mezi deskami nebo páskou transformátoru, vytvořenou v důsledku oxidů nebo speciálního izolačního povlaku každé desky jádra.

Například vezmu v úvahu železo transformátoru TS-270 s následujícími parametry

a – 25 mm, c – 45 mm, b – 40 mm, h – 100mm, provedení jádra ve tvaru U, páska, tzn. typ-PL.

Plocha železa je určena vzorcem

S _c =a*c*Kst = 2,5*4,5*0,9=10,125см 2

pro toroidy, S _c =(Dd)h*K _umění. /2 a oblast okna S _o = 3,14d 2 /4

Aktivní oblast žehličky byla nalezena, nyní musíme zjistit celkový výkon,

Celkový výkon lze určit podle vzorce:

P _gab =(S _c *B _m ) 2 ,

kde B _m je velikost indukce v žláze, Tl . Tato hodnota vychází z vlastností materiálu jádra a jeho konstrukce. Trochu více záleží na výkonu transformátoru a velikosti žehličky.

Požadovaná hodnota B _m a další potřebné parametry lze zjistit z stůl 1 ,

Tabulka 1 . Některá pole jsou prázdná, protože se mi nepodařilo najít data.

Okamžitě však vyvstává otázka: jak určit, pro jakou sílu vzít hodnotu B _m pokud moc ještě není známa? Vše je jednoduché, pro hrubý odhad je potřeba vynásobit plochu železa 1,3 a odmocnit ji, (10,125 cm 2 * 1,3) 2 = 173,25 W, což se blíží čáře v tabulce pro 200 W.

Pomocí tabulky zjistíme hodnotu B _m pro typ jádra Sub = 1,5 t. V praxi, pokud přepočítáte jakýkoli tovární transformátor, tato hodnota se vezme o něco více, asi 10%, aby se ušetřilo železo. Můžete to udělat, stačí přidat dalších 15 % k hodnotě tabulky. V důsledku toho je hodnota indukce 10 + 1,5 % = 1,65T

Celková síla železa

(10,125 x 1,65) 2 = 279,1 W .

Počet závitů na volt

W’=50/S _c *B _m Kde S _c – plocha železa s přihlédnutím ke koeficientu Kst , pro daný transformátor Kst = 0,9.

Počet závitů na volt, 50/10,125*1,65= 2,99 vit/v .

Nyní můžete vypočítat primár na 220V, s rezervou napětí až 250V jako obvykle. Aby se žehlička nenasytila ​​při napětí 240. 250V.

Výpočet počtu závitů primáru

W ₁ =W’*U ₁ =250*2,99= 748 otáček .

Transformátor je v provedení PL, což znamená, že je nutné navinout polovinu závitů na každou ze dvou cívek a poté zapojit vinutí do série, přičemž je třeba dodržet fázování.

Výpočet průměru vinutí drátu

Obvykle se bere v úvahu měděný drát. Aktuální hodnota hustoty, J , A/mm 2 в tabulka 1 , indikováno pro vinutí z měděného drátu. Pokud plánujete navíjet vinutí hliníkovým drátem, musí být proudová hustota snížena o 38%, nebo co je stejné – o 1,6krát. Protože hliník má vyšší měrný odpor ve srovnání s mědí. Pro hliník je měrný odpor 0,0283 Ohm*mm 2 /m, pro měď 0,0175 Ohm*mm 2 /m (píšou jinak, v rozmezí 0,0172 Ohm*mm 0,0178 /m).

Tabulka 2

Maximální proud spotřebovaný primárním vinutím

I ₁ =P _gab /U ₁ , 279,1/220 = 1,268 A . (Vinutí je navinuto na 250V, ale počítá se s jeho provozním napětím, v tomto případě 220V. Podle kvality sítě je možné i 230V).

Nyní, když znáte proud ve vinutí a materiál drátu vinutí, můžete určit požadovaný průměr drátu.

Průměr drátu vinutí je určen vzorcem

proudová hustota ve vinutí, J , nalezený v tabulka 1 , = 2,9 A/mm2. Průměr měděného drátu – 0,747mm , bez izolace.

Můžete zkontrolovat podle tabulka 3 nejbližší standardní průměr drátu, zjistěte průměr drátu s izolací.

Tabulka 3

Na tabulka 3 , udáváme průměr drátu s izolací na 0,74 mm.

Délka primárního drátu

L ₁ =W ₁ [2(a+c)+3,14*b]10 -2 = 748[2(2,5+4,5)+3,14*4]10 -2 = 199m

Pokud bude transformátor pracovat při plné zátěži, pak je vhodné počítat s úbytkem napětí na primárním vinutí vlivem jeho vnitřního odporu, v tomto případě to bude cca 8 Ohmů.

