Расчет обмоток трансформатора. Использование онлайн калькулятора для расчета трансформатора. Основные формулы и порядок их применения
Определение мощности силового трансформатора
Как узнать мощность трансформатора?
Для изготовления трансформаторных блоков питания необходим силовой однофазный трансформатор, который понижает переменное напряжение электросети 220 вольт до необходимых 12-30 вольт, которое затем выпрямляется диодным мостом и фильтруется электролитическим конденсатором . Эти преобразования электрического тока необходимы, поскольку любая электронная аппаратура собрана на транзисторах и микросхемах, которым обычно требуется напряжение не более 5-12 вольт.
Ядро трансформатора и конструкция трансформаторного сердечника
Влияние диаметра трансформаторного сердечника
Поэтому на оборот увеличивается с увеличением диаметра сердечника трансформатора. Таким образом, диаметр сердечника увеличивается, число витков в обмотке трансформатора уменьшается. Уменьшение числа оборотов, уменьшение высоты ножек ядра, несмотря на уменьшение высоты ножек сердечника, увеличилось в диаметре сердечника, приводит к увеличению общего диаметра магнитного сердечника трансформатора.Этот повышенный вес стали в конечном итоге приводит к увеличению содержания ядра. Увеличенный диаметр сердечника приводит к увеличению основного диаметра на обмотке. Несмотря на увеличенный диаметр оборотов обмотки, уменьшенное количество витков в обмотках приводит к меньшему уменьшению потерь меди в трансформаторе. Таким образом, мы продолжаем увеличивать диаметр сердечника трансформатора, потери в сердечнике трансформатора будут увеличиваться, но в то же время уменьшается потеря нагрузки или потеря меша в трансформаторе.
Чтобы самостоятельно собрать блок питания , начинающему радиолюбителю требуется найти или приобрести подходящий трансформатор для будущего блока питания. В исключительных случаях можно изготовить силовой трансформатор самостоятельно. Такие рекомендации можно встретить на страницах старых книг по радиоэлектронике.
Оптимальная конструкция поперечного сечения трансформаторного сердечника
С другой стороны, если диаметр сердечника уменьшается, вес стали в сердечнике уменьшается; что приводит к снижению потери сердечника трансформатора, но в то же время это приводит к увеличению числа витков в обмотке, что означает увеличение массы меди, что приводит к дополнительным потерям меда в трансформаторе. Таким образом, диаметр сердечника должен быть оптимизирован во время, учитывая оба аспекта. 
Изготовление трансформаторного сердечника
Угловое соединение конечности с хомутами. Магнитный поток потока вдоль направления ориентации зерна, проходящий перпендикулярно направлению ориентации зерна, это также известно как потери поперечного зерна железа. Перекрестная потеря зерна в основном происходит в зонах углового соединения конечностей с хомутами, и ее можно в некоторой степени контролировать, применяя специальные методы углового соединения. Обычно в трансформаторном сердечнике используются два типа соединений, чередующиеся соединения.
Перемещенные суставы в трансформаторном сердечнике
Смешанные суставы в трансформаторном сердечнике
- Повышенная надежность.
- Снижение потерь железа в трансформаторе и намагничивающем токе.
- Снижение материальных затрат и затрат на рабочую силу. снижение уровня шума.
Но в настоящее время проще найти или купить готовый трансформатор и использовать его для изготовления своего блока питания.
Полный расчёт и самостоятельное изготовление трансформатора для начинающего радиолюбителя довольно сложная задача. Но есть иной путь. Можно использовать бывший в употреблении, но исправный трансформатор. Для питания большинства самодельных конструкций хватит и маломощного блока питания, мощностью 7-15 Ватт.
В электронике есть много случаев, когда цепи требуют определенного импеданса нагрузки для оптимальной производительности. Импеданс мощности рассеивания нагрузки может сильно отличаться от импеданса источника цепи. Другими словами, источником является первичная цепь, а нагрузка - вторичная. В случае, когда импеданс источника и нагрузки сильно различается, трансформатор может использоваться для изменения фактической нагрузки в импеданс желаемого значения. Это называется согласованием импеданса.
Факторами, влияющими на согласование импеданса, являются обороты первичной цепи, обороты вторичной цепи, импеданс первичной цепи и импеданс вторичной цепи. Повороты - это количество раз, когда провод обматывается вокруг первичной и вторичной контуров. Коэффициент оборотов, отношение первичного к вторичному виткам, является решающим фактором, влияющим на согласование импеданса. Если коэффициент поворота больше 1, то первичный контур имеет больше оборотов, чем вторичный. Если менее 1, вторичная схема имеет больше оборотов, чем первичная.
