Применение автоматического калькулятора онлайн для расчета трансформатора радиолюбителями

29.04.2018

Если у Вас есть некий трансформаторный сердечник, из которого нужно сделать трансформатор, то необходимо замерить сердечник (как показано на рисунке), а так же замерить толщину пластины или ленты.

Расчет сетевого трансформатора

Первым делом необходимо рассчитать  площадь сечения сердечника — Sc (см²) и площадь поперечного сечения окна — Sо (см²).

Для тороидального трансформатора:

• Sc = H * (D – d)/2
• S0 =  π * d2 / 4

Для Ш и П — образного сердечника:

Определим габаритную мощность нашего сердечника на частоте 50 Гц:

• η — КПД трансформатора,
• Sc — площадь поперечного сечения сердечника, см2,
• So — площадь поперечного сечения окна, см2,
• f — рабочая частота трансформатора, Гц,
• B — магнитная индукция, T,
• j — плотность тока в проводе обмоток, A/мм2,
• Km — коэффициент заполнения окна сердечника медью,
• Kc — коэффициент заполнения сечения сердечника сталью.

При расчете трансформатора необходимо учитывать, что габаритная мощность трансформатора должна быть больше расчетной электрической мощности вторичных обмоток.

Исходными начальными данными для упрощенного расчета являются:

• напряжение первичной обмотки U1
• напряжение вторичной обмотки U2
• ток вторичной обмотки l2
• мощность вторичной обмотки Р2 =I2 * U2 = Рвых
• площадь поперечного сечения сердечника Sc
• площадь поперечного сечения окна So
• рабочая частота трансформатора f = 50 Гц

КПД (η) трансформатора можно взять из таблицы, при условии что Рвых = I2 * U2 (где I2 ток во вторичной обмотке, U2 напряжение вторичной обмотки), если в трансформаторе несколько вторичных обмоток, что считают Pвых каждой и затем их складывают.

B — магнитная индукция выбирается из таблицы, в зависимости от конструкции магнитопровода и Pвых.

Конструкция магнитопровода	Магнитная индукция Вмах, [Тл] при Рвых, [Вт]
5 — 15	15 — 50	50 — 150	150 — 300	300 — 1000
Броневая (пластинчатая)	1,1-1,3	1,3	1,3-1,35	1,35	1,35 — 1,2
Броневая (ленточная)	1,55	1,65	1,65	1,65	1,65
Кольцевая	1,7	1,7	1,7	1,65	1,6

j — плотность тока в проводе обмоток , так же выбирается в зависимости от конструкции магнитопровода и Pвых.

Конструкция магнитопровода	Плотность тока J, [а/мм кв.] при Рвых, [Вт]
5- 15	15 — 50	50 — 150	150 — 300	300 — 1000
Броневая (пластинчатая)	3,9 — 3,0	3,0 — 2,4	2,4 — 2,0	2,0 — 1,7	1,7 — 1,4
Броневая (ленточная)	3,8 — 3,5	3,5 — 2,7	2,7 — 2,4	2,4 — 2,3	2,3 — 1,8
Кольцевая	5 — 4,5	4,5 — 3,5	3,5	3,0

Km — коэффициент заполнения окна сердечника медью

Конструкция магнитопровода	Рабочеенапряж. [В]	Коэффициент заполнения окна Кm при Рвых, [Вт]
5 — 15	15 — 50	50 — 150	150 — 300	300 — 1000
Броневая (пластинчатая)	до 100	0,22-0,29	0,29-0,30	0,30-0,32	0,32-0,34	0,34-0,38
100-1000	0,19-0,25	0,25-0,26	0,26-0,27	0,27-0,30	0,30-0,33
Броневая (ленточная)	до 100	0,15-0,27	0,27-0,29	0,29-0,32	0,32-0,34	0,34-0,38
100-1000	0,13-0,23	0,23-0,26	0,26-0,27	0,27-0,30	0,30-0,33
Кольцевая	0,18 — 0,20	0,20-0,26	0,26-0,27	0,27-0,28

Kc — коэффициент заполнения сечения сердечника сталью

Коэффициенты заполнения для пластинчатых сердечников указаны в скобках при изоляции пластин лаком или фосфатной пленкой.

Конструкция магнитопровода	Коэффициент заполнения Кс при толщине стали, мм
0,08	0,1	0,15	0,2	0,35
Броневая (пластинчатая)	—	0,7(0,75)	—	0,85 (0,89)	0,9 (0,95)
Броневая (ленточная)	0,87	—	0,90	0,91	0,93
Кольцевая	0,85	0,88

После того как Вы определились с габаритной мощностью трансформатора, можно приступить к расчету напряжения одного витка:

где Sc — площадь поперечного сечения сердечника, f — рабочая частота (50 Гц), B — магнитная индукция выбирается из таблицы, в зависимости от конструкции магнитопровода и Pвых.

Теперь определяем число витков первичной обмотки:

w1=U1/u1

где U1 напряжение первичной обмотки, u1 — напряжение одного витка.

Число витков каждой из вторичных обмоток находим из простой пропорции:

где w1 — кол-во витков первичной обмотки, U1 напряжение первичной обмотки, U2 напряжение вторичной обмотки.

Определим мощность потребляемую трансформатором  от сети с учетом потерь:

Р1 = Рвых /  η

где η — КПД трансформатора.

Определяем величину тока в первичной обмотке трансформатора:

I1 = P1/U1

Определяем диаметры проводов обмоток трансформатора:

d = 0,632*√ I

где d — диаметр провода, мм, I — ток обмотки, А (для первичной и вторичной обмотки).

Онлайн калькулятор расчета трансформатора мощностью от 5 до 1000Вт

После определения диаметра провода, следует учитывать, что диаметр провода рассчитывается без изоляции, воспользуйтесь таблицей данных обмоточных проводов для определения диаметра провода с изоляцией.

Таблица данных обмоточных проводов. 

