Исходные данные:

Входное напряжение U1 = 220 В

Выходное напряжение U2 = 22 В

Максимальный ток нагрузки I2 = 10 А

Мощность вторичной цепи определяем из формулы:

P2 = U2 * l2 =220 Вт

Имеется кольцевой ленточный магнитопровод с размерами: в = 4 см, с = 7,5 см, а = 2 см (рис. 7.17в).

Sок =p*R2 =3,14*3,752 =44,1 кв. см ;

Sст =а*в=2*4 =8 кв. см

Воспользовавшись формулой мощности и таблицами, определяем, какую максимальную мощность можно снять сданного магнитопровода:

Расчетная величина превышает необходимую по исходным данным (Р2 = 220 Вт), что позволяет применить данный магнитопровод для намотки нужного трансформатора, но если требуются минимальные габариты трансформатора, то железо магнитопровода можно взять меньших размеров (или снять часть ленты), в соответствии с расчетом.

Номинальный ток первичной обмотки:

Сечение провода в обмотках:

Диаметр провода в обмотках:

Выбираем ближайшие диаметры провода из ряда стандартных размеров, выпускаемых промышленностью, — 0,64 и 2 мм, типа ПЭВ или ПЭЛ.

Число витков в обмотках трансформатора:

Russian Hamradio — Методика расчета сетевого трансформатора.

Аморфные и нанокристаллические сплавы в импульсных источниках питания. Программы расчёта моточных компонентов

Аннотация:

Иллюстрация пяти программ — калькуляторов для разработки электромагнитных компонентов ИИП с применением современных магнитомягких материалов — аморфных и нанокристаллических сплавов. Пример разработки много- канального форвард конвертера. Расчёт дросселя сетевого фильтра, силового трансформатора, дросселя магнитного усилителя, выходных дросселей, помехоподавляющих дросселей. Советы, рекомендации, полезные ссылки, сравнение расчётных и экспериментальных данных. В помощь профессионалам и радиолюбителям.

Программы доступны на сайте www.mstator.ru в разделе «Дизайн-центр».

Примечание: Компактная версия статьи «Программы расчёта моточных изделий в импульсных преобразователях» опубликована в журнале

«Электронные компоненты», №2, 2014 год.

Сведения об авторе: Фоченков Эдуард Анатольевич. Ведущий инженер, нач. бюро механизации и автоматизации ОАО МСТАТОР, г. Боровичи Новгородской обл. Разработчик технологического оборудования и контрольно-измерительной техники. Технический консультант, автор ряда статей и технических материалов по свойствам и применению аморфных и нанокристаллических магнитопроводов, аппаратуре для измерения динамических параметров петли гистерезиса. Статьи опубликованы в журналах КИПиС, Радио, Электрическое питание и др.

Аморфные и нанокристаллические магнитные сплавы появились относительно недавно, с 1970 года. Область применения этих материалов динамично расширяется [1]. Они имеют свои преимущества и особенности, а информации по их применению мало. Для многих они ещё остаются экзотикой и загадкой [2-4].

Цель этой статьи – познакомить разработчиков и радиолюбителей с комплектом программ – калькуляторов [5]. Автор выражает благодарность В.М. Денисенко, создавшему программы по ТЗ производителя и согласованной методике.

На рисунке 1 приведена упрощённая схема прямоходового преобразователя с фиксированной (R1, C6) скважностью 0.35 и двухканальным выходом. Частота преобразования 100 кГц. Канал 1 стабилизирован магнитным усилите- лем (МУ) на дросселе L2. Канал 2 классический, не стабилизированный. Конфигурация схемы выбрана для демонстрации программ. В практических схемах обычно присутствует ОС с канала 2 через оптопару на ШИМ контроллер (или ОС с отдельной обмотки). Остальные выходы стабилизируются локальными МУ, обеспечивающими полную независимость каналов.

Рис.1. Схема двухканального прямоходового конвертера

Расчёт трансформатора.

Задаём исходные данные (см. рис.2). Питание от сети выбрано с учётом её колебаний. Коэффициент заполнения окна небольшой – 0.35; он выбирается с учётом изоляции между обмотками. Номинальное напряжение выходов 18 В выбрано с учётом запаса на регулирование выходного напряжения с помощью МУ. Номинальный ток нагрузки в канале 1 выбирается ниже заданных 4А, исходя из требуемой выходной мощности. Допустимая температура 120°C. Ожидаемая макс. температура позволяет по желанию снизить это ограничение (автором выбрано 110°C). Отношение сопротивлений Rac/Rdc позволяет уменьшить поверхностный эффект (скин-эффект) за счёт увеличения числа проводов. Стабилизация выходов: имеется в виду наличие общей ШИМ-стабилизации преобразователя.

Серия магнитопроводов (вверху справа). Выбираем серию магнитопроводов (на рисунке 2 вверху справа):

1. MSTN. Недорогой нанокристаллический сплав АМАГ-200. Максимальная индукция 1.2 Тл. Малые потери. Рабочая температура до 120 °С. Магнитная проницаемость не менее 20 000.
2. MST. Аморфный сплав АМАГ-186 с высоким содержанием кобальта. Максимальная индукция 0.9 Тл. Потери немного выше АМАГ-200. Рабочая температура до 120 °С. Возможно изготовление из трёх близких сплавов, отличающихся проницаемостью: АМАГ-187 – проницаемость 1400; АМАГ-186 – проницаемость 2000; АМАГ-185 – проницаемость 3300. В схеме (рис.1) использован магнитопровод из материала АМАГ-185 с проницаемостью 3300. Очень линейная «плоская» петля гистерезиса, проницаемость мало зависит от размаха индукции и частоты, что важно для резонансных преобразователей. Часто применяется для прецизионных трансформаторов тока.

В данной схеме (Рис.1) применение серии MSTN может создать проблемы с размагничиванием магнитопровода из-за высокой индуктивности первичной обмотки. Большой период собственных колебаний контура первичной обмотки (первичная обмотка Т1 – емкость C_си VT1) может потребовать снижения частоты преобразования или применения другой топологии (например, косого полумоста). Выбираем серию MST.

Рис.2. Расчёт трансформатора форвард конвертера

После нажатия кнопки Автоматический выбор магнитопровода и его расчёт, программа выводит результаты (Рис.2). Предусмотрена ручная оптимизация проекта с возможностью выбора другого магнитопровода, изменения числа витков, диаметра провода и числа проводов каждой обмотки. Например, если потери в магнитопроводе значительно больше, чем в проводах, нужно увеличить число витков первичной обмотки. Если потери в какой то обмотке доминируют, увеличивается диаметр провода в ней и т.п. Как вариант поиска лучшего решения, советую провести серию последовательных расчётов, изменяя исходную плотность тока в диапазоне от 10 до 2 А/мм². Лучший вариант далее оптимизируется в соответствии с конкретными требованиями разработчика [6].

Расчёт дросселя МУ L2.

Дроссель L2 образует с нагрузкой делитель напряжения. Магнитопровод с прямоугольной петлёй гистерезиса (ППГ) работает по частному циклу. На прямом участке петли гистерезиса (ПГ) магнитопровод намагничивается до полного насыщения, что соответствует очень низкой проницаемости и минимальному импедансу дросселя. Т.е. делителя фактически нет, и весь импульс напряжения прикладывается к нагрузке. На обратном участке ПГ магнитопровод перемагничивается малым обратным током управления, его импеданс становится максимальным, и в следующем цикле он практически отключает нагрузку на определённое время. МУ «вырезает» часть входного импульса, что приводит к уменьшению коэффициента заполнения (см. рис. 7, осциллограммы С,D; H,E). Величина вырезаемой вольт-секундной площади (потока) регулируется током управления, который определяет точку возврата по ПГ. Максимальный ток управления соответствует предельной ПГ. При этом вырезается максимальная часть импульса и выходное напряжение минимально, или отключено. Особенно эффективны эти схемы в низковольтных сильноточных многока- нальных источниках [7].

Задаём исходные данные (см. рис.3). Следует заметить, что программа расчёта трансформатора (см. рис. 2) имеет всплывающие подсказки. Это текстовые пояснения и некоторые дополнительные данные. Например, при наведении курсора на выходное напряжение, появляются данные об амплитуде импульса выходного напряжения. Это значение (64.4В) мы используем далее при расчёте дросселя МУ. Коэффициент заполнения окна может быть более высоким, до 0,45.

Опция Только регулирование – используется, если не требуется функция защиты по выходному току. Работа с отключением – когда используется защита по току с полным отключением выхода. Однослойная обмотка (в одинряд виток к витку) имеет минимальную паразитную ёмкость. Многослойная обмотка позволяет минимизировать раз- меры дросселя МУ. Плотность тока в диапазоне от и до – программа перебирает автоматически весь заданный диапазон плотности тока и выбирает оптимум по минимальномуперегреву.

Серия магнитопроводов. Доступны серии:

1. MSSA-L. Аморфный материал АМАГ-172 на основе кобальта с малой коэрцитивной силой и индукцией 0.6 Тл. Отжиг в продольном поле. Коэффициент прямоугольности на частоте 100 кГц: около 0.98.
2. MSSA-N. Тот же материал. Отжиг без поля. Коэффициент прямоугольности на частоте 100 кГц: около 0.94. Коэрцитивная сила немного ниже относительно MSSA-L. Более плавная кривая регулирования. Используется в ряде применений, когда не устраивает первая серия.
3. MSSN. Недорогой нанокристаллический материал АМАГ-200. Отжиг в продольном поле. За счёт высокой индукции (1.2 Тл) дроссель имеет минимальные габариты. Коэрцитивная сила и ток управления выше MSSA-L. Ограниченный ряд типоразмеров.

Рис.3. Расчёт дросселя магнитного усилителя L2

Программа выдаёт две температуры дросселя: температуру дросселя в рабочем режиме (регулирование) и температуру при отключении (защита). Если температура при отключении высокая, на этапе оптимизации можно увеличить число витков дросселя. При этом температура при отключении и ток управления снижаются, а температура дросселя в рабочем режиме повышается. Так при автоматическом расчёте программа выдаёт для нашего случая 21 виток провода 0.8 мм. Температура дросселя: 72.3°С. Температура при отключении: 119.9°С. На этапе оптимизации увеличиваем вручную число витков до 28 и получаем данные, приведённые на рисунке 3. Малый ток управления позволяет снизить потери транзистора VT2, однако для МУ критичен обратный ток диода VD7. Это постоянная составляющая тока управления, которая приводит к уменьшению верхней границы диапазона регулирования. Для диодов Шоттки обратный ток значителен, и растёт с ростом температуры. Не следует проектировать дроссель МУ с очень малым током управления. Иногда даже приходится отказываться от применения диодов Шоттки.

Расчёт выходных дросселей L6, L7

В группе «Исходные данные» (см. рис.4) не следует указывать неоправданно низкий минимальный выходной ток. Это ведёт к увеличению габарита дросселей, т.к. именно это значение используется для расчёта требуемой индуктивности. Величину амплитуды импульса перед дросселем берём из программы расчёта трансформатора (см. рис.2). Величину коэффициента заполнения окна можно выбирать повыше (0.45 ÷ 0.47). Когда окно полностью заполнено проводом, как правило, получается минимум потерь и перегрева.

Серия магнитопроводов. Для выбора доступны следующие серии:

1. MSC. Серия из известного аморфного сплава 2НСР с распределённым зазором. Максимальная индукция 1.5 Тл. Изделия имеют высокий коэффициент индуктивности, средние потери, максимальное поле смещения до 35 Э.
2. MSC-L. Тот же материал. Малогабаритные низкопрофильные магнитопроводы c распределённым зазором, применяемые в микросборках.
3. АРНР60, АРНР90. Новейшая серия порошковых магнитопроводов на основе измельчённой аморфной ленты с покрытием. Максимальная индукция 1.5 Тл. Очень высокое максимальное поле смещения за счёт высокой индукции до 100 Э для серии АРНР90 (проницаемость 90) и выше 150Э для серии АРНР60 . Очень малые потери, на уровне лучших импортных магнитодиэлектриков, имеющих гораздо меньшее допустимое поле смещения [10].
4. АРМР60, APMP90, APMP125. Новейшая серия порошковых магнитопроводов на основе измельчённой нанокристаллической ленты с покрытием. Индукция 1.2 Тл. Проницаемость, соответственно: 60, 90, 125. Самые малые потери — ниже, чем у серии APHP. Допустимое поле смещения меньше относительно серии АРНP из-за меньшей индукции.

В нашем случае выходной ток небольшой, оптимальна порошковая серия с максимальной проницаемостью и минимальными потерями APMP125. Результат расчёта дросселя L6 приведён на рисунке 4. Можно использовать тот же дроссель L7.

Рис. 4. Расчёт выходного дросселя L6

Выбор помехоподавляющих дросселей L3 — L5.

Помехоподавляющие дроссели применяются взамен традиционных RC демпферных цепей (снабберов), включаемых параллельно диодам. Дроссели формируют паузу на время обратного восстановления диодов. Они блокируют быстрые изменения тока, изменяют характер переключения на мягкий, устраняя саму причину помех. Дроссели имеют меньший габарит относительно классических снабберов и меньшие потери [8].

Магнитопроводы серии MSB, как правило, используются как одновитковые дроссели, т.е. надеваются на выводы элементов. В данном случае (для небольшого выходного тока) они используются автором в качестве трёхвитковых дросселей, устанавливаемых отдельно. Результаты расчёта приведены на рисунке 5.

Расчёт синфазного фильтра.

Задаём требуемую индуктивность обмотки 12 мГн на частоте преобразования 100 кГц (см. рис.6). В программе можно задать индуктивность на двух частотах – 100 и 10 кГц. На этих частотах производителем нормируется коэффициент индуктивности магнитопроводов.

Из данных расчёта трансформатора (см. рис.2) берём максимальный ток потребления (АС) 0.65А. Обмотки разделены диэлектрической вставкой для исключения пробоя. Задаём зазор между обмотками, фактически равный толщине вставки – 0.5 мм. Плотность тока для открытых обмоток может быть высокой при допустимом перегреве. Задаём 10 А/мм².

Данные расчёта приведены на рисунке 6.

Рис.5. Расчёт помехоподавляющих дросселей

Рис.6. Расчёт дросселя сетевого синфазного фильтра

Экспериментальная проверка подтвердила работоспособность всех моточных компонентов и показала неплохое совпадение расчётных данных с фактическими (см. табл. 1).

При проектировании печатной платы необходимо учитывать взаимное тепловое влияние элементов, увеличиваю- щее перегрев. Дроссель L2 одновременно выполняет функцию помехоподавляющего (для диода VD7). Поскольку он гасит высокочастотные колебания на фронтах импульсов, его перегрев значительно выше расчётного. Во всех случаях необходима практическая проверка проекта с измерением рабочей температуры компонентов.

На рисунке 7 приведены осциллограммы в характерных точках схемы. В качестве иллюстрации эффективности помехоподавляющих дросселей L4, L5 на рисунке 8 представлены осциллограммы в точках E,F при исключённом дросселе L4.

Таблица 1

В заключение кратко остановимся на интересной особенности работы прямоходового конвертера в том случае, когда в схеме нет классического выхода. Рассмотрим, например, двухканальный стабилизированный источник ±15В, 4А на рисунке 9.

В этом случае дроссели МУ отключают выход в части периода и исключают переход энергии собственных колебаний контура первичной обмотки в нагрузку. Это может быть использовано при разработке схем с включением транзистора при нуле напряжения (ZVS). Для сетевых источников с целью снижения напряжения на ключе, как правило, применяют активное демпфирование. В компромиссном варианте (см. рис. 9) напряжение на стоке транзистора VT1 ограничено на уровне 700В за счёт размагничивающей обмотки. При этом включение транзистора VT1 происходит не в нуле, но с достаточно малым напряжением стока (около 50В – осциллограмма А, см. рис.10) при минимальном токе, т.к. нагрузка отключена дросселем МУ. Подключение нагрузки и скачкообразный рост тока VT1 происходят с задержкой, уже при нулевом напряжении на стоке (см. осциллограммы А,В,D на рисунке 10). Малое напряжение и ток в момент включения VT1 снижают ВЧ помехи и динамические потери. Подбором С_доп обеспечивается совпадение момента включения VT1 с минимумом напряжения на стоке. Благодаря уникальной линейности ПГ (без зазора) и стабильности свойств магнитопровода [9] это совпадение сохраняется не зависимо от выходного тока, температуры, входного напряжения и т.п. В случае меньшего входного напряжения (например, DC-DC преобразователь) или используя высоковольтный транзистор, можно получить чистый ZVS преобразователь с переключением в нуле напряжения. В этом случае размагничивающая обмотка исключается. При этом качественные характеристики трансформатора повышаются. Транзисторы VT2, VT3 обеспечивают ограничение выходного тока каналов на заданном уровне (источник тока). Дроссели L8,L9 сглаживают ВЧ-пульсации и выполнены на низкопрофильных магнитопроводах MSC1020. Они имеют 16 витков провода диаметром 0.67 мм. Расчёт был выполнен с помощью той же программы для выходных дросселей, исходя из требуемой индуктивности при заданном токе нагрузки.  Осциллограммы приведены на рисунке 10.

Рис. 7. Осциллограммы в характерных точках схемы рисунка 1

Рис. 8. Осциллограммы в точках E,F с замкнутым дросселем L4

Рис.9. Вариант схемы двухполярного источника

Рис. 10. Осциллограммы в характерных точках схемы рисунка 9.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Martin Ferch, Magnetec GmbH, Langenselbold, Germany: “Application examples of nanocrystalline inductive components in today’s power electronic systems”. Soft Magnetic Materials Conference, Budapest, Hungary, September 2013.
2. В.С. Чернов, О.Г. Иванов и др. Российские аморфные и нанокристаллические магнитные материалы: Физические свойства и применение. М., Наукоёмкие технологии, №10, 2008 г.
3. Аморфные и нанокристаллические магнитомягкие сплавы МСТАТОР // www.mstator.ru.
4. Ленты аморфные и нанокристаллические // www.mstator.ru.
5. Программы для расчёта компонентов. Дизайн-центр // www.mstator.ru.
6. Особенности и порядок работы с программами. Дизайн-центр // www.mstator.ru.
7. Э.Фоченков. Применение аморфных магнитопроводов насыщения серии MSSA в многоканальных импульсных источниках питания. МСТАТОР. Аморфные магнитопроводы с прямоугольной петлёй гистерезиса. Информация по применениию // www.mstator.ru.
8. Э. Фоченков.
9. Магнитопроводы для силовых трансформаторов ИИП // www.mstator.ru.
10. Новейшие порошковые магнитопроводы АРН, АРМ // www.mstator.ru.

Э.Фоченков, edf01@yandex.ru.

Скачать статью .pdf

На какую мощность рассчитываются обмотки трансформатора. Расчет трансформатора с тороидальным магнитопроводом. Подключение обмоток трансформаторов ТПП

Иногда приходится самостоятельно изготовлять силовой трансформатор для выпрямителя. В этом случае простейший расчет силовых трансформаторов мощностью до 100-200 Вт проводится следующим образом.

Зная напряжение и наибольший ток, который должна давать вторичная обмотка (U2 и I2), находим мощность вторичной цепи: При наличии нескольких вторичных обмоток мощность подсчитывают путем сложения мощностей отдельных обмоток.

Мощность передается из первичной обмотки во вторичную через магнитный поток в сердечнике. Поэтому от значения мощности Р1 зависит площадь поперечного сечения сердечника S, которая возрастает при увеличении мощности. Для сердечника из нормальной трансформаторной стали можно рассчитать S по формуле:

где s — в квадратных сантиметрах, а Р1 — в ваттах.

По значению S определяется число витков w» на один вольт. При использовании трансформаторной стали

Если приходится делать сердечник из стали худшего качества, например из жести, кровельного железа, стальной или железной проволоки (их надо предварительно отжечь, чтобы они стали мягкими), то следует увеличить S и w» на 20-30 %.

и т.д.

В режиме нагрузки может быть заметная потеря части напряжения на сопротивлении вторичных обмоток. Поэтому для них рекомендуется число витков брать на 5-10 % больше рассчитанного.

Ток первичной обмотки

Диаметры проводов обмоток определяются по значениям токов и исходя из допустимой плотности тока, которая для трансформаторов принимается в среднем 2 А/мм2. При такой плотности тока диаметр провода без изоляции любой обмотки в миллиметрах определяется по табл. 1 или вычисляется по формуле:

Когда нет провода нужного диаметра, то можно взять несколько соединенных параллельно более тонких проводов. Их суммарная площадь сечения должна быть не менее той, которая соответствует рассчитанному одному проводу. Площадь поперечного сечения провода определяется по табл. 1 или рассчитывается по формуле:

Для обмоток низкого напряжения, имеющих небольшое число витков толстого провода и расположенных поверх других обмоток, плотность тока можно увеличить до 2,5 и даже 3 А/мм2, так как эти обмотки имеют лучшее охлаждение. Тогда в формуле для диаметра провода постоянный коэффициент вместо 0,8 должен быть соответственно 0,7 или 0,65.

В заключение следует проверить размещение обмоток в окне сердечника. Общая площадь сечения витков каждой обмотки находится (умножением числа витков w на площадь сечения провода, равную 0,8d2из, где dиз — диаметр провода в изоляции. Его можно определить по табл. 1, в которой также указана масса провода. Площади сечения всех обмоток складываются. Чтобы учесть ориентировочно неплотность намотки, влияние каркаса изоляционных прокладок между обмотками и их слоями, нужно найденную площадь увеличить в 2-3 раза. Площадь окна сердечника не должна быть меньше значения, полученного из расчета.

Таблица 1

В качестве примера рассчитаем силовой трансформатор для выпрямителя, питающего некоторое устройство с электронными лампами. Пусть трансформатор должен иметь обмотку высокого напряжения, рассчитанную на напряжение 600 В и ток 50 мА, а также обмотку для накала ламп, имеющую U = 6,3 В и I = 3 А. Сетевое напряжение 220 В.

Определяем общую мощность вторичных обмоток:

Мощность первичной цепи

Находим площадь сечения сердечника из трансформаторной стали:

Число витков на один вольт

Ток первичной обмотки

Число витков и диаметр проводов обмоток равны:

Для первичной обмотки

Для повышающей обмотки

Для обмотки накала ламп

Предположим, что окно сердечника имеет площадь сечения 5×3 = 15 см2 или 1500 мм2, а у выбранных проводов диаметры с изоляцией следующие: d1из = 0,44 мм; d2из = 0,2 мм; d3из = 1,2 мм.

Проверим размещение обмоток в окне сердечника. Находим площади сечения обмоток:

Для первичной обмотки

Для повышающей обмотки

Для обмотки накала ламп

Общая площадь сечения обмоток составляет примерно 430 мм2.

Как видно, она в три с лишним раза меньше площади окна и, следовательно, обмотки разместятся.

Расчет автотрансформатора имеет некоторые особенности. Его сердечник надо рассчитывать не на полную вторичную мощность Р2, а только на ту ее часть, которая передается магнитным потоком и может быть названа трансформируемой мощностью Рт.

Эта мощность определяется по формулам:

Если автотрансформатор имеет отводы и будет работать при различных значениях n, то в расчете надо брать значение п, наиболее отличающееся от единицы, так как в этом случае значение Рт будет наибольшее и надо, чтобы сердечник мог передать такую мощность.

Затем определяется расчетная мощность Р, которая может быть принята равной 1,15 Рт. Множитель 1,15 здесь учитывает КПД автотрансформатора, который обычно несколько выше, чем у трансформатора. Д

алее применяются формулы расчета площади сечения сердечника (по мощности Р), числа витков на вольт, диаметров проводов, указанные выше для трансформатора. При этом надо иметь в виду, что в части обмотки, являющейся общей для первичной и вторичной цепей, ток равен I1 — I2, если автотрансформатор повышающий, и I2 — I1 если он понижающий.

Трансформаторы используются в блоках питания различной аппаратуры для преобразования переменного напряжения. Блоки питания, собранные по трансформаторной схеме, постепенно снижают распространенность благодаря тому, что современная схемотехника позволяет понизить напряжение без самого громоздкого и тяжелого элемента системы питания. Трансформаторы для блока питания актуальны в тех случаях, когда габариты и масса не критичны, а требования к безопасности велики. Обмотки (кроме автотрансформатора) осуществляют гальваническое разделение и изоляцию цепей первичного (или сетевого) и вторичного (выходного) напряжений.

Jpg?x15027″ alt=»Трансформатор»>

Трансформатор

Принцип действия и разновидности трансформаторов

Работа устройства основана на всем известном явлении электромагнитной индукции. Переменный ток, проходящий через провод первичной обмотки, наводит переменный магнитный поток в стальном сердечнике, а он, в свою очередь, вызывает появление напряжения индукции в проводе вторичных обмоток.

Совершенствование трансформатора с момента его изобретения сводится к выбору материала и конструкции сердечника (магнитопровода).

Типы сердечников

Металл для магнитопровода должен иметь определенные технические характеристики, поэтому были разработаны специальные сплавы на основе железа и особая технология производства.

Для изготовления трансформаторов наибольшее распространение получили следующие типы магнитопроводов:

• броневые;
• стержневые;
• кольцевые.

Силовой трансформатор низкой частоты, как понижающий, так и повышающий, имеет сердечник из отдельных пластин трансформаторного железа. Такая конструкция выбрана из соображения минимизации потерь из-за образования вихревых токов в сердечнике, которые нагревают его и снижают КПД трансформатора.

Броневые сердечники наиболее часто выполняются из Ш-образных пластин. Стержневые магнитопроводы могут изготавливаться из П-образных, Г-образных или прямых пластин.

Кольцевые магнитопроводы выполняются из тонкой ленты трансформаторной стали, намотанной на оправку и скрепленной клеящим составом.

Из ленты также могут выполняться броневые и стержневые сердечники, причем такая технология наиболее часто встречается у маломощных устройств.

Jpg?x15027″ alt=»Виды магнитопроводов»>

Виды магнитопроводов

Ниже приведена методика расчета трансформатора, где показано:

• как рассчитать мощность трансформатора;
• как выбрать сердечник;
• как определить количество витков и сечение (диаметр) проводов обмоток;
• как собрать и проверить готовую конструкцию.

Исходные данные, необходимые для расчета

Расчет сетевого трансформатора начинается с определения его полной мощности. Поэтому, перед тем, как рассчитать трансформатор, нужно определиться с мощностью потребления всех, без исключения, вторичных обмоток. Согласно мощности выбирается сечение сердечника. Опять же, от мощности определенным образом зависит и КПД. Чем больше полная мощность, тем выше КПД. Принято в расчетах ориентироваться на такие значения:

• до 50 Вт – КПД 0.6;
• от 50 Вт до 100 Вт – КПД 0.7;
• от 100 Вт до 150 Вт – КПД 0.8;
• выше 150 Вт – КПД 0.85.

Количество витков сетевой и вторичной обмоток рассчитывается уже после выбора магнитопровода. Диаметр или поперечное сечение проводов каждой обмотки определяется на основании протекающих через них токов.

Выбор магнитопровода сердечника

Минимальное сечение сердечника в см2 определяется из габаритной мощности. Габаритная мощность трансформатора – это суммарная полная мощность всех вторичных обмоток с учетом КПД.

Итак, мощность трансформатора можно определить, это полная суммарная мощность всех вторичных обмоток:

Data-lazy-type=»image» data-src=»http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2017/10/formula-1.jpg?x15027″ alt=»»>

Умножая полученное значение на КПД, завершаем расчет габаритной мощности.

Определение площади стержня сердечника производится после того, как произведен расчет габаритной мощности трансформатора из такого выражения:

Зная площадь сечения центрального стержня магнитопровода, можно подбирать нужный из готовых вариантов.

Важно! Сердечник, на котором будут располагаться обмотки, должен иметь, по возможности, сечение, как можно более близкое к квадрату. Площадь сечения должна быть равной или несколько больше расчетного значения.

Качество работы и технологичность сборки также зависит от формы магнитопровода. Наилучшим качеством обладают конструкции, выполненные на кольцевом магнитопроводе (тороидальные). Их отличает максимальный КПД для заданной мощности, наименьший ток холостого хода и минимальный вес. Основная сложность заключается в выполнении обмоток, которые в домашних условиях приходится мотать исключительно вручную при помощи челнока.

Проще всего делать трансформаторы на разрезных ленточных магнитопроводах типа ШЛ (Ш-образный) или ПЛ (П-образный). Как пример, можно привести мощный трансформатор блока питания старого цветного телевизора.

Jpg?x15027″ alt=»Трансформатор телевизора УЛПЦТИ»>

Трансформатор телевизора УЛПЦТИ

Трансформаторы старого времени выпуска или современные дешевые выполнены с использованием отдельных Ш,- или П-образных пластин. Технологичность выполнения обмоток у них такая же, как у ленточных разрезных, но трудность состоит в сборке магнитопровода. Такие устройства практически всегда будут иметь повышенный ток холостого хода, особенно, если используемое железо низкого качества.