Если трансформатор приобретается в магазине, то особых проблем с подбором нужного трансформатора, как правило, не возникает. У нового изделия обозначены все его главные параметры, такие как мощность , входное напряжение , выходное напряжение , а также количество вторичных обмоток, если их больше одной.
Но если в ваши руки попал трансформатор, который уже поработал в каком-либо приборе и вы хотите его вторично использовать для конструирования своего блока питания? Как определить мощность трансформатора хотя бы приблизительно? Мощность трансформатора весьма важный параметр, поскольку от него напрямую будет зависеть надёжность собранного вами блока питания или другого устройства. Как известно, потребляемая электронным прибором мощность зависит от потребляемого им тока и напряжения, которое требуется для его нормальной работы. Ориентировочно эту мощность можно определить, умножив потребляемый прибором ток (I н на напряжение питания прибора (U н ). Думаю, многие знакомы с этой формулой ещё по школе.
Импеданс является вторым фактором, влияющим на согласование импеданса. Импеданс - это количество сопротивления, которое предлагает каждая схема, первичная и вторичная. Это измеряется в единицах Ом. Чтобы использовать этот калькулятор, пользователь просто вводит любые 3 значения для вычисления 4-го значения. 3 поля формы должны быть введены для этого калькулятора для вычисления 4-го неизвестного значения. Любое значение из 4 переменных может быть вычислено, если введены другие 3 значения.
Исходные данные для расчёта трансформатора с броневым магнитопроводом
Для производителя трансформатора достаточно разумно быстрый инструмент расчета, чтобы облегчить оптимизацию потерь в сердечнике за счет точной предопределенности воздействия различных конструктивных параметров на его потери. Предполагая, что нормальная составляющая магнитного поля равна нулю, этот метод существенно сокращает время вычисления по сравнению с имеющимися общепринятыми методами. Применяя гауссову фитинговую кривую, моделируются анизотропное и нелинейное поведение материала магнитного сердечника.
P=U н * I н
Где U н – напряжение в вольтах; I н – ток в амперах; P – мощность в ваттах.
Рассмотрим определение мощности трансформатора на реальном примере. Тренироваться будем на трансформаторе ТП114-163М. Это трансформатор броневого типа, который собран из штампованных Ш-образных и прямых пластин. Стоит отметить, что трансформаторы такого типа не самые лучшие с точки зрения коэффициента полезного действия (КПД ). Но радует то, что такие трансформаторы широко распространены, часто применяются в электронике и их легко найти на прилавках радиомагазинов или же в старой и неисправной радиоаппаратуре. К тому же стоят они дешевле тороидальных (или, по-другому, кольцевых) трансформаторов, которые обладают большим КПД и используются в достаточно мощной радиоаппаратуре.
Дополнительные потери в сердечнике, возникающие в суставах литейных стержней и отверстиях для штабелирования, точно имитируются в этой работе. Предлагаемый метод реализован на 12 различных трансформаторах распределения коммерческого размера, чтобы проверить скорость и точность этого метода расчета.
Ключевые слова: анизотропный, распределительный трансформатор, анализ конечных элементов, суставы, потеря холостого хода. Международная сделка инженеров-электриков и компьютерных инженеров 1: 34. . Распределительные трансформаторы поглощают наибольшую долю в капитальных вложениях в распределительную сеть, в то время как они также являются наиболее важными элементами этого раздела. Эти трансформаторы с энергоэффективностью, часто превышающие 98%, имеют наивысшую эффективность и надежность среди различных сетевых сетевых устройств.
Итак, перед нами трансформатор ТП114-163М. Попробуем ориентировочно определить его мощность. За основу расчётов примем рекомендации из популярной книги В.Г. Борисова «Юный радиолюбитель».
Для определения мощности трансформатора необходимо рассчитать сечение его магнитопровода. Применительно к трансформатору ТП114-163М, магнитопровод – это набор штампованных Ш-образных и прямых пластин выполненных из электротехнической стали. Так вот, для определения сечения необходимо умножить толщину набора пластин (см. фото) на ширину центрального лепестка Ш-образной пластины.
Однако значительная часть потерь сети передачи и распределения - это непрерывные потери трансформаторов, которые существуют даже в состоянии без нагрузки. Анализ 25 европейских стран показывает, что эти потери в распределительных трансформаторах составляют почти одну треть от общих потерь при передаче и распределении. В последние годы из-за более серьезных экологических проблем и быстрого роста энергозатрат требования к эффективным трансформаторам значительно возросли. Таким образом, мировая проблема снижения потерь без нагрузки оправдана.