Открыть »

Диаметр без изоляции, мм	Сечение меди, мм²	Диаметр с изоляцией, мм
0,03	0,0007	0,045
0,04	0,0013	0,055
0,05	0,002	0,065
0,06	0,0028	0,075
0,07	0,0039	0,085
0,08	0,005	0,095
0,09	0,0064	0,105
0,1	0,0079	0,12
0,11	0,0095	0,13
0,12	0,0113	0,14
0,13	0,0133	0,15
0,14	0,0154	0,16
0,15	0,0177	0,17
0,16	0,0201	0,18
0,17	0,0227	0,19
0,18	0,0255	0,2
0,19	0,0284	0,21
0,2	0,0314	0,225
0,21	0,0346	0,235
0,23	0,0416	0,255
0,25	0,0491	0,275
0,27	0,0573	0,31
0,29	0,0661	0,33
0,31	0,0755	0,35
0,33	0,0855	0,37
0,35	0,0962	0,39
0,38	0,1134	0,42
0,41	0,132	0,45
0,44	0,1521	0,49
0,47	0,1735	0,52
0,49	0,1885	0,54
0,51	0,2043	0,56
0,53	0,2206	0,58
0,55	0,2376	0,6
0,57	0,2552	0,62
0,59	0,2734	0,64
0,62	0,3019	0,67
0,64	0,3217	0,69
0,67	0,3526	0,72
0,69	0,3739	0,74
0,72	0,4072	0,78
0,74	0,4301	0,8
0,77	0,4657	0,83
0,8	0,5027	0,86
0,83	0,5411	0,89
0.86	0,5809	0,92
0,9	0,6362	0,96
0,93	0,6793	0,99
0,96	0,7238	1,02
1	0,7854	1,07
1,04	0,8495	1,12
1,08	0,9161	1,16
1,12	0,9852	1,2
1,16	1,057	1,24
1,2	1,131	1,28
1,25	1,227	1,33
1,3	1,327	1,38
1,35	1,431	1,43
1,4	1,539	1,48
1,45	1,651	1,53
1,5	1,767	1,58
1,56	1,911	1,64
1,62	2,061	1,71
1,68	2,217	1,77
1,74	2,378	1,83
1,81	2,573	1,9
1,88	2,777	1,97
1,95	2,987	2,04
2,02	3,205	2,12
2,1	3,464	2,2
2,26	4,012	2,36
2,44	4,676	2,54

Источник:

Расчёт и изготовление трансформатора для импульсного блока питания — Калькулятор онлайн

«Как-то лет в 12 нашёл я старый трансформатор, слегка перемотал его и включил. Энергосистема опознала нового радиотехника и приветливо моргнула всем домом. Вот так я и начал изучать силовую электронику». А тем временем традиционные линейные источники питания на силовых трансформаторах всё чаще стали вытесняться своими импульсными коллегами.

При этом, что бы там не говорили авторитетные товарищи про многочисленные технические достоинства импульсных преобразователей, плюс у них только один — массогабаритные показатели. Всё остальное — сплошной минус.

Однако этот единственный плюс оказался настолько жирным, что заслонил собой все многочисленные минусы, особенно в тех замесах, когда к электроустройствам не предъявляется каких-либо жёстких требований.

Наиболее популярными среди радиолюбителей стали сетевые источники питания, собранные на микросхемах IR2153 и IR2155, которые представляют из себя самотактируемые высоковольтные драйверы, позволяющие получать полумостовые импульсные блоки питания мощностью до 1,5 кВт с минимальной обвязкой.

И если сердце импульсного блока питания колотится внутри готовой буржуйской микросхемы, то главным, ответственным за электрохозяйство среди остальных наружных образований, безусловно, является правильно выполненный трансформатор. Для наших высокотоковых дел лучше всего применять трансформаторы с тороидальным магнитопроводом.

В сравнении с другими сердечниками они имеют меньший вес и габариты, а также отличаются лучшими условиями охлаждения обмоток и повышенным КПД. Но самое главное — при равномерном распределении обмоток по периметру сердечника практически отсутствует магнитное поле рассеяния, что в большинстве случаев отметает потребность в тщательном экранировании трансформаторов.

По сути дела, умных статей в сети на предмет расчёта импульсных трансформаторов великое множество, с картинками, формулами, таблицами и прочими авторитетными причиндалами. Наблюдаются в свободном доступе и многочисленные онлайн-калькуляторы на интересующую нас тематику.

И снизошла б на нас благодать неземная, кабы вся полученная информация сложилась в наших любознательных головах в единое большое целое. Да вот, что-то не получается. Ништяк обламывается из-за того, что следуя этими различным компетентным источникам, мы устойчиво получаем на выходе и различные результаты.

Вот и гуляют по сети идентичные радиолюбительские схемы импульсных блоков питания на IR2153 с идентичными заявленными характеристиками, трансформаторами на одних и тех же кольцах, но радикально не идентичным количеством витков первичных обмоток трансформаторов. А когда эти различия выражаются многими разами, то возникает желание «что-то подправить в консерватории». Объясняется это желание просто — существенной зависимостью КПД устройства от значения индуктивности, на которую нагружены ключевые транзисторы преобразователя. А в качестве этой индуктивности как раз и выступает первичная обмотка импульсного трансформатора. А для лучшего восприятия сказанного, приведу типовую схему источника питания на IR2153, не обременённую ни устройством защиты, ни какими-либо другими излишествами.

Рис.1 Схема проверена временем и многочисленными опытами изрядно пощипанных током, неустрашимых радиолюбителей, так что не работать в ней — просто нечему. Ну и наконец, переходим к расчёту импульсного трансформатора.

Мотать его будем на бюджетных низкочастотных ферритовых кольцах отечественного производителя 2000НМ или импортных — EPCOS N87, а для начала определимся с габаритной мощностью тороидального ферритового магнитопровода.

Концепция выбора габаритной мощности с запасом в 10% от максимальной мощности в нагрузке, заложенная в режимы автоматического подбора сердечника в большинстве калькуляторов, хотя и не противоречит теоретическим расчётам, учитывающим высокий КПД импульсного трансформатора, но всё же наводит на грустную мысль о ненадлежащей надёжности и возможной скорой кончине полученного моточного изделия.

