Расчет габаритной мощности тороидального трансформатора

Содержание

Расчёт трансформатора своими руками: онлайн-калькуляторы, особенности автотрансформаторов и торов

Расчет габаритной мощности тороидального трансформатора

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;
  • 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.

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:

  1. Рассчитывается ток нагрузки: In=Po/U2, А.
  2. Вычисляется величина тока вторичной обмотки: I2 = 1,5*In, А.
  3. Определяется мощность вторичной обмотки: P2 = U2*I2, Вт.
  4. Находится общая мощность устройства: Pт = 1,25*P2, Вт.
  5. Вычисляется сила тока первичной обмотки: I1 = Pт/U1, А.
  6. Находится необходимое сечение магнитопровода: S = 1,3*√ Pт, см².

Следует отметить, что если конструируется устройство с несколькими выводами во вторичной обмотке, то в четвёртом пункте все мощности суммируются, и их результат подставляется вместо P2.

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.
Читайте также  Солнечные батареи мощность на 1 м2

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.

Источник: https://chebo.pro/tehnologii/raschyot-transformatora-na-kalkulyatore-v-domashnih-usloviyah.html

Рассчитать тороидальный трансформатор: принцип работы, сечение сердечника, преимущества эксплуатации

Высококачественные трансформаторы широко используются в различных отраслях. Многие мастера ценят такие агрегаты за то, что они достаточно компактны и легки, а вот коэффициент полезного действия находится на высоком уровне. Такие характеристики особенно важны в сварочных аппаратах и стабилизаторах напряжения. Но чтобы такой агрегат исправно работал, нужно правильно рассчитать тороидальный трансформатор.

Современные производители занимаются промышленным изготовлением нескольких разновидностей магнитопроводов для трансформаторов — броневого, стержневого, тороидального. Если сравнивать их эксплуатационные характеристики и сферы использования, то более эффективным можно считать последний вариант. Всё дело в том, что такое устройство обладает исключительно положительными параметрами, благодаря чему активно применяется в современной промышленности.

Высокая производительность и длительный эксплуатационный срок повлияли на то, что сейчас тороидальный трансформатор является базовым элементом в осветительной технике, стабилизаторах напряжения, источниках бесперебойного питания, радиотехнике, а также медицинском и диагностическом оборудовании.

Сами производители утверждают, что такой агрегат представлен в виде однофазной установки, которая может как понижать, так и повышать мощность. Для качественной эксплуатации трансформатор оборудован мощным сердечником с двумя и более обмотками. Но принцип его эксплуатации ничем не отличается от тех моделей, которые оснащены броневой или стержневой намоткой.

В независимости от эксплуатационных характеристик, трансформатор — это устройство, главная задача которого основана на преобразовании электроэнергии из одной величины в другую. Однако даже самые минимальные изменения в конструктивном исполнении могут существенно изменить итоговые размеры и вес электрической установки. Благодаря этому, технико-экономические параметры будут только возрастать.

Основные преимущества

У такого трансформатора магнитопровод имеет форму тороида, иными словами — все кольца отличаются прямоугольным сечением. Уникальные эксплуатационные характеристики высоко ценятся как в бытовых, так и промышленных сферах. Помимо этого, тороидальный агрегат имеет ряд дополнительных преимуществ в отличие от стандартных стержневых и бронированных моделей:

  1. У мастеров появилась отличная возможность использовать для сердечника сталь с повышенной магнитной проницаемостью (Э-370, 340).
  2. Известно, что итоговый поток рассеяния в идеальной тороидальной катушке должен быть равен нулю. В таком трансформаторе этот показатель имеет некоторую конечную величину. Но такие потоки рассеяния не такие уж и большие, как у обычных моделей, поэтому внешние магнитные поля не влияют на слаженную работу трансформатора.
  3. В сердечнике полностью отсутствуют зазоры и стыки.
  4. Мастер может смело использовать структурные свойства сердечника, так как в тороидальном агрегате направление магнитного поля полностью совпадает с прокатом ленты.