Расчет количества витков и диаметра проводов

Расчет трансформатора начинается с определения необходимого количества витков обмоток на 1 В напряжения. Найденное значение будет одинаковым для любых обмоток. Для собственных целей можно применить упрощенный метод расчета. Посчитать, сколько надо витков на 1 В можно, подставив площадь сечения стержня магнитопровода в см2 в формулу:

Data-lazy-type=»image» data-src=»http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2017/10/formula-2.jpg?x15027″ alt=»»>

где k – коэффициент, зависящий от формы магнитопровода и его материала.

На практике с достаточной точностью приняты следующие значения коэффициента:

• 60 – для магнитопровода из Ш,- и П-образных пластин;
• 50 – для ленточных магнитопроводов;
• 40 – для тороидальных трансформаторов.

Большие значения связаны с невозможностью плотного заполнения сердечника отдельными металлическими пластинами. Как видно, наименьшее количество витков будет иметь тороидальный трансформатор, отсюда и выигрыш в массе изделия.

Зная, сколько витков нужно на 1 В, можно легко узнать количество витков каждой из обмоток:

Data-lazy-type=»image» data-src=»http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2017/10/formula-3.jpg?x15027″ alt=»»>где U – значение напряжения холостого хода на обмотке.

У маломощных трансформаторов (до 50 Вт) нужно получившееся количество витков первичной обмотки увеличить на 5%. Таким образом, компенсируется падение напряжения, которое возникает на обмотке под нагрузкой (в понижающих трансформаторах первичная обмотка всегда имеет большее количество витков, чем вторичные).

Диаметр провода рассчитываем с учетом минимизации нагрева вследствие протекания тока. Ориентировочным значением считается плотность тока в обмотках 3-7 А на каждый мм2 провода. На практике расчет диаметра проводов обмоток можно упростить, используя простые формулы, что дает допустимые значения в большинстве случаев:

Data-lazy-type=»image» data-src=»http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2017/10/formula-4.jpg?x15027″ alt=»Трансформатор телевизора УЛПЦТИ»>

Меньшее значение применяется для расчета диаметров проводов вторичных обмоток, поскольку у понижающего трансформатора они располагаются ближе к поверхности и имеют лучшее охлаждение.

Зная расчетное значение диаметра обмоточных проводов, нужно выбрать из имеющихся такие, диаметр которых наиболее близок к расчетному, но не менее.

После определения количества витков во всех обмотках, расчет обмоток трансформатора не лишним будет дополнить проверкой, поместятся ли обмотки в окно магнитопровода. Для этого подсчитайте коэффициент заполнения окна:

Data-lazy-type=»image» data-src=»http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2017/10/formula-5.jpg?x15027″ alt=»»>

Для тороидальных сердечников c внутренним диаметром D формула имеет вид:

Data-lazy-type=»image» data-src=»http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2017/10/formula-6.jpg?x15027″ alt=»»>

Для Ш,- и П-образных магнитопроводов коэффициент не должен превышать 0.3. Если это значение больше, то разместить обмотку не получится.

Jpg?.jpg 489w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2017/10/4-toroidalnyj-transformator.jpg 600w»>

Тороидальный трансформатор

Выходом из ситуации будет выбор сердечника с большим сечением, но это если позволяют габариты конструкции. В крайнем случае, можно уменьшить количество витков одновременно во всех обмотках, но не более чем на 5%. Несколько возрастет ток холостого хода, и не избежать повышенного нагрева обмоток, но в большинстве случаев это не критично. Также можно немного уменьшить провода по сечению, увеличив тем самым плотность тока в обмотках.

Важно! Увлекаться увеличением плотности тока нельзя, поскольку это вызовет сильный рост нагрева и, как следствие, нарушение изоляции и перегорание обмоток.

Изготовление обмоток

Намотка провода обмотки трансформатора производится на каркас, изготовленный из плотного картона или текстолита, за исключением тороидальных сердечников, в которых обмотка ведется непосредственно на магнитопровод, который перед намоткой нужно тщательно заизолировать. Можно использовать готовый пластиковый, который продается вместе с магнитопроводом.

Jpg?x15027″ alt=»Сборный каркас обмотки»>

Сборный каркас обмотки

Data-lazy-type=»image» data-src=»http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2017/10/6-plastikovyj-karkas-600×427.jpg?x15027″ alt=»Пластиковый каркас»>

Пластиковый каркас

Между отдельными обмотками нужно прокладывать межобмоточную изоляцию. Важнее всего – хорошо заизолировать вторичную обмотку от первичной. В качестве изоляции можно использовать трансформаторную бумагу, лакоткань, фторопластовую ленту. Ленту из фторопласта нужно использовать с осторожностью. Несмотря на высочайшие электроизоляционные качества, тонкая лента фторопласта под действием натяжения или давления (особенно межу первичной и вторичной обмотками) способна «потечь» и обнажить отдельные витки обмотки. Особенно этим страдает лента для уплотнения сантехнических изделий.

Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2017/10/6-ftoroplastovaja-lenta-1-150×150.jpg 150w»>

Фторопластовая лента

В отдельных, ответственных случаях, в процессе намотки можно пропитать первичную обмотку (если трансформатор понижающий) изоляционным лаком. Пропитка готового устройства в домашних условиях эффекта почти не даст, поскольку лак не попадет в глубину обмотки. Для этих целей на производствах существует аппаратура вакуумной пропитки.

Выводы обмоток делаются отрезками гибкого изолированного провода для проводов, диаметр которых менее 0.5 мм. Более толстый провод можно выводить напрямую. Места пайки гибкого и обмоточного проводов нужно дополнительно проложить несколькими слоями изоляции.

Обратите внимание! При пайке выводов нельзя оставлять на месте спайки острые концы проводов или застывшего припоя. Такие места нужно аккуратно обрезать бокорезами.

Сборка трансформатора

При сборке нужно учитывать следующие нюансы:

1. Пакет сердечника должен собираться плотно, без щелей и зазоров;
2. Отдельные части ленточного магнитопровода подогнаны друг к другу, поэтому менять местами их нельзя. Требуется аккуратность, поскольку при отслоении отдельных лент их невозможно будет установить на место;
3. Деформированные пластины сборного сердечника нельзя выравнивать молотком – трансформаторная сталь теряет свои свойства при механических нагрузках;
4. Пакет пластин сборного сердечника должен быть собран максимально плотно, поскольку при работе рыхлого сердечника будет издаваться сильный гул, увеличивающийся при нагрузке;
5. Весь пакет сердечника любого типа нужно плотно стянуть по той же причине.

Обратите внимание! Качество сборки будет лучше, если торцы ленточного разрезного сердечника перед сборкой покрыть лаком. Также готовый собранный сердечник перед окончательной утяжкой можно покрыть лаком.

При этом можно добиться значительного понижения постороннего звука.

Проверка готового трансформатора заключается в измерении тока холостого хода и напряжения обмоток под номинальной нагрузкой и на нагрев при максимальной нагрузке. Все измерения рассчитанного и собранного трансформатора нужно проводить только после полной сборки, поскольку с незатянутым сердечником ток холостого хода может быть больше обычного в несколько раз.

Ток холостого хода сильно различается в трансформаторах различных типов и составляет от 10 мА для тороидальных трансформаторов, до 200 мА – с Ш-образным сердечником из низкокачественного трансформаторного железа.

Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2017/10/7-izmerenie-holostogo-toka-210×140.jpg 210w»>

Измерение холостого тока

Приведен расчет трансформатора, который при наличии навыков можно произвести за пару десятков минут. Для тех, кто сомневается в своих силах или боится сделать ошибку, расчет силового трансформатора можно выполнить, используя калькулятор для расчета, который может работать как в off-line, так и в on-line режимах. Согласно данной методике возможна перемотка перегоревшего трансформатора. Для неисправного трансформатора расчет также ведется от имеющегося сердечника и значения напряжения вторичных обмоток.

Видео

Содержание:

Каждый электроприбор характерен номинальной электрической мощностью. Она обеспечивается источником питания. Он может располагаться либо внутри электроприбора, либо снаружи как внешнее устройство. Наглядный пример — ноутбук, телефон и многие другие приборы. В них содержится батарея, от которой питается устройство в автономном режиме. Но ее ресурс ограничен, и когда он исчерпывается, прибор подключается через адаптер к электросети 220 В.

Некоторые батареи обеспечивают напряжение всего лишь в 3–5 вольт. Поэтому адаптер служит для того, чтобы напряжение уменьшилось и стало равным батарейным параметрам. Основную функцию в изменении величины напряжения выполняют трансформаторы. Эта статья будет полезна тем читателям, у которых появится желание своими руками изготовить источник питания с трансформатором для тех или иных целей.

Немного теории

Напомним вкратце о том, как трансформатор устроен и что в нем происходит. Довольно давно, если судить по меркам человеческой жизни, было открыто явление электромагнитной индукции. Оно основано на принципиальном отличии электрических свойств прямого проводника от витка, если по ним пропускать один и тот же переменный ток. Так появился параметр индуктивности. С каждым новым витком индуктивность увеличивается. Дополнительное ее увеличение достигается заполнением внутреннего пространства витков материалом с магнитными свойствами (сердечником).

Однако влияние сердечника на силу тока ограничено. Как только он полностью намагничивается, эффект от его использования исчезает.

• Граничное состояние сердечника, соответствующее полному его намагничиванию, называется насыщением.

Витки, расположенные поверх сердечника, называются обмоткой. Если на нем расположены две одинаковые обмотки, но переменное напряжение подается только на одну из них (первичную), на выводах другой обмотки (вторичной) будет напряжение по частоте и величине такое же, как и на первой обмотке. В этом проявляется трансформация электроэнергии, а само устройство называется трансформатором. Если между обмотками существует электрический контакт, устройство называется автотрансформатором.

• Основа свойств трансформатора — это его сердечник (магнитопровод). Поэтому расчет трансформатора всегда выполняется в связи с материалом и формой магнитопровода.

Выбор материала определяют вихревые токи и потери, связанные с ними. Они увеличиваются с частотой напряжения на выводах первичной обмотки. На низких частотах (50–100 Гц) применяются пластины из трансформаторной стали. На более высоких частотах (единицы килогерц) — пластины из специального сплава, например, пермаллоя. Десятки и сотни килогерц — это область применения ферритовых сердечников. Виды (форма и размеры, особенно сечение по витку) магнитопровода определяют величину мощности, которую можно получить во вторичной обмотке.

Выбор магнитопровода

Геометрические пропорции промышленно выпускаемых сердечников стандартны. Поэтому их выбирают по размерам сечения внутри витка. Еще один параметр, который влияет на выбор магнитопровода — это индуктивность рассеяния. Она меньше у броневых и тороидальных конструкций. Что-либо вычислять не стоит — в многочисленных справочниках приводятся таблицы, а в интернете на тематических сайтах их аналоги.

Например, необходимо присоединить к сети нагрузку мощностью 100 Вт 12 В. По базовой таблице, показанной далее, выбирается типоразмер магнитопровода. Но учитываем то, что мощность ВТ меньше, чем ВА плюс неполная нагрузка для надежности. Поэтому используем коэффициент 1,43. Искомая мощность и типоразмер получатся как произведение, т.е. 143 ВА. По таблице выбираем ближайшее большее значение габаритной мощности и магнитопровод:

Пример расчета

Выбираем 150 ВА и ШЛ25х32. В таблице также приведено рекомендованное число витков на 1 вольт — W0: 3,9. Следовательно, число витков W1 первичной обмотки будет равно произведению напряжения сети на W0:

Раз число витков на 1 вольт известно, легко рассчитать и вторичную обмотку. В рассматриваемом случае три витка мало, а четыре много. Чтобы не ошибиться, наматываем три витка и оставляем запас провода для добавления после испытания трансформатора под нагрузкой. Для провода сетевой обмотки диаметр рассчитываем, используя силу тока. Ее определяем на основе мощности в первичной обмотке и сетевого напряжения. В сетевой обмотке расчетная сила тока составит:

Во вторичной обмотке сила тока составит:

Затем по таблице выбираем диаметр провода при плотности тока 2,5 А/мм кв:

Для первичной обмотки диаметр провода получается 0,59 мм, для вторичной — 2,0 мм. После этого надо выяснить, помещаются ли обмотки в окна магнитопровода. Это несложно определить на основе числа витков и диаметров проводов с учетом толщины каркасов катушек и слоев дополнительной изоляции. Рекомендуется сделать эскиз для наглядного расчета.

Если вторичных обмоток несколько, должны быть известны мощности для каждой из них. Они суммируются для получения параметров первичной обмотки. Затем расчет выполняется аналогично рассмотренному выше примеру. Но определение токов делается по мощности каждой вторичной обмотки.

Расчетные данные в виде таблиц приведены в справочниках для всех типов сердечников, но при определенных частотах напряжений первичной обмотки:

Для рассматриваемой нагрузки 100 Вт выбираем ПЛ20х40-50

Если требуемые параметры не совпадают с табличными значениями, придется использовать формулы:

S0 – площадь окна в магнитопроводе,

Sc – сечение материала магнитопровода по витку,

Рг – габаритная мощность,

kф – коэффициент формы напряжения на первичной обмотке,

f – частота напряжения на первичной обмотке,

j – плотность тока в проводе обмотки,

Bm – индукция насыщения магнитопровода,

k0 – коэффициент заполнения окна магнитопровода,

kс – коэффициент заполнения стали.

Упрощенные формулы справедливы только для тех случаев, которые эти упрощения определяют. Поэтому они не могут охватить все возможные ситуации и не будут обеспечивать приемлемую точность в большинстве из них.

Каждый из нас знает, что такое трансформатор. Он служит для преобразования напряжения в большее или меньшее значение. Когда мы приобретаем трансформатор в специализированных магазинах, как правило, в инструкции к ним имеется полное техническое описание. Вам нет необходимости считать все его параметры и измерять их, так как они все уже подсчитаны и выведены заводом-изготовителем. В инструкции вы сможете найти такие параметры, как мощность трансформатора, входное напряжение, выходное напряжение, количество вторичных обмоток, если их количество превышает одну.

Что делать, если вы приобрели б/у оборудование?

Но если к вам в руки попало уже использовавшееся оборудование и его функциональность вам неизвестна, необходимо самостоятельно рассчитать обмотку трансформатора и его мощность. Но как рассчитать обмотку трансформатора и его мощность хотя бы приблизительно? Стоит отметить, что такой параметр, как мощность трансформатора, очень важный показатель для данного устройства, так как от него будет зависеть, насколько функциональным будет устройство, собранное из него. Чаще всего его используют для создания блоков питания.

В первую очередь следует обозначить, что мощность трансформатора зависит от потребляемого тока и напряжения, которые необходимы для его функционирования. Для того чтобы подсчитать мощность, вам необходимо перемножить эти два показателя: силу потребляемого тока и напряжение питания устройства. Данная формула знакома каждому еще со школьной скамьи, выглядит она следующим образом:

P=Uн*Iн, где

Uн — напряжение питания, измеряется в вольтах, Iн — сила потребляемого тока, измеряется в амперах, P — потребляемая мощность, измеряется в ваттах.

Если у вас имеется трансформатор, который вы бы хотели измерить, то можете делать это прямо сейчас по следующей методике. Для начала необходимо осмотреть сам трансформатор и определиться с его типом и используемыми в нем сердечниками. Всматриваясь в трансформатор, необходимо понять, какой тип сердечника в нем используется. Самым распространенным считается Ш-образный тип сердечника.

Данный сердечник используется в не самых лучших трансформаторах, с точки зрения коэффициента полезного действия, но их вы можете легко найти на прилавках магазинов по продаже электротехники или выкрутить у старой и неисправной техники. Доступность и достаточно низкая цена делают их достаточно популярными среди любителей собрать устройство своими руками. Также можете приобрести тороидальный трансформатор, который иногда называют кольцевым. Он значительно дороже первого и обладает лучшим коэффициентом полезного действия и другими качественными показателями, используется в достаточно мощных и высокотехнологичных устройствах.

Вернуться к оглавлению

Самостоятельный расчет обмотки мощности трансформатора

Воспользовавшись книгами по радиотехнике и электронике, мы можем самостоятельно рассчитать со стандартным Ш-образным сердечником. Для того чтобы рассчитать мощность такого устройства, как трансформатор, необходимо правильно рассчитать сечение магнитопровода. Что касается стандартных трансформаторов с Ш-образным сердечником, размер сечения магнитопровода будет измеряться длиной поставленных пластин, выполненных из специальной электротехнической стали. Итак, для того чтобы определить сечение магнитопровода, необходимо перемножить два таких показателя, как толщина набора пластин и ширина центрального лепестка Ш-образной пластины.

Взяв линейку, мы сможем измерить ширину набора излучаемого трансформатора. Очень важно, что лучше всего все измерения проводить в сантиметрах, как и вычисления. Это сможет исключить появления ошибок в формулах и избавит вас от ненужных вычислений в переводы с сантиметров на метры. Итак, образно возьмем ширину рядов, равную трем сантиметрам.

Дальше необходимо измерить ширину его центрального лепестка. Данная задача может стать проблемной, так как многие трансформаторы могут по своим технологическим особенностям быть закрыты пластиковым каркасом. В таком случае вам будет нельзя, предварительно не видя реальной ширины, сделать какие-либо расчеты, которые хотя бы близко будут походить на реальные. Для того чтобы измерить данный параметр, вам понадобится поискать такие места, где это было бы возможно сделать. В ином случае можно аккуратно разобрать его корпус и измерить данный параметр, но стоит делать это с ювелирной точностью.

Вернуться к оглавлению

Формула расчета мощности

Найдя открытое место или разобрав прибор, вы сможете измерить толщину центрального лепестка. Абстрактно возьмем данный параметр, равный двум сантиметрам. Стоит напомнить, что, примерно рассчитывая мощность, следует как можно точнее проводить измерения. Далее вам необходимо перемножить размер набора магнитопровода, равного трем сантиметрам, и толщину лепестка пластины, равную двум сантиметрам. В итоге мы получаем сечение магнитопровода в шесть квадратных сантиметров. Чтобы делать дальнейший расчет, вам необходимо ознакомиться с такой формулой, как S=1,3*√Pтр, где:

1. S — это площадь сечения магнитопровода.2=20.35 Вт

   После всех подсчетов получаем абстрактное значение в 20,35 ватт, которое будет тяжело найти в трансформаторах с Ш-образным сердечником. Реальные значения колеблются в области семи ватт. Данной мощности будет вполне достаточно, чтобы собрать блок питания для аппаратуры, работающей на звуковых частотах и имеющей мощность в пределах от 3 до 5 ватт.

   Содержание:

   Многие электронные и радиотехнические устройства получают питание от нескольких источников постоянного напряжения. Они относятся к так называемым вторичным источникам питания. В качестве первичных источников выступают сети переменного тока, напряжением 127 и 220 вольт, с частотой 50 Гц. Для обеспечения аппаратуры постоянным напряжением, вначале требуется выполнить повышение или понижение сетевого напряжения до необходимого значения. Чтобы получить требуемые параметры, необходимо произвести расчет трансформатора, который выполняет функцию посредника между электрическими сетями и приборам, работающими при постоянном напряжении.

   Расчет силового трансформатора

   Для точного расчета трансформатора требуются довольно сложные вычисления. Тем не менее, существуют упрощенные варианты формул, используемые радиолюбителями при создании силовых трансформаторов с заданными параметрами.

   В начале нужно заранее рассчитать величину силы тока и напряжения для каждой обмотки. С этой целью на первом этапе определяется мощность каждой повышающей или понижающей вторичной обмотки. Расчет выполняется с помощью формул : P 2 = I 2 xU 2 ; P 3 = I 3 xU 3 ;P 4 = I 4 xU 4 , и так далее. Здесь P 2 , P 3 , P 4 являются мощностями, которые выдают обмотки трансформатора, I 2 , I 3 , I 4 — сила тока, возникающая в каждой обмотке, а U 2 , U 3 , U 4 — напряжение в соответствующих обмотках.

   Определить общую мощность трансформатора (Р) необходимо отдельные мощности обмоток сложить и полученную сумму умножить на коэффициент потерь трансформатора 1,25. В виде формулы это выглядит как: Р = 1,25 (Р 2 + Р 3 + Р 4 + …).

   Исходя из полученной мощности, выполняется расчет сечения сердечника Q (в см2). Для этого необходимо извлечь квадратный корень из общей мощности и полученное значение умножить на 1,2: . С помощью сечения сердечника необходимо определить количество витков n 0 , соответствующее 1 вольту напряжения: n 0 = 50/Q.

   На следующем этапе определяется количество витков для каждой обмотки. Вначале рассчитывается первичная сетевая обмотка, в которой количество витков с учетом потерь напряжения составит: n 1 = 0,97 xn 0 xU 1 . Вторичные обмотки рассчитываются по следующим формулам: n 2 = 1,03 x n 0 x U 2 ; n 3 = 1,03 x n 0 x U 3 ;n 4 = 1,03 x n 0 x U 4 ;…

   Любая обмотка трансформатора имеет следующий диаметр проводов:
   где I — сила тока, проходящего через обмотку в амперах, d — диаметр медного провода в мм. Определить силу тока в первичной (сетевой) обмотке можно по формуле: I 1 = P/U 1. Здесь используется общая трансформатора.

   Далее выбираются пластины для сердечника с соответствующими типоразмерами. В связи с этим, вычисляется площадь, необходимая для размещения всей обмотки в окне сердечника. Необходимо воспользоваться формулой: S м = 4 x (d 1 2 n 1 + d 2 2 n 2 +d 3 2 n 3 + d 4 2 n 4 + …), в которой d 1 , d 2 , d 3 и d 4 — диаметр провода в мм, n 1 , n 2 , n 3 и n 4 — количество витков в обмотках. В этой формуле берется в расчет толщина изоляции проводников, их неравномерная намотка, место расположения каркаса в окне сердечника.

   Полученная площадь S м позволяет выбрать типоразмер пластины таким образом, чтобы обмотка свободно размещалась в ее окне. Не рекомендуется выбирать окно, размеры которого больше, чем это необходимо, поскольку это снижает нормальную работоспособность трансформатора.

   Заключительным этапом расчетов будет определение толщины набора сердечника (b), осуществляемое по следующей формуле: b = (100 xQ)/a, в которой «а» — ширина средней части пластины. После выполненных расчетов можно выбирать сердечник с необходимыми параметрами.

   Как рассчитать мощность трансформатора

   Чаще всего необходимость расчета мощности трансформатора возникает при работе со сварочной аппаратурой, особенно когда технические характеристики заранее неизвестны.

   Мощность трансформатора тесно связана с силой тока и напряжением, при которых аппаратура будет нормально функционировать. Самым простым вариантом будет умножение значения напряжения на величину силы тока, потребляемого устройством. Однако на практике не все так просто, прежде всего из-за различия в типах устройств и применяемых в них сердечников. В качестве примера рекомендуется рассматривать Ш-образные сердечники, получившие наиболее широкое распространение, благодаря своей доступности и сравнительно невысокой стоимости.

   Для расчета мощности трансформатора понадобятся параметры его обмотки. Эти вычисления проводятся по такой же методике, которая рассматривалась ранее. Наиболее простым вариантом считается практическое измерение обмотки трансформатора. Показания нужно снимать аккуратно и максимально точно. После получения всех необходимых данных можно приступать к расчету мощности.

   Ранее, для определения площади сердечника применялась формула: S=1,3*√Pтр. Теперь же, зная площадь сечения магнитопровода, эту формулу можно преобразовать в другой вариант: Р тр = (S/1,3)/2. В обеих формулах число 1,3 является коэффициентом с усредненным значением.

   Расчёт трансформатора по сечению сердечника

   Конструкция трансформатора зависят от формы магнитопровода. Они бывают стержневыми, броневыми и . В стержневых трансформаторах обмотки наматываются на стержни сердечника. В броневых — магнитопроводом только частично обхватываются обмотки. В тороидальных конструкциях выполняется равномерное распределение обмоток по магнитопроводу.

   Для изготовления стержневых и броневых сердечников используются отдельные тонкие пластины из трансформаторной стали, изолированные между собой. Тороидальные магнитопроводы представляют собой намотанные рулоны из ленты, для изготовления которых также используется трансформаторная сталь.

   Важнейшим параметром каждого сердечника считается площадь поперечного сечения, оказывающая большое влияние на мощность трансформатора. КПД стержневых трансформаторов значительно превышает такие же показатели у броневых устройств. Их обмотки лучше охлаждаются, оказывая влияние на допустимую плотность тока. Поэтому в качестве примера для расчетов рекомендуется рассматривать именно эту конструкцию.

   В зависимости от параметров сердечника, определяется значение габаритной мощности трансформатора. Она должна превышать электрическую, поскольку возможности сердечника связаны именно с габаритной мощностью. Эта взаимная связь отражается и в расчетной формуле: S о хS с = 100 хР г /(2,22 * В с х j х f х k о х k c). Здесь S о иS с являются соответственно площадями окна и поперечного сечения сердечника, Рг — значение габаритной мощности, Вс — показатель магнитной индукции в сердечнике, j — в проводниках обмоток, f — частота переменного тока, k о и k c — коэффициенты заполнения окна и сердечника.

   Как определить число витков обмотки трансформатора не разматывая катушку

   При отсутствии данных о конкретной модели трансформатора, количество витков в обмотках определяется при помощи одной из функций мультиметра.

   Мультиметр следует перевести в режим . Затем определяются выводы всех имеющихся обмоток. Если между магнитопроводом и катушкой имеется зазор, то сверху всех обмоток наматывается дополнительная обмотка из тонкого провода. От количества витков будет зависеть точность результатов измерений.

   Один щуп прибора подключается к концу основной обмотки, а другой щуп — к дополнительной обмотке. По очереди выполняются измерения всех обмоток. Та из них, у которой наибольшее сопротивление, считается первичной. Полученные данные позволяют выполнить расчет трансформатора и вместе с другими параметрами выбрать наиболее оптимальную конструкцию для конкретной электрической цепи.

   Расчет маломощных трансформаторов напряжения — Эл. справочники — Справочники — Каталог статей

    

   Наиболее важными электрическими параметрами трансформаторов напряжения являются: выходное напряжение, номинальная мощность, КПД, падение напряжения.

    

   Номинальной мощностью трансформатора питания называют сумму номинальных мощностей вторичных обмоток.

    

   КПД трансформатора

   где Р_ном — номинальная мощность трансформатора; Р_мп — мощность потерь в магнитопроводе; Р_об — мощность потерь в обмотках.

    

   Падение напряжения AU, выраженное в относительных единицах, показывает степень изменения выходного напряжения при полном изменении тока нагрузки от нуля до номинального значения:

    

   Масса и габаритные размеры трансформатора зависят от номинальной мощности, напряжения, КПД и допустимой температуры перегрева трансформатора.

    

   Порядок расчета трансформатора следующий. Определяем номинальную мощность трансформатора

   где P_i = U_i I_i . Вычисляем произведение

   где S_m — площадь сечения магнитопровода, см²; S_oк — площадь окна магнитопровода, см²; Р_ном — номинальная мощность, Вт; f — частота питающей сети, Гц; B_m — амплитуда магнитной индукции в магнитопроводе, Т; j — плотность тока в обмотках, А/мм²; k_oк — коэффициент заполнения окна магнитопровода; k_м — коэффициент заполнения сечения магнитопровода. Коэффициент B_m можно выбрать по графику (рис. 1) в зависимости от значения габаритной мощности трансформатора и марки стали.

    

   Габаритная мощность определяется как

    

    

   Рис. 1. График для выбора индукции в зависимости от габаритной мощности трансформатора при частоте тока 50 Гц для стали: 1 — Э41, Э43; 2, 3 — Э310 (2 — магнитопровод из пластин; 3 — ленточный магнитопровод)

    

   Плотность тока в обмотках выбирается от 2 (при Р_ном ≥ 200 В·А) до 6 А/мм² (при Р_ном = 10 В·А и менее). Коэффициент k_ок (табл. 1) тем меньше, чем тоньше провода обмоток (чем меньше номинальная мощность трансформатора). Коэффициент k_м зависит от толщины листов и вида их изоляции (табл. 2).

    

   Таблица 1. Значение коэффициента k_ок

    

   Рном , В·А	15-50	50-150	>150
   kок	0,22-0,28	0,28-0,34	0,35-0,38

    

    

   Таблица 2. Значение коэффициента k_м для Ш-образных пластин

    

   Вид изоляции	Толщина пластин
   	0,1	0,2
   Лак	0,7	0,85
   Фосфатная пленка	0,75	0,89

    

   Выбираем размеры магнитопровода (см. «Сердечники (магнитопроводы) трансформаторов»). Для маломощных трансформаторов рекомендуются броневые магнитопроводы, позволяющие без особых хлопот и денежных затрат изготовить трансформаторы не больших размеров и массы.

   Для выбранного магнитопровода должно выполняться условие yy₁bh > S_мS_ок.

   Отношение у₁/у не должно превышать 2-2,5. В противном случае следует выбрать пластины большего размера.

   Для кольцевых магнито-проводов должно выполняться условие (D – d)d²b > 3S_мS_ок.