Куда мне ближе трактовка этого параметра, описанная в литературе: .

Расчёты поведём исходя из частоты работы преобразователя IR2153, равной 50 кГц.

Почему именно такой? Не ниже, потому что такой выбор частоты позволяет нам уложиться в достаточно компактные размеры ферритового сердечника, и при этом гарантирует полное отсутствие сигналов комбинационных частот ниже 30 кГц при работе девайса в составе качественной звуковоспроизводящей аппаратуры. А не выше, потому что мы пилоты…

А феррит у нас низкочастотный и может почахнуть и ответить значительным снижением магнитной проницаемости при частотах свыше 60-70 кГц. Не забываем, что сигнал, на выходах ключей имеет форму меандра и совокупная амплитуда гармоник, с частотами в 3-9 раз превышающими основную, имеет весьма ощутимую величину.

Параметры первичной обмотки трансформатора рассчитаем при помощи программы Lite-CalcIT, позволяющей, на мой взгляд, вполне адекватно оценить как размер сердечника, так и количество витков первичной обмотки. Результаты сведём в таблицу.

Мощность блока   питания, Вт	Размеры кольца, мм ;   (габаритная мощность, Вт)	Количество витков   первичной обмотки	Индуктивность    обмотки, мГн
25	R 20×12×6 2000НМ (33,8 Вт)   R 22,1×13,7×6,35 №87 (51,5 Вт)	208 (d=0,25мм)   152 (d=0,25мм)	51,9 30,9
50	R 22,1×13,7×12,5 №87 (100,1 Вт)   R 22,1×13,7×7,9 №87 (63,9 Вт)   R 27×18×6 2000НМ (85,3 Вт)	78 (d=0,35мм)   122 (d=0,35мм)   185 (d=0,35мм)	15,9 24,8 32,8
100	R 28×16×9 2000НМ (136 Вт)   R 32,0×20,0×6,0 №27 (141 Вт)	93 (d=0,5мм)   139 (d=0,5мм)	17,0 19,3
200	R 28×16×18 2000НМ (268 Вт)   R 29,5×19,0×14,9 №87 (297 Вт)   R 30,5×20,0×12,5 №87 (265 Вт)   R 34,0×20,5×10,0 №87 (294 Вт)   R 34,0×20,5×12,5 №87 (371 Вт)   R 38×24×7 2000НМ (278 Вт)	47 (d=0,7мм)   52 (d=0,7мм)   62 (d=0,7мм)   61 (d=0,7мм)   49 (d=0,7мм)   102 (d=0,7мм)	8,7 7,8 8,9 8,3 6,7 13,2
400	R 36,0×23,0×15,0 №87 (552 Вт)   R 38×24×14 2000НМ (565 Вт)   R 40×25×11 2000НМ (500 Вт)	42 (d=1,0мм)   51 (d=1,0мм)   61 (d=1,0мм)	5,2 6,6 7,6
800	R 40×25×22 2000НМ (998 Вт)   R 45×28×16 2000НМ (1036 Вт)   R 45×28×24 2000НМ (1580 Вт)	31 (d=1,6мм)   37 (d=1,6мм)   25 (d=1,6мм)	3.9 4,1 2,8
1500	R 50,0×30,0×20,0 №87 (1907 Вт)   R 58,3×32,0×18,0 №87 (2570 Вт)	21 (d=2×1,5мм)   18 (d=2×1,5мм)	2,0 1,5

Если используются кольца 2000НМ отечественного производителя, то для начала — посредством наждачной бумаги скругляем наружные острые грани до состояния, приведённого на Рис.2 а). Далее на кольцо следует намотать термостойкую изоляционную прокладку (Рис.2 б). В качестве изоляционного материала можно выбрать лакоткань, стеклолакоткань, киперную ленту, или сантехническую фторопластовую ленту. Для буржуйских колец фирмы EPCOS первые два пункта практической ценности не имеют. Настало время намотать однослойную обмотку «виток к витку» (Рис.2 в). Обмотка должна быть равномерно распределена по периметру магнитопровода — это важно! Если в закромах радиолюбительского хозяйства не завалялся обмоточный провод необходимого диаметра, то обмотку можно намотать сразу в два, или несколько проводов меньшего диаметра (Рис.2 г). Не забываем, что зависимость тока от диаметра квадратичная и если, к примеру, нам надо заменить провод диаметром 1мм, то это будет не два провода по 0,5мм, а четыре (или два провода по 0,7мм). Ну и для завершения первичного процесса поверх первичной обмотки трансформатора наматываем межобмоточную прокладку — пару слоёв лакоткани или другой изолирующей ленты (Рис.2 д). А вот теперь мы плавно переходим к выполнению второй части упражнения. Казалось бы, расчёты количества витков вторичной обмотки импульсного трансформатора настолько банальны и очевидны, что, как говаривал товарищ Мамин-Сибиряк — «яйца выеденного не стоят». Да только вот опять — не складываются куличики в пирамидку, потому как далеко не каждый источник информации радует ожидаемым результатом. Поэтому для начала приведём формулу зависимости выходного напряжения от соотношения количества витков обмоток:

W1    (Uвх — Uдм1)/2 — Uнас ,

где Uвх — значение выпрямленного напряжения сети, равное 1,41×220≈310В,
Uдм1 — падение напряжения на входном диодном мосте ≈ 1В,
Uдм2 — падение напряжения на выходном диодном мосте ≈ 1В,
Uнас — напряжение насыщения на ключевом транзисторе ≈ 1,6В.
Подставив значения, получаем конечную формулу W2 = W1×(Uвых+1)/153. Это формула верна для случаев, когда мы хотим получить расчётное значение выходного напряжения на холостом ходу. Если же данный параметр нас интересует при максимальном токе нагрузки, то практика показывает, что количество витков вторичной обмотки следует увеличить на 10%. Теперь, что касается диаметра провода вторичной обмотки трансформатора.

