Dobór transformatora: cel i zasada działania, metody doboru transformatora według mocy

Każdy radioamator staje przed wyborem transformatora do zasilania różnych obwodów i urządzeń, a także do tworzenia zasilaczy. W tym celu możesz skorzystać z gotowych opcji lub obliczyć i wykonać transformator własnymi rękami. Konieczne jest zrozumienie głównego celu, zasady działania, a także nawigowanie i obliczanie niezbędnych parametrów. Do wyboru transformatora stosuje się kilka metod.

Podstawowe pojęcia dotyczące transformatorów

Głównym celem transformatora (T) jest zamiana napięcia przemiennego (U) na wymagane wartości znamionowe. T jest szeroko stosowany jako najprostszy konwerter AC U, chociaż DC można również konwertować, ale ta metoda jest niekorzystna ekonomicznie. T działa tylko ze zmiennej U, a wynika to z zasady jej działania.

Transformator (T) - konwerter wejścia zmiennego U na wymaganą moc lub moc do zasilania odbiorników. Większość odbiorców zasilana jest prądem stałym, który uzyskuje się poprzez konwersję AC U na DC za pomocą mostka diodowego lub innego prostownika. Ten konwerter o zmiennym U jest prymitywny w swojej konstrukcji, jednak ma pewne cechy konstrukcyjne.

T składa się z obwodu magnetycznego i cewek, na których nawinięty jest izolowany drut miedziany. Rdzeń magnetyczny wykonany jest ze specjalnej stali, która ma właściwości ferromagnetyczne i nazywana jest ferromagnesem. Główną różnicą między ferromagnetykami a zwykłą stalą jest obecność atomów o stałym spinie i orbitalnym momencie pędu (CuOM). SiOM zależy od temperatury i pola magnetycznego, dzięki czemu uzwojenia T nie przegrzewają się podczas pracy z powodu braku prądów Foucaulta. Specjalna stal transformatorowa o właściwościach ferromagnetycznych ogranicza powstawanie prądów Foucaulta do minimum, co nie wystarcza do przegrzania uzwojeń.

Najpopularniejszymi materiałami do produkcji obwodu magnetycznego są stal transformatorowa (ETS) i permalloy. ETS różni się od zwykłej stali właściwościami fizykochemicznymi, ponieważ zawiera znaczny ułamek masowy krzemu (Si), który przy przy użyciu specjalnych technologii dostarczonych w fabryce łączy się z węglem pod wpływem wysokiej temperatury i ciśnienia.

Ta technologia produkcji ETS rozpowszechniony, ponieważ jest używany w prawie wszystkich T. Innym rodzajem ferromagnesu do produkcji obwodu magnetycznego jest permalloy, który jest związkiem stopu niklu i żelaza, używanym do wytwarzania T o małej mocy. Na obszar obwodu magnetycznego wpływa moc (P) T.

Uzwojenia to cewki z nawiniętym drutem izolowanym ze specjalną powłoką lakierniczą. Średnica drutu i liczba zwojów zależy od U i prądu (I), co również wpływa na P transformatora. Liczba cewek musi wynosić co najmniej 2, ale dozwolona jest jedna cewka, pod warunkiem, że są na niej nawinięte 2 uzwojenia (z których jedno jest pierwotne).

Zasada działania

Zasada działania T jest dość prosta i polega na znalezieniu przewodnika o liczbie zwojów n w zmiennym polu magnetycznym. Zmienne pole magnetyczne (PMF) to pole, którego wartość i kierunek linii strumienia magnetycznego (Ф) zmienia się zgodnie z prawem zmiany wartości zmiennej I, która generuje je w czasie. Gdy prąd przepływa przez zwoje cewki uzwojenia pierwotnego (KPO), powstaje F, który przenika również cewkę uzwojenia wtórnego (KVO).

Ze względu na zamkniętą strukturę obwodu magnetycznego linie F są zamknięte. Aby zmniejszyć straty energii elektrycznej, cewki umieszcza się jak najbliżej siebie. Optymalne jest użycie jednej cewki z 2 lub więcej uzwojeniami. Jednak ta opcja nie jest dozwolona w starszych spawarkach. W takim przypadku cewki muszą być oddzielone, aby zwiększyć przenoszenie ciepła podczas spawania. Ponadto w podstacjach energetycznych stosuje się T chłodzone olejem, ale ich uzwojenia są konstrukcyjnie umieszczone na różnych cewkach.