Все вышеперечисленные преимущества позволяют добиться высоких экономических и электрических показателей. За счёт этого существенно возрастает производительность оборудования:

  • Существенно уменьшается общее количество витков, которые используются для получения величины индуктивной первичной обмотки. Такой эффект достигается благодаря использованию сталей с высокой магнитной проницаемостью. В отдельных конструкциях мастерам удалось снизить итоговый расход меди на 25%.
  • Полное отсутствие зазоров и наличие высоколегированной стали является причиной того, что в сердечнике трансформатора достигается более высокая индукция. Это функциональное преимущество совершенно не влияет на коэффициент нелинейных искажений. В результате мастеру удаётся повысить Bmax в два раза, что считается невозможным в броневых трансформаторах. В итоге снижается итоговый вес и объём рабочего сердечника.
  • Равномерная частотная характеристика каскад достигается за счёт небольшой величины индуктивности рассеяния. Наличие минимальных искажений по вине переходных процессов позволяет использовать довольно глубокую обратную связь отрицательного типа.

В связи с тем, что тороидальный трансформатор обладает небольшим магнитным полем, даже самый тесный монтаж не влияет на взаимодействие с другими элементами конструкции.

Самостоятельное изготовление агрегата

Прежде чем приступить к созданию такого агрегата, необходимо подготовить все необходимые инструменты и материалы. Для изготовления более качественной модели может понадобиться даже швейная машинка, прочная игла и обычные спички, но такие детали можно найти практически в каждом доме.

Основным расходным материалом является железо, из него изготавливаются базовые части трансформатора. Для работы понадобится качественная сталь, которая должна быть в форме тора. Не стоит забывать и о хорошем проводе в лаковой изоляции. Надёжная фиксация не может обойтись без клея ПВА и малярного скотча.

Отдельно стоит учесть, что качественная работа обмоток зависит от изоленты на тканевой основе. А также стоит приобрести высококачественный провод в резиновой или силиконовой изоляции. Этот элемент понадобится для надёжного соединения всех концов обмотки.

Подготовка трансформаторной стали

Начинающим мастерам может показаться, что достать базовый элемент конструкции крайне сложно, но на практике всё обстоит совершенно иначе. Дело в том, что даже обычные пункты приёма металла часто располагают неработоспособными стабилизаторами напряжения. В советский период они были очень распространены, так как использовались в чёрно-белых телевизорах, что продлевало работоспособность кинескопов.

Исправность такого устройства совершенно не имеет значения, так как особой ценностью обладают только тороидальные трансформаторы, которые расположены во внутреннем отсеке стабилизатора. Именно эта часть используется мастерами в качестве основы всей конструкции.

На пути к изъятию трансформаторов всегда лежит обмотка, изготовленная из алюминиевого провода. Не стоит забывать о том, что сердечник тоже нуждается в подготовительных работах. Мастер должен максимально округлить острые края этой детали, так как в процессе намотки может повредиться лаковая изоляция. Поверх трансформаторной стали обязательно укладывается изолента на тканевой основе. В этом случае нужен всего один изоляционный слой.

Правила обмотки

Прежде чем приступить к этому виду работы, нужно сделать расчёт тороидального трансформатора по сечению сердечника. Конечно, мастер может использовать специальные онлайн-калькуляторы, которых на просторах интернета существует очень много. Но можно выбрать более простой вариант, где для всех вычислений нужно подготовить только линейку и калькулятор.

Конечно, он может иметь некоторые погрешности, так как расчёт не подразумевает соблюдения всех тех факторов, которые встречаются в природе. Главное, придерживаться правила о том, что итоговая мощность во вторичной катушке не должна превышать аналогичных показателей в первой обмотке.

Когда мастер дошёл до этого этапа и нужно сделать намотку тороидального агрегата, ему стоит быть крайне внимательным, так как этот процесс довольно трудоёмкий. Отличным считается тот вариант, когда есть возможность самостоятельно разобрать магнитопровод, а уже после намотки собрать его.

В противном случае можно прибегнуть к помощи обычного веретена, на которое нужно аккуратно намотать определённое количество заранее подготовленного провода. Только после этого веретено можно пропустить необходимое количество раз сквозь тор, равномерно укладывая витки обмоток. Конечно, на реализацию такой идеи уйдёт достаточно много времени, но результат того стоит.

Стоит отметить, что в стандартных ситуациях мастера проводят дополнительную изоляцию тороидального сердечника от обмоток (даже в том случае, если используется лакированная проволока). Особой популярностью пользуется высококачественный электротехнический картон, который соответствует всем стандартам ГОСТ 2824 . Толщина этого материала находится в пределах 0,8 мм.