   Определяем число витков обмоток

   где U_i — напряжение на i-й обмотке, В; f — частота, Гц; B_m — амплитуда магнитной индукции, Т; S_m — площадь, см². Число витков вторичных обмоток следует увеличить на 2-5%, чтобы учесть внутреннее падение напряжения. Наибольшее значение относится к трансформаторам с номинальной мощностью до 10 В·А, наименьшее — к трансформаторам с номинальной мощностью не менее 200 В·А.

   Определяем диаметры проводов обмоток

   где I_i — ток в i-й обмотке, А; j — плотность тока, А/мм².

   Ток в первичной обмотке приметно равен 1,1P_ном /U_i

   Выбираем ближайшие стандартные, большие значения диаметров проводов (см. «Медные обмоточные провода» таблица П4.).

   Проверяем размещение обмоток на магнитопроводе.

   Число витков в слое цилиндрической обмотки ω_сл=[h — 2(δ_к + 1)] /1,3δ_из , где h — высота окна, мм; δ_к — толщина материала каркаса, мм; δ_из — диаметр провода с изоляцией, мм.

   Число слоев обмотки N = ω/ω_cл , где ω — число витков обмотки.

   Толщина обмотки δ_об = N_cл(δ_из + δ_из) , где δ_из — толщина изоляции между слоями.

   Должно выполняться следующее условие: b ≥ δ_к+∑δ_об+δ_пр , где ∑δ_об — суммарная толщина всех обмоток; δ_пр — суммарная толщина всех прокладок между обмотками; b — ширина окна. Если это условие не выполняется, следует увеличить размеры магнитопровода и сделать повторный расчет трансформатора.

    

    

    

   При изготовлении малогабаритной радиоэлектронной аппаратуры лучше всего использовать трансформаторы с тороидальным магнито-проводом. По сравнению с броневыми сердечниками из Ш-образных пластин они имеют меньший вес и габариты, обладают повышенным КПД, а их обмотка лучше охлаждается. Кроме того, при равномерном распределении обмоток по периметру сердечника практически отсутствует поле рассеяния и в большинстве случаев отпадает необходимость в экранировании трансформаторов.

    

   Полный расчет силовых трансформаторов на тороидальных сердечниках громоздок и сложен, поэтому здесь приводится таблица, с помощью которой легко рассчитать тороидальный трансформатор мощностью до 120 Вт. Точность расчетов достаточна для любительской практики. Расчет параметров тороидального трансформатора, не вошедших в таблицу, аналогичен расчету трансформатора на Ш-образном сердечнике.

    

   Таблицей можно пользоваться при расчете трансформаторов на сердечниках из холоднокатаной стали Э340, Э350, Э360 с толщиной ленты 0,05-0,1 мм при частоте питающей сети 50 Гц. При намотке трансформаторов допустимо применять лишь межобмоточную и наружную изоляции. Хотя межслоевая изоляция и позволяет добиться более ровной укладки провода обмоток, из-за различия наружного и внутреннего диаметров сердечника при ее применении неизбежно увеличивается толщина намотки по внутреннему диаметру.

    

   Для намотки тороидальных трансформаторов необходимо применять обмоточные провода с повышенной механической и электрической прочностью изоляции. При намотке вручную следует пользоваться проводами ПЭЛШО, ПЭШО. В крайнем случае, можно применить провод ПЭВ-2. В качестве межобмоточной и внешней изоляции можно применять фторопластовую пленку ПЭТ толщиной 0,01-0,02 мм, лакоткань ЛШСС толщиной 0,06-0,012 мм или батистовую ленту.

    

   Пример расчета трансформатора. Дано напряжение питающей сети U_c = 220 В, выходное напряжение U_вых = 12 В, ток нагрузки I_н = 3,6 А. Сначала определяем мощность вторичной обмотки:

   Далее определяем габаритную мощность трансформатора:

   Величину КПД и другие необходимые для расчета данные выбираем в табл. 3. из нужной графы ряда габаритных мощностей. Находим площадь сечения сердечника:

   Подбираем размеры сердечника D, d и h:

   Ближайший стандартный тип сердечника ОЛ50/80-40, площадь сечения которого равна

   (не менее расчетной).

    

   Таблица 3. Таблица для расчета тороидальных трансформаторов

    

   Рг , Вт	ω1	ω2	S , см2	Δ , А×мм2	η , %
   До 10	41 S	38 S	vPг	4,5	0,8
   20-30	36 S	32 S	vPг 1,1	4	0,9
   30-50	33,3 S	29 S	vPг 1,2	3,5	0,92
   50-120	32 S	28 S	vPг 1,25	3	0,95

    

   *Примечание: Р_г — габаритная мощность трансформатора, ω₁ — число витков на вольт для стали Э310, Э320, Э330, ω₂ — число витков на вольт для стали Э340, Э350, Э360, S — площадь сечения сердечника, Δ — допустимая плотность тока в обмотках, η — КПД трансформатора.

    

   При определении внутреннего диаметра сердечника должно быть выполнено условие d ≥ d^l

   то есть 5 > 3,8.

   Предположим, выбран сердечник стали Э320, тогда число витков на вольт определяют по формуле

   Находим расчетные числа количества витков первичной и вторичной обмоток:

   Так как в тороидальных трансформаторах поток рассеяния весьма мал, то падение напряжения в обмотках определяется практически лишь активным сопротивлением, вследствие чего относительная величина падения напряжения в обмотках тороидального трансформатора значительно меньше, чем в трансформаторах стержневого и броневого типов. Поэтому для компенсации потерь на сопротивлении вторичной обмотки необходимо увеличить количество ее витков лишь на 3%.

   Определяем диаметры проводов обмоток. Диаметр провода первичной обмотки:

   где I₁ — ток первичной обмотки трансформатора, вычисленный по формуле

   Выбираем ближайший диаметр провода в сторону увеличения (0,31 мм). Диаметр провода вторичной обмотки

   Расчет тороидального трансформатора закончен.

    

   Расчет трансформаторов на заказ — Расчет трансформаторов на заказ

   Главная / Трансформаторы / Расчет трансформаторов на заказНеобходимость расчета трансформаторов по индивидуальным параметрам, как правило, возникает при разработке новой или модернизации существующей аппаратуры с отличающимися электротехническими и конструктивными требованиями к комплектующим, а так же при замене зарубежных или устаревших, отсутствующих в производстве изделий.

   Условия согласованного включения в аппаратуре, значения величины передаваемой мощности, диапазон рабочих частот, электрическая прочность изоляции отдельных элементов, нагревостойкость по условиям эксплуатации при одновременной минимизации потерь, массы и габаритов требует в каждом отдельном случае, «под задачу», оптимизации конструктивных и технологических решений. Сюда относятся:

   • конструкция, материал и типоразмер магнитопровода с соответствующими рабочей частоте магнитной проницаемостью, магнитной индукции насыщения, удельными потерями, точкой Кюри;
   • конструктивное исполнение катушек с учетом частоты и величины токов, требуемых значений индуктивности, добротности;
   • вид и материал электрической изоляции;
   • конструкция выводов.

   Возможность уменьшения размеров магнитопровода с увеличением рабочей частоты ограничено допустимыми минимальными размерами «окна» для размещения обмоток и требованиями к электрической прочности изоляции, т.е. к надежности изделия.

   Частотнозависимый поверхностный эффект приводит к применению литцендрата, что снижает коэффициент заполнения «окна» магнитопровода, а при больших токах увеличивает количество отдельных проводов и,  соответственно, вероятность возникновения уравнительных токов и нагрева.

   Значительный разброс параметров материала магнитопровода (для ферритов производитель указывает +30% и -20% по начальной магнитной проницаемости) с одной стороны и требуемая высокая точность по значениям индуктивности с другой стороны при наличии плотной укладки проводов в «окне» магнитопровода требует зачастую подгонку величины зазора магнитопровода при заданном числе витков. Поскольку эта величина зазора не совпадает с рядом значений, установленных производителем, требуется последующая подрезка керна сердечника.
   

   Образцы разработанных трансформаторов

      

    

   На кольцевых магнитопроводах плотная укладка проводов и изоляции с высоким коэффициентом заполнения «окна» ограничена в силу различий в  укладке по внешнему и внутреннему диаметрам, ограничений размером челнока оборудования, типом и диаметром провода обмотки. В силу этих ограничений намотка на таких сердечниках при определенных условиях может быть произведена только вручную.

   Фиксированное значение напряжения на нагрузке трансформатора соответствует определенной рабочей точке нагрузочной характеристики, а в остальных случаях может существенно отличаться из – за изменения падения напряжения на внутреннем сопротивлении трансформатора малой мощности.

   Для высоких значений тока первичной цепи кольцевых трансформаторов тока при их относительно малых габаритах величина напряженности магнитного поля в магнитопроводе как правило соответствует участку насыщения магнитной индукции в электрической стали. Линеаризация выходной характеристики и требуемая чувствительность трансформатора тока достигаются зазором в магнитопроводе определенной величины и соответствующим напряжением э.д.с. индукции в цепи нагрузки.

   Комплексный характер воздействия и сложная взаимосвязь многих факторов не позволяют рассчитать все значимые  параметры намоточных изделий. Так, например, собственная емкость обмоток и индуктивность рассеивания определяются путем измерений.
   
   Поскольку окончательный вывод о соответствии иногда может быть сделан после проверки изделия в составе аппаратуры, предприятие идет   навстречу заказчикам в части изготовления опытных образцов.

   Форма заявки на расчет трансформатора:

   Заказать расчет трансформатора по индивидуальным параметрам и его изготовление Вы можете по телефону: +7 812 600-15-26

   Как рассчитать трансформаторы с ферритовым сердечником

   Расчет ферритового трансформатора — это процесс, в котором инженеры оценивают различные характеристики обмотки и размер сердечника трансформатора, используя феррит в качестве материала сердечника. Это помогает им создать идеально оптимизированный трансформатор для конкретного приложения.

   В сообщении представлено подробное объяснение того, как рассчитать и спроектировать индивидуальные трансформаторы с ферритовым сердечником. Содержимое легко понять и может быть очень удобно для инженеров, работающих в области силовой электроники и производящих инверторы SMPS.

   Почему ферритовый сердечник используется в высокочастотных преобразователях

   Вы, возможно, часто задавались вопросом о причине использования ферритовых сердечников во всех современных импульсных источниках питания или преобразователях SMPS. Верно, он предназначен для достижения более высокой эффективности и компактности по сравнению с источниками питания с железным сердечником, но было бы интересно узнать, как ферритовые сердечники позволяют нам достичь такой высокой степени эффективности и компактности?

   Это связано с тем, что в трансформаторах с железным сердечником железный материал имеет гораздо более низкую магнитную проницаемость, чем ферритовый материал.Напротив, ферритовые сердечники обладают очень высокой магнитной проницаемостью.

   Это означает, что под воздействием магнитного поля ферритовый материал может достигать очень высокой степени намагничивания, лучше, чем все другие формы магнитных материалов.

   Более высокая магнитная проницаемость означает меньшее количество вихревых токов и меньшие коммутационные потери. Магнитный материал обычно имеет тенденцию генерировать вихревой ток в ответ на повышение частоты магнитного поля.

   По мере увеличения частоты вихревой ток также увеличивается, вызывая нагрев материала и увеличение импеданса катушки, что приводит к дополнительным коммутационным потерям.

   Ферритовые сердечники благодаря своей высокой магнитной проницаемости могут более эффективно работать на более высоких частотах благодаря меньшим вихревым токам и меньшим коммутационным потерям.

   Теперь вы можете подумать, почему бы не использовать более низкую частоту, поскольку это, наоборот, помогло бы уменьшить вихревые токи? Это кажется верным, однако более низкая частота также означала бы увеличение количества витков для того же трансформатора.

   Поскольку более высокие частоты допускают пропорционально меньшее количество витков, трансформатор становится меньше, легче и дешевле.Вот почему SMPS использует высокую частоту.

   Топология инвертора

   В инверторах с импульсным режимом обычно используются два типа топологии: двухтактная и полный мост. Двухтактный использует центральный ответвитель для первичной обмотки, в то время как полный мост состоит из одной обмотки как для первичной, так и для вторичной обмотки.

   На самом деле обе топологии имеют двухтактный характер. В обоих вариантах на обмотку подается непрерывно переключаемый обратный и прямой переменный ток от полевых МОП-транзисторов, колеблющийся с заданной высокой частотой, имитируя двухтактное действие.

   Единственное принципиальное различие между ними заключается в том, что на первичной стороне трансформатора с центральным ответвлением количество витков в 2 раза больше, чем у полномостового трансформатора.

   Как рассчитать трансформатор инвертора с ферритовым сердечником

   Расчет трансформатора с ферритовым сердечником на самом деле довольно прост, если у вас есть все указанные параметры.

   Для простоты мы попытаемся решить эту формулу на примере настройки, скажем, для трансформатора на 250 Вт.

   Источником питания будет аккумулятор на 12 В.Частота переключения трансформатора будет 50 кГц, что является типичным значением для большинства инверторов SMPS. Предположим, что на выходе будет 310 В, что обычно является пиковым значением 220 В (среднеквадратичное значение).

   Здесь 310 В будет после выпрямления через мостовой выпрямитель с быстрым восстановлением и LC-фильтры. Выбираем ядро ​​как ETD39.

   Как мы все знаем, когда используется батарея 12 В, ее напряжение никогда не бывает постоянным. При полной зарядке значение составляет около 13 В, которое продолжает падать по мере того, как нагрузка инвертора потребляет энергию, пока, наконец, батарея не разрядится до минимального предела, который обычно составляет 10.5 В. Поэтому для наших расчетов мы будем рассматривать 10,5 В как значение напряжения питания для В _{в (мин)} .

   Первичные витки

   Стандартная формула для расчета числа витков первичной обмотки приведена ниже:

   N _{(первичный)} = В _{дюйм (номинальный)} x 10 ⁸ /4 x f x B _max x A _c

   Здесь N _{(первичный)} относится к номерам первичных витков.Поскольку в нашем примере мы выбрали двухтактную топологию с центральным ответвлением, полученный результат будет составлять половину от общего количества необходимых витков.

   • Vin _(ном.) = Среднее входное напряжение. Так как наше среднее напряжение батареи составляет 12 В, возьмем Vin _(ном.) = 12.
   • f = 50 кГц или 50 000 Гц. Это предпочтительная частота переключения, выбранная нами.
   • B _max = максимальная плотность потока в гауссах.В этом примере мы предположим, что B _max находится в диапазоне от 1300G до 2000G. Это стандартное значение для сердечников трансформаторов на основе феррита. В этом примере давайте остановимся на 1500G. Таким образом, мы имеем B _max = 1500. Более высокие значения B _max не рекомендуются, так как это может привести к достижению трансформатором точки насыщения. И наоборот, более низкие значения B _max могут привести к недоиспользованию активной зоны.
   • A _c = Эффективная площадь поперечного сечения в см ² .Эту информацию можно получить из технических характеристик ферритовых сердечников. Вы также можете найти A _c , представленный как A _e . Для выбранного сердечника с номером ETD39 эффективная площадь поперечного сечения, указанная в листе технических данных, составляет 125 мм ² . Это равно 1,25 см ² . Следовательно, A _c = 1,25 для ETD39.

   Приведенные выше цифры дают нам значения всех параметров, необходимых для расчета витков первичной обмотки нашего инверторного трансформатора SMPS.Следовательно, подставляя соответствующие значения в приведенную выше формулу, получаем:

   N _{(первичный)} = V _{дюйм (ном.)} x 10 ⁸ /4 x f x B _макс x A _c

   N _{(первичный)} = 12 x 10 ⁸ /4 x 50000 x 1500 x 1,2

   N _{(первичный)} = 3,2

   Начиная с версии 3.2 является дробным значением и может быть сложно реализовать на практике, мы округлим его до трех оборотов.Однако, прежде чем окончательно определить это значение, мы должны выяснить, является ли значение B _max все еще совместимым и находится ли оно в допустимом диапазоне для этого нового округленного значения 3.

   Потому что уменьшение количества витков вызовет пропорциональное увеличение B _max , поэтому становится обязательной проверить, находится ли увеличенное значение B _max в пределах допустимого диапазона для наших 3 витков первичной обмотки.

   Проверка счетчика B _max путем подстановки следующих существующих значений получаем:
   Vin _(nom) = 12, f = 50000, N _pri = 3, A _с = 1.25

   B _макс = V _{дюйм (номинал)} x 10 ⁸ /4 x f x N _{(первичный)} x A _c

   B _макс. = 12 x 10 ⁸ /4 x 50000 x 3 x 1,25

   B _макс. = 1600

   Как видно, новый B _{макс. Значение} для N _{( pri)} = 3 витка выглядит нормально и находится в пределах допустимого диапазона.Это также означает, что, если вы в любой момент захотите изменить количество оборотов N _{(первичный)} , вы должны убедиться, что оно соответствует новому значению B _max .

   Напротив, можно сначала определить B _max для желаемого числа витков первичной обмотки, а затем отрегулировать число витков до этого значения, соответствующим образом изменив другие переменные в формуле.
   

   Обороты вторичной обмотки

   Теперь мы знаем, как рассчитать первичную обмотку ферритового инверторного трансформатора SMPS, пора взглянуть на другую сторону, то есть на вторичную обмотку трансформатора.

   Поскольку пиковое значение для вторичной обмотки должно составлять 310 В, мы хотели бы, чтобы это значение сохранялось для всего диапазона напряжения батареи, начиная с 13 В до 10,5 В.

   Без сомнения, нам придется использовать систему обратной связи для поддержания постоянный уровень выходного напряжения для противодействия низкому напряжению батареи или возрастающим колебаниям тока нагрузки.

   Но для этого должен быть некоторый верхний запас или запас для облегчения этого автоматического управления. Запас +20 В выглядит достаточно хорошо, поэтому мы выбираем максимальное пиковое выходное напряжение как 310 + 20 = 330 В.

   Это также означает, что трансформатор должен быть рассчитан на выдачу 310 В при минимальном напряжении батареи 10,5.

   Для управления с обратной связью мы обычно используем саморегулирующуюся схему ШИМ, которая увеличивает ширину импульса при низком заряде батареи или высокой нагрузке и пропорционально сужает ее при отсутствии нагрузки или при оптимальном состоянии батареи.

   Это означает, что при низком уровне заряда батареи ШИМ должен автоматически настраиваться на максимальный рабочий цикл для поддержания предусмотренного выхода 310 В. Можно предположить, что этот максимальный ШИМ составляет 98% от общего рабочего цикла.

   Зазор 2% оставлен на мертвое время. Мертвое время — это нулевой интервал напряжения между каждой частотой полупериода, в течение которого полевые МОП-транзисторы или определенные силовые устройства остаются полностью отключенными. Это обеспечивает гарантированную безопасность и предотвращает прострождение полевых МОП-транзисторов в переходные периоды двухтактных циклов.

   Следовательно, входное питание будет минимальным, когда напряжение батареи достигнет минимального уровня, то есть когда В _дюйм = В _{дюйм (мин)} = 10.5 В. Это приведет к тому, что рабочий цикл будет максимально 98%.

   Приведенные выше данные можно использовать для расчета среднего напряжения (среднеквадратичное значение постоянного тока), необходимого для того, чтобы первичная сторона трансформатора генерировала 310 В на вторичной, при минимальном уровне заряда батареи 10,5 В. Для этого мы умножаем 98% на 10,5. , как показано ниже:

   0,98 x 10,5 В = 10,29 В, это номинальное напряжение, которое должно иметь первичная обмотка трансформатора.

   Теперь мы знаем максимальное вторичное напряжение, которое составляет 330 В, и мы также знаем первичное напряжение, которое равно 10.29 В. Это позволяет нам получить соотношение двух сторон как: 330: 10,29 = 32,1.

   Так как соотношение номинальных напряжений равно 32,1, передаточное число также должно быть в том же формате.

   Значение, x: 3 = 32,1, где x = вторичные витки, 3 = первичные витки.

   Решая это, мы можем быстро получить вторичное количество витков

   Следовательно, вторичные витки = 96,3.

   На рисунке 96.3 показано количество витков вторичной обмотки, которое нам нужно для предлагаемого ферритового инверторного трансформатора, который мы проектируем.Как указывалось ранее, поскольку дробные значения трудно реализовать на практике, мы округляем его до 96 оборотов.

   На этом наши расчеты завершены, и я надеюсь, что все читатели, должно быть, поняли, как просто рассчитать ферритовый трансформатор для конкретной схемы инвертора SMPS.

   Расчет вспомогательной обмотки

   Вспомогательная обмотка — это дополнительная обмотка, которая может потребоваться пользователю для некоторой внешней реализации.

   Допустим, помимо 330 В на вторичной обмотке вам понадобится еще одна обмотка для получения 33 В для светодиодной лампы.Сначала мы вычисляем соотношение вторичной обмотки: вспомогательное относительно номинала вторичной обмотки 310 В. Формула:

   N _A = V _sec / (V _aux + V _d )

   N _A = вторичный: вспомогательный коэффициент, В _sec = вторичное регулируемое выпрямленное напряжение, В _aux = вспомогательное напряжение, В _d = значение прямого падения диода для выпрямительного диода. Поскольку нам нужен высокоскоростной диод, мы будем использовать выпрямитель Шоттки с V _d = 0.5V

   Решение дает нам:

   N _A = 310 / (33 + 0,5) = 9,25, округлим до 9.

   Теперь давайте вычислим количество витков, необходимых для вспомогательной обмотки, мы получим это по формуле:

   N _доп. = N _сек / N _A

   Где N _доп. = вспомогательные витки, N _сек = вторичные витки, N _A = вспомогательное передаточное число.

   Из наших предыдущих результатов мы имеем N _сек = 96 и N _A = 9, подставив их в формулу выше, мы получаем:

   N _aux = 96/9 = 10.66, в округлении получается 11 оборотов. Таким образом, для получения 33 В нам потребуется 11 витков на вторичной стороне.

   Таким образом, вы можете выбрать размер вспомогательной обмотки по своему усмотрению.

   Заключение

   В этом посте мы узнали, как рассчитать и спроектировать инверторные трансформаторы на основе ферритового сердечника, выполнив следующие шаги:

   • Расчет первичных витков
   • Расчет вторичных витков
   • Определить и подтвердить B _max
   • Определите максимальное вторичное напряжение для ШИМ-управления с обратной связью
   • Найдите передаточное число первичной вторичной обмотки
   • Рассчитайте количество витков вторичной обмотки
   • Рассчитайте количество витков вспомогательной обмотки

   Используя вышеупомянутые формулы и расчеты, заинтересованный пользователь может легко спроектировать индивидуальный Инвертор на основе ферритового сердечника для применения в импульсных источниках питания.

   Для вопросов и сомнений, пожалуйста, используйте поле для комментариев ниже, я постараюсь решить как можно раньше

   Более подробную информацию можно найти по этой ссылке:

   Как рассчитать импульсные источники питания

   Ферритовый трансформатор расчет оборотов на примере

   Из этой статьи вы узнаете, как рассчитать коэффициент трансформации трансформатора с ферритовым сердечником для высокочастотных импульсных инверторов питания. Трансформаторы с высоким ферритовым сердечником используются почти во всех схемах силовой электроники, например, в инверторах и инверторах с синусоидальной волной .Они используются для повышения или повышения низкого постоянного напряжения батареи и других источников постоянного тока, таких как солнечные батареи. Трансформаторы с ферритовым сердечником также используются в изолированных преобразователях постоянного тока для повышения или понижения постоянного напряжения. Например, в изолированном понижающем преобразователе он используется для понижения постоянного напряжения, а в изолированном повышающем преобразователе они используются для повышения постоянного напряжения. В этой статье мы узнаем, как рассчитать коэффициент трансформации высокочастотного трансформатора с ферритовым сердечником на примерах.

   Расчет отношения витков ферритового сердечника

   Например, в повышающем каскаде у нас есть два варианта использования преобразователей силовой электроники: двухтактная топология и полный мост. Я объясню оба метода один за другим. Формула и концепция расчета коэффициента трансформации остаются одинаковыми для обеих топологий. Единственное различие между двухтактной топологией и конструкцией мостового трансформатора состоит в том, что двухтактный ферритовый сердечник трансформатора требует центрального отвода в первичной обмотке.Другими словами, двухтактный трансформатор имеет в два раза больший виток первичной обмотки, чем полный мостовой трансформатор.

   Расчет соотношения витков ферритового сердечника с двухтактной топологией на примере

   Начнем с примера. Например, мы хотим разработать повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный на 250 Вт. Мы используем топологию push pull для этой конструкции. Мы используем аккумулятор на 12 вольт. Мы хотим увеличить постоянное напряжение с 12 до 310 вольт. Частота переключения конструкции 50 кГц. Мы используем ферритовый сердечник ETD39 мощностью 250 Вт.О том, как выбрать ферритовый сердечник в соответствии с номинальной мощностью, выходит за рамки данной темы. Я постараюсь написать об этом отдельную статью. На выходе ферритового сердечника всегда будет высокочастотная прямоугольная волна 50 кГц. Нам нужно использовать полный выпрямитель, чтобы преобразовать его в постоянный ток 310 вольт. Вам также может потребоваться использовать LC-фильтр для гармоник или компонентов переменного тока на выходе.

   Расчет витков ферритового трансформатора

   Расчет витков первичной обмотки ферритового трансформатора

   Как вы знаете, напряжение батареи не всегда одинаково.По мере увеличения нагрузки на батарею напряжение батареи будет меньше 12 вольт. Без нагрузки с полностью заряженной батареей напряжение батареи будет около 13,5 вольт. Поэтому входное напряжение не является постоянным, это необходимо учитывать при расчете коэффициента трансформации трансформатора с ферритовым сердечником. Напряжение отключения аккумулятора обычно составляет 10,5 В. Мы можем принять это минимально возможное значение входного напряжения для повышения преобразователя постоянного тока. Итак, теперь у нас есть следующие параметры:

   Vinput = 10,5 вольт

   Vout = 310 вольт

   Как известно, формула расчета коэффициента трансформации в трансформаторе

   N = Npri / Nsc = Vin / Vout

   Где Npri — количество витков первичной обмотки, а Nsc — количество витков вторичной обмотки.4 Гуасс. Значение максимальной магнитной индукции обычно указывается в паспорте ферритового сердечника. Обычно мы принимаем значение Bmax от 1300G до 2000G. Обычно это приемлемый диапазон для всех трансформаторов с ферритовым сердечником. Примечание. Высокое значение плотности потока приведет к насыщению сердечника, а низкое значение плотности потока приведет к недостаточному использованию сердечника. Например, мы возьмем 1500G для примера преобразователя постоянного тока в постоянный.

2. f — это импульсный преобразователь частоты. В нашем примере частота переключения преобразователя постоянного тока в постоянный составляет 50 кГц.8/4. 50000. 1500. 1,25 = 3,2

   Следовательно, Npri = 3,2 Но мы не можем использовать дробные витки. Таким образом, нам нужно округлить рассчитанное значение первичных витков до ближайшего целого числа 3. Ближайшее возможное целое число равно 3. Первичное число витков для ферритового сердечника равно 3. Но перед этим нам нужно проверить, что Npri = 3 Bmax находится в допустимом диапазоне. или нет. Как я уже упоминал выше, приемлемый диапазон для Bmaz составляет 1300-2000G. Но вопрос в том, зачем нам снова проверять значение Bmax? Потому что мы регулируем значение витков первичной обмотки с 3.8/5 * 50000 * 3 * 1,25 = 1600 г

   Таким образом, рассчитанное значение Bmax составляет 1600 Гс, что находится в пределах допустимого диапазона максимальной плотности потока. Это означает, что для дальнейших расчетов мы можем принять Npri = 3. Первичное количество витков двухтактного ферритового трансформатора с центральным ответвлением составляет 3 + 3 витка. В любом дизайне вам нужно будет отрегулировать значение Npri, если оно дробное. Вы легко можете это отрегулировать. Но вам нужно каждый раз проверять значение Bmax. Начнем с предполагаемого значения Bmax и рассчитанного Npri. Но вы также можете начать с предполагаемого значения Npri и проверить значение максимальной плотности потока Bmax.Например, предположим, что значение Npri = 1, проверьте значение Bmax и продолжайте повторять этот процесс, пока оно не станет в приемлемом диапазоне.

   Расчет витков вторичной обмотки ферритового трансформатора

   Теперь перейдем к вторичному витку ферритового сердечника. В нашей конструкции выход преобразователя постоянного тока в постоянный составляет 310 вольт при любом входном напряжении. Входное напряжение изменяется от 10,5 до 13,5 вольт. Нам потребуется реализовать

   Обратная связь для регулирования 310 выходного напряжения. Поэтому мы возьмем немного большее значение выходного напряжения, чтобы при минимально возможном входном напряжении мы могли получить выходное напряжение 310 вольт, изменяя рабочий цикл ШИМ.Поэтому нам следует разработать трансформатор с ферритовым сердечником и вторичной обмоткой на 330 вольт. Обратная связь будет регулировать значение выходного напряжения, изменяя рабочий цикл ШИМ. Также следует позаботиться о потерях и падениях напряжения на коммутационных аппаратах и ​​учитывать их при проектировании трансформатора.

