Расчет трансформатора на стержневом сердечнике в онлайн

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

Необходимые сведения

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

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

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

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

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.

Расчет броневого трансформатора

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

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

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

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

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

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

Как подобрать трансформатор

При выборе трансформатора необходимо учитывать требования, которые предъявляются к устройству, прежде всего, мощность и конструкцию. Кроме того, определиться следует в количестве трансформаторов. При необходимости двух штук, следует учитывать, чтобы они были с одинаковой мощностью.

Подбирая трансформатор, следует учитывать внешние технические характеристики, а также другие нюансы и особенности:

• Уровень напряжения – показатели входного и выходного напряжения;
• Конструктивное исполнение;
• Номинальное напряжение;

Правильный выбор трансформаторного устройства может осуществить только специалист.

Программы для расчета

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

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

Последние 4 величины являются табличными, поэтому потребуется воспользоваться справочником.

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

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.

Подбор понижающего трансформатора по мощностным характеристикам

Если вторичная обмотка одна, тогда рассчитать требуемую выходную мощность трансформатора Рвых легко по следующей формуле:

Рвых=Uнагр• Iнагр,

где Uнагр – падение напряжения на нагрузке, а Iнагр – ток нагрузки.

Далее выбираем трансформатор, у которого расчетное значение Рвых меньше, чем габаритная мощность. Под габаритной мощностью трансформатора понимается максимальная выходная мощность, которую можно получить от трансформатора с определенными габаритами: в конечный физический объем нельзя поместить бесконечное количество проводов. Например, трансформатор с габаритами 10×10×10 мм не может быть мощностью 10 кВт.

Если вторичных обмоток в понижающем трансформаторе несколько, тогда возникает необходимость распределения габаритной мощности между обмотками, для этого надо чётко понимать, будут ли вторичные обмотки нагружены одновременно или нет. В случае, когда вторичные обмотки нагружены одновременно, то выбирать понижающий трансформатор необходимо исходя из условия, что его габаритная мощность должна превышать суммарную мощность всех нагрузок, в противном случае трансформатор будет работать с перегрузкой.

Часто бывает так, что у Вас на складе уже есть похожие понижающие трансформаторы. Как ими воспользоваться, чтобы не покупать новые?

Вторичные обмотки можно соединить параллельно. Что это дает? Возможность пропускать с тем же напряжением больший ток. Но будьте осторожны: параметры вторичных обмоток должны совпадать, иначе одна из них (та, которая рассчитана на большее напряжение) станет сильно перегруженной, а вторичные обмотки с меньшим напряжением — недогруженными или вообще не будут работать.

Выходная мощность в данном случае считается следующим образом:

Рвых=Uвых•(Iнагр1+ Iнагр2+…+ IнагрN),

где Iнагр1, Iнагр2, и т.д.- это ток нагрузки каждой из вторичных обмоток. Если Вы всё сделаете правильно, они будут одинаковыми.

Вторичные обмотки можно соединить последовательно. Для чего это может понадобиться? Рассмотрим пример: у Вас есть понижающий трансформатор с двумя вторичными обмотками на 12 В, а Вам нужен трансформатор с одной вторичной обмоткой с напряжением 24 В. Вот в этом случае, если Вы соедините две вторичные обмотки по 12 В последовательно, то получите одну вторичную с напряжением 24 В. Мощность при последовательном подсоединении вторичных обмоток можно посчитать как:

Рвых=(Uвых1+Uвых2+…+UвыхN)•Iнагр,

где Uвых1, Uвых2 и т.д. – это напряжения каждой из вторичных обмоток.

Выходную мощность трансформатора необходимо брать с запасом, если есть дополнительные требования по ограничению тока холостого хода, напряжения холостого хода и по перегреву.

После этого выбираем типоразмер понижающего трансформатора в пределах габаритной мощности. Необходимо также учитывать, что фактическая габаритная мощность трансформатора будет ниже заявленной изготовителем, если вторичных обмоток несколько.

Разновидности трансформаторов тока

Выбирать прибор, подходящий под напряжение сети или конкретные работы, необходимо на основании классификации по разным признакам.

Назначение

Существуют такие трансформаторы:

• измерительные – замеряют параметры цепи;
• защитные – предотвращают перегрузки, выход оборудования из строя;
• промежуточные – подключаются в цепь с релейной защитой, выравнивают токи в схемах дифзащиты;
• лабораторные – отличаются высокой точностью.

У лабораторных моделей больше коэффициентов преобразования.

Тип монтажа

Для частного дома и квартиры можно подобрать аппарат, монтируемый внутри или снаружи помещения. Некоторые модификации встраиваются в оборудование, а также надеваются на проходную изоляцию. Для измерения и лабораторных тестов используются переносные модели.

Конструкция первичной обмотки

Существуют шинные, одновитковые (со стержнем) и многовитковые (с катушкой, обмоткой петлевого типа и «восьмеркой») устройства.