И в завершении приведу незамысловатый калькулятор для расчёта параметров вторичной обмотки импульсного трансформатора. Точно так же, как и в случае с первичной обмоткой — вторичная должна быть как можно более равномерно распределена по периметру магнитопровода.

Количество вторичных обмоток ограничено только размерами магнитопровода.

При этом суммарная величина снимаемых с обмоток мощностей не должна превышать расчётную мощность трансформатора.

При необходимости поиметь двухполярный источник питания, обе обмотки следует мотать одновременно, затем присовокупить начало одной обмотки к концу другой, а уже потом направить это соединение, в зависимости от личных пристрастий — к земле, средней точке, общей шине, корпусу, или совсем на худой конец — к GND-у.

Источник:

Программы калькуляторы и расчеты

Программа для расчета активных фильтров, использующихся при создании электронных устройств. Программа распространяется в двух вариантах: Lite и PRO. Filter Wiz Lite бесплатна, но имеет ряд существенных ограничений (всего 5 типовых звеньев, 32 топологических схемы вместо 79, отсутствие анализа Монте-Карло и температурного эффекта).

Профессиональный программный пакет для создания и анализа активных/пассивных аналоговых, а также цифровых электрических фильтров. Есть платная и бесплатная версии программы.

Небольшая, но очень полезная программа, выполняющая важнейшие расчеты необходимые при разработке современных электронных устройств. Бесплатная.

Электротехнический калькулятор, позволяющий рассчитывать параметры колебательных контуров, определять индуктивности обособленных проводников и катушек различных типов, а также производить вычисления активных и реактивных сопротивлений. Отечественный продукт. Бесплатная.

Программа предназначена для расчета значений резисторов и конденсаторов нестабильного и моностабильного режимов работы 555 таймера. Freeware.

Бесплатное программное обеспечение, предназначенное для расчёта импульсных трансформаторов двухтактных push-pull, мостовых и полумостовых преобразователей напряжения источников питания.

Программа, позволяющая выполнять расчеты импульсных трансформаторов двухтактных преобразователей. ПО бесплатное.

Бесплатное программа от отечественного разрабочика Москатова Е.А. Предназначена для расчёта трансформаторов, применяемых в двухтактных источниках питания импульсного типа.

Бесплатная программа от отечественного разработчика для расчета характеристик колебательных контуров и индуктивностей катушек, выполненных на различных каркасах.

Бесплатный программный пакет, помогающий быстро и просто проектировать собственные импульсные источники питания и DC/DC-преобразователи на базе устройств от компании Texas Instruments.

Интерактивная онлайн-среда, созданная с целью быстрого проектирования импульсных источников на основе микросхем компании STMicroelectronics. eDesignSuite позволяет за несколько шагов спроектировать собственный источник питания и рассчитать номиналы внешних компонентов. Free.

Пакет интерактивного программного обеспечения для расчета параметров импульсных источников питания, построенных на базе микросхем серии VIPer производства STMicroelectronics. Бесплатная.

Одно из самых популярных интерактивных ПО для разработки импульсных источников питания на основе контроллеров Power Integrations. На русском языке. Freeware.

Система автоматизированного проектирования, предназначенная для конструирования и разработки электронных пускорегулирующих устройств люминесцентных и галогенных ламп. Бесплатная.

Уникальный симулятор, созданный для высокоскоростного анализа линейных и смешанных цепей. Программа платная. Есть демо-версия с ограничениями на 140 узлов

Бесплатная программная среда для моделирования и анализа высокочастотных электрических цепей. Интерфейс RFSim99 полностью русифицирован.

Современное программное обеспечение с мощным математическим аппаратом, предназначенное для высокочастотного электромагнитного анализа планарных структур. Есть бесплатная ознакомительная версия ПО: Sonnet Lite.

Небольшая, но полезная программа от Analog Devices, позволяющая представить дизайн радиотракта по ключевым характеристикам каскадов передатчика или приемника. Бесплатная.

САПР для решения задач по разработке аналоговых и высокочастотных интегральных схем, а также их подготовки к серийному производству. ПО платное.

Простой и надежный программный комплекс для создания, редактирования, анализа и расчета антенн методом моментов. MMANA-GAL имеет русскоязычный интерфейс. Программа платная, но есть и бесплатная версия MMANA-GAL basic.

Источник:

Простой расчет силового трансформатора

На этой страничке приведен простой метод расчета параметров трансформатора для сетей питания промышленной частоты (для России это 220V 50 Гц). Это может понадобиться для радиолюбительского творчества, ремонта и модификации трансформаторов.

Обратите внимание, что даже если приведенный метод расчета и некоторые уравнения могли быть обобщены, здесь для упрощения вычислений принимались во внимание только классические сердечники трансформаторов с закрытым магнитным потоком, составленные из стальных пластин.

Когда разрабатывается трансформатор, первый шаг в разработке состоит в выборе подходящего сердечника, чтобы трансформатор мог передать необходимую мощность. Обычно чем больше мощность, тем больше должны быть размеры трансформатора.

В действительности нет теоретических или физических ограничений на то, чтобы трансформатор меньшего размера мог передавать большую мощность. Но по практическим соображениям на сердечнике малого размера недостаточно места для размещения всех обмоток, поэтому можно выбрать только лишь сердечник не меньше определенного размера.

Хороший базовый выбор может дать следующая эмпирическая формула (для рабочей частоты трансформатора 50 Гц):

P = η * S2 / 14000

Это выражение связывает (допустимую) мощность P трансформатора с площадью поверхности поперечного сечения S, с учетом эффективности сердечника η (греческая буква «eta»).

При измерении поверхности поперечного сечения следует удалить 5%, чтобы учесть толщину лака на ферромагнитных пластинах, составляющих сердечник трансформатора.