   Таким образом, трансформатор должен обеспечивать выходное напряжение 330 вольт при входном напряжении от 13,5 до 10,5 вольт. Максимальный рабочий цикл для ШИМ составляет 98%, а оставшиеся 2% остаются мертвыми. При минимально возможном входном напряжении рабочий цикл будет максимальным.При максимальном рабочем цикле 98% входное напряжение трансформатора составляет 0,98 * 10,5 = 10,29 вольт.

   Используя формулу соотношения напряжений трансформатора = соотношение напряжений = 330 / 10,29 = 32,1. Коэффициент напряжения и коэффициент трансформации в трансформаторе равны друг другу. Следовательно, N = 32.

   Итак, мы знаем все значения для расчета вторичных витков трансформатора с ферритовым сердечником.

   N = 32, Npri = 3

   Nsec = N * Npri = 32 * 3 = 96

   Таким образом, количество витков первичной обмотки равно 3, а число витков вторичной обмотки равно 96.Итак, все дело в расчете коэффициента трансформации высокочастотных трансформаторов. Если у вас возникнут проблемы, дайте мне знать в комментариях.

   Трансформаторы

   Трансформаторы
   следующий: Согласование импеданса вверх: индуктивность Предыдущая: Схема Трансформатор — это устройство для повышения или понижения напряжения переменный электрический сигнал. Без эффективных трансформаторов трансмиссия и распределение переменного тока электричество на большие расстояния было бы невозможно.Рисунок 51 показана принципиальная схема типичного трансформатора. Есть две схемы. А именно, первичная цепь и вторичная цепь . Между двумя цепями нет прямого электрического соединения, но каждая цепь содержит катушку, которая соединяет ее индуктивно, с другой цепью. В реальных трансформаторах две катушки намотаны на один и тот же железный сердечник. Назначение железного сердечника — направлять магнитный поток, генерируемый ток, протекающий вокруг первичной обмотки, так что насколько это возможно, также связывает вторичная обмотка.Общий магнитный поток, связывающий две катушки, обычно обозначается на принципиальных схемах рядом параллельных прямых линий, проведенных между катушками.

   Рисунок 51: Принципиальная схема трансформатора.

   Рассмотрим особенно простой трансформатор, в котором первичная и вторичная катушки — это соленоидов с одним и тем же заполненным воздухом сердечником. Предположим, что — длина сердечника; — площадь его поперечного сечения.Пусть будет общее количество витков в первичной обмотке, и пусть будет общее количество витков во вторичной обмотке. Предположим, что переменное напряжение
   

   (281)

   
   подается в первичную цепь от некоторого внешнего источника переменного тока. Здесь, — пиковое напряжение в первичной цепи, а — частота чередования (в радианах в секунду). Течение вокруг первичная цепь написана
   

   (282)

   
   где — пиковый ток.Этот ток генерирует изменение магнитного потока, в сердечнике соленоида, который связывает вторичную катушку, и, таким образом, индуктивно генерирует переменную ЭДС
   

   (283)

   
   во вторичной цепи, где — пиковое напряжение. Предположим, что это ЭДС управляет переменным током
   

   (284)

   
   вокруг вторичной цепи, где — пиковый ток.

   Записывается уравнение первичной цепи
   

   (285)

   
   при условии, что в этой цепи пренебрежимо малое сопротивление. Первый срок в приведенном выше уравнении — это ЭДС, генерируемая извне. Второй член обратная ЭДС из-за самоиндукции первичной катушки. В последний член — ЭДС из-за взаимной индуктивности первичной и вторичные катушки. При отсутствии значительного сопротивления в первичной обмотке В цепи эти три ЭДС должны в сумме равняться нулю.Уравнения (281), (282), (284) и (285) можно объединить, чтобы получить
   

   (286)

   
   поскольку
   

   (287)

   
   

   Возникающая во вторичном контуре переменная ЭДС состоит из ЭДС, генерируемая самоиндукцией вторичной катушки, плюс ЭДС, создаваемая взаимной индуктивностью первичной и вторичной катушек.Таким образом,
   

   (288)

   
   Уравнения (282), (283), (284), (287) и (288) дают
   

   (289)

   
   

   Теперь мгновенная выходная мощность внешнего источника переменного тока, который управляет первичный контур
   

   (290)

   
   Точно так же мгновенная электрическая энергия в единицу времени индуктивно передается от первичный к вторичному контуру
   

   (291)

   
   Если резистивные потери в первичной обмотке и вторичные цепи пренебрежимо малы, как предполагается, тогда, за счет сохранения энергии эти две силы должны всегда равняться друг другу.Таким образом,
   

   (292)

   
   что легко сводится к
   

   (293)

   
   Уравнения (286), (289) и (293) дают
   

   (294)

   
   который дает
   

   (295)

   
   и, следовательно,
   

   (296)

   
   Уравнения (293) и (296) можно объединить, чтобы получить
   

   (297)

   
   Обратите внимание, что, хотя взаимная индуктивность двух катушек равна несет полную ответственность за передачу энергия между первичной и вторичной цепями, это собственная индуктивность двух катушек, которые определяют соотношение пиковых напряжений и пиковые токи в этих цепях.

   Теперь из Разд. 10.2, собственные индуктивности первичной и вторичные катушки представлены и , соответственно. Следует тот
   

   (298)

   
   и, следовательно, что
   

   (299)

   
   Другими словами, соотношение пиковых напряжений и пиковых токов в первичном и вторичном контурах определяется соотношением количество витков в первичной и вторичной обмотках.Это последнее соотношение обычно называют передаточным числом трансформатора. Если вторичная катушка содержит на витков больше, чем первичная обмотка, на витка больше, чем пиковое напряжение во вторичной цепи превышает , что в первичной цепи. Этот тип трансформатора называется повышающим трансформатором , потому что он увеличивает напряжение сигнала переменного тока. Обратите внимание, что в повышении трансформатор пиковый ток во вторичной обмотке цепь на меньше, чем на пиковый ток в первичной цепи (как и должно быть, если необходимо сохранить энергию).Таким образом, повышающий трансформатор фактически понижает ток. Так же, если вторичная обмотка содержит на витков меньше витков, чем первичная обмотка тогда пиковое напряжение во вторичной цепи на меньше, чем на в первичном контуре. Этот тип трансформатора называется понижающим . трансформатор . Обратите внимание, что понижающий трансформатор фактически увеличивает ток ( т.е. , пиковый ток во вторичной цепи превышает таковую в первичном контуре).

   Электроэнергия переменного тока вырабатывается на электростанциях при довольно низком пиковом напряжении ( г.е. , что-то вроде 440 В), и потребляется внутренним пользователь при пиковом напряжении 110 В (в США). Однако электричество переменного тока передается от электростанции к месту потребления при очень высоком пиковом напряжении (обычно 50 кВ). Фактически, как только сигнал переменного тока выходит из генератора на электростанции, подается на повышающий трансформатор, повышающий пиковое напряжение с нескольких сотен вольт до многих десятков киловольт. Выход повышающего трансформатора подается на линия электропередачи высокого напряжения, которая обычно транспортирует электроэнергию по многие десятки километров, и, как только электричество достигнет своего точка потребления, он питается через серию понижающих трансформаторов до тех пор, пока к моменту выхода из домашней розетки его пиковое напряжение не станет равным только 110В.Но если электричество переменного тока генерируется и потребляется на сравнительно низкие пиковые напряжения, зачем возиться с повышение пикового напряжения до очень высокого значения на электростанции, а затем снова понизить напряжение, когда электричество дошел до своей точки потребления? Почему бы не создавать, передавать и распределять электричество при пиковом напряжении 110В? Что ж, рассмотрим электрический линия электропередачи, по которой передается пиковая электрическая мощность между электростанциями и город. Мы можем думать о том, что зависит от количества потребителей в городе и характера электрические устройства, с которыми они работают, как по существу фиксированное количество.Предположим, что и — пиковое напряжение и пиковый ток сигнала переменного тока, передаваемого по линии, соответственно. Мы можем рассматривать эти числа как переменные, поскольку мы можем изменять их с помощью трансформатора. Однако, поскольку произведение пика напряжение и пиковый ток должны оставаться постоянными. Предположим, что сопротивление линии есть. Пиковая скорость потери электроэнергии из-за к омическому нагреву в строке есть, что можно записать
   

   (300)

   
   Таким образом, если мощность, передаваемая по линии, является фиксированной величиной, как и сопротивление линии, тогда мощность, потерянная в линии из-за омического нагрева, изменяется как обратный квадрат из пиковое напряжение в линии.Оказывается, даже при очень высоких напряжениях например, 50 кВ, омические потери мощности в линии электропередачи протяженностью десятки километров может составлять до 20% передаваемой мощности. Это легко может быть оценил, что если была сделана попытка передать электрическую мощность переменного тока при пиковом напряжении 110 В омические потери будут настолько значительными, что практически ни один из сила достигнет своей цели. Таким образом, можно только генерировать электроэнергию в центральном месте, передавать ее на большие расстояния, а затем распределить его в точке потребления, если передача выполняется при очень высоких пиковых напряжениях (чем выше, тем лучше).Трансформеры играют жизненно важную роль в этом процессе, потому что они позволяют нам активизировать и понизить напряжение электрического сигнала переменного тока очень эффективно (хорошо продуманный трансформатор обычно имеет потери мощности, которые составляют всего несколько процентов от полная мощность, протекающая через него).

   Конечно, трансформаторы не работают на электричестве постоянного тока, потому что магнитный поток, создаваемый первичной катушкой, не меняется во времени, и, следовательно, не вызывает ЭДС во вторичной обмотке. На самом деле не существует эффективного метода повышения или понижение напряжения электрического сигнала постоянного тока.Таким образом, это невозможно эффективно передавать электроэнергию постоянного тока на большие расстояния. Это основная причина, почему коммерчески производимая электроэнергия — это переменный ток, а не постоянный ток.

   ---

   
   следующий: Согласование импеданса вверх: индуктивность Предыдущая: Схема
   Ричард Фицпатрик 2007-07-14

   Как спроектировать и рассчитать высокочастотный трансформатор?

   Введение

   Трансформатор — это пассивное электрическое устройство, которое передает электрическую энергию от одной электрической цепи к другой или нескольким схемам.Его ток передачи — переменный ток. Трансформатор обычно используется для увеличения или уменьшения подачи. В качестве одного из типов высокочастотные трансформаторы используют частоты от 20 кГц до более 1 МГц. В этой статье рассказывается о процессе проектирования высокочастотных трансформаторов (HFT), то есть как рассчитать высокочастотный трансформатор?

   Как сделать высокочастотный трансформатор?

   Каталог

   ---

   Ⅰ Сердечник трансформатора

   В реальных трансформаторах две катушки намотаны на один и тот же железный сердечник.Сердечник трансформатора обеспечивает магнитный путь для направления потока. Использование высокопроницаемого материала (который описывает способность материала переносить флюс), а также более совершенные методы изготовления сердечника помогают обеспечить желаемый путь потока с низким сопротивлением и ограничить линии потока к сердечнику. Ниже представлены некоторые важные аспекты сердечника трансформатора.

   1.1 Материал магнитного сердечника

   Какой материал лучше всего подходит для сердечника высокочастотного трансформатора? Мягкий феррит широко используется в импульсных источниках питания благодаря своим характеристикам.Его преимуществами являются высокое сопротивление, низкие потери на вихревые токи переменного тока, низкая цена и простота обработки в различных формах. Он также имеет недостатки, в том числе низкую рабочую плотность магнитного потока, низкую проницаемость, большую магнитострикцию и относительно чувствительность к изменениям температуры. Выбор подходящих материалов может полностью удовлетворить требования к конструкции высокочастотных трансформаторов, и они имеют идеальные характеристики и ценовое преимущество.

   1.2 Структура сердечника

   Сердечник трансформатора в качестве основной части, факторы, которые следует учитывать при выборе структуры магнитного сердечника, включают: уменьшение магнитной утечки и индуктивности рассеяния, увеличение расстояния отвода тепла катушки, что способствует экранированию, простота обмотка катушки, удобная сборка и разводка.Магнитная утечка и индуктивность рассеяния напрямую связаны со структурой сердечника. Если магнитный сердечник не требует воздушного зазора, лучше использовать замкнутый магнитопровод кольцевой или квадратной формы.

   1.3 Параметры сердечника

   При разработке параметров магнитного сердечника особое внимание следует уделять плотности магнитного потока при работе, ограниченной не только кривой намагничивания, но также потерями и рабочим режимом передачи энергии. Когда магнитный поток изменяется в одном направлении: ΔB = Bs-Br, что ограничивается не только плотностью магнитного потока насыщения, но также, главным образом, потерями (потеря вызывает повышение температуры, влияющее на плотность магнитного потока).Рабочая плотность магнитного потока Bm = 0,6 ～ 0,7ΔB.
   Открытие воздушного зазора может уменьшить Br, чтобы увеличить значение изменения плотности магнитного потока ΔB. После этого ток возбуждения увеличивается, но объем магнитопровода можно уменьшить. Для работы магнитного потока в двух направлениях: ΔB = 2Bm. В этом случае также необходимо обратить внимание на то, что вольт-секундная область положительных и отрицательных изменений возбуждения не равна по разным причинам, и возникает проблема смещения постоянного тока. Поэтому к магнитному сердечнику можно добавить небольшой воздушный зазор или в конструкцию схемы можно добавить блокирующий конденсатор постоянного тока.

   1.4 Параметры катушки

   Параметры катушки включают количество витков, сечение (диаметр) провода, форму провода, расположение обмоток и расположение изоляции.
   Диаметр проволоки определяется плотностью тока обмотки. Обычно J составляет 2,5 4 А / мм2. При выборе диаметра проволоки следует учитывать скин-эффект. При необходимости внесите корректировки после проверки превышения температуры трансформатора.

   1,5 витка катушки

   Обычно используемое расположение обмоток: первичная обмотка расположена близко к магнитному сердечнику, а обмотка обратной связи вторичной обмотки постепенно выходит наружу.Рекомендуются следующие два расположения обмоток:
   1) Если напряжение первичной обмотки высокое, а напряжение вторичной обмотки низкое, вторичную обмотку можно использовать близко к магнитному сердечнику, а затем следует обмотка обратной связи и Первичная обмотка находится в самом дальнем конце, что выгодно для первичной обмотки магнитного сердечника. Устройство изоляции.
   2) Чтобы увеличить связь между первичной и вторичной обмотками, половина первичных обмоток может быть близко к сердечнику, затем обмотка обратной связи и вторичные обмотки, а другая половина первичных обмоток во внешнем слое, что значительно снизит индуктивность рассеяния. .

   1.6 Конструкция сборки

   Конструкция сборки высокочастотного силового трансформатора делится на два типа: горизонтальная и вертикальная. При использовании плоских магнитных сердечников, чиповых магнитных сердечников и тонкопленочных магнитных сердечников все они имеют горизонтальную структуру сборки.

   1.7 Проверка превышения температуры

   Проверка превышения температуры может быть проведена путем расчетов и испытаний образцов. Экспериментальное превышение температуры ниже допустимого превышения температуры более чем на 15 градусов, что увеличивает плотность тока и соответственно уменьшает сечение провода.Если она превышает допустимое превышение температуры, соответственно уменьшите плотность тока и увеличьте сечение провода. Например, увеличьте площадь рассеивания тепла магнитопровода и диаметр провода.

   Символ трансформатора

   Ⅱ Типы высокочастотных трансформаторов

   2.1 Классификация трансформаторов

   Силовые трансформаторы делятся на три категории в зависимости от топологии:
   (1) Обратный трансформатор
   (2) Прямой трансформатор
   (3) Двухтактный трансформатор (в полном мосту / полумосте)
   Подходящая топологическая структура структуры магнитопровода показана в следующей таблице:

   Основная структура	Трансформатор Тип цепи
   	Обратный ход Тип	Вперед Тип	Двухтактный Тип
   E ядер	+	+	0
   Ядра Planar E	–	+	0
   Ядра EFD	–	+	+
   Ядра ETD	0	+	+
   Ядра ER	0	+	+
   U Ядра	+	0	0
   Ядра RM	0	+	0
   EP Сердечники	–	+	0
   P Ядра	–	+	0
   Кольцевые сердечники	–	+	+

   ---

   Примечания: « + » = Соответствующий « 0 » = Нормальный « — » = Нет

   2.2 Правила проектирования

   1) Если катушка индуктивности фильтра постоянного тока и сердечник катушки индуктивности работают только в одном квадранте, индукторы, относящиеся к этому типу, включают повышающие индукторы, понижающие индукторы, понижающие / повышающие индукторы, индукторы прямой и двухтактной фильтрации трансформатора, и несимметричные трансформаторы.
   2) Магнитный сердечник переднего трансформатора работает только в одном квадранте, поэтому трансформатор необходимо сбросить с помощью магнитного поля.
   3) Магнитный сердечник двухтактного трансформатора имеет двунаправленное переменное намагничивание.Преобразователи, относящиеся к этой категории, включают двухтактные преобразователи, полумостовые и полномостовые преобразователи, а также катушки индуктивности фильтров переменного тока.

   Ⅲ Выбор сердечника трансформатора

   1) Мягкий феррит широко используется в импульсных источниках питания из-за его низкой цены, хорошей адаптируемости и высокочастотных характеристик.
   2) Мягкие ферриты обычно делятся на две серии: феррит марганец-цинк и феррит никель-цинк. Составляющими марганцево-цинкового феррита являются Fe2O3, MnCO3 и ZnO.Он в основном используется в различных фильтрах ниже 1 МГц, катушках индуктивности, трансформаторах и т. Д. С широким спектром применений. Компонентами никель-цинкового феррита являются Fe2O3, NiO, ZnO и т. Д., Которые в основном используются для различных индукционных обмоток с частотой выше 1 МГц, магнитных шариков для защиты от помех и совместных устройств согласования антенн.
   3) Марганцево-цинковые ферритовые сердечники наиболее широко используются в импульсных источниках питания. В зависимости от их использования различается и выбор материалов. Сердечники, используемые в части фильтра входной мощности, в основном обладают высокой проницаемостью, а их материалы в основном относятся к классам R4K ～ R10K, то есть ферритовые сердечники с относительной проницаемостью 4000 ～ 10000.Что касается основных трансформаторов и выходных фильтров, большинство из них имеют высокую плотность магнитного потока насыщения, а их B составляет около 0,5 Тл (т.е. 5000 GS).

   Ⅳ Параметры главного трансформатора

   a. Топология трансформатора

   При более высокой плотности магнитного потока насыщения Bs и более низкой остаточной плотности магнитного потока Br, Bs оказывает определенное влияние на трансформатор и результаты обмотки. Теоретически, если Bs высокий, количество витков обмотки будет уменьшаться, и потери в меди также уменьшатся.В практических приложениях существует множество схем импульсных высокочастотных преобразователей питания. Для трансформаторов их рабочие формы можно разделить на две категории:

   Схема является полумостовой, полной мостовой, двухтактной и т. Д. Положительные и отрицательные токи возбуждения полупериода в первичной обмотке трансформатора идентичны по величине и противоположны по направлению. Следовательно, изменения магнитного потока в сердечнике трансформатора также перемещаются симметрично вверх и вниз. Максимальный диапазон изменения B составляет △ B = 2Bm, и составляющая постоянного тока в сердечнике в основном нейтрализуется.

   Схема — прямая несимметричная, обратная несимметричная и т. Д. Первичная обмотка трансформатора добавляет однонаправленное прямоугольное импульсное напряжение за один цикл (в случае несимметричного обратного хода). Сердечник трансформатора возбуждается однонаправленно, и плотность магнитного потока изменяется от максимального значения Bm до остаточной плотности магнитного потока Br. В это время △ B = Bm － Br. Если Br уменьшается, а плотность магнитного потока Bs насыщения увеличивается, B может увеличиваться. Это может уменьшить количество витков и потери в меди.

   г. Низкие потери мощности на высоких частотах
   Потери мощности феррита не только влияют на выходную эффективность источника питания, но также вызывают нагрев сердечника, искажение формы сигнала и другие нежелательные последствия.
   Проблема нагрева трансформатора очень часто встречается на практике. Это в основном вызвано потерями в меди и потерями в сердечнике. Если Bm выбрано слишком низким при проектировании трансформатора, и большее количество витков обмотки вызовет нагрев обмотки и в то же время передачу тепла магнитному сердечнику.И наоборот, если сердечник является основным нагревательным телом, это также вызовет нагрев обмотки.
   При выборе ферритовых материалов потери мощности должны иметь отрицательную зависимость температурного коэффициента. Если потери в сердечнике являются основным источником тепла, температура трансформатора будет расти, что приведет к дальнейшему увеличению потерь в сердечнике, что в конечном итоге приведет к сгоранию силовой трубки, трансформатора и других компонентов. Поэтому при разработке силовых ферритов в стране и за рубежом необходимо решить проблему отрицательного температурного коэффициента самого магнитного материала.Это также важная особенность магнитного материала для источника питания.

   г. Проницаемость
   Какова соответствующая проницаемость? Это следует определять в соответствии с частотой коммутации реальной цепи. Обычно материалы с относительной проницаемостью 2000 имеют применимую частоту ниже 300 кГц, а иногда она может быть выше, ниже 500 кГц. Для материалов с более высоким значением следует выбирать более низкую магнитную проницаемость, обычно около 1300.

   г. Более высокая температура Кюри
   Температура Кюри — это температура, при которой магнитный материал теряет свои магнитные свойства, обычно выше 200 ℃. Однако фактическая рабочая температура трансформатора не должна превышать 80 ℃. Это связано с тем, что, когда температура выше 100 ℃, его плотность магнитного потока насыщения Bs упала до 70% от значения при комнатной температуре. Следовательно, чрезмерно высокая рабочая температура вызовет более сильное падение плотности потока насыщения магнитопровода.Кроме того, когда он выше 100 ° C, его потребляемая мощность имеет положительный температурный коэффициент, что приведет к порочному кругу. Для материала R2KB2 температура, соответствующая допустимой потребляемой мощности, достигла 110 ° C, а температура Кюри — 240 ° C, что соответствует требованиям для высокотемпературного использования.

   Ⅴ Как рассчитать высокочастотный трансформатор?

   5.1 Принципы и методы проектирования трансформаторов

   Существует два основных метода проектирования трансформаторов: метод произведения площади AP.AP является произведением площади поперечного сечения сердечника Ae и эффективной площади окна Aw катушки.

   PT — мощность трансформатора
   Ae — эффективная площадь поперечного сечения
   Aw — площадь окна сердечника
   Ko — коэффициент использования окна сердечника, типичное значение 0,4.
   Kf — коэффициент формы, прямоугольная волна — 4, синусоида — 4,44.
   Bw — рабочая магнитная напряженность магнитопровода
   Fs — рабочая частота переключателя
   Kj — коэффициент плотности тока, взять 395A / см2
   X — коэффициент структуры ядра

   5.2 Анализ метода AP

   В соответствии с методом проектирования силового трансформатора, общие этапы проектирования трансформатора с методом произведения площадей AP:
   1. Выберите материал сердечника и рассчитайте полную мощность трансформатора.
   2. Определите размер AP жилы в поперечном сечении, а затем выберите размер жилы в соответствии с ним.
   3. Рассчитайте индуктивность и количество витков первичной и вторичной сторон.
   4. Рассчитайте длину воздушного зазора.
   5. Найдите диаметр провода в соответствии с плотностью тока и действующим значением тока первичной и вторичной сторон.
   6. Определите, соответствуют ли потери в меди и в стали требованиям (допустимые потери и повышение температуры).

   5.3 Параметры источника питания

   Входное напряжение: 175-264 В переменного тока
   Выходное напряжение: 21 В
   Выходная мощность: 3 А
   Частота установлена ​​на 60 кГц, а рабочий цикл изначально установлен на 0,45.
   Используя обратную топологию, выберите материал сердечника и определите полную мощность PT трансформатора.
   Учтите стоимость, выберите здесь материал PC40:
   Проверьте данные PC40 и получите Bs = 0.39Т, Br = 0,06Т

   Bm = ΔBmax * 0,6 = 0,198T, округлите до 0,2T
   Чтобы предотвратить мгновенное насыщение магнитопровода, зарезервируйте определенный запас и возьмите Bm = ΔBmax * 0,6 = 0,198T, возьмите 0,2T.
   Полная мощность трансформатора PT, для обратноходового трансформатора:

   Рассчитать AP:

   Где:
   Дж — плотность тока, обычно принимается 395 А / см2.
   Ku — эффективный коэффициент использования медного окна, который определяется в соответствии с требованиями безопасности и количеством выходных каналов, обычно 0.B * Ae)
   Np = 1434uH * 1,257A / (0,2 * 84,8) = 106,28T округлить до 106T
   2) Количество витков вторичной обмотки
   Ns = Np / n
   Ns = 106T / 7,8 = 13,58T ， округлить до Ns = 14T
   3) Обороты обратной связи
   Nv = (Vcc + Vf) / [(Vo + Vf) / Ns]
   Nv = (14,5V + 1V) / [(21V + 1V) / 14T] = 9,87T, круглый это к Nv = 10T

   Чтобы избежать насыщения магнитопровода, к магнитной цепи добавляется соответствующий воздушный зазор, и расчет выглядит следующим образом:

   Может потребоваться скорректировать количество витков в зависимости от краевого эффекта магнитного потока в воздушном зазоре.n / Vimin
   Iprms = 63W / 0,8 / 210V = 0,375A
   Диаметр провода (плотность тока J составляет 4A / мм2)

   Используйте два провода диаметром 0,18 мм и намотайте их вместе или используйте одножильный провод AWG # 28.
   Диаметр вторичной обмотки

   Используйте 4 провода диаметром 0,25 мм для параллельной намотки и рассчитайте текущую глубину скин-слоя:

   Диаметр многопроволочной проволоки должен быть меньше или равен dwH. Для однопроволочной намотки, если диаметр проволоки превышает dwH, необходимо рассмотреть возможность использования нескольких жил.

   Расчет потерь в меди Pcu и потерь в стали Pfe (полные потери в трансформаторе Ploss)
   a) Потери в первичной и вторичной обмотках. Среди них MLT — это средняя длина витка магнитопровода.

   b) Рассчитайте допустимые общие потери Ploss и потери в стали при КПД η .

   c) Найдите фактические потери при эксплуатации в соответствии с кривой потерь в сердечнике.
   Потери железа на единицу веса, фактически произошло

   Фактические потери в стали должны быть ниже допустимого значения.

   d) Рассчитайте потери на единицу площади Φ = Ploss / As. Если повышение температуры, вызванное значением Φ, составляет менее 25 градусов, конструкция в порядке.
   Расчет Bw:

   Рабочая плотность магнитного потока Bw должна соответствовать требованиям расчетного индекса, Bw , во избежание насыщения магнитопровода.

   Часто задаваемые вопросы о конструкции высокочастотного трансформатора

   1. Что такое высокочастотный трансформатор?
   Основное отличие состоит в том, что, как следует из их названия, они работают на гораздо более высоких частотах — в то время как большинство трансформаторов сетевого напряжения работают на частоте 50 или 60 Гц, высокочастотные трансформаторы используют частоты от 20 кГц до более 1 МГц…. Для любого заданного значения мощности, чем выше частота, тем меньше может быть трансформатор.

   2. Каковы особенности конструкции высокочастотного трансформатора?
   Проектирование ВЧ трансформаторов. Трансформаторы высокой частоты передают электроэнергию. Физический размер зависит от передаваемой мощности, а также от рабочей частоты. Чем выше частота, тем меньше физический размер.

   3. Какая польза от высокочастотного трансформатора?
   Эти трансформаторы предназначены для безопасного и точного управления напряжением до 15 000 вольт, преобразуя уровни высокого напряжения и тока между катушками за счет магнитной индукции.Высоковольтные и высокочастотные трансформаторы используются в самых разных областях, от источников питания до лазерного оборудования и ускорителей частиц.

   4. В чем разница между высокой и низкой частотой?
   Когда мы говорим о звуке, мы говорим о высоких и низкочастотных волнах. … Это измерение количества циклов в секунду выражается в герцах (Гц), причем более высокий Гц соответствует более высокочастотному звуку. Низкочастотные звуки составляют 500 Гц или ниже, а высокочастотные волны — более 2000 Гц.

   5. Какая частота трансформатора?
   Что такое частота трансформатора. Доступны три распространенные частоты: 50 Гц, 60 Гц и 400 Гц. Мощность в Европе обычно составляет 50 Гц, а в Северной Америке — 60 Гц. Частота 400 Гц зарезервирована для мощных приложений, таких как аэрокосмическая промышленность, а также для некоторых специализированных компьютерных источников питания и ручных станков.