W obowiązuje prawo indukcji elektromagnetycznej, przy którym następuje zmiana Ф i indukcja siły elektromotorycznej (EMF) samoindukcji w KPO, a EMF występująca w KVO nazywa się EMF wzajemnej indukcji.

W T są 2 tryby pracy: bezczynny i aktywny (obciążenie). Na biegu jałowym zużycie I wynosi od 3 do 10% wartości nominalnej (Iн). Gdy tryb jest aktywny, w KVO pojawia się I, a w konsekwencji pojawia się siła magnetomotoryczna (MDF). W takim przypadku możliwe jest obliczenie głównego parametru T, który nazywany jest współczynnikiem transformacji k: I1 / I2 = w2 / w1 = 1 / k, gdzie I1, I2 - I odpowiednio KPO i KVO, a w2 i w1 to liczba zwojów KVO i KPO.

Z definicji k wynika inny związek między siłą elektromotoryczną uzwojeń (e1 i e2) a prądami: e1 * I1 = e2 * I2 = 1. Na podstawie tego stosunku można wywnioskować, że moc (P = e * I) pobierana przez KPO jest równa poborowi mocy KVO pod obciążeniem. Moc T jest mierzona w woltoamperach i oznaczana skrótem „VA”.

Połączenie między polem elektromagnetycznym w uzwojeniach jest wprost proporcjonalne do liczby zwojów. Zgodnie z prawem Lenza, uzwojenia T są przebite tym samym Ф, co pozwala nam obliczyć k w inny sposób. W oparciu o prawo indukcji dla chwilowych wartości EMF, uzyskujemy następujące równości dla KPO i KVO:

1. e1 = - w1 * dF / dt * E-8.
2. e2 = - w2 * dF / dt * E-8.

Stosunek dФ / dt to wielkość zmiany Ф w jednostce czasu (zgodnie z prawem opisującym zmienną U). Na podstawie wyrażeń dla chwilowych wartości pola elektromagnetycznego wyprowadza się zależność pola elektromagnetycznego dla każdego uzwojenia od liczby zwojów: e1 / e2 = w1 / w2. To stwierdzenie jest również prawdziwe nie dla wskaźników chwilowych, wynika z tego, że e1 = U1, e2 = U2. Zmieniając wielkości otrzymujemy następujące zależności: e1 / e2 = U1 / U2 = w1 / w2 = k.

Zgodnie ze współczynnikiem przekształcenia T dzieli się na malejące i rosnące. Aby wyszukać k musisz użyć kilku sposobów:

1. Według paszportu.
2. W praktyczny sposób.
3. Zastosowanie mostu Scheringa.
4. Korzystanie z UICT.

Bardzo często radioamatorzy posługują się praktyczną definicją tego parametru. Chociaż nie do końca dokładne. Aby obliczyć zasilanie, ta metoda wystarczy.

Nie zawsze można znaleźć paszport do T. Aby określić k, używane są 2 woltomierze (1 dla KPO, 2 dla KVO), a następnie kilkakrotnie mierzy się U na uzwojeniach. Następnie k jest obliczane dla kilku wartości i pobierana jest jego średnia wartość.

Obliczanie mocy

Aby wybrać T jako źródło zasilania, należy obliczyć dopuszczalną moc odbiorcy lub grupy odbiorców. Istnieją 2 opcje zbierania T: wybór według tabeli i obliczenia. Ustalenie mocy transformatora jest dość proste, musisz użyć wzoru do określenia mocy: P = U * I. Najdokładniejszą opcją jest obliczenie T jako źródła zasilania.

Dostępny jest T o łącznej mocy 180 VA. Konieczne jest sprawdzenie, czy może być używany jako zasilacz 160 VA. Ta metoda pozwala wybrać transformator według mocy zgodnie z tabelą.

Współczynnik obciążenia T: kz = Sр / Str. Sр - całkowita moc projektowa: Sp = P / cosph = 180 / 0,8 = 225 VA. Przyjmuje się, że współczynnik cosph jest równy 0,8. Moc mocy T Str = 160 VA. Na tej podstawie kz = 225/160 = 1,4 (> 1). Jeśli przyjmiemy T o mocy 250 VA, to kz = 225/250 = 0,9 (<1).

Maksymalne dopuszczalne obciążenia w temperaturze 30 stopni należy wybrać z tabeli 1.

Tabela 1 - Dopuszczalne maksymalne obciążenia T w okresie letnim w temperaturze 30 stopni:

Zasadniczo T nie będzie długo pracował pod obciążeniem, a w trybie jałowym pobiera około 65% mocy znamionowej: S = 225 * 0,65 = 146,25 VA.