Площадь поперечного сечения S соответствует минимальному сечению магнитного потока в трансформаторе, и S можно определить по размерам участка магнитопровода, на котором расположены обмотки, как показано на рисунке ниже:

S=a*b

Рисунок выше показывает сердечник с двумя петлями магнитного потока, который применяется чаще всего из-за незначительного магнитного поля рассеивания, небольшого размера и технологичности в изготовлении трансформатора. Это так называемый Ш-образный сердечник.

Две петли магнитного потока получаются потому, что обмотки в таком трансформаторе находятся в середине трансформатора, и их магнитное поле разветвляется на 2 половины справа и слева от обмотки.

Если в Вашем трансформаторе одна петля магнитного потока (это трансформатор наподобие тороидального), то тогда не имеет значения, в каком месте сердечника определять площадь его поперечного сечения.

Эффективность η зависит от материала сердечника, и если Вы не знаете значение этого параметра, то следующая таблица даст грубую подсказку:

Таблица 1. Значение эффективности η и плотности магнитного потока φ для некоторых типов сердечника.

Материал сердечника	η (коэффициент)	φ (единицы Wb/m2)
Холоднокатаная текстурированная сталь, легированная кремнием (grain-oriented silicon steel), M5	0.88	1.3
То же самое, толщина пластин 0.35 мм, M6	0.84	1.2
Обычная сталь, легированная кремнием, толщина пластин 0.5 мм, M7	0.82	1.1
Обычная кремниевая сталь (или сталь для повышенной прочности)	0.80	1.0
Мягкая низкоуглеродистая сталь (mild steel)	0.70	0.8

Чтобы упростить расчет трансформатора, ниже вставлен онлайн-калькулятор:

В этом калькуляторе уже учтены 5% для уменьшения площади сечения сердечника из-за их лакового покрытия.

[Шаг 2. Определение плотности магнитного потока в сердечнике]

После того, как были определены размеры сердечника, нужно определить плотность магнитного потока φ (греческая буква «phi»). Она тоже зависит от типа материала сердечника, и если Вы не знаете этот параметр, то можно снова воспользоваться таблицей 1.

Если предполагается, что трансформатор будет непрерывно работать долгое время, или условия его работы подразумевают плохой теплообмен (плохую вентиляцию), то следует немного снизить плотность магнитного потока (например на 10%).

Это снизит потери и трансформатор будет меньше нагреваться, но повысятся затраты на железо сердечника и медь для обмоток, хотя учет подобных затрат может быть важен только для промышленного производства, но не для радиолюбительской практики.

Противоположное решение (без снижения плотности магнитного потока) может быть принято если важны затраты на материалы трансформатора, и только если трансформатор не предназначен для работы длительное время на полной мощности.

Как только плотность магнитного потока была определена, по следующей формуле можно вычислить константу трансформатора γ, выражающую количество витков на 1 вольт:

γ = 106 * sqrt(2) / (2 * pi * f * φ * S)

Множитель 106 учитывает, что площадь поперечного сечения сердечника S выражена в мм2.

Следует сделать еще несколько замечаний по этой формуле: например, низкие частоты требуют больше витков, и поэтому трансформаторы на 60 Гц обычно получаются меньшего размера, чем трансформаторы на 50 Гц.

Таким образом, сниженная плотность магнитного потока (и сниженные потери в сердечнике) потребует больше витков, даже если это кажется парадоксальным.

И конечно, чем больше размер сердечника, тем меньше требуется витков: если Вы когда-нибудь видели большие, мощные высоковольтные трансформаторы, используемые энергетическими компаниями для своих высоковольтных линий, то у них имеется всего лишь несколько сотен витков для преобразования многих киловольт, в то время как маленький трансформатор на 230V в Вашем маленьком будильнике содержит тысячи витков.

[Шаг 3. Вычисление числа витков]

Теперь мы знает константу трансформатора γ, и по ней можно очень просто вычислить количество витков N для каждой обмотки трансформатора в зависимости от напряжения обмотки U:

N = γ * U

Обратите внимание, что все напряжения и токи учитываются в СКЗ (эта аббревиатура соответствует английской RMS), в то время как плотность магнитного потока выражена в своем пиковом значении, чтобы избежать насыщения. Этот факт объясняет наличие корня из 2 в формуле вычисления константы трансформатора γ.

Для вторичной обмотки хорошей практикой будет увеличить количество витков примерно на 5%, что скомпенсирует потери энергии в трансформаторе.

Чтобы упростить все расчеты, можно использовать следующий онлайн-калькулятор:

В этом калькуляторе уже учтена поправка 5% для количества витков вторичной обмотки.

Как уже отмечалось, количество витков в трансформаторе зависит от размеров сердечника и плотности магнитного потока в нем, но не от мощности трансформатора. Таким образом, если Ваш трансформатор требует больше одной вторичной обмотки, просто повторите описанное вычисление количества витков для каждой обмотки.

Однако в этом случае может потребоваться выбор сердечника большего размера, чтобы на нем поместились все обмотки, или другими словами, следует выбирать размер сердечника по общей мощности, снимаемой со всех вторичных обмоток.

Также используйте площадь сечения сердечника достаточно большую, чтобы трансформатор мог передавать требуемую мощность.

[Шаг 4. Как правильно выбрать провода для обмоток трансформатора]

На последнем шаге следует вычислить диаметр провода для каждой обмотки. Чтобы сделать это, для провода выбирается плотность тока c. Хорошим компромиссом будет выбор 2.5 A/мм2. Если выбрать значение c меньше, то для обмоток понадобится больше меди, но в трансформаторе будет меньше потерь: этот вариант подойдет для мощных трансформаторов.

Выбор значения c больше приведет к меньшим затратам на провод и удешевит трансформатор, но он будет больше нагреваться, и это может быть допустимо только когда трансформатор используется недолго на своей полной мощности, или на полной мощности понадобится дополнительное охлаждение. Обычно выбирают значение в диапазоне 2..3 A/мм2.