   Ideal Transformer — обзор

   13.3.2 Трансформаторы

   Трансформатор — это устройство, которое позволяет передавать электрическую энергию в виде переменного тока от одной цепи к другой через магнитное поле . Это также позволяет преобразовывать эту энергию из одного уровня напряжения и тока в другой с минимальными потерями. Электрическая энергия наиболее эффективно передается на большие расстояния при очень высоких напряжениях, в сотни киловольт и, соответственно, умеренных уровнях тока. Распределение на месте при 230 В (или 115 В в США) безопасно и удобно.Преобразование высокого напряжения, используемого для передачи, в гораздо более низкое, используемое для распределения, выполняется трансформаторами. Они играют ключевую роль в системе электроснабжения. В дополнение к их использованию в распределении энергии и источниках питания, трансформаторы также используются во многих электронных системах, особенно в радиочастотной беспроводной связи. Трансформаторы могут быть размером с железнодорожный локомотив или меньше, чем пуговица на рубашке. Они могут работать на низких частотах (50 Гц и менее) или на радиочастотах (порядка гигагерц).Их можно сравнить с механическими коробками передач (которые используются в автомобилях, велосипедах и т. Д.), Которые преобразуют механическую энергию, передаваемую им, скажем, на высокой скорости и с низким крутящим моментом, в более низкую скорость, но с более высоким крутящим моментом, или наоборот.

   На рисунке 13.5 (а) показана катушка или обмотка из Н ₁ витков, намотанных на магнитопровод. Катушка подключена к источнику постоянного тока. источник напряжения В ₁ . Ток I ₁ определяется сопротивлением катушки R ₁ , как показано эквивалентной схемой, показанной на рисунке 13.5 (б). Магнитный поток, индуцированный током I ₁ , определяется следующим образом (см. Также Hughes, 1995; R. J. Smith, 1984; Slemon and Straughen, 1980).

   Рис. 13.5. Простая магнитная цепь, возбуждаемая постоянным током. источник: (а) магнитная цепь; (б) электрическая эквивалентная схема.

   Ток I ₁ создает магнитодвижущую силу (ммс), F , Н ₁ I ₁ ампер (иногда используемую единицу измерения называют ампер-витками).

   (13,1) F = N1I1

   соответствующая напряженность магнитного поля H (измеряется в ампер / метр или ампер-виток / метр) составляет

   (13,2) H = Fl

   , где l — длина магнитный путь.

   Связь между напряженностью поля H и плотностью потока B (измеряется в теслах) является свойством рассматриваемого материала. Для свободного пространства (и воздуха) эти две величины линейно пропорциональны соотношению (называемому проницаемостью) μ ₀ = 4π × 10 ⁻⁷ (измеряется в генри / метр).Для ферромагнитных материалов, таких как железо, сталь или ферриты, зависимость сильно нелинейна, как описано в хорошо известной петле B – H . При заданной напряженности поля H в этих материалах создается более высокая плотность потока B , чем в воздухе. Относительная магнитная проницаемость μ _r описывает, насколько больше плотность потока для данной напряженности поля. Он может иметь значение от нескольких сотен и более. Обратите внимание, что поскольку взаимосвязь между B и H является нелинейной, μ _r не является константой для конкретного материала; это зависит от значения H, или B.

   (13,3) B = μ0μrH

   Магнитный поток Φ (измеренный в веберах) рассчитывается из плотности потока как

   (13,4) ϕ = BA

   , где A — площадь поперечного сечения материала. перпендикулярно потоку.

   На рисунке 13.6 (a) показана та же магнитная цепь, что и на рисунке 13.5 (a), но возбуждение изменено на переменное. источник напряжения (вида В = В _p sin ω t ). В этом случае поток также является синусоидальным (без учета влияния нелинейности петли B – H).Однако, согласно закону Фарадея, напряжение В индуцируется в проводнике, если он находится в изменяющемся магнитном поле, где

   Рис. 13.6. Простая магнитная цепь, возбуждаемая переменным током. источник: (а) магнитная цепь; (б) электрическая эквивалентная схема.

   (13,5) ν = Ndϕdt

   Это индуцированное напряжение противостоит приложенному, в дополнение к резистивному падению напряжения i ₁ R ₁ . Он представлен в эквивалентной схеме на Рисунке 13.6 (б) индуктором L _M . Катушка индуктивности используется, поскольку и находятся в фазе с Φ, но v не совпадают по фазе на 90 ° (из-за производного члена). Следовательно, ток в этом случае определяется как сопротивлением катушки, так и ее индуктивностью. Последнее зависит от магнитных свойств сердечника. Подстановка соотношений из (13.1) — (13.4) в (13.5) приводит к

   (13.6) ν = N1dϕdt = μ0μrAlN12didi

   Поскольку напряжение v представляет собой напряжение на катушке индуктивности, можно сравнить уравнение (13.6) с соотношением для индуктора v = L d i / d t . Следовательно, индуктивность с точки зрения магнитных свойств выражается как

   (13,7) L = μ0μrAlN12

   Предполагая, что поток синусоидален, его можно выразить как Φ = Φ _пик sin ω t . Тогда из (13.5)

   (13.8) ν1 = N1dϕdt = N1ωϕpeakcosωt

   Среднеквадратичное значение v ₁ ( V ₁ ) равно

   (13.9) V1 = N1ωϕpeak2 = 2π2N1fϕpeak = 4⋅44N1fϕpeak

   Это важное соотношение показывает выбор, доступный проектировщикам. Например, на высоких частотах и ​​количество витков, и / или магнитный поток (и, следовательно, площадь поперечного сечения сердечника) могут быть уменьшены для данного входного напряжения.

   На рисунке 13.7 (a) показана та же магнитная цепь, что и раньше, с добавлением второй обмотки N ₂ витков. Две обмотки обычно называют первичной и вторичной .Выходное напряжение холостого хода этой второй (вторичной) обмотки В ₂ можно найти с помощью уравнения (13.5). Предполагая, что поток одинаков в обеих обмотках, v ₂ составляет

   Рис. 13.7. Трансформатор с разомкнутой вторичной обмоткой: а) магнитопровод; (б) электрическая эквивалентная схема.

   (13.10) ν2 = N2dϕdt

   Объединение уравнений (13.5) и (13.10) приводит к важному соотношению напряжений для идеального трансформатора.

   (13.11) ν1ν2 = N1N2

   Идеальным трансформатором в данном контексте является трансформатор, где

   1.

   Нет потерь мощности ни в обмотках, ни в сердечнике (механизмы потерь в трансформаторах описаны более подробно см. Slemon and Straughen, 1980).

   2.

   Поток в обеих обмотках одинаковый.

   3.

   Для создания магнитного потока в сердечнике требуется пренебрежимо малый ток (ток намагничивания).Другими словами, реактивное сопротивление L _M на рисунке 13.6 очень велико.

   Эквивалентная схема практического сердечника с двумя обмотками показана на рисунке 13.7 (b). Здесь показан идеальный трансформатор, резистор R ₁ и катушка индуктивности L _M . Резистор R ₁ представляет сопротивление первой обмотки и используется для учета того факта, что в практическом трансформаторе потери мощности в обмотках не пренебрежимо малы, как указано для идеального в предположении (1) выше. .В результате выходное напряжение холостого хода вторичной обмотки, В, , _2, , немного меньше, чем было бы дано уравнением (13.11) с использованием входного напряжения В, , _1, и отношения витков. Это представлено в эквивалентной схеме падением напряжения на резисторе R ₁ , которое представляет собой разницу между реальным входным напряжением v ₁ и v ′ ₁ = v ₂ N ₁ / N ₂ .Точно так же в практическом трансформаторе током намагничивания не всегда можно пренебречь, как в предположении (3) выше. Это индуктор L _M .

   На рисунке 13.8 (а) показан трансформатор с нагрузкой R _L , подключенной к вторичной обмотке. В результате наведенного напряжения v ₂ во вторичной обмотке по вторичной цепи протекает ток i ₂ . Однако этот ток, протекающий во вторичной обмотке, создает МДС, которая, согласно закону Ленца, противодействует потоку в сердечнике, который в первую очередь индуцировал В ₂ .Таким образом, чистый mmf в магнитной цепи уменьшается, и это, в свою очередь, уменьшает магнитный поток Φ. Согласно уравнению (13.5), уменьшенный поток приводит к уменьшению напряжения, индуцированного в первичной обмотке, которое противодействует входному напряжению v ₁ . Увеличенная разница между ними приводит к увеличению текущего i ₁ до тех пор, пока не будет достигнуто новое состояние равновесия. Следовательно, увеличение тока во вторичной обмотке приводит к увеличению тока в первичной обмотке.

   Рис. 13.8. Трансформатор с нагруженной вторичной обмоткой: а) магнитопровод, принципиальная схема трансформатора; (б) электрическая эквивалентная схема.

   Первичный ток состоит из двух компонентов. Один из них — ток намагничивания i _M (ток, который течет в первичной обмотке, когда ток не течет во вторичной). Другой — это i ′ ₁ компонент, возникающий в результате протекания тока во вторичной обмотке. Следовательно,

   (13.12) i1 = i′1 + iM

   Эквивалентная схема на Рисунке 13.8 (b) показывает эту взаимосвязь.

   В идеальном трансформаторе магнитный поток одинаков в обеих обмотках (предположение (2) выше), и МДС, создаваемые двумя обмотками, можно считать равными и противоположными друг другу. Следовательно,

   (13.13) N1i′1 = N2i2

   или

   (13.14) i′i2 = N1N2

   Обратите внимание, что объединение уравнений (13.11) и (13.14) приводит к

   ν1i′1 = ν2i2

   As Можно ожидать, что потребляемая мощность идеального трансформатора такая же, как и выходная мощность, поскольку отсутствуют потери.

   Аналогично, использование уравнений (13.11) и (13.14) приводит к соотношению

   (13.15) RL = ν2i2 = ν1N2N1i′1N1N2 = ν1i′1 [N2N1] 2 = R′L [N2N1] 2

   , где R ′ _L — это кажущееся сопротивление, «видимое при взгляде на первичную обмотку» в результате подключения R _L к вторичной обмотке. Это соотношение составляет основу использования трансформаторов для согласования импеданса . Возможно, более полезно выразить это как

   (13.16) R′L = RL [N1N2] 2

   На практике поток в двух обмотках не совсем одинаковый, и предположение (2) для идеального трансформатора не относится строго к практическому.Как показано на рисунке 13.9 (а), часть потока «утекает» из сердечника и связана только с одной из обмоток. В описании схемы на рис. 13.9 (а) показано, что эффект этого потока рассеяния должен индуцировать напряжение, которое противодействует входному напряжению. Этот эффект представлен в эквивалентной схеме катушкой индуктивности. Таким образом, пересмотренная эквивалентная схема трансформатора включает две катушки индуктивности L, , _1, и L, , _2, , чтобы учесть индуктивность рассеяния двух обмоток.Эквивалентная схема показана на рисунке 13.9 (b). При проектировании и изготовлении трансформаторов уделяется большое внимание минимизации потока утечки с помощью таких мер, как наматывание двух обмоток друг на друга и использование сердечников тороидальной формы, если это возможно.

   Рис. 13.9. Трансформатор с нагруженной вторичной обмоткой, показывающий поток рассеяния и результирующую индуктивность: (а) магнитная цепь, показывающая поток рассеяния; (б) электрическая эквивалентная схема.

   Эквивалентная схема, показанная на рисунке 13.9 (b) чаще используется в упрощенном виде. Упрощение выполняется в два этапа. Во-первых, предположим, что падением напряжения в R ₁ и L ₁ из-за тока намагничивания i ′ _M можно пренебречь. Следовательно, L _M можно подключить непосредственно через источник на другой стороне R ₁ и L ₁ без внесения каких-либо ошибок. Компонент R _M добавлен, чтобы представить потерю энергии в сердечнике, вызванную переменным магнитным потоком.На втором этапе используется уравнение (13.16). Это позволяет объединить вторичное сопротивление и индуктивность рассеяния с первичными. Резистор R ₂ отображается на первичной обмотке как R ′ ₂ , и его можно комбинировать с R ₁ для образования R _W как

   (13,17) RW = R1 + R2 [N2N1] 2

   Аналогично,

   (13.18) LW = L1 + L2 [N2N1] 2

   Упрощенная эквивалентная схема показана на рисунке 13.10.

   Рис. 13.10. Упрощенная схема замещения трансформатора.

   Может использоваться для расчета регулирования трансформатора. Это мера изменения напряжения между током холостого хода и током полной нагрузки. Он определяется как

   (13.19) Регулировка = Vout (без нагрузки) −Vout (полная нагрузка) Vout (полная нагрузка)

   Эквивалентная схема на рисунке 13.10 обычно используется на низких частотах (50 и 60 Гц). На высоких частотах необходимо учитывать паразитную емкость обмоток.Это можно смоделировать как конденсатор на первичной обмотке. Этот конденсатор эффективно включен последовательно с катушкой индуктивности, представляющей индуктивность рассеяния, и поэтому цепь является резонансной. В некоторых схемах трансформатор спроектирован как часть настроенной нагрузки усилителя, как в разделе 9.2 (см. J. Smith, 1986). На высоких частотах влияние индуктивности намагничивания может быть меньше, но индуктивности рассеяния больше.

   В следующих разделах будет видно, что форма волны тока, потребляемого выпрямителями, подключенными к накопительным конденсаторам (см. Рисунок 13.21) далека от синусоидальности. Об этом всегда нужно помнить при проектировании источников питания и используемых в них трансформаторов. Информацию о практическом проектировании трансформаторов можно найти в нескольких специализированных текстах. Уиттингтон и др. . (1992) занимается проектированием трансформаторов для импульсных источников питания (см. Раздел 13.4).

   Рис. 13.21. Входное напряжение и ток, а также осциллограммы напряжения нагрузки.

   SAQ 13.1

   Напряжение, ток и мощность были измерены на первичной стороне трансформатора вместе с вторичным напряжением при разомкнутой и короткозамкнутой вторичной обмотке.Результаты измерений, выполненных на частоте 50 Гц, следующие:

   	Первичное напряжение (В)	Ток (А)	Мощность (Вт)	Вторичное напряжение (В)
   Обрыв	240	0,1	12	20
   Короткий	10	1	8	0	8	0

   первичная эквивалентнаяТакже определите мощность, рассеиваемую в трансформаторе, и выходное напряжение вторичной обмотки, когда она обеспечивает вторичный ток 8 А от первичного источника питания 240 В.

   Исследование механизма вибрации сердечника трансформатора и генерации шума, вызванного магнитострикцией зерна. Ориентированный стальной кремниевый лист

   Проблема вибрации и шума в железном сердечнике силовых трансформаторов остается весьма актуальной. Поскольку в современном производстве железных сердечников и переплетов используются метод ламинирования и клейкая лента без утка, соответственно, вибрация сердечника трансформатора в основном связана с магнитострикцией листа кремнистой стали (SSS).В данной работе на основе магнитострикции зернисто-ориентированного НДС был проведен углубленный анализ механизма генерации вибрации в сердечнике трансформатора. Наблюдалась микроструктура НДС, были протестированы его магнитострикционные свойства при различных плотностях магнитного потока, и была построена модель четырехугольного железного сердечника, имитирующая сердечник, для анализа характеристик вибрации. Модальные испытания, испытания на вибрацию и шум были выполнены на реальном сердечнике трансформатора 110 кВ в условиях холостого хода.Результаты показывают, что вибрация сердечника связана с механизмом деформации НДС. Величина вибрации в разных частях сердечника различается из-за анизотропии магнитострикции. Вибрация в вертикальном направлении к плоскости сердечника является наибольшей, а ее величина в центре сердечника ниже, чем в швах в той же плоскости. Вибрация сердечника и шум демонстрируют значительную корреляцию, в то время как модальные характеристики сильно влияют на вибрацию сердечника и интенсивность шума.

   1. Введение

   Силовые трансформаторы являются критически важными составными частями энергосистемы, и их безопасная работа является обязательной для надежности всей системы.Вибрация трансформаторов влияет на нормальную работу, срок службы и надежность силового оборудования, а вибрация и шум также отрицательно сказываются на здоровье и комфорте человека [1–3]. Вибрация трансформатора состоит из двух основных составляющих: (i) вибрация обмотки, вызванная электромагнитной силой, создаваемой взаимодействием тока в обмотке с потоком рассеяния, и (ii) вибрация стального сердечника, вызванная силами магнитострикции в листе кремнистой стали ( ССС). В условиях холостого хода в обмотке отсутствует ток, а вибрация трансформатора в основном создается сердечником.Сигнал вибрации, измеренный в это время, является сигналом вибрации сердечника, который индуцируется магнитострикцией SSS.

   До сих пор большинство исследований вибрации сердечника трансформаторов в основном сосредоточено на магнитострикционных свойствах материалов [4–6], вибрации сердечника, испытаниях шума, характеристиках передачи вибрации [7-17], а также теоретическом или численном моделировании [18–18]. 26]. Есть также некоторые исследования, посвященные сбору сигналов для анализа вибрации и распознавания особенностей [27–32]. Cheng et al.[4] исследовали магнитные и магнитострикционные свойства различных марок НДС и предложили выбор зернисто-ориентированного НДС в материалах сердечника. Wang et al. [6] исследовали характеристики магнитострикционного динамического гистерезиса электротехнической стали с ориентированной зеренной структурой при различных эллиптических локусах намагничивания на основе прибора для измерения вращательных магнитных свойств. Моисей и др. [7] провели экспериментальные испытания поверхностной вибрации и шума сердечников трансформатора с помощью лазерного виброметра. Okabe et al.В [8] изучались вибрационные характеристики и формы колебаний сердечника трехфазного трансформатора при различных возбуждениях и анализировались причины различия частотного спектра и шумового спектра магнитострикционной вибрации при парциальном частотном возбуждении. Ma et al. [15] провели испытания на вибрацию и шум внутри и снаружи типичного бака распределительного трансформатора 10 кВ и получили акустико-вибрационную характеристику и закон распространения распределительного трансформатора 10 кВ.Zhang et al. [16] использовали магнитострикционный ортогональный метод расчета для моделирования вибрации железных сердечников моделей трансформатора и шунтирующего реактора. Результаты расчетов и испытаний показали, что напряжение Максвелла было основной причиной вибрации активной зоны реактора, а магнитострикция — основной причиной сердечника трансформатора. Лю и др. [18] предложили модель передачи вибрации трансформатора, основанную на передаче движения. Путем экспериментов и теоретических расчетов была проверена точность метода передачи вибрации, который можно использовать для анализа взаимосвязи вибрации между сердечником трансформатора и корпусом.Яворски и др. [20] на основе экспериментов установил метод расчета магнитострикционной силы и проанализировал магнитострикцию многослойных сердечников в разных направлениях. Ghalamestani et al. [22] рассчитали деформации сердечника трехфазного трансформатора при чисто синусоидальном намагничивании с частотой 50 Гц и намагничивании с пятой гармонической составляющей с помощью метода двумерных (2D) конечных элементов. Hu et al. [23] рассчитал уровень звукового давления излучаемого шума вокруг трансформатора на основе установленной модели конечных элементов, сочетающей анализ переходного электромагнитного поля, анализ механического поля и акустический анализ.Сравнение результатов расчетов и данных измерений подтвердило, что комбинированная модель расчета шума применима для прогнозирования шума трансформатора. Zhang et al. [24] изучали быстрый и точный метод расчета вибрации сердечника сверхвысоковольтного генераторного трансформатора типа DFP-270000/500. На основе расчета виброакустической связи был получен коэффициент демпфирования колебаний сердечника трансформатора, а анализ магнитной структурной связи был использован для вибрации сердечника трансформатора.Лю и др. [25] установили полную цепочку моделирования такого трансформатора с полной связью, от инжекции трехфазного магнитного потока до 2D-деформации и оценки акустической мощности сердечника трансформатора с учетом связи фазного тока, возбуждения магнитного потока (возбуждения напряжением). , анизотропия материала, магнитострикционные напряжения и многослойная гомогенизация. Однако большинство перечисленных выше работ являются одноэтапными исследованиями, без учета переноса между каждым этапом. Таким образом, механизм генерации колебаний сердечника до сих пор подробно не описан.

   В этой статье, в соответствии с процессом эволюции от материала к продукту, тестируются микроструктура и магнитострикционные свойства зернисто-ориентированного НДС, а также строится четырехугольная модель сердечника для имитации вибрации первого порядка ядро. Затем выполняются модальные, вибрационные и шумовые испытания сердечника трансформатора 110 кВ. Углубленный анализ механизма генерации вибрации сердечника может предоставить конструктивные идеи и поддержку данных для изготовления сердечников с низким уровнем шума.

   2. Механизм вибрации железного сердечника

   Вибрация сердечника в основном вызвана магнитострикционным явлением НДС и электромагнитной силой Максвелла. В связи с постоянным совершенствованием метода ламинирования, используемого для изготовления железного сердечника, и применения клейкой ленты без утка при его связывании, вибрация сердечника трансформатора в основном контролируется магнитострикцией SSS. Когда НДС подвергается воздействию внешнего магнитного поля, его размеры претерпевают сжатие и / или удлинение и возвращаются к исходным значениям после снятия внешнего магнитного поля.Это явление называется магнитострикционным эффектом.

   Коэффициент магнитострикции обычно используется для отражения магнитострикции, которая может быть выражена следующим образом: где — коэффициент осевой магнитострикции НДС, — максимальное осевое расширение или сжатие НДС, а — исходный осевой размер НДС.

   Предполагая, что напряжение питания согласно принципу электромагнитной индукции, интенсивность магнитной индукции в сердечнике равна где — магнитный поток сердечника, S — площадь поперечного сечения сердечника и — величина интенсивности магнитной индукции.

   Когда железный сердечник работает в ненасыщенном состоянии, плотность магнитного потока и напряженность магнитного поля имеют линейную зависимость. Напряженность магнитного поля в железном сердечнике составляет где B _s — магнитная индукция насыщения сердечника, а H _c — коэрцитивная сила.

   Под действием внешнего магнитного поля мелкомасштабная деформация НДС, вызванная магнитострикцией, удовлетворяет следующему соотношению: где — коэффициент магнитострикции насыщения НДС.

   Основываясь на приведенном выше соотношении, можно получить максимальное осевое удлинение сердечника, вызванное магнитострикцией НДС, следующим образом:

   Следовательно, когда трансформатор разгружен, ускорение вибрации сердечника, вызванное магнитострикцией НДС, составляет

   Из уравнения Из (6) можно сделать вывод, что виброускорение пропорционально квадрату напряжения, если материал сердечника и рабочая температура остаются неизменными:

   Период изменения магнитострикции в два раза меньше, чем у переменного электромагнитного поля, в то время как основной частота колебаний сердечника, вызванная магнитострикцией, вдвое превышает частоту изменения электромагнитного поля.

   Однако на практике форма волны плотности магнитного потока сердечника не является стандартной синусоидальной волной. Кроме того, распределение магнитного потока и траектории внешней и внутренней рам сердечника различаются, что приводит к тому, что сигнал вибрации сердечника содержит большое количество высших гармонических составляющих, помимо составляющей основной частоты.

   
   

   3. Материалы и методы

   (1) Материалы: в качестве материала листа кремнистой стали с ориентированной зеренной структурой (SSS), использованного в испытании, был готовый холоднокатаный продукт B30P105, произведенный Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Китай. (2) Измерение микроструктуры зернисто-ориентированной НДС: анализ микроструктуры и текстуры были основными методами оценки зернисто-ориентированной НДС. SSS с ориентированной зернистостью размывали горячим раствором соляной кислоты, а затем фотографировали. Текстуру измеряли с помощью дифрактометра обратного рассеяния электронов (EBSD), присоединенного к автоэмиссионному сканирующему электронному микроскопу Zeiss Ultra 55. (3) Измерение магнитострикции SSS с ориентированной зернистостью: для проверки коэффициента магнитострикции и скорости A-взвешенной скорости (AWV) использовалась система измерения магнитострикции MST500. ) шум зернисто-ориентированного SSS согласно IEC / TR 62581–2010.Размеры образца 100 мм × 600 мм. В процессе измерения один конец образца фиксируется зажимной частью устройства, а другой конец образца находится в свободном состоянии. Разрешение лазера 10 нм / м. Фотография прибора для измерения коэффициента магнитострикции показана на рисунке 1. (4) Испытательная модель сердечника с четырьмя углами: модель стального сердечника с четырьмя углами была создана для имитации вибрации первого порядка сердечника трансформатора. В модели с четырехугольным железным сердечником применен трехступенчатый метод ступенчатого перекрытия; две части были уложены друг на друга и соединены диагональным соединением под углом 45 °.Обмотка была равномерно намотана на два плеча и использовалась последовательно. Всего было 220 витков, длиной 800 мм, шириной 100 мм и толщиной стопки 30 мм. Система анализа акустической вибрации компании B&K, Дания, использовалась для сбора сигналов вибрации в пяти точках измерения в центральной области и в зоне стыка параллельной и вертикальной плоскостей сердечника, как показано на Рисунке 2. (5 ) Измерение сердечника трансформатора: в фактическом продукте использовался трехфазный двухобмоточный сердечник трансформатора 50 МВА 110 кВ для проверки его вибро-шумовых характеристик и собственных режимов.Измеритель уровня звука и система анализа акустической вибрации компании B&K, Дания, использовались для измерения и анализа звуковой вибрации в условиях холостого хода, а модальные испытания железного сердечника были выполнены с помощью силового ударного молотка и акселерометра. . Точки измерения шума и вибрации показаны на рисунке 3.

   4. Результаты и обсуждение

   4.1. Микроструктура и магнитострикционные свойства зернисто-ориентированного НДС

   На рисунках 4 и 5 показаны микроструктура и текстура различных участков НДС, соответственно.Можно видеть, что микроструктуры центральной и краевой областей шва обеих представляющих интерес областей представляют собой кремнистую сталь с высокой зернистостью, которая была обработана холодной прокаткой и отжигом. Характеристики текстуры текстуры соответствуют. Полная вторичная рекристаллизация произошла в обеих областях, что привело к образованию зерен размером сантиметр с неправильной морфологией и разными размерами. Распределение ориентации кристаллов в обеих областях однородно. Согласно результатам наблюдения полюсной фигуры, обе области представляют собой резкие текстуры Госса.Угол отклонения ориентации Госса невелик, и нет зерен с ориентированными зернами, которые ухудшают магнитные свойства, такие как и.

   
   

   На рисунке 6 показана кривая магнитострикции SSS в направлении качения под действием магнитного поля возбуждения с синусоидальным периодом 50 Гц. Видно, что кривая бабочки имеет симметрию влево-вправо. Его «крыло» отверстие обращено вниз, а магнитострикция имеет как растягивающие, так и сжимающие деформации, причем последняя преобладает над первыми.Такое преобладание может быть связано с динамическим движением доменной стенки или реорганизацией магнитной доменной структуры. Магнитострикционная усадка вызывается поворотом магнитного момента магнитного домена на 90 °. С увеличением плотности магнитного потока объем магнитного домена под углом 90 ° непрерывно уменьшается. Когда максимальная плотность магнитного потока достигает 1,7 Тл, магнитострикция больше не будет монотонно увеличиваться и начнет падать. Кривые крылья бабочки сужались, а магнитострикция имела тенденцию к насыщению.

   
   

   Магнитострикционные однозначные кривые при различных магнитных плотностях показаны на рисунке 7. Можно видеть, что с увеличением напряженности приложенного магнитного поля величина размаха магнитострикции, которая определяется как разница между значениями и при переменном намагничивании постепенно увеличивается. Когда магнитные свойства материала имеют тенденцию к насыщению, магнитострикция также кажется насыщенной. С микроскопической точки зрения магнитные домены, составляющие материал, постепенно располагаются параллельно направлению внешнего поля под действием этого поля, и процесс намагничивания также изменяется с размером магнитного домена.Когда все магнитные домены образуют однодоменный образец, достигается насыщение намагниченности, и деформация магнитных доменов также имеет тенденцию к насыщению. При дальнейшем увеличении напряженности магнитного поля намагниченность будет медленно увеличиваться, и поведение изменения больше не будет соответствовать образцу до насыщения.

   
   

   На рисунке 8 показана кривая изменения магнитострикции НДС во временной области при различных магнитных плотностях за один период. При магнитной плотности 1.7 T кривая перестает быть гладкой и искажается. Результаты анализа спектра Фурье показаны на рисунке 9. Когда плотность магнитного потока меньше 1,7 Тл, максимальные магнитострикционные длины в основном сосредоточены при 0 и 100 Гц. После 1,7 Тл магнитострикционные длины на частотах 200 и 300 Гц значительно увеличились.

   
   
   

   На рисунке 10 изображена кривая типа «бабочка» ориентированной зернистой SSS в различных направлениях при магнитной плотности 1.3 Тл в синусоидальном периодическом магнитном поле возбуждения частотой 50 Гц. Видно, что кривые «бабочка» в разных направлениях имеют лево-правую симметрию, а направления магнитострикции не совпадают, демонстрируя высокие характеристики магнитострикционной анизотропии. Вдоль направления прокатки величина магнитострикции наименьшая. В направлении 45 ° величина магнитострикции увеличивается и показывает усадку. В вертикальном направлении величина магнитострикции является наибольшей и показывает относительное удлинение.Максимальное значение магнитострикции в вертикальном направлении превышает таковое в направлении прокатки в 35 раз. Кривые бабочки, вертикальные по отношению к направлению прокатки при различной магнитной плотности, для краткости опущены. Их характер изменения и магнитострикционные характеристики такие же, как и в направлении прокатки: они оба увеличивают магнитострикцию по мере увеличения плотности магнитного потока до насыщения. Однако при той же плотности магнитного потока магнитострикция SSS с ориентированными зернами в вертикальном направлении значительно больше, чем в параллельном (прокатном) направлении.