При вычислениях нужно соблюдать размерность. Толщину набора и ширину центрального лепестка лучше мерить в сантиметрах. Вычисления также нужно производить в сантиметрах. Итак, толщина набора изучаемого трансформатора составила около 2 сантиметров.
Далее замеряем линейкой ширину центрального лепестка. Это уже задача посложнее. Дело в том, что трансформатор ТП114-163М имеет плотный набор и пластмассовый каркас. Поэтому центральный лепесток Ш-образной пластины практически не видно, он закрыт пластиной, и определить его ширину довольно трудно.
Помимо использования лучших материалов для сердечника, улучшенная конструкция сердечника может значительно уменьшить эти потери. Таким образом, для производителя трансформатора неизбежно использовать точный инструмент расчета для определения влияния параметров конструкции на потери в сердечнике. Анизотропия и нелинейность материала магнитного сердечника. Условие граничного напряжения, аналогичное стандартным испытаниям без нагрузки. Потери сердечника в направлениях, отличных от направления прокатки материала сердечника.
Так как распределение магнитного поля в сердечнике трансформатора и окружающем пространстве имеет трехмерный характер, точное моделирование трансформаторного ядра для изучения влияния различных проектных параметров требует трехмерной модели. Решение трехмерных моделей обеспечивает ряд проблем, таких как очень длительное время моделирования и требует большого количества компьютерных ресурсов. Особенно точное трехмерное моделирование сердечника с его расслоениями становится невозможным.
Ширину центрального лепестка можно замерить у боковой, самой первой Ш-образной пластины в зазоре между пластмассовым каркасом. Первая пластина не дополняется прямой пластиной и поэтому виден край центрального лепестка Ш-образной пластины. Ширина его составила около 1,7 сантиметра. Хотя приводимый расчёт и является ориентировочным , но всё же желательно как можно точнее проводить измерения.
Самостоятельный расчет обмотки мощности трансформатора
Этот метод, сохраняя точность на приемлемом уровне, значительно сокращает время вычисления по сравнению с обычными методами. Например, несмотря на высокую точность оценки, каждый отдельный каркас ядра должен быть смоделирован и смоделирован отдельно. В новом методе этой работы оценка потерь ядра не зависит от количества карманов. И, например, новый метод для этого 11-карманного ядра; он увеличивает скорость расчета в 1 раз. Используя граничное условие магнитного потока, гарантируется синусоидальное напряжение возбуждающих катушек.
Перемножаем толщину набора магнитопровода (2 см .) и ширину центрального лепестка пластины (1,7 см .). Получаем сечение магнитопровода – 3,4 см 2 . Далее нам понадобиться следующая формула.
Где S - площадь сечения магнитопровода; P тр - мощность трансформатора; 1,3 - усреднённый коэффициент.
После нехитрых преобразований получаем упрощённую формулу для расчёта мощности трансформатора по сечению его магнитопровода. Вот она.
В этом методе анизотропное и нелинейное поведение магнитного материала как в направлении прокатки, так и в направлении поперечной прокатки моделируется с использованием гауссовой кривой. Уточняющие отверстия и дополнительная локализованная потеря суставов моделируются в этом моделировании для получения более точных результатов. Высокая точность предлагаемого метода проверяется на основе результатов измерений на различных коммерческих распределительных трансформаторах. Блок-схема предлагаемого метода оценки потерь при отсутствии нагрузки показана на рисунке.
Подставим в формулу значение сечения S = 3,4 см 2 , которое мы получили ранее.
В результате расчётов получаем ориентировочное значение мощности трансформатора ~ 7 Ватт. Такого трансформатора вполне достаточно, чтобы собрать блок питания для монофонического усилителя звуковой частоты на 3-5 ватт, например, на базе микросхемы усилителя TDA2003.
Поле пользовательского интерфейса принимает требуемые входные данные от пользователя и подготавливает требуемые входы для других ящиков, такие как математическое соотношение между относительной проницаемостью и плотностью магнитного потока. Калькулятор коэффициента потерь сердечника оценивает модель потерь для материала магнитного сердечника.
Представленная блок-схема калькулятора без нагрузки. Общее уравнение, определяющее проблему, представляет собой магнитостатическое уравнение Максвелла, записанное следующим образом. Общей моделью тензора редуктивности является. Поскольку сердечник трансформатора выполнен из многих высокопроницаемых листов, отделенных друг от друга изоляционным покрытием толщиной менее 10 мкм, магнитное поле можно рассматривать только в листах. Нормальная плотность магнитного потока пренебрежимо мала и обычно меньше 4 мТл.