Во время работы мастера придерживаются следующей схемы:

  • Картон аккуратно наматывается на сердечник с небольшим захватом предыдущего витка. Конец материала обязательно фиксируется киперной лентой либо клеем ПВА.
  • Все торцы сердечника должны быть защищены картонными шайбами с небольшими надрезами от 10 до 20 мм, длина шага — 35 мм. Как наружная, так и внутренняя грань обязательно закрывается небольшими полосами. Стоит отметить, что технологические шайбы фиксируются на финишном этапе, а все прорезиненные зубцы загибаются. Поверх всей конструкции наматывается киперная лента.
  • Если надрезы были сделаны на самых полосах, тогда должен присутствовать небольшой запас, чтобы добиться большей высоты торца. Все кольца должны быть прикреплены строго по ширине, накладываются они поверх загибов.
  • В редких случаях кольца могут быть изготовлены из специальной электротехнической фанеры, толстого текстолита. Уязвимую внутреннюю и внешнюю грань защищают картонными полосами с небольшими загибами по краям. Между первыми витками обмотки и сердечником должен присутствовать небольшой воздушный зазор. Такой подход особенно важен в тех случаях, когда края под проволокой протрутся. Так уязвимая токонесущая часть никогда не коснётся тороидального сердечника. На верхний слой обязательно наматывается киперная лента. В некоторых случаях мастера предпочитают сглаживать внешнее ребро колец, за счёт чего намотка углов идёт плавно.

Если трансформатор обладает повышенной мощностью, тогда медный провод должен быть прямоугольного сечения. Такой подход позволяет сэкономить свободное пространство. Жила обязательно должна быть толстой, чтобы она не плавилась во время того, как по ней проходит большое напряжение.

Тонкости расчётных манипуляций

Чаще всего первичная обмотка питается от обычной сети переменного напряжения в 220 В. Если мастеру нужно две вторичные обмотки, чтобы каждая выдавала минимум по 12 В, то площадь сечения должна составлять минимум 0,23 кв. мм. Но этих данных мало, чтобы правильно рассчитать тороидальный трансформатор.

Читайте также  Как рассчитать мощность насоса для отопления

Мастеру нужно разделить 220 В на определённую сумму напряжений вторичной цепи. Так можно получить коэффициент 3,9, который будет обозначать, что сечение провода для вторичной обмотки должно быть аналогичным с этим показателем. А вот для того, чтобы определить количество витков, нужно прибегнуть к достаточно простой формуле: напряжение 220 В умножить на коэффициент 40, а полученную цифру следует разделить на площадь поперечного сечения магнитопровода.

Отдельно стоит учесть, что от правильности проведённых расчётов зависит уровень КПД тороидального трансформатора и его эксплуатационный срок. Именно поэтому лучше несколько раз всё перепроверить, дабы не допустить самых распространённых ошибок.

Рекомендации специалистов

Когда мастер тщательным образом изучил способ изготовления трансформатора своими руками, он может смело приступать к практической части. Так как намотка витков считается очень сложным процессом, понадобится запастись терпением, чтобы итоговый результат оправдал все ожидания. Ведь именно от того, насколько качественно выполнен этот этап, зависят эксплуатационные характеристики устройства.

Для упрощения этой задачи можно использовать специальный станок, предназначенный для намотки тороидальных трансформаторов. Цена такого агрегата считается доступной, а при желании его можно изготовить и своими руками.

Источник: https://220v.guru/elementy-elektriki/transformatory/sposob-rasschitat-toroidalnyy-transformator-po-secheniyu.html

Расчет тороидального трансформатора

По сравнению с обычными конструкциями тороидальные трансформаторы имеют ряд существенных преимуществ. При незначительных размерах и массе, они обладают значительно большим коэффициентом полезного действия.

Поэтому данные устройства нашли широкое применение в сварочных аппаратах и стабилизаторах напряжения. Большое значение имеет правильный расчет тороидального трансформатора, применительно к конкретным условиям эксплуатации.

Существуют различные способы расчетов, позволяющие получить результаты с разной степенью точности. Чаще всего для расчетов используются таблицы.

Определение основных параметров

Перед началом расчетов необходимо определиться с основными параметрами трансформатора. В первую очередь это касается типа проводов и количества витков, от которых зависит общая длина проводника. Далее нужно сделать правильный выбор сечения, влияющего на показатели выходного тока и мощность устройства.