   
   

   На рисунке 11 показаны кривые шума AWV для зернисто ориентированного НДС в разных направлениях с различной плотностью магнитного потока при возбуждении синусоидальным периодическим магнитным полем частотой 50 Гц. Ограниченная мощностью оборудования, максимальная напряженность поля в вертикальном и 45 ° направлениях составляет 1,6 Тл. Видно, что уровень шума AWV зернисто-ориентированного SSS изменяется в разных направлениях. При одинаковой магнитной плотности шум AWV наименьший в направлении качения, немного увеличивается в направлении 45 ° и является наибольшим в вертикальном направлении.У последнего AWV шум почти вдвое выше, чем в направлении качения. Скорость увеличения значения шума AWV для зернисто-ориентированного SSS не зависит от насыщения образца. До и после насыщения образца рост значения шума AWV согласуется с увеличением плотности магнитного потока. Хотя скорость увеличения значения размаха магнитострикции становится меньше после насыщения, она не увеличивается или даже немного уменьшается после того, как образец становится насыщенным.Однако с появлением явления насыщения содержание гармоник, содержащихся в магнитострикционной форме волны, увеличивается, и вклад в значение шума AWV относительно велик, поэтому значение шума AWV увеличивается.

   
   

   4.2. Вибрационные характеристики четырехугольного железного сердечника модели

   На рисунке 12 показаны временная область колебаний и спектр колебаний SSS модели четырехугольного железного сердечника при магнитной плотности 1,3 Тл. Можно видеть, что сигнал вибрации во временной области представляет собой не стандартную синусоидальную форму волны, а искаженную форму волны, на которую накладываются различные частотные сигналы.Однако по-прежнему можно определить сигнал вибрации сердечника как периодический сигнал с частотой 100 Гц.

   
   

   Основные места возникновения пиков частоты вибрации в каждой точке измерения и общее эффективное значение виброускорения показаны в таблице 1. Частоты основных пиков вибрации в разных направлениях, очевидно, различаются. Помимо основной частоты, есть также хорошо выраженные высокочастотные составляющие, что согласуется с результатами теоретического анализа.Кроме того, в области шва (точки 3 и 4) также появились гармоники нечетного порядка 450 и 650 Гц, что может быть вызвано комбинированным эффектом циклического возбуждения в общей области и электромагнитной силы между зазорами. Эффективные значения виброускорения вертикально к плоскости сердечника ( a ₁ и a ₃ ) выше, чем значения, параллельные плоскости сердечника ( a ₂ , a ₄ , и a ₅ ).

   1 Точка измерения Основная пиковая частота вибрации (Гц) Эффективное значение виброускорения (м / с 2 ) 100 и 200 0,072 2 100, 200, 400 и 700 0,042 3 100 0,166 4 0041 5 100 0,038

   На рисунке 13 показаны вибрационные характеристики точек измерения 2, 3 и 5 при различной магнитной плотности. Видно, что с увеличением магнитной плотности пиковая интенсивность основной частоты колебаний продолжает увеличиваться, появляются пики колебаний новой частоты и форма колебательного сигнала усложняется. Амплитуда виброускорения основной частоты имеет линейную зависимость от квадрата магнитной плотности, как показано на рисунке 14.То есть виброускорение основной частоты имеет линейную зависимость от возведенного в квадрат напряжения, что согласуется с вышеизложенным наблюдением о том, что вибрация сердечника пропорциональна возведенному в квадрат рабочему напряжению.

   
   

   На рисунке 15 показано значение ускорения в каждой точке измерения при различной магнитной плотности. По мере увеличения магнитной плотности значение ускорения каждой точки измерения соответственно увеличивается. Это показывает, что вибрация, вертикальная к плоскости сердечника, всегда выше, чем вибрация, параллельная ей.В том же направлении колебания в центральной области НДС значительно меньше, чем в области стыка кромки ( a ₁ < a ₃ и a ₂ < a ₄ ). В плоскости, параллельной железному сердечнику, фаза колебаний в направлении прокатки ( a ₅ ) аналогична фазе колебаний в центральной области ( a ₂ ) по вертикали (прокатка) направление при мелкомасштабной магнитной плотности.Но по мере увеличения магнитной плотности вибрация, вертикальная к направлению прокатки, постепенно больше, чем вибрация, ориентированная вдоль этого направления.

   
   

   Как упоминалось ранее, микроструктура и текстура различных областей НДС существенно не отличаются, в отличие от магнитострикции НДС в разных направлениях. Следовательно, основной причиной очевидного различия между областями является магнитострикция НДС.

   В центральной области НДС распределение магнитного поля непрерывное и однородное, а направление магнитного поля определенное и постоянное.Напротив, распределение магнитного поля в области краевого шва прерывистое, а наличие вращающегося магнитного потока вызывает рассеяние направления магнитного поля в этой области во многих направлениях. В то же время в процессе деформации микроструктуры области шва зерна деформируются и вращаются более свободно, поскольку они меньше сдерживаются и сдерживаются окружающими зернами. Кроме того, из-за взаимного сжатия между НДС в общей зоне может возникнуть деформация, отличная от магнитострикции.Эти факторы приводят к тому, что область шва имеет совершенно отличные от центральной области магнитострикционные характеристики, что неизбежно приведет к низким и высоким параметрам вибрации центральной и шовной областей соответственно, а также к различиям в характеристиках их спектра колебаний. При этом возникает микродеформация, вертикальная к плоскости сердечника.

   Под действием магнитного поля магнитострикционное направление НДС сердечника в основном совпадает с направлением прокатки НДС и направлением магнитного поля.Однако оба конца SSS ограничены шестью степенями свободы. Следовательно, магнитное поле вызывает магнитострикцию НДС в своем направлении, но деформация материала не может происходить с обоих концов. Это вызывает микроизгиб и крутильную деформацию в средней части НДС, и составляющая этой деформации в направлении, вертикальном к плоскости НДС, будет вызывать периодическую деформацию между слоями. Эта периодическая микродеформация вызывает колебания в направлении, вертикальном к плоскости НДС.Видно, что вибрация сердечника в направлении, вертикальном к плоскости сердечника, является результатом совместной деформации области краевого шва НДС сердечника в этом направлении и микродеформации между пластинами в центральной области. Колебание, параллельное плоскости сердечника, является результатом деформации НДС в направлении магнитного поля.

   4.3. Модальные, шумовые и вибрационные характеристики реального сердечника трансформатора

   На рисунке 16 представлена ​​фотография модального испытания сердечника трансформатора 110 кВ.Результаты модальных испытаний показаны в Таблице 2. Видно, что вблизи собственной частоты сердечника трансформатора легко вызвать резонанс оборудования и увеличить его общие уровни вибрации и шума.

   
   

   65.71 905 Заказ Экспериментальное значение (Гц) 1 8.41 8,41 8,41 4 100,86 5 175,43 6 203,6 7 299,31 299,31 299,31 10 493,95 11 570,34 12 592,06 13 705,97 49 15 802.52

   На рисунке 17 показаны первые шесть характеристик режима собственной частоты сердечника трансформатора. Видно, что мода первого порядка сердечника трансформатора в основном характеризуется вибрационной деформацией всей конструкции и локальным кручением как вспомогательным. Мода второго порядка в основном характеризуется деформацией изгиба и кручения, а также деформацией кручения конструкции.Мода третьего порядка в основном характеризуется крутильной деформацией конструкции. Мода четвертого порядка в основном характеризуется деформацией конструкции изгибом и кручением. Режимы колебаний выше пятого порядка демонстрируют совокупные характеристики воздействия крутильной деформации и изгибной деформации. По мере повышения структурного порядка сердечника его модальные характеристики постепенно изменяются от деформации изгиба к многопорядковому изгибу и деформации кручения, демонстрируя более сложные характеристики деформации.

   Экспериментальные полевые диаграммы вибрационных и шумовых испытаний компонентов сердечника трансформатора 110 кВ в условиях холостого хода и характеристики частотного спектра некоторых точек измерения показаны на рисунках 18 и 19. Частота пика виброускорения по вертикали к плоскости сердечника в основном проявляется на частотах 100, 200, 300 и 500 Гц. Также есть определенные пики на частотах 50, 150, 250, 350, 400, 600, 700, 800 и 900 Гц. Частота пика виброускорения, параллельного плоскости сердечника, в основном проявляется в районе 300 и 500 Гц.Также есть определенные пики на частотах 100, 200, 400, 600, 700, 800 и 900 Гц. Характеристики спектра колебаний в разных положениях и направлениях различаются. Общее эффективное значение виброускорения в каждой точке показано на рисунке 20. Амплитуда вибрации в направлении, параллельном плоскости сердечника, обычно ниже, чем в вертикальном направлении. В том же направлении наблюдается постепенно убывающая тенденция от обоих концов к центру. Из-за различий в производственном процессе, мощности и тестировании модели с четырехугольным сердечником и фактических основных продуктов, основной спектр вибрации в каждой области немного отличается, но в основном они основаны на основной частоте 100 Гц и выше. гармонические частоты.Однако поведение при вибрации полностью соответствует поведению при вибрации в различных областях вышеупомянутой модели четырехугольного сердечника.

   
   
   
   

   Характеристики спектра шума (вертикальные и параллельные направлению плоскости сердцевины) показаны на рисунках 21 (a) и 21 (b) соответственно. Пиковые частоты с наибольшим шумом по вертикали относительно плоскости сердечника в основном появляются около 100, 200 и 500 Гц. Также есть явные пики шума на таких частотах, как 50, 80, 300, 400 и 600 Гц.Для спектров шума, параллельных плоскости железного сердечника, самые высокие частоты пиков шума в основном появляются около 300 и 500 Гц. Также есть очевидные пики шума вблизи таких частот, как 50, 80, 100, 200, 400 и 600 Гц.

   Видно, что спектры вибрации сердечника и шума в одном и том же направлении имеют существенные характеристики корреляции акустической вибрации. В направлении, вертикальном к плоскости сердечника, частоты экстремальных амплитуд вибрации и шума в основном появляются около 100, 200 и 500 Гц.Также есть определенные пики около таких частот, как 50, 300 и 400 Гц. В направлении, параллельном плоскости сердечника, частоты экстремальных амплитуд вибрации и шума в основном проявляются около 300 и 500 Гц. Пики также появлялись вблизи таких частот, как 100, 200 и 400 Гц. Шум на соответствующей частоте в основном связан с вибрацией сердечника.

   На рисунке 22 показана взаимосвязь между модами сердечника, вибрацией и шумом. Вибрация первого порядка сердечника по своей природе включает частоты около 50, 100 и 200 Гц, а его характеристиками режима в основном являются изгиб и крутильная деформация в направлении, вертикальном к плоскости сердечника.Анализ спектра колебаний по двум направлениям показывает, что только первое направление колебаний имеет максимальный пик вблизи частот 100 и 200 Гц. Спектр шума также имеет пики максимального шума около 100 и 200 Гц, что указывает на то, что основные модальные характеристики сильно влияют на его характеристики вибрации и шума, что может вызвать структурный резонанс на этих частотах. Видно, что основные модальные характеристики, вибрация и шум также имеют тесную корреляцию.

   
   

   На основании приведенного выше анализа даны три проектных точки с низким уровнем шума сердечника. Один из них заключается в выборе листа кремнистой стали с низкой магнитострикцией, который соответствует силе сжатия сердечника, чтобы уменьшить амплитуду колебаний во всех направлениях сердечника. Второй — изменить режим притирки или шаг зоны шва сердечника, чтобы уменьшить амплитуду вибрации в зонах шва. В-третьих, использовать шумоподавляющие демпфирующие материалы или улучшить структуру, чтобы изменить модальные характеристики сердечника, чтобы удерживать его вдали от основной рабочей полосы частот в возбужденном состоянии.Избегайте возникновения резонанса оборудования в рабочем состоянии при включении питания и уменьшайте возможность повреждения оборудования резонансом, тем самым обеспечивая безопасную работу оборудования и повышая уровень защиты оборудования от окружающей среды.

   5. Выводы

   В данной работе были проверены магнитострикционные характеристики листов текстурированной кремнистой стали (SSS). Платформа модели керна с четырьмя углами была построена для имитации вибрации первого уровня керна.Наконец, на фактическом основном продукте 110 кВ были проведены испытания на шум, вибрацию и режимы. В этой работе был проведен подробный анализ механизма вибрации сердечника от материала к изделию. Основные выводы заключаются в следующем: (1) Характеристики текстурной структуры и распределение ориентации кристаллов в центральных и краевых областях ориентированного НДС согласованы. По мере увеличения плотности магнитного потока SSS с ориентированной зернистостью магнитострикция в каждом направлении растет до насыщения, а значение шума AWV продолжает увеличиваться, не подвергаясь влиянию насыщения.При одинаковой плотности магнитного потока магнитострикция в вертикальном направлении по отношению к направлению прокатки значительно больше, чем в направлении прокатки, что свидетельствует о значительной анизотропии. (2) Существуют значительные различия в вибрации различных участков модели четырехугольного сердечника. Колебания, перпендикулярные плоскости сердечника, превышают параллельные ей. Вибрация в центральной области в той же плоскости значительно ниже, чем в области краевого шва. Это различие вызвано разной микроскопической деформацией, вносимой различными областями с совершенно разными магнитострикционными характеристиками.(3) Показано, что характеристики вибрации фактического изделия из стального сердечника на 110 кВ такие же, как у модели с четырехугольным стальным сердечником. В том же направлении наблюдается постепенно уменьшающаяся тенденция от обоих швов к центру, а спектры вибрации и шума имеют существенные характеристики корреляции акустической вибрации. Его модальные значения также имеют тесную корреляцию с его характеристиками вибрации и шума.

   В будущем амплитуду вибрации сердечника можно будет уменьшить, выбрав лист кремнистой стали с низким магнитострикционным эффектом, который соответствует силе сжатия сердечника, изменив режим притирки или расстояние в области шва сердечника, увеличив использование шумоподавляющих материалов, или улучшение конструкции.

   Доступность данных

   Данные, использованные для подтверждения выводов этого исследования, можно получить у соответствующего автора по запросу.

   Конфликт интересов

   Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации этой статьи.

   Благодарности

   Работа поддержана Научно-технологическим проектом Государственной сетевой корпорации Китая (грант № 5500–202058312A-0-0-00).

   Трансформаторы, часть 1

   Трансформаторы, часть 1 Верх

   Elliott Sound Products

   Руководство по трансформаторам для начинающих — часть 1

   © 2001 — Род Эллиотт
   Страница опубликована и обновлена ​​в ноябре 2018 г.

   ---

   Указатель статей
   Основной указатель
   

   ---

   Содержание — Часть 1

   ---

   Предисловие

   Одна вещь, которая явно сбивает с толку многих, — это идея плотности потока внутри сердечника трансформатора.Хотя это более подробно рассматривается в Разделе 2, важно, чтобы информация из этого раздела запоминалась на каждом этапе чтения этой статьи. Для любого силового трансформатора максимальная плотность магнитного потока в сердечнике достигается при простое трансформатора. Повторюсь, это очень важно …

   Для любого силового трансформатора максимальная магнитная индукция достигается, когда трансформатор находится в режиме ожидания.

   Идея противоречит интуиции, она даже почти не имеет смысла.Как бы то ни было, это факт, и его отсутствие разрушит ваше понимание трансформаторов. На холостом ходу обратная ЭДС трансформатора почти точно компенсирует приложенное напряжение. Небольшой ток, который течет, поддерживает плотность потока на максимально допустимом значении и представляет потери в стали (см. Раздел 2). Поскольку ток отводится от вторичной обмотки, поток немного падает. Причина этого кроется в конечном сопротивлении обмотки и в законе Ома.

   Неважно, что вы понимаете причины этого с самого начала, но — это , важно помнить, что для любого силового трансформатора максимальная плотность магнитного потока достигается, когда трансформатор находится в состоянии покоя .Пожалуйста, не забывай этого.

   В другом месте в сети вы найдете утверждения, что максимальная мощность, доступная от трансформатора, ограничена насыщением сердечника — это чушь, полная ложь и необходимо игнорировать , иначе вы никогда не поймете трансформаторы правильно! Информация, представленная здесь, является точной и правильной, и любой, кто утверждает иное, неправильно! Это может показаться резким, но, тем не менее, это правда.

   Еще нужно задуматься об индуктивности трансформатора. Принято считать, что трансформатор — это индуктивная нагрузка, но … это верно только при отсутствии нагрузки или при очень небольшой нагрузке . Когда трансформатор нагружен до номинальной мощности резистивной нагрузкой, индуктивная составляющая незначительна. Когда любой трансформатор подает что-либо от 5% до 100% от его полного тока нагрузки, индуктивная составляющая подавляется током нагрузки, и фазовый угол (Φ) между первичным напряжением и током минимален.Более подробно все это объясняется ниже.

   ---

   ‘Окружной ток’ (добавлено в июле 2020 г.)

   Существует некоторая путаница из-за статьи в Википедии, в которой обсуждаются тороидальные трансформаторы (по состоянию на июль 2020 года). Почти все, что нужно знать, исключено, но есть продолжительная дискуссия об «окружном токе». Во-первых, я не отрицаю, что он существует, но я знаю из многолетнего опыта (наряду с множеством измерений), что это не имеет значения для 99,9% пользователей.Мне кажется, что страница была взломана кем-то, кто либо хочет показать, насколько он умен, либо просто хочет продвинуть эту конкретную тему по неизвестным причинам.

   Стоит отметить, что ссылки, приведенные в статье Википедии, (в основном) бесполезны, и некоторые из них возвращают вас на страницу, где цитируется ссылка. Довольно много людей очень недовольны страницей, и один участник описал ее как «как руководство IBM; полное совершенно правильной, но совершенно бесполезной информации».

   Все трансформаторы имеют некоторую «утечку» магнитного потока, и думать иначе… неразумно. Важно то, вызывает ли утечка флюса какие-либо проблемы с разумной компоновкой. Ответ на этот вопрос — «нет». Прокладка даже кабеля динамика через тороидальный трансформатор обычно вызывает «гудение» в динамике (из-за нелинейного тока намагничивания), но это не то, как люди подключают усилители. Точно так же следует избегать прокладки проводов постоянного тока поверх (или в непосредственной близости от) любого трансформатора (или непосредственно рядом с ним).Утечка магнитного потока и / или окружной ток вызывают мало проблем для любого, кто понимает, что периферия любого трансформатора электрически враждебна. Единственное корректирующее действие, необходимое для тороидального трансформатора, — это поддержание «безопасного» расстояния, которое обычно должно быть не более 25 мм. Если проводка находится на таком расстоянии (или более), помехи обычно незначительны.

   Чтобы доказать (по крайней мере, себе), что я не ошибаюсь, я использовал тороидальный трансформатор на 300 ВА и исследовал его во всех направлениях с помощью одного петлевого детектора, усиленного в 1000 раз (да, 60 дБ).Я слушал результат через усилитель и динамик. Как и ожидалось, наибольший поток утечки наблюдается в местах выхода выводов, поскольку при выводе выводов из обмоток возникает разрыв. Петля зонда должна быть в пределах 10 мм или около того от обмоток, чтобы обнаружить что-либо существенное. Выталкивание петли зонда внутрь отверстия в середине трансформатора дало самые высокие показания, но это пространство всегда используется только для монтажного болта.

   Я не показывал формы сигналов и амплитуду и не пытался измерить ток, который может возникнуть в контуре с низким сопротивлением.Я этого не делал по одной простой причине — нет точки . Мы, , знаем, что будет утечка магнитного потока и / или «окружной ток», но нам все равно. Это ничего не меняет, и мы все можем продолжать использовать тороидальные трансформаторы, как если бы этих вещей не существовало. Это может быть важно для некоторых коммутационных приложений, где трудно полностью окружить сердечник обмотками, и могут быть другие приложения, где это важно. На блоки питания аудиосистемы это никак не влияет!

   ---

   Введение

   Эта статья посвящена трансформаторам, используемым в типичных электронных проектах, источниках питания и т.п.Это правило , а не , охватывает большие трансформаторы, используемые на подстанциях и в электросети в целом (кроме проходных), хотя обсуждаемые факторы также применимы к этим гораздо более крупным трансформаторам. В машиностроении трансформатор — одна из самых эффективных машин, которые есть в нашем распоряжении, но те, которые используются для распределения и промышленности, являются (большим) шагом вперед по сравнению с теми, с которыми мы обычно работаем.

   Основы, которые позволяют нам использовать электромагнетизм, были открыты только в 1824 году, когда датский физик Ганс Эрстед обнаружил, что ток, протекающий по проводу, отклоняет стрелку компаса.Через несколько лет после этого было обнаружено, что движущееся магнитное поле индуцирует ток в проводе. От этой, казалось бы, базовой концепции, область электромагнетизма выросла до такой степени, что общество в том виде, в каком мы его знаем, не существовало бы без множества машин, использующих эти открытия.

   Принципы магнитной индукции охватываются законом Фарадея, названным в честь Майкла Фарадея, британского ученого, который впервые количественно оценил вовлеченные процессы (1831 г.). Основные принципы были независимо открыты Джозефом Генри (в честь которого названа единица индуктивности) в 1832 году.«Закон индукции» Фарадея описывает способ, которым (нестатическое) магнитное поле индуцирует ток в проводе, и, наоборот, как ток в проводе создает магнитное поле. Трансформаторы основаны на принципе постоянно меняющегося магнитного поля (создаваемого первичной обмоткой), которое взаимодействует со вторичной обмоткой, генерируя переменное напряжение (и ток при нагрузке) во вторичной обмотке. Экспериментальные данные Фарадея были преобразованы в уравнения Джеймсом Клерком Максвеллом и добавлены и расширены Оливером Хевисайдом.Эмиль Ленц сформулировал концепцию «обратной ЭДС» (электродвижущей силы), где полярность тока в проводе (или обмотке) создает магнитное поле, которое противодействует магнитному полю, приложенному к обмотке (1834).

   Все эти концепции важны, но, к счастью, полное понимание различных законов и формул не является необходимым для понимания того, как работает трансформатор. Я говорю «к счастью», потому что многие вычисления обширны и трудны для большинства нематематиков.Большинство из них даже не является обязательным при проектировании трансформаторов, тем более что существует множество практических правил, которые обычно применяются на этапе проектирования, что упрощает процесс.

   ---

   Когда вы просматриваете эту статью, вас могут простить за восклицание: «Это для новичков? — этот человек сумасшедший. Я говорю вам, что сумасшедший!» Это, вероятно, справедливый комментарий, но трансформеры не просты, и нет простого способа предоставить всю информацию, необходимую для правильного их понимания.Здесь есть разделы, которые, вероятно, идут немного глубже, чем я изначально предполагал, но были слишком интересны, чтобы их не учитывать. Хотя это может не выглядеть так, информация здесь упрощена. Это не учебник по теории магнитного поля или глубокое обсуждение плотности потока и того, как она рассчитывается. Эти темы не являются обязательными для понимания того, как работает трансформатор или что с ним можно делать.

   Есть части этой статьи, которые вы можете пропустить, но я предлагаю вам прочитать их полностью, если сможете.Полное понимание того, в какой степени вы можете спроектировать свой собственный трансформатор, не является целью, но большая часть информации, по крайней мере, интересна и расширит ваши общие знания в области электроники.

   Для тех, кто хочет погрузиться глубже, Раздел 2 делает именно это. Рекомендуется к прочтению даже новичкам, поскольку о трансформаторах можно многое узнать, несмотря на их кажущуюся простоту.

   Трансформаторы необходимы для всего современного электронного оборудования, и очень мало устройств, которые их не используют.Каждый тип трансформатора имеет определенное применение, и редко бывает, что трансформатор, предназначенный для одного применения, может использоваться для другой (совершенно другой) цели. Это не означает, что «переориентация» невозможна, но вы должны знать, что вы делаете, и какие риски могут вас поджидать, чтобы вызвать горе.

   Прежде чем приступить к описанию различных типов, необходимо понять основную теорию. Все трансформаторы используют один и тот же основной принцип, и меняются только самые мелкие детали. Трансформатор работает по принципу магнитной связи для передачи энергии от одной стороны (обмотки) к другой.

   Трансформаторы

   двунаправленные и будут работать независимо от того, где подключен вход. Они могут работать не так хорошо, как в противном случае, но базовая функциональность не изменилась. Идеальный трансформатор не нагружает источник питания (питает первичную обмотку), если нет нагрузки на вторичную обмотку — в реальных компонентах есть потери, так что это не совсем так, но это предположение можно использовать в качестве основы для понимания.

   Силовые трансформаторы указаны в вольт-амперах (ВА).Использование ваттов бесполезно, так как полностью реактивная нагрузка не рассеивает мощность, но все же есть вольты и амперы. Это продукт реального напряжения и тока, который важен — ваттметр может указывать на то, что в нагрузке мало или совсем нет реальной мощности, но трансформатор все еще подает напряжение и ток и нагревается из-за внутренних потери независимо от мощности.

   Сердечники трансформатора имеют указанную проницаемость, которая является мерой того, насколько хорошо они «проводят» магнитное поле.Магнетизм будет придерживаться пути наименьшего сопротивления и останется в ядре с высокой проницаемостью с небольшой утечкой. Чем ниже проницаемость, тем больше утечка потока из активной зоны (это, конечно, грубое упрощение, но достаточно хорошо, чтобы дать начальное объяснение этого термина).

   Трансформатор может быть изготовлен с использованием различных материалов в качестве сердечника (магнитного пути). К ним относятся …

   • Air — обеспечивает наименьшее сцепление, но идеально подходит для высоких частот (особенно RF).Проницаемость 1.
   • Железо — неправильное название, поскольку все трансформаторы с сердечником из железа являются стальными с различными добавками для улучшения магнитных свойств. Начальная проницаемость обычно около 500 и выше.
   • Порошковое железо — стальные магнитные частицы, сформированные в сердечник, скрепленные связующим веществом и обожженные при высокой температуре для создания керамический материал с очень хорошими свойствами на средних и высоких частотах (более 1 МГц). Особенно подходит для приложений, где есть значительная составляющая постоянного тока в обмотке или при очень большой мощности.Начальная проницаемость обычно составляет 40-90.
   • Феррит — магнитная керамика, обычно использующая экзотические магнитные материалы для получения чрезвычайно высокой проницаемости и отличных высоких частот. производительность (от 50 кГц до более 1 МГц). Для разных областей применения доступен удивительный диапазон различных составов. Начальная проницаемость примерно от 500 до 9000 и более.

   Проницаемость указана выше как «начальная проницаемость» — фактическая проницаемость материалов керна, кроме воздуха (записывается как µ i).Это параметр «слабого сигнала», который почти всегда уменьшается при значительных уровнях магнитного потока. Фактические характеристики ( эффективная проницаемость — µ e) зависят от материала и напряженности поля, и здесь они не рассматриваются. См. Термины и определения (от Hitachi Metals), если вам нужны более полные объяснения.

   Технически порошковое железо и ферриты классифицируются как мягкие (см. Ниже) ферриты, но они имеют очень разные характеристики, даже в пределах одного «семейства».Обычно они не подходят для работы на низких частотах, за исключением низких уровней. Ферриты часто используются в качестве трансформаторов сигналов (например, изолирующих трансформаторов для телекоммуникаций или других приложений с малыми сигналами), где высокая магнитная проницаемость делает их идеальным выбором для небольших размеров и высокой индуктивности.

   Основные материалы обычно классифицируются как «мягкие» — это не имеет никакого отношения к их физическим свойствам (все они от твердого до очень твердого), но указывает на их способность сохранять магнетизм (остаточную намагниченность).Магнитно-мягкий материал имеет низкую намагничиваемость и его трудно намагнитить. Твердые магнитные материалы используются для «постоянных» магнитов, и они обладают очень высокой остаточной намагниченностью, то есть сохраняют очень большую часть исходного магнитного поля, которое было наведено в них во время производства.

   Во всех импульсных источниках питания используются ферритовые трансформаторы, поскольку обычные пластинки нельзя сделать достаточно тонкими, чтобы предотвратить огромные потери в сердечнике. Для любого основного материала существует множество ограничений.Для низкочастотных источников питания кремнистая сталь с ориентированной зеренной структурой (около 4% кремния) является наиболее распространенной, так как она имеет очень высокую магнитную индукцию до насыщения. Большинство других материалов уступают в этом отношении, что является одной из основных причин, по которой этот материал до сих пор так распространен. Специализированные материалы включают MuMetal (он же µMetal, Mu-Metal и т. Д.) И Permalloy, и это материалы сердечника (и магнитного экранирования) с очень высокой проницаемостью.

   Выше показан небольшой образец некоторых трансформаторов (не в масштабе).Тороидальные трансформаторы и трансформаторы E-I имеют одинаковую номинальную мощность, а также показан небольшой набор небольших трансформаторов и вставной блок (настенный трансформатор, стенная бородавка и т. Д.).