Вот ещё один из трансформаторов. Маркирован как PDPC24-35. Это один из представителей трансформаторов - «малюток». Трансформатор очень миниатюрный и, естественно, маломощный. Ширина центрального лепестка Ш-образной пластины составляет всего 6 миллиметров (0,6 см.).
Толщина набора пластин всего магнитопровода – 2 сантиметра. По формуле мощность данного мини-трансформатора получается равной около 1 Вт.
Данные для ввода в поле автоматического калькулятора
В этой работе направление плотности магнитного потока принято перпендикулярно поверхности сердцевинных листов во всей структуре сердечника, за исключением суставов, в которых оно считается равным нулю. Это предположение, в значительной степени, уменьшает сложность задачи, и исходная трехмерная проблема может быть заменена некоторым двумерным анализом от моделей, и оценка потерь в сердечнике становится независимой от числа карманов в собранном ядре. При таком предположении уравнение можно переписать следующим образом.
Данный трансформатор имеет две вторичные обмотки, максимально допустимый ток которых достаточно мал, и составляет десятки миллиампер. Такой трансформатор можно использовать только лишь для питания схем с малым потреблением тока.
Возникла необходимость в мощном блоке питания. В моём случае имеются два магнитопровода броневой-ленточный и тороидальный . Броневой тип: ШЛ32х50(72х18). Тороидальный тип: ОЛ70/110-60 .
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ для расчёта трансформатора с броневым магнитопроводом:
- напряжение первичной обмотки, U1 = 220 В;
- напряжение вторичной обмотки, U2 = 36 В;
- ток вторичной обмотки, l2 = 4 А;
- толщина навивки a = 32 мм;
- ширина ленты b = 50 мм;
- ширина окна с = 18 мм;
- высота окна h = 72 мм.
Расчет трансформатора с магнитопроводом типа ШЛ32х50(72х18) показал, что выдать напряжение 36 вольт с силой тока 4 ампера сам сердечник в состоянии, но намотать вторичную обмотку возможно не получится, из-за недостаточной площади окна. Для перестраховки расчитаем трансформатор с магнитопроводом типа ОЛ70/110-60 .
Программный (он-лайн) расчет, позволит налету экспериментировать с параметрами и сократить время на разработку. Также можно рассчитать и по формулам, они приведены ниже. Описание вводимых и расчётных полей программы: поле светло-голубого цвета - исходные данные для расчёта, поле жёлтого цвета - данные выбранные автоматически из таблиц, в случае установки флажка для корректировки этих значений, поле меняет цвет на светло-голубой и позволяет вводить собственные значения, поле зелёного цвета - рассчитанное значение.
Формулы и таблицы для ручного расчет трансформатора:
1. Мощность вторичной обмотки;
2. Габаритная мощность трансформатора;
3. Фактическое сечение стали магнитопровода в месте расположения катушки трансформатора;
4. Расчётное сечение стали магнитопровода в месте расположения катушки трансформатора;
5. Фактическая площадь сечения окна сердечника;
6. Величина номинального тока первичной обмотки;
7. Расчёт сечения провода для каждой из обмоток (для I1 и I2);
8. Расчет диаметра проводов в каждой обмотке без учета толщины изоляции;
9. Расчет числа витков в обмотках трансформатора;
n - номер обмотки,
U’ - падение напряжения в обмотках, выраженное в процентах от номинального значения, см. таблицу.
В тороидальных трансформаторах относительная величина полного падения напряжения в обмотках значительно меньше по сравнению с броневыми трансформаторами.
10. Расчет числа витков приходящихся на один вольт;
11. Формула для расчёта максимальной мощности которую может отдать магнитопровод;
Sст ф - фактическое сечение стали имеющегося магнитопровода в месте расположения катушки;
Sок ф - фактическая площадь окна в имеющемся магнитопроводе;
Вмах- магнитная индукция, см. табл.№5;
J - плотность тока, см. табл.№3;
Кок - коэффициент заполнения окна, см. табл.№6;
Кст - коэффициент заполнения магнитопровода сталью, см. табл.№7;
Величины электромагнитных нагрузок Вмах и J зависят от мощности, снимаемой со вторичной обмотки цепи трансформатора, и берутся для расчетов из таблиц.
Определив величину Sст*Sок, можно выбрать необходимый линейный размер магнитопровода, имеющий соотношение площадей не менее, чем получено в результате расчета.