Следует учитывать и тот фактор, что при небольшом количестве витков, первичная обмотка будет нагреваться. Точно такая же ситуация возникает, когда мощность потребителей, включаемых во вторичную обмотку, превышает мощность, отдаваемую трансформатором. В результате перегрева снижается надежность устройства, иногда может произойти воспламенение трансформатора.

В качестве примера приводится таблица, с помощью которой можно рассчитать тороидальный трансформатор, работающий при частоте сети 50 Гц.

Сердечники устройств могут быть изготовлены из холоднокатаной стали марок Э310-330, толщиной от 0,35 до 0,5 мм. Может применяться и обычная сталь, марок Э340-360, где толщина ленты будет в пределах от 0,05 до 0,1 мм.

Условные обозначения в таблице соответствуют:

  • – габаритная мощность трансформатора;
  • ω1 – количество витков на 1 вольт для стали Э310, Э320, Э330;
  • ω2 – количество витков на 1 вольт для стали Э340, Э350, Э360;
  • S – сечение сердечника;
  • – значение допустимой плотности тока в обмотках;
  • ŋ – КПД трансформатора.

При наматывании тороидальной катушки используется только наружная и межобмоточная изоляция. Несмотря на ровную укладку обмоточных проводов, толщина намотки по внутреннему диаметру обязательно увеличивается вследствие разницы между наружным и внутренним диаметром сердечника.

Поэтому рекомендуется использовать проводники, изоляция которых обладает повышенной механической и электрической прочностью, например, марки ПЭЛШО и ПЭШО, а в некоторых случаях – ПЭВ-2.

Для наружной и межобмоточной изоляции чаще всего применяется батистовая лента, лакоткань ЛШСС, толщиной 0,06-0,12 мм, а также триацетатная или фторопластовая пленка, толщиной 0,01-0,02 мм.

Формулы для расчета тороидального трансформатора

Основными параметрами для расчета тороидального трансформатора служат напряжение сети питания (Uc), равное 220 В, значение выходного напряжения (Uн) – 24 В, токовая нагрузка (Iн) – 1,8 А. Для определения мощности вторичной обмотки существует формула: Р = Uн х Iн = 24 х 1,8 = 43,2 Вт.

Далее определяется габаритная мощность трансформаторного устройства по формуле:

Величина коэффициента полезного действия и прочие данные, необходимые для расчетов, выбираются из таблицы, в соответствующей графе и ряде под конкретную габаритную мощность.

Следующим этапом будет расчет площади сечения сердечника по формуле:

Выбор размеров сердечника осуществляется следующим образом:

Ближайшим типом сердечника со стандартными параметрами будет ОЛ50/80-40, с площадью сечения S = 60 мм2, которая должна быть не менее расчетной. Внутренний диаметр сердечника определяется в соответствии с условием, что dc имеет значение большее или равное dc’:

Если в качестве примера взять сердечник, изготовленный из стали Э320, то в этом случае количество витков на один вольт будет определяться по формуле:

Теперь необходимо определить количество витков в первичной и вторичной обмотках:

Поскольку в любом тороиде рассеивание магнитного потока совсем незначительное, падение напряжения в обмотках возможно определить только по их активному сопротивлению.

В результате, значение относительной величины падения напряжения в обмотках тороидального трансформатора будет намного меньше, чем в обычных трансформаторах.

В связи с этим, потери на сопротивлении вторичной обмотки компенсируются увеличением количества витков примерно на 3%. Расчет будет выглядеть следующим образом: W1-2=133 х 1,03=137 витков.

Диаметры обмоточных проводов можно определить по формуле:

Здесь I1 является током первичной обмотки, определяемый по собственной формуле: I1=1,1 (P2/Uc)=1,1 (48/220)=0,24A

Диаметр провода выбирается по ближайшему значению в сторону увеличения, что будет составлять 0,31 мм. 

Трансформаторы, изготовленные по расчетам с помощью таблицы, прошли успешные испытания при постоянной максимальной нагрузке, воздействующей на протяжении нескольких часов. Таким образом, расчет тороидального трансформатора позволяет получить точные результаты, подтвержденные на практике. С помощью этой методики можно определить необходимые параметры для любого устройства.