Как только была определена плотность тока в проводе, то диаметр провода может быть вычислен по следующей формуле:

d = 2 * sqrt( I / (pi * c) )

Или для c = 2.5 A/мм2:

d = 0.72 * sqrt(I)

Чтобы упростить расчет диаметра провода, используйте следующий онлайн-калькулятор:

[Практика в изготовлении трансформатора]

Теперь, когда все вычисления завершены, начинаются сложности: поместятся ли вычисленные витки обмоток на выбранном сердечнике трансформатора? Ответ непростой, и зависит от множества факторов: сечения и вида провода, качества намотки (виток к витку или «внавал»), наличия и толщины изоляции между слоями обмотки и отдельными обмотками, и так далее. Другими словами, тут некоторый опыт окажется полезнее, чем множество уравнений.

Обычно сложно купить пустой сердечник трансформатора, и поэтому домашние проекты часто начинаются с перемотки старого трансформатора. Не все трансформаторы можно разобрать: некоторые сердечники проклеены смолой, которая слишком прочна, чтобы её удалить, не изгибая пластины сердечника.

К счастью, многие трансформаторы можно разобрать, если снять с них верхний кожух, который скрепляет пластины. Кожух обычно снимается, если отогнуть или зашлифовать ушки крепления.

Иногда сердечники имеют специальные не залитые краской винты, стягивающие сердечник, такой трансформатор разобрать проще всего. Каждая пластина сердечника должна быть аккуратно удалена, чтобы получить доступ к обмоткам трансформатора.

Изогнутые или поцарапанные пластины сердечника следует выбросить, потому что они будут производить лишние потери и дополнительный шум в работе трансформатора.

Если получится, то можно использовать готовую первичную обмотку трансформатора, перемотав только вторичные обмотки. Это возможно, когда первичная обмотка намотана первой, и не закрывает собой вторичные обмотки трансформатора.

В принятии решения, стоит ли перематывать или снимать конкретную обмотку, или она должна быть сохранена, полезно узнать количество витков этой обмотки, однако это невозможно, не разматывая её, если обмотка намотана в несколько слоев или «внавал».

К счастью, есть трюк для определения количества витков обмоток: перед разборкой сердечника нужно намотать временную обмотку из малого количества витков изолированного провода (например, 10 витков), подключить трансформатор к сети, и измерить напряжение на полученной тестовой обмотке.

По измеренному напряжению можно просто рассчитать количество витков на 1 вольт, и по нему достаточно точно вычислить количество витков каждой обмотки по её напряжению, без необходимости разматывать обмотки и считать их витки.

После того, как новые обмотки намотаны, время снова собрать трансформатор, поместив пластины сердечника на свое место. Бывает сложно без дополнительных усилий вернуть все пластины обратно на место, однако даже если одна или две пластины не будут вставлены, то все равно трансформатор будет нормально работать.

Но по этой причине при выборе сердечника по площади поперечного сечения следует немного повысить требования к его размерам.

Когда на трансформатор подано напряжение сети, важно, чтобы все пластины были при этом плотно сжаты или склеены друг с другом, иначе сердечник трансформатора будет вибрировать и издавать неприятный шум.

Многие трансформаторы имеют пластины сердечника в форме букв E и I (в России их называют Ш-образными сердечниками), наподобие таких, как показаны на картинке выше. Когда собираете трансформатор, такие пластины следует вставлять друг в друга с чередованием E-I на одном слое и I-E на следующем, и так далее. Это минимизирует воздушный зазор в магнитном потоке и повышает взаимосвязь обмоток.

Для обмоток всегда используйте эмалированный провод.

Использовать провод в изоляции ПВХ (PVC, это обычные электрические провода) очень плохая идея, потому что слой изоляции у них слишком толстый, будет потеряно слишком много пространства под обмотки.

Также ПВХ-изоляция очень плохо проводит тепло и может даже оплавиться, что приведет к замыканиям. Ваш трансформатор быстро перегреется и может выйти из строя.

Всегда размещайте слой изоляции между первичной и вторичной обмотками, чтобы снизить риск удара током при касании вторичных электрических цепей.

Для изоляции используйте тонкие материалы, желательно негорючие, которые служат хорошим изолятором и проводником тепла. Часто для межвитковой изоляции используют лакоткань, слюду и пропитанную воском бумагу.

Я использую ленту Каптона, и иногда обычную матерчатую изоленту.

Изоляция эмалированного провода хорошо выдерживает напряжение до 1000V (пиковое значение. Когда это возможно, обращайтесь к спецификации производителя. Если напряжение обмоток превышает это значение, то лучше поделить обмотку на несколько слоев, проложив изоляцию между ними.

[Общие выводы]

Самостоятельная намотка или перемотка трансформаторов требуется в специальных случаях ремонта, или когда требуется получить напряжения, которых нет в готовом трансформаторе. Но перед тем, как разбирать трансформатор, делать на нем новые обмотки и собирать его обратно, лучше всего провести некоторые расчеты, чтобы получить нужные результаты с первой попытки и не тратить лишнее время.

[Используемые символы]

Символ	Описание	Единица измерения
S	Площадь поперечного сечения	мм2
d	Диаметр провода	мм
f	Рабочая частота трансформатора	Гц
I	СКЗ тока обмотки	A
N	Количество витков обмотки	количество
P	Передаваемая трансформатором мощность	VA (Вт)
U	СКЗ напряжения обмотки	V
γ	Количество витков на 1 вольт	витков/V
η	Эффективность сердечника	коэффициент
φ	Плотность магнитного потока в сердечнике	Wb/m2

Примечание: 1 Wb/m2 = 1 T = 10000 Gauss

Источник:

Силовые трансформаторы, простой расчет

В статье на конкретном примере приводится простой метод расчета силового трансформатора для блока питания или зарядного устройства.

1. Перед тем, как использовать силовой трансформатор необходимо определиться с его мощностью.

Например, нужно рассчитать силовой трансформатор для зарядного устройства, которым будем заряжать автомобильные аккумуляторы емкостью до 60 А/час.

Как известно, ток заряда равен 0,1 от емкости аккумулятора, в нашем случае это 6 Ампер.

Напряжение для заряда аккумулятора должно быть не менее 15 В, плюс падение напряжения на диодах и  токоограничивающем резисторе, примем его около 5 В.