Współczynnik K1 oblicza się w następujący sposób: K1 = 146,25 / 160 = 0,91 (obciążenie początkowe T). Zgodnie z tabelą przy K1 = 0,9 przy Str = 160 VA T będzie pracować przez 0,5 godziny. Ta opcja jest nieprawidłowa. Dlatego konieczne jest wybranie T z rezerwą mocy 250 VA.

Obliczanie własne

Aby wyprodukować T o wymaganej mocy, musisz samodzielnie wykonać obliczenia. Jeśli znasz U i maksymalne I, które KVO powinno wygenerować, to P obwodu wtórnego oblicza się według następującego wzoru: P2 = U2 * I2. Przy współczynniku sprawności (sprawność = 0,8) T moc KPO jest obliczana w następujący sposób: P1 = P2 / 0,8 = 1,25 * P2.

Przenoszenie mocy z jednego uzwojenia na drugie odbywa się za pomocą Ф w obwodzie magnetycznym, dlatego zależy od P1 pole przekroju rdzenia S, które jest równe pierwiastkowi kwadratowemu z P1 (w watach): S = sqrt (P1) (centymetry kwadrat). Na podstawie wartości S określa się liczbę zwojów w na 1 V: w = 50 / S. Liczbę zwojów uzwojeń oblicza się według wzorów: w1 = w * U1 i w2 = w * U2 + (w * U2 * 0,1).

Prąd pierwotny obliczany jest ze wzoru: I1 = P1 / U1. Średnice (d) drutu uzwojeń są określone przez wartości prądów, a dopuszczalna gęstość prądu dla T wynosi 2 A / sq.mm: d = 0,8 * sqrt (I). Pole przekroju oblicza się ze wzoru: S = 3,1416 * d * d / 4.

Przykład obliczenia podstawowych parametrów

Konieczne jest wyprodukowanie i obliczenie T dla zasilania.

T musi mieć następujące parametry:

1. Uzwojenie pierwotne 220 V.
2. Uzwojenia wtórne: 660 V - 100 mA i 6 V - 5 A.
3. Całkowita moc KVO: P2 = 660 * 0,1 + 6 * 5 = 96 W.
4. Moc pierwotna: P1 = 1,25 * 96 = 120 W.
5. Powierzchnia przekroju rdzenia: S = sqrt (120) = 10,95 = 11 sq. cm.
6. Liczba zwojów na 1 V: w = 50/11 = 4,54 = 5.
7. Prąd pierwotny: I1 = 96/220 = 0,436 A.

Liczba zwojów i d:

• KPO: w1 = 5 * 220 = 1100 i d = 0,8 * sqrt (0,436) = 0,53 sq. mm.
• KVO - 660 V: w2 = 5 * 660 + (5 * 660 * 0,1) = 3300 + 330 = 3630 i d = 0,8 * sqrt (I) = 0,25 sq. mm.
• KVO - 6 V: w2 = 5 * 6 + (5 * 6 * 0,1) = 30 + 3 = 33 i d = 1,79 kw. mm.

Pole przekroju rdzenia (wybór gotowego) to Sm = 5 * 4 = 20 m2. cm = 2000 mkw. mm. Sprawdzenie położenia uzwojeń, na podstawie parametrów obwodu magnetycznego:

1. Dla KPO średnica z uwzględnieniem izolacji: d1iz = 0,63 mm.
2. Dla KVO: d2iz = 0,35 mm i d2iz = 1,89 mm.

Dla KPO: S = 0,8 * 0,63 * 1100 = 554,4 kw. mm. Dla KVO: S = 0,8 * (0,35 * 3630 + 33 * 1,89) = 1332,87 kw. mm. Powierzchnia całkowita S = 554,4 + 1332,87 = 1887,27 mkw. mm. Sprawdzenie spełnienia nierówności: Sm> S: 2000> 1887,27 (jest spełnione, więc obwód magnetyczny jest odpowiedni dla T).

Tak więc wybór transformatora pod względem mocy do rozwiązania określonego zadania można wykonać za pomocą tabeli lub obliczyć i wyprodukować niezależnie. Ta ostatnia opcja pozwala na bardziej elastyczne i wysokiej jakości podejście do wyboru T dla każdego konsumenta. Jednak podejście polegające na wyborze gotowego T pozwala zaoszczędzić sporo czasu.