Источник: https://electric-220.ru/news/raschet_toroidalnogo_transformatora/2016-10-11-1084

Как осуществить расчет сварочного трансформатора по параметрам сердечника

Всевозможных схем сварочных агрегатов от простейших и до инверторов существует превеликое множество. Для создания самодельного сварочного аппарата лучше выбрать простую и высоконадежную схему, которая не содержит сложной и дорогой электроники. Но в любом случае, кроме схемы, потребуется предварительный расчет сварочного трансформатора. Только после этого можно приступать к его практическому изготовлению.

Схема сварочного трансформатора.

Специфика расчета таких трансформаторов заключается в том, что параметры их компонентов в большинстве случаев подбираются в соответствии с уже имеющимися деталями — чаще всего с данными магнитопровода. Поэтому стандартные методы расчета, которые разработаны для промышленного трансформатора, для самодельного сварочника не всегда применимы. Особенно ярко это проявляется при выходе того или иного параметра за стандартные границы.

Выбор максимального значения сварочного тока

Таблица 1. Характеристики сварочных трансформаторов.

Прежде всего, следует определиться, на какое максимальное значение сварочного тока будет рассчитываться трансформатор. Взаимосвязь между толщиной свариваемых металлов, диаметром электродов и сварочным током показана в таблице 1. Учитывая, что используя однофазный трансформатор, получить ток более 200 А практически нереально, домашнему мастеру приходится ограничиваться электродами диаметром не более 4 мм. Чаще всего 3 мм.

Следует установить наиболее подходящий верхний предел сварочного тока и наматывать обмотки под соответствующую ему мощность. При этом следует ясно понимать, что с ее ростом возрастают вес сердечника, сечение и стоимость провода. Кроме того, более мощный трансформатор сильнее греется и быстрее изнашивается. Да и не каждая сеть выдержит такую нагрузку. Золотая середина — аппарат с выходным током 110-120 А.

Прочие рабочие характеристики

Трёхфазный стержневой трансформатор.

Максимальная величина выходного тока — главная характеристика любого сварочника, но наряду с нею следует определиться и с другими важными параметрами:

  1. Диапазон регулирования величины выходного тока. В самодельных аппаратах обычно создается ряд ступеней — от 50 А до верхнего предела.
  2. Напряжение холостого хода. Чем оно выше, тем легче зажечь дугу. Из соображений безопасности не должно превышать 80 В.
  3. Номинальное выходное напряжение, которое необходимо для устойчивого горения дуги. Для сварки тонких металлов это напряжение должно быть более низким и наоборот.
  4. Мощность — потребляемая и выходная. Чем меньше их разность, тем выше КПД изготовленного трансформатора, тем он лучше.
  5. Номинальный рабочий режим характеризует продолжительность непрерывной работы. Для сварочного трансформатора собственного изготовления он не превышает 20-30%. Номинальный режим 20% означает, что из 10 минут рабочего времени можно варить 2 минуты, а остальные 8 трансформатор должен охлаждаться на холостом ходу.

Устройство сердечника трансформатора

В зависимости от формы магнитопровода различают следующие разновидности трансформаторов:

  • стержневые;
  • броневые;
  • тороидальные.

Основные понятия и классификация трансформаторов.

На стержневом трансформаторе обмотки окружают стержни сердечника. На броневом, напротив, магнитопровод частично обхватывает обмотки. В тороидальном обмотки распределяются по магнитопроводу равномерно.

Броневые и стержневые сердечники изготовляются из отдельных тонких, изолированных друг от друга пластин. Материал — трансформаторная сталь. Тороидальные наматываются в виде рулона из ленты, изготовленной из той же трансформаторной стали.

Важнейшей характеристикой любого сердечника является площадь его поперечного сечения. Именно от нее в очень большой степени зависит мощность трансформатора. У стержневого магнитопровода под площадью его поперечного сечения понимают площадь любого из стержней, а у тороидального — тора. У броневого — это площадь сечения его среднего стержня.

КПД трансформаторов стержневого типа выше, чем броневых. Кроме того, у них лучше условия охлаждения обмоток и, следовательно, допустимые плотности тока в обмотках. Поэтому сварочные трансформаторы, как правило, бывают стержневыми. Но все чаще для его изготовления стараются применить тороидальный сердечник. Дело в том, что масса и габариты такого сварочника почти в полтора раза меньше, чем стержневого при прочих равных параметрах. Но здесь возникают трудности с его намоткой.