Pokles napětí v primárním vinutí

U _{1 podložka} = 2,25 * 10 -2 *I ₁ *L ₁ /d 2 = 2,25*10-2 *1,268*199/0,74 2 = Xnumx

Přesný počet závitů primárního vinutí

W _{1 přesný} = (U ₁ -U _{1 podložka} )W’ = (220-10,3)*2,99= 627 vit

Pokud je vyžadován minimální proud naprázdno, když transformátor pracuje bez zátěže a na primáru není prakticky žádný pokles napětí, můžete pokles napětí na primáru ignorovat a navinout primár na 748 voltů.

Hmotnost primárního drátu

Na tabulka 3 , zjistíme hmotnost 100 m drátu 0,74 mm (0,80 mm s izolací) = 390 gramů.

(199*390)10-2 = 776 gram

Nyní vedlejší

Řekněme, že sekundární napětí je 15V.

Sekundární výkon s přihlédnutím k účinnosti transformátoru zjištěné z tabulka 1 = 0,94

P ₂ =P _gab *účinnost = 279,1*0,94= 262 W .

Sekundární proud

I ₂ =P ₂ /U ₂ = 262/15 = 17,5a

Průřez nebo průměr sekundárního drátu

S ₂ =I ₂ /J = 17,5/2,9 = 6 mm2, pokud jde o průměr – 2,77 mm. Můžete namotat více drátů najednou, pokud namotáte 4 dráty současně, pak je průměr drátů 1,38 mm, nejbližší průměr v tabulce je 1,4 mm (1,48 mm s izolací).

Počet sekundárních otáček

W ₂ =W _{1 přesný} (U ₂ /U ₁ ) = 627(15/220) = 42,75 vit. Můžete zaokrouhlit až 44 závitů na navinutí 22 závitů na každou ze dvou cívek transformátoru.

Hmotnost sekundáru (nebo všech sekundárních) by měla být stejná jako hmotnost primáru.

Umístění vinutí kontrolujeme s ohledem na koeficient Km uvedený v tabulce 1.

(všechny rozměry v cm)

kde, Km – faktor výplně okna mědí, Q _o – oblast okna transformátoru, ve které jsou umístěna vinutí. Pro Ш , SHL , П , Sub typů, se zjistí jednoduchým vynásobením šířky a výšky okna, Q _o =b*h a pro toroidy se plocha okna vypočítá podle vzorce S _o = 3,14d 2 /4 .

Dosadíme-li hodnoty do vzorce, průměr primárního a sekundárního vodiče je 0,8 mm a 3 mm (s izolací), počet závitů je 627 vit a 44 vit a plocha okna je 40 cm 2 – zjistíme hodnota Km = 0,16.

Na první pohled je výsledek mnohem menší, než je uvedeno v Tabulka 1 , ale to se stalo kvůli velké velikosti železného okna, určeného pro hliníkové vinutí. Proto bude měděné vinutí volně umístěno.

Vezmeme-li železo určené pro měděná vinutí, pak by zjištěný koeficient neměl překročit to, co je v tabulce, aby se celé vypočtené vinutí vešlo do okénka transformátoru. Menší hodnotou můžete zvětšit průměr drátů, jako v tomto případě (průměry můžete převést na hliník), nebo naopak zmenšit průměry drátů, pokud je výsledek výpočtu Km nafouknutý.

Při výpočtu jsem předpokládal, že sekundární drát má kulatý průřez, vzhledem ke zvláštnosti vzorce. Pokud hodíte pneumatiku stejné sekce, výsledek bude stejný.

Je vhodné vzít v úvahu průměr drátu s izolací.

Pro provoz transformátoru při krátkodobém přetížení je nutné vzít v úvahu frekvenci zapínání, PV %

Pro nabíjení a startování můžete vzít PV = 10. 20 %, pro svářeče PV 40. 60 %. Je tedy možné používat železo s nižším výkonem ve srovnání s výkonem zátěže.

Velikost přetížení v závislosti na pracovním cyklu se vypočítá takto:

druhá odmocnina ze 100/PV %.

Pokud například potřebujete získat 3 kW v sekundární svářečce při 60% pracovním cyklu, pak budete potřebovat transformátor s celkovým výkonem 2,3 kW. Pro startovací nabíječku s pracovním cyklem 20 %, se sekundárním výkonem 1,5 kW bude výkon transformátoru potřebovat 0,7 kW. Ale s přihlédnutím ke zvýšeným ztrátám v odporu vinutí bude při vyšším proudu potřeba celkový výkon žehličky o 10 % více.

Pracovní cyklus 20% – 1 minuta v zátěži, 4 minuty na volnoběh.

Více o přetížení transformátoru

Přetížení transformátoru je povoleno 30 % – 2 hodiny, 60 % – 45 minut, 75 % – 20 minut, 100 % – 10,5 minuty, 200 % – 1 minuta.

Myslím, že to je vše, co jsem vám teď chtěl říct