Итого, напряжение вторичной обмотки должно быть около 20 В, при токе до 6 А. Мощность при этом, будет равна Р = 6 А х 20 В = 120 Вт.

К.п.д. силового трансформатора при мощности до 60 Вт составляет 0,75. При мощности до 150 Вт 0,8 и при больших мощностях 0,85.

В нашем случае принимаем к.п.д. равным 0,8.

При мощности вторичной обмотки 120 Вт, с учетом к.п.д. мощность первичной обмотки равна:

120 Вт : 0,8 = 150 Вт.

1. По этой мощности определяем площадь поперечного сечения сердечника, на котором будут расположены обмотки.

S (см2) = (1,0 ÷1,2) √Р

Коэффициент перед корнем квадратным из мощности зависит от качества электротехнической стали сердечника.

Принимаем его равным среднему значению 1,1 и получаем площадь сердечника равной 13,5 см2.

1. Теперь нужно определить дополнительную величину – количество витков на вольт. Обозначим ее N.

N = (50 ÷70)/S (см2)

Коэффициент от 50 до 70 зависит от качества стали. Возьмем среднее значение 60. Получаем количество витков на вольт равным:

N = 60/13,5 = 4,44

Округлим это значение до 4,5 витка на вольт.

Первичная обмотка будет работать от 220 В. Ее количество витков равно 220 х 4,5 = 990 витков.

Вторичная обмотка должна выдавать 20 В. Ее количество витков равно 20 х 4,5 = 90 витков.

1. Осталось определить диаметр провода обмоток.

Для этого нужно знать ток каждой обмотки. Для вторичной обмотки ток нам известен, его величина 6 А.

Ток первичной обмотки определим, как мощность, деленную на напряжение. (Сдвиг фаз для упрощения расчета учитывать не будем).

I1 = 150 Вт / 220 В = 0,7 А

Диаметр провода определяем по формуле:

D(мм) = (0,7÷0,8)√I(А)

Коэффициент перед корнем квадратным влияет на плотность тока в проводе. Чем больше его значение, тем меньше будет греться провод при работе. Примем среднее значение.

Диаметр провода первичной обмотки:

D1 = 0,75 √0,7 = 0,63 мм

Диаметр провода вторичной обмотки:

D2 = 0,75 √6 = 1,84 мм

Для намотки выбираем ближайший больший диаметр. Если нет толстого провода для вторичной обмотки, можно намотать ее в два провода, диаметр каждого из которых вдвое меньше нужного.

Вот и весь расчет.

Если вторичных обмоток несколько, сумма их мощностей не должна превышать величину, равную мощности первичной обмотки, умноженной на к.п.д.

Количество витков на вольт одинаково для всех обмоток конкретного трансформатора. Если известно количество витков на вольт, можно намотать обмотку на любое напряжение, главное, чтобы она влезла в окно магнитопровода.

Диаметр провода каждой обмотки определяется исходя из величины тока этой обмотки.

Овладев этой простой методикой, вы сможете не только изготовить нужный вам силовой трансформатор, но и подобрать уже готовый.

Материал статьи продублирован на видео:

Источник:

Расчет трансформатора: формулы, применение онлайн-калькуляторов

Трансформатор представляет собой тип электрического компонента, который предназначен для преобразования напряжения и тока из одной величины в другую, пропорциональную потребляемой мощности на входе и выходе. Этот элемент силовой аппаратуры может содержать обычно одну первичную обмотку, и одну или несколько вторичных.

Являясь достаточно сложным устройством, расчет трансформатора порой отнимает много времени и не каждому под силу выполнить его качественно. А ведь от правильности процесса зависит многое. Стабильность работы готового устройства, КПД, потребляемая мощность. Кроме этого при неправильном расчете с намоточным устройством могут происходить самые разнообразные непонятные вещи:

• перегреваться;
• издавать звенящие звуки при работе;
• потреблять большое количество мощности при низком КПД и прочее.

В более серьезных ситуациях он и вовсе может возгореться, доставив дополнительные неприятности. Поэтому многих интересует вопрос, как рассчитать трансформатор того или иного типа, чтобы тот выдавал необходимое количество электрической мощности и коэффициент полезного действия был максимально приближен к 1.

Но сразу, стоит уверить вас, что КПД равный 1 – это нереальный фактор, потому что потери присутствуют всегда, поэтому выполняя расчет онлайн или традиционным методом, увидев показатель равный 40% при расчете силового трансформатора на железе – это уже хорошо.

Для импульсных же устройств программа расчета выдаст по меньшей мере 55-60%.

Поэтому, если вы хотите сделать устройство наиболее эффективное, то выбирайте именно импульсный тип трансформатора, но если требуется сделать надежный силовой агрегат, где неважна потребляемая мощность, то, конечно, берем в расчет трансформаторное железо.

Порядок расчета трансформаторов

Все программы расчета трансформаторов производят обработку данных по известным нам формулам из научных изданий, поэтому правильность ее программы всегда можно проверить.

Но необходимость знания табличных величин может завести вас в заблуждение.

Поэтому сейчас разберем некоторые подробности расчета трансформаторов с тороидальным сердечником на трансформаторном железе или на феррите.

Тороид обладает наилучшими качествами по сравнению со всеми другими типами сердечников, так как в нем отсутствуют зазоры, и как результат, минимизированы потери на вихревые токи. Поэтому КПД у таких трансформаторов существенно выше, поэтому если хотите сделать качественное устройство, то используйте именно такой тип сердечника, правда, на него сложнее мотать обмотку, но дело того стоит.

Этапы определения параметров

Первым делом для правильности расчета потребуется определить основные параметры будущего трансформатора. К ним относятся:

• напряжение и ток на первичной обмотке;
• эти же показатели на вторичной обмотке.