Расчет сварочного трансформатора

Схема намотки сварочного трансформатора.

Поскольку при самостоятельном изготовлении сварочника приходится довольствоваться имеющимися в распоряжении магнитопроводами, производить строгий расчет не имеет смысла. Чаще всего достоверно неизвестны магнитные свойства и другие характеристики трансформаторной стали. Одной магнитной проницаемости, которую нетрудно определить экспериментально, для точного расчета недостаточно. Поэтому рациональнее ограничиться приблизительным расчетом.

Сначала производится оценка потребной электрической мощности. Основное мерило здесь — максимальная величина сварочного тока, которая, в свою очередь, определяется наибольшим диаметром электрода (см. таблицу 1). Электрическая мощность сварочника:

Р = Uд * Iм,

где Uд — напряжение горения дуги (обычно берется значение 25 В), Iм — максимальный сварочный ток. Например, для трансформатора, рассчитанного на ток до 150 А, электрическая мощность должна составлять:

Читайте также  Подбор мощности котла отопления по площади

Р = 25 В * 150 А = 3750 Вт.

Габаритная мощность трансформатора, зависящая от параметров магнитопровода, должна быть обязательно больше электрической. Именно габаритную мощность способен «потянуть» сердечник. При расчетах в качестве исходной чаще всего используется следующая формула, связывающая габаритную мощность с размерами сердечника:

Sо* Sс = 100 * Рг /(2,22 * Вс * j * f * kо* kc) (см4),

Схема трансформатора с первичной и вторичной обмоткой.

где Sо — площадь окна сердечника, Sс — площадь его поперечного сечения, Рг — габаритная мощность, Вс — магнитная индукция поля в сердечнике, j — плотность тока в проводах обмоток, f — частота переменного тока, kо— коэффициент заполнения окна, kc— коэффициент заполнения сердечника.

Sо и Sс находят прямыми измерениями габаритов сердечника. Например, для стержневого магнитопровода (см. рис. 2) Sо= h * l, Sс= а * b. С достаточной для практического расчета точностью можно считать, что:

  • Вс = 1,42 Тл;
  • kо= 0,33 для провода круглого и 0,4 — прямоугольного сечения;
  • kc = 0,95;
  • частота переменного тока в сети — 50 Гц;
  • для самодельного трансформатора с номинальным рабочим режимом 20%, допустимая плотность тока в медных обмотках — 8 А/мм2,в алюминиевых — 5 А/мм2,в комбинированных медно-алюминиевых — 6,5 А/мм2.

Если подставить в формулу все эти значения, получается формула, связывающая между собой Sо, Sс и Рг:

Рг = k * Sо* Sс,

где k — коэффициент, значение которого зависит от формы сердечника и материала обмоток. Выглядит она следующим образом:

  • если обе обмотки медные — для тороидального трансформатора k = 2,76, для стержневого — 2,47;
  • если медно-алюминиевые — для тороидального k = 2,24, для стержневого — 2;
  • если обе алюминиевые — для тороидального k = 1,72, для стержневого — 1,54.

Пользуясь последней формулой, можно легко оценить «потянет» ли имеющийся сердечник заданные параметры. Если да, остается рассчитать число витков в каждой из обмоток. Для первичной адаптированная формула выглядит следующим образом:

N1 = 40 * U1 / Sс,

где U1 — напряжение на ней (В).

Тороидальный трансформатор.

Для вторичной катушки с учетом КПД трансформатора формула приобретет следующий вид:

N2 = 42 * U2 / Sс,

где U2 — напряжение вторичной обмотки (В). Число витков во вторичной обмотке можно найти и экспериментально — намотать поверх первичной обмотки несколько (лучше 10) витков, измерить на них напряжение, а затем пересчитать — сколько витков нужно для обеспечения необходимого выходного напряжения.

Площадь поперечного сечения провода в обмотках можно рассчитать по формуле:

S = I / j,

где I — значение силы тока в обмотке, j — допустимая плотность тока в ней.

Пример расчета сварочного трансформатора

В качестве примера рассмотрим расчет и изготовление сварочника, изготовленного из статора асинхронного трехфазного электродвигателя. Удалив провода обмоток из пазов статора и вынув его из корпуса электродвигателя, получаем неплохой тороидальный сердечник — основу будущего сварочного трансформатора.