   ---

   1. Магнетизм и индукторы

   Трансформатор состоит из двух (или более) катушек индуктивности, имеющих общий магнитный путь. Любые две катушки индуктивности, размещенные достаточно близко друг к другу, будут работать как трансформатор, и чем сильнее они связаны магнитным полем, тем эффективнее они становятся.Вот почему пассивные кроссоверные сети громкоговорителей должны иметь индукторы, ориентированные по-разному, чтобы они не работали как трансформатор.

   Когда изменяющееся магнитное поле находится вблизи катушки с проволокой (индуктора), в катушке индуцируется напряжение, соответствующее приложенному магнитному полю. Статическое магнитное поле не действует и не генерирует электрическую мощность. Те же принципы применимы к генераторам, генераторам переменного тока, электродвигателям и громкоговорителям, хотя это действительно была бы очень длинная статья, если бы я охватил все существующие устройства магнитного поля.

   Когда электрический ток проходит через катушку с проволокой, создается магнитное поле — это работает с переменным или постоянным током, но с постоянным током магнитное поле, очевидно, статично. По этой причине трансформаторы не могут использоваться напрямую с постоянным током, потому что, хотя магнитное поле существует, оно должно изменить , чтобы вызвать напряжение в другой катушке. Статическое магнитное поле не может производить выходное напряжение / ток.

   Попробуйте этот эксперимент. Возьмите катушку с проводом (для этого подойдет кроссоверная катушка громкоговорителя) и магнит.Подключите мультиметр (желательно аналоговый) к катушке и установите диапазон на наиболее чувствительный диапазон тока на измерителе. По мере того, как вы перемещаете магнит к катушке или от нее, вы увидите ток, показанный отклонением стрелки измерителя. При повороте магнита в одну сторону сила тока будет положительной, а в другую — отрицательной. Чем выше индуктивность катушки и чем сильнее магнит (и / или чем ближе он к катушке), тем больше будет индуцированный ток.

   Двигайте магнит медленно, и сила тока будет меньше, чем при быстром перемещении.Оставьте его неподвижным, и ток вообще не будет, независимо от того, насколько близко может быть магнит. Это принцип магнитной индукции, и он применим ко всем катушкам (действительно, ко всем кускам провода, хотя катушка усиливает эффект).

   Если вы теперь возьмете пригоршню гвоздей и поместите их через центр катушки, вы увидите, что ток увеличился во много раз — магнитное поле теперь более сконцентрировано, потому что стальные гвозди создают лучший магнитный путь (более высокая проницаемость) чем воздух.

   Легкость, с которой любой материал может переносить магнитное поле, называется проницаемостью (или, точнее, исходной проницаемостью ), и разные материалы имеют разные проницаемости. Некоторые из них оптимизированы особым образом для конкретных требований — например, сердечники, используемые для трансформатора импульсного источника питания, сильно отличаются от сердечников, используемых для обычных сетевых трансформаторов 50/60 Гц.

   Проницаемость сердечников трансформаторов сильно различается в зависимости от материала и применяемой обработки.Проницаемость воздуха равна 1, и большинство традиционных кернов имеют гораздо более высокую (т.е.> 1) проницаемость. Пара заметных исключений — это алюминий и латунь, которые иногда используются для уменьшения индуктивности катушек с воздушным сердечником в радиочастотной (RF) работе. Это гораздо реже, чем ферритовый сердечник, который увеличивает индуктивность и используется для настройки многих ВЧ трансформаторов.

   Помимо проницаемости, магнитопроводы (за исключением воздуха) обладают максимальным магнитным потоком, с которым они могут работать без насыщения.В этом контексте насыщение означает то же самое, что и в большинстве других: когда полотенце пропитано, оно не может больше удерживать воду, а когда магнитный сердечник насыщен, он не может больше переносить магнитный поток. В этот момент магнитное поле больше не меняется, поэтому ток в обмотке не индуцируется.

   Вероятно, вам не удастся пропитать ногти магнитом, так как между двумя полюсными наконечниками очень большой воздушный зазор. Это означает, что сердечник всегда сможет поддерживать магнитный поток, но эффективность также намного ниже, поскольку магнитная цепь разомкнута.Почти все трансформаторы, которые вы увидите, имеют полностью замкнутую магнитную цепь, чтобы гарантировать, что как можно большая часть магнетизма, наведенного в сердечник, пройдет через обмотку (и).

   Есть некоторые случаи, когда крошечный воздушный зазор будет намеренно оставлен, и это делается обычно, когда трансформатор или катушка должны выдерживать значительную составляющую постоянного тока, а также переменного тока. Об этом вкратце рассказывается ниже, но больше по этому поводу во втором разделе статьи.

   
   Рисунок 1.1 — Основные принципы работы трансформатора

   На Рисунке 1.1 показаны основы всех трансформаторов. Катушка (первичная) подключена к источнику переменного напряжения — обычно это сеть для силовых трансформаторов. Поток, наведенный в сердечник, передается во вторичную обмотку, в обмотке индуцируется напряжение, и через нагрузку создается ток.

   На схеме также показаны различные части трансформатора. Это простой трансформатор с двумя обмотками. Первичная обмотка (обозначенная как таковая при проектировании) будет индуцировать магнитное поле в сердечнике в соответствии с током, создаваемым приложенным напряжением переменного тока.Магнитное поле концентрируется сердечником, и почти все оно также проходит через обмотки вторичной обмотки, где индуцируется напряжение. Сердечник в этом случае типичен для конструкции трансформатора «C-Core», где первичная и вторичная обмотки иногда разделены. Более распространенным является «традиционный» тип E-I (ee-eye), который, хотя и несколько не в моде, в наши дни все еще широко используется. Это показано ниже.

   Величина напряжения во вторичной обмотке определяется по очень простой формуле, которая определяет отношение витков (N) компонента — это традиционно рассчитывается путем деления витков вторичной обмотки на витки первичной обмотки…

   1.1.1 N = Ц / Тп

   Tp — это просто количество витков провода, составляющего первичную обмотку, а Ts — количество витков вторичной обмотки. Трансформатор с 500 витками на первичной обмотке и 50 витками на вторичной имеет отношение витков 1:10 (т.е. 1/10 или 0,1)

   1.1.2 Vs = Vp × N

   В большинстве случаев вы никогда не узнаете количество витков, но, конечно, мы можем просто перевернуть формулу, чтобы соотношение витков можно было вывести из первичного и вторичного напряжений…

   1.1.3 N = Vs / Vp

   Если напряжение 230 В (естественно, переменного тока) приложено к первичной обмотке, мы ожидаем 23 В на вторичной обмотке, и это действительно то, что будет измеряться. У трансформатора есть дополнительная полезная функция — «трансформируется» не только напряжение, но и ток.

   1.1.4 Is = Ip / N

   Если в приведенном выше примере из вторичной обмотки потребляется ток 10 А, то логически в первичной обмотке будет измеряться ток 1 А — напряжение уменьшается, но увеличивается ток.Так было бы, если бы трансформатор был на 100% эффективен, но даже эта самая эффективная «машина», которая у нас есть, к сожалению, никогда не будет идеальной. В результате при потреблении 10 А от вторичной обмотки напряжение будет меньше, чем 23 В, которые были у нас без нагрузки. Это мера регулирования трансформатора, и большая часть падения напряжения происходит из-за сопротивления обмотки.

   При использовании больших трансформаторов для национальной энергосистемы, КПД трансформаторов обычно превышает 95%, а некоторых достигает 98% (или даже больше).

   Меньшие трансформаторы всегда будут иметь более низкий КПД, но блоки, обычно используемые в усилителях мощности, могут иметь КПД до 90% для больших размеров. Причины потери мощности станут ясны (я надеюсь) по мере нашего продвижения. Пока что для простоты будем считать трансформатор «идеальным» (т.е. без потерь).

   
   Рисунок 1.2 — Ламинирование E-I

   Обычный набор для ламинирования E-I все еще широко используется, и стоит упомянуть несколько важных моментов.Центральная ножка всегда в два раза больше ширины внешних ножек для сохранения площади поперечного сечения. Точно так же ламинация «I» и «задняя часть» буквы E имеют такую ​​же ширину, что и внешние ножки (или иногда немного больше их). Окно обмотки — это место, где живут медные обмотки, и в хорошо спроектированном трансформаторе оно будет почти полностью заполнено. Это максимизирует количество меди и снижает резистивные потери, поскольку обмотки имеют максимально возможную толщину.

   См. Раздел 2, чтобы узнать, как определяются размеры пластин E и I.Это обычно называют ламинированием без царапин и практически исключает любые потери материала.

   ---

   2. Терминология магнитного сердечника

   Этот список далеко не полный, но его будет достаточно, чтобы вы начали или отпугнули. Я включил символы и единицы только трех из приведенных ниже записей, так как большинство из них не представляют особого интереса.

   Коэрцитивная сила — это напряженность поля, которая должна применяться для уменьшения (или coerce ) остаточного потока до нуля.Материалы с высокой коэрцитивной силой (например, те, которые используются для постоянных магнитов) называются жесткими . Материалы с низкой коэрцитивной силой (используемые для трансформаторов) называются soft .

   Эффективная площадь — сердечника — это площадь поперечного сечения центральной ветви для пластин E-I или общая площадь для тороида. Обычно это соответствует физическим размерам сердечника, но поскольку поток может распределяться неравномерно, производитель может указать значение, которое отражает это.

   Эффективная длина — сердечника — это расстояние, которое проходит магнитный поток при замыкании цепи. Обычно это близко соответствует среднему физическому размеру сердечника, но поскольку поток имеет тенденцию концентрироваться на внутренних углах пути, производитель может указать значение эффективной длины.

   Плотность потока — (символ; B, единица; тесла (Т)) — это просто общий поток, деленный на эффективную площадь магнитной цепи, через которую он течет.

   Потоковая связь — в идеальном индукторе магнитный поток, создаваемый одним витком, содержался бы во всех других витках. Настоящие катушки приближаются к этому идеалу, когда другие размеры катушки малы по сравнению с ее диаметром или если подходящий сердечник направляет поток через обмотки.

   Магнитодвижущая сила — MMF можно рассматривать как магнитный эквивалент электродвижущей силы. Это произведение тока, протекающего в катушке, и количества витков, составляющих катушку.

   Напряженность магнитного поля — (обозначение: H, единица измерения; амперметры (A · m ^-1 )), когда ток течет в проводнике, он всегда сопровождается магнитным полем. Сила или интенсивность этого поля пропорциональна величине тока и обратно пропорциональна расстоянию от проводника (отсюда и надстрочный индекс -1).

   Магнитный поток — (символ:; единица измерения: Веберс (Вб)) мы относимся к магнетизму в терминах силовых линий или магнитных линий, которые являются мерой общей величины магнетизма.

   Проницаемость — (символ; µ, единицы: генри на метр (Hm ^-1 ) определяется как отношение плотности потока к напряженности поля и определяется типом материала в магнитном поле, т. Е. Сердечником Сам материал. Большинство ссылок на проницаемость на самом деле относится к «относительной проницаемости», поскольку проницаемость почти всех материалов изменяется в зависимости от напряженности поля (и в большинстве случаев также от температуры).

   Остаточная намагниченность — (или остаток) — это плотность магнитного потока, которая остается в магнитном материале при удалении внешнего приложенного поля.Трансформаторы требуют минимально возможной намагниченности, в то время как постоянные магниты требуют высокого значения намагниченности.

   Насыщенность — точка, в которой ядро ​​больше не может принимать больше потока. Когда это происходит, первичный ток трансформатора ограничивается только любым последовательным сопротивлением (например, внешним сопротивлением и сопротивлением обмотки). Насыщение сердечника ограничивает пиковое входное напряжение переменного тока для заданного числа витков первичной обмотки. Начало насыщения обычно довольно постепенное, но может быть очень резким для некоторых материалов с высокой проницаемостью.

   Я упоминаю их здесь для полноты картины, но их реальная важность не обсуждается далее в этом разделе. В разделе 2 этой статьи снова рассматриваются термины, и их важность несколько увеличивается в контексте.

   ---

   3. Как работает трансформатор

   Идеальный трансформатор без нагрузки практически не потребляет ток из сети, поскольку это просто большая индуктивность. Весь принцип работы основан на индуцированном магнитном потоке, который не только создает напряжение (и ток) во вторичной обмотке, но также и в первичной! Именно эта характеристика позволяет любой катушке индуктивности функционировать должным образом, а напряжение, генерируемое в первичной обмотке, называется «обратной ЭДС» (электродвижущая сила).Величина этого напряжения такова, что она почти равна (и составляет , фактически, в той же фазе, что и) приложенной ЭДС.

   Хотя для определения внутреннего генерируемого напряжения можно выполнить простой расчет, это бессмысленно, поскольку его нельзя изменить. Для синусоидальной формы волны ток через катушку индуктивности отстает от напряжения на 90 градусов. Поскольку наведенный ток отстает на 90 градусов, внутреннее генерируемое напряжение сдвигается назад, снова на 90 °, поэтому оно находится в фазе с входным напряжением.Для простоты представьте себе катушку индуктивности или трансформатор (без нагрузки) с приложенным напряжением 230 В. Чтобы эффективная обратная ЭДС сопротивлялась полному приложенному напряжению переменного тока (как и должно быть), фактическая величина наведенного напряжения (обратная ЭДС) составляет чуть менее 230 В. Выходное напряжение трансформатора всегда находится в фазе с приложенным напряжением (в пределах нескольких тысячных градуса).

   Например … первичная обмотка трансформатора, работающая от входного напряжения 230 В, потребляет 15 мА из сети на холостом ходу и имеет сопротивление постоянному току 2 Ом.Обратной ЭДС должно быть достаточно, чтобы ограничить ток через сопротивление 2 Ом до 15 мА, поэтому будет достаточно близко к 229,97 В (30 мВ на 2 Ом составляет 15 мА). В реальных трансформаторах есть дополнительные сложности, которые увеличивают общий ток (в частности, потери в стали и / или частичное насыщение), но принцип не сильно изменился.

   Если это слишком запутанно, не беспокойтесь об этом. Если вы не собираетесь посвятить свою карьеру проектированию трансформаторов, эта информация на самом деле мало полезна для вас, поскольку вы ограничены «реальными» характеристиками компонентов, которые вы покупаете — внутреннее устройство не имеет большого значения.Даже если вы посвятите свою жизнь дизайну трансформаторов, эта информация по большей части останется просто любопытством, так как вы все еще мало что можете с этим поделать.

   Когда вы подключаете нагрузку к выходной (вторичной) обмотке, через нагрузку проходит ток, который отражается через трансформатор на первичную обмотку. В результате первичная обмотка теперь должна потреблять больше тока из сети. Возможно, несколько интригующе то, что чем больше тока потребляется из вторичной обмотки, первоначальный сдвиг фазы тока на 90 ° становится все меньше и меньше, когда трансформатор приближается к полной мощности.Коэффициент мощности ненагруженного трансформатора очень низкий, что означает, что, хотя есть вольты и амперы, но есть относительно небольшая мощность. Коэффициент мощности улучшается с увеличением нагрузки и при полной нагрузке будет близок к единице (идеал).

   Однако это зависит от нагрузки — нелинейная нагрузка на вторичной обмотке трансформатора отражает нелинейную нагрузку на сеть.

   Теперь можно рассмотреть еще один интересный факт о трансформаторах.

   Мы будем использовать тот же пример, что и выше.Первичная обмотка 230 В потребляет 1 А, а вторичная обмотка 23 В обеспечивает нагрузку 10 А. Таким образом, согласно закону Ома, сопротивление нагрузки (импеданс) составляет 23/10 = 2,3 Ом. Полное сопротивление первичной обмотки должно составлять 230/1 = 230 Ом. Это соотношение 100: 1, а соотношение оборотов всего 10: 1 — что происходит?

   Коэффициент импеданса трансформатора равен квадрату отношения витков …

   3.1.1 Z = N²

   Трансформаторы

   обычно проектируются в зависимости от требуемой мощности, и это определяет размер сердечника для данного материала сердечника.Исходя из этого, можно определить необходимое число витков на вольт, исходя из максимальной плотности магнитного потока, которую может выдержать материал сердечника. Опять же, это сильно зависит от материалов сердечника.

   Можно применить эмпирическое правило, согласно которому площадь сердечника для «стандартных» (если действительно существует) стальных пластин (в квадратных сантиметрах) равна квадратному корню из мощности. Таким образом, трансформатору на 625 ВА потребуется сердечник (как минимум) 25 кв. См, если предположить, что проницаемость сердечника составляет около 500, что довольно типично для стандартных пластин трансформатора.Это также предполагает, что материал сердечника не будет насыщаться с плотностью потока, необходимой для получения этой мощности.

   Следующим шагом является вычисление количества витков на вольт первичной обмотки. Это зависит от частоты, но для трансформатора с частотой 50 Гц количество витков на вольт (приблизительно) составляет 45, деленное на площадь сердечника (в квадратных сантиметрах). Для трансформатора на 60 Гц требуется меньше витков, и число витков на вольт будет около 38 на площадь жилы. Материалы сердечника с более высокими рабочими характеристиками могут допускать более высокую плотность магнитного потока, поэтому возможно меньшее количество витков на вольт, что увеличивает общую эффективность и регулирование.Эти расчеты необходимо производить с осторожностью, иначе трансформатор перегреется без нагрузки.

   Для трансформатора 625 ВА вам потребуется около 432 витков для первичной обмотки 230 В, хотя на практике это может быть меньше этого значения. Кремнистые стали с ориентированной структурой, используемые в трансформаторах более высокого качества, часто допускают более высокий общий магнитный поток на единицу площади, и потребуется меньше витков.

   Вы можете определить количество витков на вольт любого трансформатора (по причинам, которые станут яснее по мере продвижения), добавив ровно 10 витков тонкого «звонкового провода» или аналогичного изолированного провода к тестируемому трансформатору, намотанному поверх существующих обмоток.При питании от правильного номинального напряжения питания измерьте напряжение на созданной вами дополнительной обмотке. Разделите количество витков (10) на измеренное напряжение, чтобы получить число витков на вольт для этого трансформатора. Например, если вы измеряете 5 В, трансформатор имеет 2 витка / вольт.

   Итак, какая вам польза от этого на земле? Что ж, вы можете быть удивлены тем, что вы можете сделать с этими знаниями. Предположим на мгновение, что у вас есть трансформатор для усилителя мощности приличного размера. Вторичное напряжение составляет 35-0-35 В, что слишком велико для питания цепи предусилителя или даже его источника питания, но вы сможете сделать это с помощью одной обмотки 16 В.Обычно используется другой трансформатор, но вы также можете добавить дополнительную обмотку самостоятельно. С тороидальными трансформаторами это почти слишком просто, но с другими может быть вообще невозможно. Если трансформатор использует (скажем) 2 витка на вольт, всего 32 дополнительных витка провода звонка (или эмалированного медного провода) обеспечат 16 В при типичных 100 мА или около того, которые вам понадобятся. Добавьте 10% запаса, и у вас останется только 36 витков, и это можно будет сделать за несколько минут. Убедитесь, что дополнительная обмотка надежно закреплена лентой хорошего качества (настоятельно рекомендуется использовать каптон, если вы можете его достать). , а не , используйте обычную электротехническую ленту — она ​​не рассчитана на температуру, при которой трансформаторы могут работать при постоянной нагрузке.

   ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что нет никакой возможности дополнительного короткого замыкания обмотки между витками — это вызовет эффектный выход дыма из изоляции, и вы можете повредить сам трансформатор.

   ---

   3.1 Насыщение ядра

   Ток намагничивания, указанный или измеренный для любого трансформатора, обычно представляет собой комбинацию истинного тока намагничивания (который обычно очень низкий) и тока насыщения, который может составлять до половины расчетного тока полной нагрузки для небольших трансформаторов.Любой трансформатор с сердечником (кремнистая сталь, феррит и т. Д.) Перейдет в насыщение, если первичное напряжение холостого хода будет увеличено достаточно сильно. Это более подробно рассматривается в Части 2, Разделе 12.1.

   Насыщение сердечника достигается, когда пиковое входное напряжение является достаточным для достижения сердечником максимального номинального магнитного потока. Когда плотность потока слишком высока, сердечник больше не может принимать больше и насыщается. Форма волны насыщения показана в разделе 2, и хотя вы можете увидеть указанный «ток намагничивания» трансформатора, это почти всегда первичный ток холостого хода, включая ток насыщения .

   Нереально ожидать, что какой-либо сетевой трансформатор останется значительно ниже насыщения на всех рабочих уровнях. Это потребует, чтобы ядро ​​было намного больше и дороже, чем обычно. Когда плотность потока сердечника превышает примерно 1,4 Тесла (кремнистая сталь), он начинает насыщаться. Как только ядро ​​ полностью насыщено, его больше не существует, и ток ограничивается только сопротивлением цепи. Это недопустимо, но частичное насыщение на холостом ходу является обычным явлением, и это увеличивает кажущийся ток намагничивания.

   Для трансформаторов, используемых в аудиосистеме (клапанные выходные трансформаторы, микрофонные или «линейные» трансформаторы и т. Д.), Сердечник должен работать значительно ниже насыщения при всех возможных напряжениях и частотах, чтобы предотвратить серьезные искажения. Для силовых трансформаторов характерно небольшое насыщение без нагрузки. Хотя это увеличивает ток холостого хода (и температуру) трансформатора, это также позволяет немного лучше регулировать, поскольку используется меньше витков, что снижает сопротивление обмотки.

   Насыщение — сложный процесс, который не совсем понятен большинству любителей (и даже некоторым профессионалам).Степень допустимой насыщенности зависит от предполагаемого использования и допустимого искажения. При уменьшении частоты трансформатор будет больше насыщаться, если входное напряжение остается неизменным. Например, силовой трансформатор, рассчитанный на работу с частотой 60 Гц, обычно сильно насыщается на частоте 50 Гц, даже если напряжение правильное. Нормальная работа может быть восстановлена ​​только в том случае, если входное напряжение уменьшается в том же соотношении, что и частота — от 60 Гц до 50 Гц составляет 17%, поэтому входное напряжение также должно быть уменьшено на 17%, чтобы получить расчетный ток «намагничивания».

   ---

   4. Интересные факты о трансформаторах

   Как обсуждалось выше, коэффициент импеданса — это квадрат отношения витков, но это только одна из многих интересных особенностей трансформаторов … (ну, в любом случае, I думают, что они интересны).

   Например, можно подумать, что увеличение числа витков приведет к увеличению плотности потока, поскольку больше витков вносят вклад в магнитное поле. На самом деле, верно обратное, и для того же входного напряжения увеличение числа витков приведет к уменьшению плотности потока и наоборот.Это нелогично, пока вы не поймете, что увеличение числа витков увеличивает индуктивность и, следовательно, уменьшает ток через обмотку.

   Я уже упоминал, что коэффициент мощности (и фазовый сдвиг) изменяется в зависимости от нагрузки, и это (хотя и довольно интересно) не имеет для большинства из нас никаких реальных последствий.

   Когда мы потребляем ток от вторичной обмотки, возникает очень интересное явление. Поскольку первичный ток увеличивается для питания нагрузки, мы ожидаем, что магнитный поток в сердечнике также увеличится (больше ампер, то же количество витков, больше потока).На самом деле плотность потока уменьшается! В идеальном трансформаторе без потерь в меди магнитный поток останется прежним — дополнительный ток питает только вторичную обмотку. В реальном трансформаторе с увеличением тока пропорционально увеличиваются потери, и первичное напряжение немного меньше (из-за сопротивления меди), поэтому магнитный поток при полной нагрузке на ниже, чем на без нагрузки. Об этом стоит немного пошуметь, так как это широко неправильно понимается. Хотя это уже было указано в начале, это настолько важно, что я повторю это еще раз…

   Плотность магнитного потока в трансформаторе максимальна на холостом ходу, и уменьшается, при увеличении нагрузки.

   Когда вы испытываете трансформатор без нагрузки, первичный ток возникает исключительно из-за тока намагничивания и дополнительного тока, вызванного частичным насыщением (почти все сетевые трансформаторы будут показывать некоторые свидетельства тока насыщения — см. Часть 2, Раздел 12.1). Предположим, что трансформатор работает от 230 В на первичной обмотке и имеет сопротивление первичной обмотки 10 Ом.Если мы теперь подключим нагрузку к вторичной обмотке, которая вызывает повышение первичного тока до 1 А, эффективное первичное напряжение уменьшится на 10 В (10 Ом × 1 А), поэтому оно упадет до 220 В. Плотность потока уменьшается пропорционально, и при более низком эффективном напряжении плотность потока должна быть ниже, когда ток отводится от вторичной обмотки.

   Плотность потока от вторичной обмотки не оказывает никакого влияния, потому что любой дополнительный поток, создаваемый током нагрузки, равен, но противоположен потоку, вызванному первичным током, потому что направление потока тока противоположно (правило правой руки Флеминга).Это (IMO) «периферийная» тема, и она объясняет, почему вторичный ток не увеличивает плотность потока. Настоящая причина того, что плотность потока падает на , полностью связана с сопротивлением обмотки. Трансформатор, использующий «сверхпроводники» (нулевое сопротивление) для первичной и вторичной обмоток, будет поддерживать одинаковый магнитный поток независимо от тока нагрузки.

   ---

   4,1 Индуктивность

   Также важно понимать еще один интересный факт о сетевых трансформаторах . Мы склонны полагать, что индуктивность важна — в конце концов, это то, что мешает трансформатору потреблять 10 А или более из сети на холостом ходу.На самом деле индуктивность обычно не является параметром конструкции, а просто результатом правильного расчета количества витков на вольт. Индуктивность также является туманной цифрой, и ее значение равно , а не константе, а варьируется (или, по крайней мере, кажется, что меняются) в зависимости от условий. Когда у вас есть нужное количество витков первичной обмотки, индуктивность в значительной степени заботится о себе. Быстрый расчет продемонстрирует, что я имею в виду.

   Предположим, тороидальный трансформатор на 600 ВА с измеренной индуктивностью 52 Гн при 50 Гц.Формула для индуктивности говорит нам, что ток намагничивания будет …

   I _mag = V / (2 × π × f × L)
   I _mag = 230 / (2 × π × 50 × 52) = 14 мА

   Однако, когда этот трансформатор испытывается (см. Часть 2 — Ток намагничивания), фактически измеренный ток намагничивания составляет 42 мА — в 3 раза больше, чем ожидалось. Это происходит из-за частичного насыщения сердечника, а не , а не из-за того, что индуктивность ниже измеренной или рассчитанной.При работе при (намного) более низком напряжении, когда ток намагничивания не искажается (что означает, что нет насыщения сердечника вообще), ток намагничивания подчиняется формуле, показанной выше. Без насыщения сердечника ток определяется индуктивностью, напряжением и частотой, как и в любой катушке индуктивности. Однако (большинство) трансформаторов не являются индукторами как таковые !

   Примечание: Для многих других трансформаторов индуктивность является расчетным параметром (и очень важным).Это относится к трансформаторам, используемым в импульсных источниках питания, или к аудио трансформаторам и другим, где критична низкочастотная характеристика. Это только с трансформаторами частоты сети (50 или 60 Гц), где нас действительно не заботит индуктивность, при условии, что ток намагничивания ощутим. «Разумный» определяется тем, как и где используется трансмиссия, и чего хотел достичь дизайнер. Здесь нет никаких «правил» — если он работает, как требуется (и согласно проектной спецификации), остается при приемлемой температуре, надежен и безопасен, то это все, что имеет значение.

   Вот почему производители редко (если вообще когда-либо) указывают индуктивность трансформаторов сетевой частоты. Вместо этого (и если вам повезет) они могут сообщить ток намагничивания без нагрузки при номинальном напряжении и частоте. Большинство даже не удосуживаются сказать вам об этом много. В конце концов, вы все равно ничего не можете с этим поделать.

   В предисловии я упомянул, что трансформатор не является индуктивным при работе с номинальной нагрузкой. Если мы представим тот же трансформатор, описанный выше (индуктивность 52H), он будет потреблять 14 мА индуктивного тока на холостом ходу (без учета насыщения).Ток будет отставать от напряжения на 90 °, а коэффициент мощности, определяемый cos (Φ), равен cos (90) = 0. Если вторичная обмотка загружена так, что первичный ток нагрузки составляет всего 14 мА (общий ток теперь составляет 20 мА). , , а не 28 мА, как вы могли предположить), фазовый угол падает до 45 °, а коэффициент мощности увеличивается до cos (45) = 0,707 — при токе нагрузки всего 14 мА !

   Если нагрузка такова, что первичный ток составляет около 5% или более номинального значения трансформатора (около 130 мА для трансформатора на 600 ВА), фазовый сдвиг составляет всего несколько градусов (около 5.6 °), а коэффициент мощности близок к единице (0,995 для обсуждаемого гипотетического трансформатора). Однако (и это важно) первичный ток является почти идеальным воспроизведением вторичного тока, и если вторичный ток нелинейный, первичный ток также является нелинейным. Выпрямительные и конденсаторные нагрузки, которые используются почти во всех линейных источниках питания, имеют низкий коэффициент мощности, но это связано с нелинейностью , а — не с индуктивностью .