Далее, выполняется расчет количества витков на каждой из обмоток, выбирается тип провода по таблице и полученным результатам расчета тока, но прежде потребуется измерять размеры сердечника, если он имеется. Либо же, наоборот, задаться необходимой мощностью, и рассчитать параметры кольца. Именно это предлагают все онлайн-программы расчета трансформаторов.

Выбирая количество витков на первичной обмотке, необходимо помнить о том, что при их недостаточном числе она будет сильно греться, и в конечном итоге сгорит. А при достаточно большем будет невелико напряжение на вторичной, поэтому необходимо пользоваться строго справочными данными и формулами из учебников.

Рассмотрим пример расчета трансформатор, намотанного на тороидальном типе сердечника и питаемый от сети с частотой 50 Гц.

Для упрощения процесса расчета устройства можно воспользоваться табличными данными, которая показывает формулы и переменные, используемые для определения параметров намоточного изделия, сведенные в таблице ниже:

Для изготовления сердечников таких сетевых трансформаторов применяется 2 типа стали:

• Э310-330 холоднокатанного типа и толщиной пластин в пределах 0,35- 0,5 мм ;
• Э340-360 обычная сталь толщиной 0,05 – 0,1 мм .

Следует понимать, что число витков для каждого типа стали может быть различным, что связано с магнитной проницаемостью сердечника, прочих показателей.

В таблице же ω 1 и ω 2 – это число витков для холоднокатанной и обычной стали соответственно.

Рг – габаритная мощность трансформатора; S – параметры сердечника (площадь сечения), ∆ — максимально допустимая плотность тока в обмотках; η – коэффициент полезного действия устройства.

Одной из особенностей изготовления тороидального трансформатора является то, что в нем используется наружная и межобмоточная изоляции, поэтому проводники должны быть с достаточно эластичным покрытием. В качестве таковых часто выбирают ПЭЛШО или ПЭШО также пользуется популярностью ПЭВ-2. В качестве наружного типа изоляции применяются следующие типы материалов:

• лакоткань;
• батистовая лента;
• триацетатная пленка;
• фторопластовая пленка.

Преимущества использования программ

Одним из преимуществ использования онлайн-калькуляторов для расчета параметров трансформатора является отсутствие необходимости во всех вышеперечисленных нюансах.

Но результат получается приблизительным, поэтому это важно помнить, используя ту или иную программу.

Конечно, есть более качественные проекты с расчетом трансформаторов, в которых учитывается толщина изоляционной пленки, тип стали, плотность намотки.

Основные формулы и порядок их применения

Далее, необходимо задаться основными параметрами будущего трансформатора. К ним относятся напряжение сети Uс и выходное напряжение со вторичной обмотки Uн. Также задаемся током в нагрузке Iн, именно этот показатель зачастую является самым главным, определяющим характеристики устройства.

Некоторые калькуляторы совместно с внесением данных в форму также показывают основные формулы, по которым было определено полученное значение. Это намного облегчает процесс и одновременно позволяет более углубленно понять принцип расчета. В любом случае при задании основных данных в форму программа первым делом определяет мощность нВ вторичной обмотке по известной формуле:

Р=Uн х I н.

Далее, она рассчитывает габаритную мощность по следующей формуле:

Рг=Р/ η.

Следующим шагом при расчете параметров любого тороидального трансформатора является определение сечения сердечника. Она вычисляется по формуле:

S расч=√Рг/1,2.

Для правильного выбора сердечника, необходимо воспользоваться следующей формулой расчета сечения:

S =( Dc — dc ) hc /2.

После чего, пользуясь справочной таблицей параметров сердечников, выбираем ближайший по характеристикам. Подбирать необходимо магнитопровод с большей мощностью, чем рассчитанная по формуле.

Следующим шагом, который выполняет программа расчета сварочного или силового трансформатора с питанием от сети 50Гц, является определение количества витков на 1 вольт.

Для этого необходимо воспользоваться постоянными величинами, взятыми из справочника. Дело в том, что для каждого типа сердечника имеется своя константа.

Например, для магнитопровода из стали Э320 она равна 33,3, а формула выглядит следующим образом:

ω 1=33,3/ S .

Далее, определяется общее число витков на первичной и на вторичной обмотках в соответствии с выбранным железом:

W 1-1 = ω 1 х Uc ;

W 1-2 = ω 1 х U н.

Осуществляя расчеты числа витков на обмотках сварочного тороидального трансформатора, необходимо учесть рассеиваемую мощность, из-за чего напряжение на выходе будет занижено на 3%. Поэтому для корректности расчетов рекомендуется увеличить число витков на вторичной обмотке ровно на эту разницу.

Следующим шагом будет определение диаметра проводов обеих обмоток. Для этого вычисляется значение тока в первичной обмотке:

I 1=1,1(Р2/ Uc ). А по формуле:

d 1=1,13√ I 1/∆ определяется параметр провода.

Такой расчет справедлив для всех типов трансформаторов как силовых, так и сварочных с питанием от сети частотой 50Гц. Программа расчета производит те же операции, что были приведены выше.

Только она может оперировать данными в любом порядке.

Например, задавая количество витков, можно определить напряжение и мощность сердечника, вводя параметры сердечника, можно узнать мощность и электрические характеристики трансформатора.

Расчет импульсного трансформатора

Как и в случае с обычным силовым трансформатором, импульсные также могут быть рассчитаны с помощью онлайн-калькуляторов и различных программ. Формулы будут похожи, но необходимо будет учесть магнитную проницаемость и прочие параметры ферритового сердечника. Потому, что от его свойств напрямую зависит качество и корректность работы готового устройства.

При выполнении расчетов сварочных импульсных трансформаторов при помощи программ, многие из них дают подсказки, представляя мостовые схемы выпрямителей и прочее. Все это намного облегчает процесс, так как традиционными методами он сложен.

Но, в общем, принцип остается таким же. А что насчет программ калькуляторов, то их в интернете можно найти большое количество для выполнения расчета любых импульсных или обычных сетевых устройств различной мощности и электрических параметров.

Источник:

Применение автоматического калькулятора онлайн для расчета трансформатора радиолюбителями Ссылка на основную публикацию