Выступы пазов иногда срубают острым зубилом, что позволяет уменьшить вес сердечника. Но на электрические параметры трансформатора они практически не влияют, поэтому в большинстве случаев их не трогают. Вид на сердечник с торца показан на рис. 3а, сбоку — на 3б, намотанный трансформатор — на 3в.

Схема расчета сварочного трансформатора.

Зададимся целью изготовить трансформатор, рассчитанный на максимальный сварочный ток 150 А и напряжение 60 В. Его электрическая мощность равна:

Р = 150 А * 60 В = 9000 Вт.

Произведем оценку габаритной мощности магнитопровода. Диаметр окна равен 12 см (см. рис. 3а), а его площадь:

Sо= π * d2/ 4 = 3,14 * 144 / 4 (см2) ≈ 113 см2.

Площадь поперечного сечения сердечника:

Sс=h * Н = 1,74 см * 20 см ≈ 35 см2

Габаритная мощность сердечника:

Рг = 2,76 * 113 * 35 (Вт) ≈ 10916 Вт.

Поскольку Рг > Р — магнитопровод подходит для изготовления трансформатора с требуемыми параметрами.

Переходим к расчету обмоток. Начинаем с числа витков. Для первичной обмотки оно равно:

N1 = 40 * 220 / 35 = 251 виток.

Количество витков для вторичной обмотки:

N2 = 42 * 60 / 35 = 72 витка.

Максимальный ток во вторичной обмотке 150 А. Тогда площадь поперечного сечения проводника, которым она наматывается, должна быть равна:

S2 = 150 А /(8 А/мм2) ≈ 19 мм2.

Из определения коэффициента трансформации ток в первичной обмотке:

I1= I2 * N2 / N1 = 150 А * 72 / 251 (А) ≈ 43 А.

Площадь поперечного сечения провода, которым она намотана:

S1 = 43 А /(8 А/мм2) ≈ 5,4 мм2.

Таким образом, можно утверждать, что предлагаемая методика расчета сварочного трансформатора, позволяет осуществить его практически для любого сердечника, оказавшегося в распоряжении домашнего мастера.

Источник: https://moyasvarka.ru/instrumenty/raschet-svarochnogo-transformatora.html

Расчет сварочного трансформатора на тороидальном сердечнике

Трансформатор является главным узлом сварочного аппарата независимо от его конструкции. При самостоятельном изготовлении этого элемента возникает много вопросов: Как  выбрать  форму магнитопровода? Какой требуется намоточный провод? Как сделать расчет необходимого  количества витков?

Тороидальный трансформатор имеет ряд преимуществ перед трансформаторами другого типа:

  • Равномерное распределение обмоток;
  • Снижение массы на 20…30 % при сохранении мощности;
  • Сниженные токи Х.Х. в 10…20  раз;
  • Высокий К.П.Д;
  • Уменьшение полей рассеяния;
  • Низкий уровень шума.

Если приложить определенные усилия для создания тороидального  трансформатора своими руками, то можно получить свой уникальный набор характеристик устройства, которое удовлетворит все потребности при работе со сваркой. И даже более того – можно учесть текущие реалии нашей действительности такие как, например пониженное напряжение в сети вашего дома.

Используя формулы и методы, приведенные в нашей статье, вы получите практическое пособие по расчету сварочного трансформатора на тороидальном сердечнике.

Методика расчета — пошаговая инструкция

Сам же расчет тороидального трансформатора разделяется на две части:

  1. Непосредственно рассчитать мощность тороидального сердечника, чтобы ее определить вы можете получить, при наличии у вас конкретного сердечника, или заданной мощности, то определить размеры будущего трансформатора.
  2. Расчет собственно электрической части, которая включает в себя количество витков в обмотках, а также какое сечение будет применяться в обмотках и материал провода.

Расчет сердечника

Его мы произведем по формуле, которая уже включает в себя константы, для упрощения понимания его результатов. Дальше останется подставить в ниже приведенную формулу только переменные значения, а именно:

Рекомендуем!   Как сделать газовую горелку самостоятельно

«P=1,9*Sc*So», где:

  • P — это мощность, которую возможно получить, применяя сердечник с таким габаритными размерами
  • 1,9 — результат математических действий над всеми константами для данного вида трансформаторов
  • Sc- площадь сердечника, единица измерения сантиметры квадратные
  • So – площадь отверстия в теле сердечника, в «кв. см.»

Формулы расчета площади сечения тороидального сердечника

Если сделанный трансформатор будет иметь основное назначение – сварка, то размеры его сердечника должны быть адекватными, иначе полученной мощности устройства будет не достаточно для выполнения своих функций. Для примера возьмем следующие значения и применив калькулятор вычислим.
«P=1,9*70*70=9310 Ватт»

Определим количество витков первичной обмотки

В первую очередь рассмотрим расчет с единой первичной обмоткой, без регулировки. Для этого сначала выясним, сколько витков обмотки должен иметь тороидальный трансформатор для получения 1 вольта напряжения. Применим следующую формулу.
К=35/ Sc, где:

  • K — количество витков на 1 вольт напряжения.
  • 35 – это константа, которая одинакова для всех типов тороидальных сердечников.
  • Sc- площадь сердечника, единица измерения сантиметры квадратные.

Таким образом, если у нас имеется сердечник площадью 70 «кв. см.», то подставив значения в формулу, получим следующую ситуацию.
«K=35/70=0,5» витка на каждый вольт, и соответственно объём первичной обмотки узнаем, применив соответствующую формулу.
«W1=U1*K», где:

  • W1- количество витков в первой обмотке.
  • U1 – необходимое напряжение в этой точке.
  • K — количество витков на 1 вольт напряжения.

«W1=220*0,5=110» – витков.С учетом того, что мы проводим вычисления для сварочного трансформатора, то примем за рабочее напряжение вторичной равное 35 вольт, тогда исходя из аналогичной формулы, получим.

«W2=35*0,5=17,5» – витков.

Расчет сечения применяемых проводов

Чтобы рассчитать необходимые сечения нужно понять какой ток будет через них протекать, это единственный параметр который влияет на толщину используемого материала, итак, вычисление величины тока в обмотках трансформатора:
«I пер.=9310 Ватт/220 Вольт=42.3 Ампера»С вторичной обмоткой несколько сложнее, все должно опираться на напряжение дуги и ток сварки.

«I свар.=(29 Вольт-14)/0.05=300 Ампер», где 29 вольт среднее значение дуги сварки. Теперь проверяем, возможна ли такая мощность у нашего устройства 300 Ампер*29 Вольт=8700 Ватт.

Это значение вполне укладывается в мощность, которой обладает тороидальный трансформатор, рассчитываемый нами, поэтому 300 Ампер, считаем током вторичной обмотки. Проведя эти нехитрые вычисления, для которых даже не всегда нужен калькулятор, можно перейти к определению сечения проводов и их материала.

Из руководящих документов таких как, например «ПУЭ», известно, что для продолжительной работы требуется 1 квадратный миллиметр сечения меди на каждые 5 ампер тока, а при использовании алюминия 2 ампера.
Исходя из этих данных, вычисляем сечение проводов в устройстве для меди:

  1. Первичная обмотка=42,3/5=8,46 кв. мм, ближайший стандарт сечения это 10.
  2. Вторичная обмотка=300/5=60 кв. мм, выбираем следующее по стандарту сечение в сторону увеличения это 70.

Применяем условие продолжительности нагрузки 40 процентов, так как никто не работает все время под нагрузкой. В этом случае сечение можно уменьшить в два раза, тогда получаем:

  1. 8,46/2=4,23 ближайший стандарт сечения -6 кв. мм.
  2. 60/2=30 следующий стандарт 35 кв. мм.

Как упростить задачу по намотке витков на сердечник

Зная как создать трансформатор во всех подробностях и всеми данными, остается перейти к практической работе, но намотка витков представляет собой достаточно трудоемкий процесс, требующий особой концентрации внимания. Правильность намотки также имеет значение и напрямую влияет на характеристики устройства, которое в итоге получится.

Но для таких случаев в помощь людям существует специальное устройство, станок для намотки тороидальных трансформаторов, цена такого приспособления не высока, но купить его не просто, поэтому на рынке часто встречаются самодельные устройства, и если почитать соответствующую литературу, то можно попробовать сделать этот станок самому.

Источник: https://svarkagid.ru/sdelaj-sam/oborudovanie/kak-rasschitat-toroidalnyj-transformator.html

Понравилась статья? Поделить с друзьями:
Добавить комментарий