Тип изоляции

Бывают следующие преобразователи:

• сухая изоляция – на основе литой эпоксидки, фарфора или бакелита;
• бумажно-масляная – стандартная или конденсаторная;
• газонаполненные – внутри находится неорганический элегаз с высоким пробивным напряжением;
• компаундные – внутри находится заливка из термоактивной и термопластичной смолой.

Компаунд имеет самые высокие показатели влагостойкости.

В зависимости от количества ступеней трансформации можно подобрать одноступенчатые и каскадные модели. Вся линейка имеет рабочее напряжение более 1000 В.

Понижающий трансформатор – что мы имеем ввиду

В данной статье речь пойдет о трансформаторах, используемых в силовых цепях радиоэлектронной аппаратуры. Такие трансформаторы называются силовыми и применяются в трансформаторных блоках питания радиоэлектронной аппаратуры для получения питающего напряжения необходимых значений.

Силовые трансформаторы преобразуют переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Первичная обмотка этих трансформаторов обычно рассчитана на сетевое напряжение ~ 220 или ~ 380 В, 50 Гц. Как правило, силовые трансформаторы являются понижающими с напряжением на вторичной обмотке 3; 6; 9; 12; 15; 18 В и т.д.

Понижающие трансформаторы, используемые в радиоэлектронной аппаратуре, обычно выпускаются сухого исполнения, и могут при необходимости охлаждаться вентилятором, работая в составе блока питания.

Класс точности

Класс точности токового трансформатора прописан в ГОСТ 7746-2001 и зависит от его назначения, а также параметров первичного тока и вторичной нагрузки:

• В условиях малого сопротивления происходит почти полное шунтирование намагниченной ветви. Прибор работает с большой погрешностью.
• При повышении сопротивления также увеличивается погрешность. Причина – функционирование устройства на участке насыщения.
• При минимальном номинале первичного тока трансформатор работает в нижней части намагниченной кривой, при максимальном – на участке насыщения.

Точный подбор трансформатора по классу точности можно произвести на основе таблицы.

Для устройств защиты класс точности также определяется по таблице.

Для энергоучета применяются модели с классом точности 0,2S — 0,5, для амперметров с минимальной чувствительностью – с 1-м или 3-м, для релейной защиты – 5P и 10Р.

Надежность измерительных трансформаторов напряжения в сети с изолированной нейтралью

Простой измерительный аппарат предназначен для понижения номиналов напряжения, которое подается на измерители и защитные реле, подключенные к сети 6-10 кВ. Трансформатор исправно работает только в условиях заземления нейтрали.

При феррорезонансных реакциях (обрыв фазы ЛЭП, прикосновение ветвями, стекание капель росы по проводам, некорректная коммутация) существуют риски поломок трансформаторов напряжения. Частота сбоев составляет 17 и 25 Гц. В этих условиях через первичную обмотку протекает сверхток и она перегорает.

Если используется схема «Звезда-Звезда», в условиях повышения напряжения повышается индукция магнитопровода. Прибор перегорает. Предотвратить этот процесс можно при помощи:

• уменьшения показателей рабочей индукции;
• подключения в сети устройств, демпфирующих сопротивление;
• создания трехфазного устройства с общей магнитной пятистержневой системой;
• эксплуатации аппаратов, подключенный в сеть при размыкании треугольника;
• заземления нейтрали посредством реактора-токоограничителя.

Простейший вариант – использовать специальные обмотки или релейные схемы.

Выбор конструктивного исполнения

По конструктивному исполнению трансформаторы подразделяются на:

• масляные. К достоинствам относятся хорошие изоляционные свойства и параметры трансформаторного масла, невысокая стоимость. К недостаткам можно отнести высокую вероятность возгорания в случае внутреннего повреждения изоляции или неправильного срабатывания системы защиты. Масляные виды устройств устанавливают в качестве наружной установки или в специальных местах подстанций, располагающихся вне зданий.
• Сухие – безмасляные, с использованием различных изоляционных материалов – синтетическая смола, кварцевый порошковый заполнитель и другие. Располагают внутри здания, ближе к центру электрических нагрузок.

Возможные ошибки при выборе

Многие трансформаторные устройства просты по конструкции, надежны и удобны в эксплуатации. Однако, подобное устройство не допускает полноценную работу и эксплуатацию в случае отклонений таких параметров, как напряжение, сила тока, мощность. В случае возникновения отклонения параметров за пределы допустимых значений, агрегат необходимо выводить из работы.

На повреждение трансформаторных устройств влияют следующие факторы:

• несоблюдение правил эксплуатации;
• неконтролируемый режим работы, что может спровоцировать перегрев или перегрузку трансформатора;
• старение изоляции обмоток;
• некачественно выполненная сборка при монтаже или ремонте;
• заводской дефект.

Даже дорогой трансформатор не будет вечным. Однако регулярно выполняемая диагностика и своевременно проводимый ремонт помогут увеличить срок эксплуатации устройства.