   Итак, для обычных сетевых трансформаторов индуктивность не является частью спецификации и может считаться «случайной».Он должен существовать, чтобы ограничить ток холостого хода до разумно разумного значения, но большая часть тока намагничивания возникает из-за частичного насыщения. Большинство сетевых трансформаторов необходимо испытывать при напряжении значительно ниже заданного входного напряжения сети, чтобы можно было измерить индуктивность. Типичный трансформатор 230 В должен быть измерен при напряжении не более 50-100 В, чтобы получить фактическую индуктивность.

   Измерив индуктивность первичной обмотки, вы быстро обнаруживаете, что эти данные бесполезны — вы ничего не можете с ними поделать, и это не поможет вам понять ни на йоту.Отчасти это связано с тем простым фактом, что он меняется. Поскольку плотность потока внутри сердечника изменяется, также изменяется и измеренная индуктивность, так что это действительно бессмысленный параметр в более широкой схеме вещей. Трансформаторы предназначены для получения требуемых напряжения и тока на вторичной обмотке, а процесс проектирования основан на количестве витков первичной обмотки, необходимых для получения ощутимого тока холостого хода («намагничивания»).

   Это в значительной степени балансирующий акт. Для данного размера сердечника более высокий ток намагничивания является результатом использования меньшего количества витков на первичной обмотке, и это улучшает регулирование, поскольку провод может быть больше.Однако, если ток холостого хода слишком высок, трансформатор будет перегреваться из-за насыщения сердечника из-за высокого первичного тока. Трансформатор типа , который никогда не работал без нагрузки, может быть сконструирован таким образом, чтобы он был намного меньше, чем в противном случае.

   Если мы предположим, что трансформатор для конкретного применения должен обеспечивать хорошее регулирование и что он всегда работает только при полной нагрузке, нет причин делать сердечник настолько большим, насколько это было бы необходимо в противном случае. Мы также можем использовать меньше витков и уменьшить резистивные потери.Современные трансформаторы для микроволновых печей попадают в эту категорию — если они работают без нагрузки, ток намагничивания может быть настолько высоким, что трансформатор может перегреться и выйти из строя, но при нормальной работе (питание магнетрона) они идеально подходят для этой работы. Большинство из них также охлаждаются вентилятором, что позволяет им быть еще меньше!

   Когда трансформатор работает только с полной нагрузкой, ток намагничивания больше не является важным фактором, и количество необходимых витков основывается на эффективном напряжении на обмотке при полной нагрузке.Трансформатор мощностью 1 кВт обычно может иметь сопротивление первичной обмотки от 1,0 до 1,2 Ом, но если его можно уменьшить, потери в меди также уменьшатся. При 1 кВт первичный ток составляет 4,35 А, и это снизит напряжение, воспринимаемое трансформатором, возможно, на 5–6 В RMS. Вместо того, чтобы разрабатывать трансформатор для приятного низкого тока намагничивания при 230 В, он может быть рассчитан на несколько более высокий ток намагничивания при 225 В — один только ток намагничивания может составлять 1 или 2 А, а может быть и больше.

   Попытка измерить индуктивность такого трансформатора — пустая трата времени.Вы сможете измерить это, но чтение не имеет значения. Еще более традиционные сетевые трансформаторы находятся в той же лодке — индуктивность (возможно, с натяжкой) можно считать « показателем качества », но единственное, что действительно имеет значение, — это общий ток намагничивания, включая эффекты частичного насыщения. Не думайте ни на минуту, что обычные сетевые трансформаторы не насыщаются — каждый трансформатор, который я когда-либо измерял, потребляет в 2-5 раз больше тока, чем вы ожидаете, исходя только из одной индуктивности.Конечно, при нормальном рабочем напряжении они неразделимы.

   Коэффициент индуктивности любого трансформатора (между первичной и вторичной обмотками) равен квадрату передаточного числа витков. Трансформатор, рассчитанный на сеть 230 В с измеренным выходным напряжением 23 В без нагрузки (полная нагрузка 20 В), имеет коэффициент трансформации 10: 1 (230: 23). Если вы измеряете индуктивность первичной обмотки (скажем) 30 Гн, индуктивность вторичной обмотки составляет 300 мГн. Это тоже бесполезно, но может пригодиться, если вы хотите использовать трансформатор в обратном направлении, например, с генератором и усилителем мощности.

   ---

   4.2 Взаимная индуктивность

   Одна из вещей, которая имеет тенденцию вызывать путаницу, связана с тем, как трансформатор «знает», что кто-то пытается получить ток из вторичной обмотки, поэтому первичный ток может быть увеличен пропорционально. Это происходит из-за взаимной индуктивности (также известной как взаимная связь или просто коэффициент связи) между обмотками. Когда две или более обмоток используют одну и ту же магнитную цепь, они связаны магнитным потоком. В идеальном трансформаторе эта связь равна единице, что означает, что любое возмущение на одной обмотке напрямую связано с другой (конечно, с учетом коэффициента трансформации).

   Если связь равна единице, обмотки действуют как единое целое. Электрическое разделение (изоляция) не имеет значения, поэтому попытка отвода тока из вторичной обмотки ничем не отличается от отвода тока от первичной — две обмотки соединены вместе и неразделимы. Конечно, настоящие трансформаторы не идеальны, но (что может удивить) это лишь немного меняет ситуацию. Это ключ к работе трансформатора, но (несмотря на его большое значение) он мало влияет на конструкцию трансформатора.Это также то, что вы не можете изменить — трансформатор такой, какой он есть, а параметры можно изменить только во время разработки.

   Индуктивность утечки уменьшает взаимную индуктивность, предотвращая единичную связь. Однако в преобразователях частоты это практически ничего не меняет. Даже «обычные» трансформаторы (с ламинированием E-I) имеют сравнительно низкую индуктивность рассеяния (по сравнению с индуктивностью первичной обмотки), а тороидальные трансформаторы имеют очень низкую индуктивность рассеяния . Любой поток, который «утекает» из сердечника, не может проходить через две обмотки одинаково, что снижает эффективный поток во вторичной обмотке и уменьшает связь между ними.

   Связь такова, что если вы управляете сетевым трансформатором от генератора сигналов с низким импедансом, все, что находится на вторичной обмотке, отражается обратно к первичной. Если нагрузка представляет собой конденсатор, первичная обмотка будет казаться емкостной (опережающий коэффициент мощности). Когда нагрузка представляет собой резистор, первичная обмотка кажется резистивной. Первичная обмотка будет индуктивной только , если нагрузка — индуктор. Чтобы провести этот тест (который нетрудно сделать), ток, потребляемый от вторичной обмотки, должен быть как минимум в 10 раз (а предпочтительно в 100 раз) больше, чем ток намагничивания (ток холостого хода из-за индуктивности первичной обмотки трансформатора.

   Например, если трансформатор имеет индуктивность первичной обмотки (при низком напряжении) 100 Гн, ток намагничивания будет около 390 мкА при 50 Гц. Вам необходимо потреблять не менее 39 мА от вторичной обмотки, и этого достаточно, чтобы напряжение и ток в первичной обмотке находились в пределах менее одного градуса друг от друга. Если вы теперь подключите конденсатор, который потребляет такой же ток (это необходимо рассчитать на основе напряжения и частоты), первичная обмотка окажется полностью емкостной.

   Это аспект взаимной связи, который редко объясняется, но понимание этой простой концепции означает, что вы можете избежать целой кучи довольно утомительной математики, которая на самом деле не поможет вам понять задействованные принципы.Как знают постоянные читатели, я не буду приводить подробных формул, если они никому не помогут понять, как что-то работает. Это показательный пример. Использование формулы почти ничего не покажет, но если вы запустите тест для себя, вы, , поймете, как это работает.

   ---

   4,3 Импеданс

   Трансформатор не имеет определенного импеданса. Вы можете извиниться за то, что думаете иначе, но это потому, что некоторые трансформаторы предназначены для выходных каскадов ламповых усилителей или для номинальных сигнальных линий 600 Ом (например).Для выходного трансформатора отношения импеданса определяются для согласования анодного сопротивления / импеданса конкретных выходных клапанов и преобразуются в импеданс, подходящий для громкоговорителя. В этой роли индуктивность первичной обмотки имеет значение , потому что она должна быть достаточно высокой, чтобы гарантировать хорошее соединение между лампами и динамиками на самой низкой интересующей частоте.

   Это кратко рассматривается в этом разделе и более подробно рассматривается в разделе 2.Хотя индуктивность важна, еще более важно обеспечить, чтобы сердечник оставался вдали от даже частичного насыщения на самых низких частотах. Вот почему хорошие выходные трансформаторы такие большие и дорогие. Однако важно понимать, что, хотя трансформатор разработан и рекламируется как (например) 6 кОм P-P: 8 Ом, это не означает, что сам трансформатор имеет такие импедансы. означает, что означает, что при питании от источника 6 кОм (пара выходных клапанов) выходное сопротивление будет таким, что максимальная мощность будет подаваться на нагрузку 8 Ом.

   Точно такой же трансформатор может питаться от источника 3 кОм и выдавать максимальную мощность на нагрузку 4 Ом. Он также работает с более высоким импедансом источника, но тогда индуктивность может быть недостаточно большой для обеспечения хорошего воспроизведения низких частот. Требуемая индуктивность определяется импедансом источника и самой низкой интересующей частотой — обычно 40 Гц для многих ламповых усилителей. Итак, используя приведенный пример, можно определить индуктивность и частоту -3 дБ …

   L = Z / (2 × π × f _{-3 дБ} ) (где Z — импеданс источника, а f _{-3 дБ} — частота -3 дБ)
   L = 6k / (2 × π × 40) = 24H

   Как должно быть очевидно, по мере увеличения импеданса источника требуется больше индуктивности для той же частоты -3 дБ.Это также требует, чтобы поток в сердечнике оставался значительно ниже насыщения. Даже небольшая насыщенность вызывает грубые искажения. Некоторые утверждают, что это искажение не так нежелательно, как можно было бы представить, потому что оно спадает с увеличением частоты. Однако, если низкая и высокая частота передаются одновременно, более высокая частота также будет искажена — как только ядро ​​начинает насыщаться, искажаются все частоты, присутствующие в данный момент, а не только частота, вызывающая насыщение.

   ---

   5. Примеры использования трансформатора

   Это лишь краткое описание множества применений трансформаторов. В этом разделе я избегал расходных материалов с переключаемым режимом и представлю только наиболее распространенные линейные приложения. Применение источников питания более полно рассматривается в Разделе 2, а также в статье о проектировании линейных источников питания.

   Было бы невозможно охватить все аспекты трансформаторов и их использования, поскольку они очень разнообразны и используются во многих разных вещах.Компьютерные сетевые карты, модемы, усилители мощности и микроволновые печи, автомобильные и морские системы зажигания, катушки Тесла и фонокорректоры с подвижной катушкой, распределение мощности от электростанции к вашему дому … это очень маленькая выборка разнообразие скромного трансформера (ну, может, не так уж и скромно).

   ---

   5.1 — Выходной каскад двухтактного клапана

   Трансформаторы используются не только в источниках питания, но и в других областях.Клапанные усилители мощности (ламповые) почти все используют трансформатор для выходного каскада, который преобразует высокий импеданс анодов в импеданс громкоговорителя, а также обеспечивает подачу напряжения на выходные клапаны. Здесь не было показано никаких смещений или других компонентов поддержки — для получения дополнительной информации см. Как работают усилители. Еще одна ссылка на ступени клапана находится в разделе «Клапаны».

   
   Рисунок 5.1 — Выходной каскад двухтактного клапана

   Рисунок 5.1 показывает, как это работает. Работа первичной обмотки может поначалу вас удивить, но это вполне соответствует всей теории. Показанное напряжение питания составляет 500 В, и мы предполагаем, что клапан может включаться достаточно сильно, чтобы уменьшить его до нуля поочередно на каждом конце обмотки. В действительности это не так, потому что клапаны не имеют достаточно низкого внутреннего импеданса, но это упрощает объяснение.

   Ни один из клапанов не будет потреблять значительный ток без сигнала, и потребляемая величина не намагничивает сердечник.Причина проста — через каждую секцию первичной обмотки проходит равный ток, но фактически в противоположных направлениях. Магнитное поле, создаваемое одной половиной обмотки, компенсируется магнитным полем второй половины, оставляя чистый установившийся магнитный поток равным нулю.

   Когда клапан V1 полностью включается, напряжение на его конце обмотки уменьшается до нуля, а напряжение на аноде V2 составляет 1000 вольт. Так должно быть, иначе теория трансформаторов развалилась.Первичная обмотка работает как «автотрансформатор». Аналогичным образом, когда V1 выключается, а V2 включается, ситуация меняется на противоположную. Вы вполне можете спросить, зачем вообще нужны 2 клапана? Казалось бы, напряжение от одного клапана вполне способно качнуть напряжение из одной крайности в другую.

   Это не так. Поскольку клапан может только включаться, он сможет подавать ток только на половину формы волны. В двухтактной конструкции класса A каждый клапан обычно пропускает 1/2 максимального пикового тока, необходимого на холостом ходу, и полный пиковый ток при включении на максимум до искажения (другой клапан выключен).В случае двухтактной конструкции насыщения сердечника не происходит из-за постоянного тока (который, как и раньше, уравновешивается), поэтому, хотя необходимы два клапана, трансформатор будет меньше и будет иметь гораздо лучшие характеристики. Для несимметричных усилителей класса A требуется очень большой сердечник с воздушным зазором для предотвращения насыщения. Это резко снижает производительность трансформатора, увеличивает искажения и ухудшает низкочастотную характеристику из-за более низкой индуктивности. Также могут отрицательно сказаться высокие частоты, потому что воздушный зазор заставляет часть магнитного потока «просачиваться» из сердечника.Это одна из причин возникновения индуктивности рассеяния (более подробно рассматривается в разделе 2).

   Стоит отметить, что эффективный размах размаха по всей первичной обмотке трансформатора составляет 2000 В. Когда V1 полностью включен, он имеет нулевое напряжение (только для нашего примера) на пластине, а V2 имеет напряжение на пластине 1000 В. V1 и V2 имеют одинаковые пики напряжения, но они сдвинуты по фазе на 180 градусов. Таким образом, полное напряжение на трансформаторе является суммой двух напряжений. С точки зрения переменного тока линию питания B + можно рассматривать как нулевое напряжение (помните, что она будет шунтироваться с большой емкостью).

   Среднеквадратичное значение напряжения (с учетом синусоиды и игнорирования потерь) легко вычисляется по стандартной формуле …

   5.1.1 Вп = Вп-пик / 2

   Чтобы получить пиковое значение от пика к пику, затем …

   5.1.2 Vrms = Vp / √2

   Чтобы найти среднеквадратичное значение.

   В этом случае размах напряжения составляет 2000 В, поэтому от пика до 1000 В. Среднеквадратичное значение составляет 707 В.

   ---

   5.2 Выход на несимметричный триод (SET)

   Рисунок 5.2 показана базовая компоновка выходного каскада усилителя SET. Полный постоянный ток должен протекать через первичную обмотку трансформатора, и, как обсуждалось выше, в сердечнике должен быть воздушный зазор, чтобы предотвратить насыщение. Поскольку воздушный зазор снижает эффективность магнитного пути, сердечник должен быть значительно больше, чем в противном случае.

   
   Рисунок 5.2 — Выходной каскад на несимметричном триоде

   Сердечник работает только с одной полярностью потока, которая меняется в зависимости от сигнала.Можно подумать, что только это уменьшит искажения, поскольку поток никогда не пересекает нулевую точку, но это не так. По-прежнему необходимо, чтобы поток изменял направление, и характеристики магнитных материалов указывают на то, что сопротивление изменению (а не абсолютная полярность магнитного поля) является доминирующим фактором. Клапан (и первичная обмотка трансформатора) теперь должны пропускать ток, равный пиковому переменному току, требуемому нагрузкой — конечно, в зависимости от коэффициента трансформации.

   Максимальное отрицательное колебание (клапан включен) удвоит этот ток и снизится почти до нуля при выключении клапана (положительное колебание). Когда ток уменьшается ниже среднего постоянного (покоящегося) тока, напряжение на трансформаторе увеличивается в противоположной полярности — отсюда и тот факт, что напряжение на пластине превышает напряжение питания. Это одна из областей, где трансформатор фактически является катушкой индуктивности, а работа схемы зависит от накопленного «заряда» катушки индуктивности.Вторичная обмотка просто передает напряжение на нагрузку.

   Для такой же выходной мощности клапан в несимметричной цепи должен быть значительно больше, чем требуется для двухтактной схемы, из-за более высокого рассеяния, необходимого для дополнительного тока. У этой схемы есть также много других проблем — в частности, высокие искажения и сравнительно высокое выходное сопротивление.

   Не менее важная проблема заключается в том, что преимущество дополнительного размаха напряжения при использовании трансформатора с центральным ответвлением теперь утрачено, поэтому максимальное эффективное среднеквадратичное напряжение, которое может быть разработано, составляет 353 В — значительное падение первичного переменного напряжения (опять же без учета потерь, это ровно половина).Это означает, что нагрузка клапана выше при том же импедансе динамика, потому что коэффициент трансформации меньше, поэтому мы снова получаем меньшую мощность.

   Постоянные читатели знают, что я считаю «НАБОР» мерзостью. Заявленные преимущества в основном видны (или ухом) смотрящего и не выдерживают ни малейшей проверки.

   ---

   5.3 Приложения линейного уровня Трансформаторы

   также используются для «линейных» приложений с низким энергопотреблением, как правило, для симметричных микрофонных входов и линейных выходных каскадов.Трансформатор не имеет себе равных для реальных симметричных схем, поскольку вход или выход действительно плавающий и не требует заземления. Это означает, что синфазные сигналы (то есть любой сигнал, общий для обоих сигнальных проводов) почти полностью отклоняются.

   На рис. 5.3 показан симметричный вход трансформатора, преобразующийся в несимметричный. Сигнал усиливается и снова отправляется на выходной трансформатор для распределения в виде сбалансированного сигнала. «Усилитель», как правило, представляет собой микшерный пульт и принимает сигналы микрофонного или линейного уровня в качестве входа (идущие от сцены к зоне микширования), а конечный микшированный выход отправляется обратно на сцену для основного (передний дома) усилители и колонки громкой связи.От микрофона до микшера и обратно к основным усилителям может быть более 100 метров кабеля, и при этом практически не будет слышен какой-либо шум.

   
   Рисунок 5.3 — Симметричный микрофонный и линейный выходы

   Телефонная система раньше полностью зависела от трансформаторов для передачи сигнала от АТС (или центрального офиса в США) на оборудование в помещении клиента (CPE). В телефонном коммутаторе, используемом в офисах (PABX — Private Automatic Branch Exchange, или PBX для США) оборудование, по-прежнему используются трансформаторы почти для всех входящих цепей, аналоговых или цифровых.

   Принцип в точности такой же, как и для показанного выше аудиоприложения, за исключением того, что для телефонных цепей обычно присутствует постоянное напряжение для питания CPE (в случае домашнего телефона) и для обеспечения некоторой базовой сигнализации. В современных схемах PABX используются трансформаторы с ферритовым сердечником и схема развязки постоянного тока, чтобы гарантировать, что постоянный ток не протекает через обмотки трансформатора, поскольку это ухудшает характеристики так же, как и выходной трансформатор для усилителя мощности SET. (Обратите внимание, что многие абонентские цепи теперь управляются через специально изготовленные ИС, которые исключают трансформатор.)

   Аудиоприложения для трансформаторов в симметричных схемах пришли из телекоммуникационной отрасли, где впервые были придуманы эти концепции. Телефонная линия может иметь длину 4 км и более и не экранирована, поэтому метод устранения гудения и шума был необходим. Сегодня существуют десятки (сотни?) Миллионов трансформаторов, используемых для соединений Ethernet LAN, и розетки RJ45 доступны со встроенными трансформаторами.

   ---

   6. Безопасность

   Безопасность является основным соображением для любого силового трансформатора (а в случае телекоммуникаций — изолирующих трансформаторов), и электрический контакт между первичной и вторичной обмотками не должен допускаться при любых реальных условиях неисправности .Во всех странах есть стандарты безопасности, которые применяются к трансформаторам, где важна электрическая изоляция, и если есть какие-либо сомнения в безопасности трансформатора для конкретной цели, убедитесь, что вы убедитесь, что трансформатор соответствует соответствующему стандарту (-ам). Рассмотрение всех возможных стандартов и вопросов соответствия выходит за рамки данной статьи, поэтому я оставлю это вам — и вашему поставщику.

   Многие силовые трансформаторы оснащены внутренним предохранителем, работающим только на один раз, который размыкает цепь в случае превышения заданной температуры.Эта температура выбрана в качестве максимальной безопасной температуры обмоток перед тем, как изоляция расплавится или сломается, поэтому в случае неисправности плавкий предохранитель сработает до того, как будет повреждена изоляция, и компонент станет потенциально опасным. Это также помогает предотвратить риск пожара (и нет, это не предназначено для юмора — мой друг сгорел дотла из-за неисправного силового трансформатора в видеомагнитофоне — по мнению следователей по пожарам.Правдивая история!). См. Рис. 6.1 (ниже) в качестве примера того, насколько плохо может быть, если трансформатор не защищен.

   После размыкания плавкого предохранителя трансформатор необходимо выбросить, так как обычно невозможно получить доступ к предохранителю для его замены. Это не так глупо, как может показаться, поскольку термическое разрушение перегретой изоляции невозможно предсказать, и трансформатор может быть небезопасным, если его все еще можно использовать.

   Существуют трансформаторы, которые спроектированы так, чтобы быть «изначально безопасными», и у них обычно есть обмотки на отдельных участках сердечника, а не в физическом контакте друг с другом.Если сердечник соединен с заземлением с электробезопасностью (что обычно является обязательным), никакой метод отказа (включая полное расплавление) в первичной обмотке не позволит сетевому напряжению появиться во вторичной обмотке. Боковые обмотки являются следующими по безопасности, и, хотя первичная и вторичная обмотки находятся на одной катушке, используемый материал выбран таким образом, чтобы выдерживать высокие температуры и обеспечивать разделение обмоток. Тороидальные сердечники и другие трансформаторы с концентрической намоткой являются наименее безопасными, поскольку единственное разделение между первичной и вторичной обмотками — это довольно тонкий слой изоляции.Это одна из причин того, что термопредохранители часто используются с тороидами. Обратите внимание, что любой трансформатор, классифицированный как «безопасный по своей природе», обычно должен соответствовать очень строгим условиям утверждения в большинстве стран.

   
   Рисунок 6.1 — Расплавление трансформатора

   На рис. 6.1 показан трансформатор, который я снял с ремонтных работ. Это полное расплавление, и остатки пластиковой шпульки видны достаточно четко. В любой цепи чрезвычайно важно защитить пользователя от контакта с сетью, если это произойдет.В этом случае бобина расплавилась с обмоток, стекала по основанию оборудования и в целом создавала большой беспорядок. Несмотря на все это, не было электрического соединения между первичной и вторичной обмотками или пластинами. Это был хорошо сделанный трансформатор (он вышел из строя из-за большой продолжительной перегрузки, а не из-за отказа самого трансформатора).

   Надлежащее защитное заземление — единственный реальный способ гарантировать, что катастрофический отказ трансформатора (как показано на рисунке) не приведет к подаче напряжения на шасси — не все трансформаторы созданы равными с точки зрения безопасности.Правильный предохранитель гарантирует, что предохранитель перегорит — надеюсь, с до электробезопасность будет нарушена. Тепловой предохранитель не позволил бы ситуации стать настолько плохой, как показано на рисунке, но трансформатор был бы так же мертв.

   ---

   7. Шум

   Трансформаторы шумят. Это не только электрический шум, который создается опасной формой волны тока через обмотки, диоды и конденсаторы фильтра, но и реальный слышимый шум. Одним из источников является вибрация обмотки из-за движения провода из-за магнитного поля и тока, протекающего по проводникам.Этого следует избегать любой ценой, поскольку постоянная вибрация в конечном итоге приведет к износу изоляции, короткому замыканию обмоток и выходу трансформатора из строя. К счастью, это довольно необычно, но иногда случается (и случается).

   Большая часть шума исходит от пластин или другого материала сердечника, который сжимается под воздействием сильного магнитного поля. Это называется магнитострикцией и происходит в большей или меньшей степени со всеми магнитными материалами. Стетоскоп проверит источник шума, и нет ничего или почти ничего, что могло бы его остановить.Упругая установка предотвратит акустическое усиление большей части шума шасси, и, как правило, шум будет хуже без нагрузки. В некоторых случаях трансформатор может быть рассчитан на 60 Гц, но используется на 50 Гц. В этом случае плотность потока, вероятно, превысит максимально допустимую для сердечника (который будет насыщаться), и трансформатор станет намного горячее, чем должен, и почти наверняка будет намного более шумным. Тороидальные трансформаторы обычно намного тише, чем ламинированные EI (т.е.е. обычные) типы.

   Большинство (все?) Трансформаторов, разработанных специально для 60 Гц, в конечном итоге выйдут из строя с сетью 50 Гц из-за перегрева. Обратное неверно, и трансформаторы на 50 Гц могут вполне безопасно работать на 60 Гц.

   Другая проблема с пластинами E-I заключается в том, что они могут быть недостаточно хорошо скреплены друг с другом, и это, в частности, позволяет внешним пластинам вибрировать. Обычные трансформаторы более высокого качества обычно пропитывают лаком (иногда под вакуумом) и запекают в умеренной печи до готовности…. ой, то есть до полного высыхания лака. Это связывает пластинки и обмотки вместе, предотвращая шум, а также делая трансформатор более устойчивым к повреждениям водой или другими загрязнениями и / или в условиях высокой влажности (например, в тропиках).

   ---

   Щелкните любой из вышеперечисленных разделов, чтобы просмотреть остальные разделы этой серии. Как вы, наверное, заметили, трансформаторы все-таки не так просты.

   ---

   Список литературы

   Эти ссылки являются общими для обоих разделов статьи, хотя большинство из них относятся только к разделу 2.Во время составления этих статей было исследовано бесчисленное количество различных веб-страниц, и, хотя некоторые из них были интересными, большинство использовалось минимально. Из тех, кого я действительно помню (сложная задача сама по себе, учитывая огромное количество поисков, которые мне приходилось делать), я должен поблагодарить следующие веб-страницы (в алфавитном порядке) …

   • Амидон
   • Школа ATDL (Армия США)
   • Трансформеры Jensen
   • Mitchell Electronics Corporation
   • Томи Энгдал — (ePanorama.нетто)

   Я рекомендую статью «История трансформатора», хотя и не используется в качестве справочной. Он не технический, но дает некоторое представление о разработке трансформаторов в том виде, в каком мы их знаем.

   Кроме того, я использовал различные другие ссылки, но, в частности (в порядке полезности) …

   ---

   Следующие (слегка отредактированные) определения взяты из Единиц измерения

   Единицы измерения, авторские права на сайт принадлежат Расс Роулетт и Университет Северной Каролины в Чапел-Хилл.
   (Определения использованы с разрешения автора.)

   Тесла (Тл) — плотность потока (или напряженность поля) для магнитных полей (также называемая магнитной индукцией). Напряженность магнитного поля можно измерить, поместив в поле проводник с током. Магнитное поле оказывает на проводник силу, которая зависит от силы тока и длины проводника. Один Тесла определяется как напряженность поля, создающая один Ньютон силы на ампер тока на метр проводника.Эквивалентно, одна тесла представляет собой плотность магнитного потока, равную одному Веберу на квадратный метр площади. Поле в один тесла довольно сильно: самые сильные поля, доступные в лабораториях, составляют около 20 тесла, а плотность магнитного потока Земли на ее поверхности составляет около 50 микротесла (мкТл). Одна Тесла равна 10000 Гс. Tesla, определенная в 1958 году, названа в честь Николы Теслы (1856-1943), чья работа в области электромагнитной индукции привела к появлению первых практических генераторов и двигателей, использующих переменный ток (к большому раздражению Эдисона, который утверждал, что постоянный ток был « более безопасным »). .

   Weber (Wb) — магнитный поток. «Поток» — это скорость (в единицу времени), с которой что-то пересекает поверхность, перпендикулярную потоку. В случае магнитного поля магнитный поток через перпендикулярную поверхность является произведением плотности магнитного потока в теслах и площади поверхности в квадратных метрах. Если переменное магнитное поле проходит перпендикулярно круговой петле из проводящего материала (один виток), изменение поля индуцирует электрический потенциал в петле.Если поток изменяется с постоянной скоростью один Вебер в секунду, индуцированный потенциал составляет один вольт. Это означает, что численно поток в веберах равен потенциалу в вольтах, который был бы создан путем равномерного сжатия поля до нуля за одну секунду. Один Вебер — это поток, индуцированный таким образом током, изменяющимся с постоянной скоростью один ампер в секунду. Единица посвящена немецкому физику Вильгельму Эдуарду Веберу (1804–1891), одному из первых исследователей магнетизма.

   ---

   ---

   Основной индекс
   Указатель статей

   Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, но не ограничиваясь, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и защищена авторским правом © 2001. Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт