Как рассчитать мощность трансформатора — примеры расчета

Что такое трансформатор?

Если коротко, то это стационарное устройство, используемое для преобразования переменного напряжения с сохранением частоты тока. Действие трансформатора основано на свойствах электромагнитной индукции.

Немного исторических фактов

В основу действия трансформатора легло явление магнитной индукции, открытое М. Фарадеем в 1831 г. Физик, работая с постоянным электрическим током, заметил отклонение стрелки гальванометра, подключенного к одной из двух катушек, намотанных на сердечник. Причем гальванометр реагировал только в моменты коммутации первой катушки.

Поскольку опыты проводились от источника постоянного тока, Фарадей не смог объяснить открытое явление.

Прообраз трансформатора появился лишь в 1848 году. Его изобрел немецкий механик Г. Румкорф, называя устройство индукционной катушкой особой конструкции. Однако Румкорф не заметил трансформации выходных напряжений.Датой рождения первого трансформатора считается день выдачи патента П. Н. Яблочкову на изобретение устройства с разомкнутым сердечником. Это случилось 30.11.1876 года.

Типы аппаратов с замкнутыми сердечниками появились в 1884 году. Их создали англичане Джон и Эдуард Гопкнинсоны.

По большому счету, технический интерес у электромехаников к переменному току возник только благодаря изобретению трансформатора. Идеи российского электротехника М. О. Доливо-Добровольского и всемирно известного Николы Тесла победили в спорах о преимуществах переменных напряжений именно благодаря возможности трансформации тока.

С победой идей этих великих электротехников потребности в трансформаторах резко выросла, что привело к их усовершенствованию и созданию новых типов приборов.

Общее устройство и принцип работы

Рассмотрим конструкцию простого трансформатора, с двумя катушками насаженных на замкнутый магнитопровод .Катушку, на которую поступает ток, будем называть первичной, а выходную катушку – вторичной.

Фактически все типы трансформаторов используют электромагнитную индукцию для преобразования напряжения поступающего в цепь  первичной обмотки. При этом выходное напряжение снимается из вторичных обмоток. Они различаются только по форме, материалам магнитопроводов и способам наматывания катушек.

Ферромагнитные сердечники применяются в низкочастотных моделях. Для таких сердечников используются материалы:

• сталь;
• пермаллой;
• феррит.

В некоторых высокочастотных моделях магнитопроводы могут отсутствовать, а в некоторых изделиях применяют материалы из высокочастотного феррита или альсифера.

В связи с тем, что для характеристик ферромагнетиков характерна нелинейность намагничивания, сердечники набирают из листовых материалов, на которые надевают обмотки. Нелинейная индуктивность приводит к гистерезису, для уменьшения которого применяют метод шихтования магнитопроводов.

Форма сердечника может быть Ш-образной или торроидальной.

Базовые принципы действия

Когда на выводы первичных обмоток поступает синусоидальный ток, то он во второй катушке создает переменное магнитное поле, пронизывающее магнитопровод. В свою очередь, изменение магнитного потока провоцирует наведение ЭДС в катушках. При этом величина напряжения ЭДС в обмотках находится в пропорциональной зависимости от количества витков и частоты тока. Отношение количества витков в цепи первичной обмотки к числу витков вторичной катушки называется коэффициентом трансформации: k = W1 / W2, где символами W1  и W2обозначено количество витков в катушках.

Если k > 1, то трансформатор повышающий, а при 0 < k < 1 – понижающий. Например, когда число витков, из которых состоит первичная обмотка, в три раза меньше количества вторичных витков, то k = 1/3, тогда U2 = 1/3 U1.

Режимы работы

Силовой трансформатор может работать в трех режимах:

• в состоянии холостого хода;
• в режиме нагрузки;
• в короткозамкнутом режиме.

Поскольку в цепи разомкнутой вторичной обмотки отсутствует ток, то в таком состоянии по первичной обмотке циркулирует ток холостого хода. Параметры этого тока используют при расчетах КПД, определяют коэффициент трансформации, находят потери в сердечнике.

Основным рабочим режимом трансформатора является состояние, когда к его второй обмотке подключена номинальная нагрузка. Первичный ток можно выразить через результирующую тока холостого хода и расчетного тока сопротивления нагрузки.

В режиме короткого замыкания вторичной обмотки, вся мощность концентрируется в цепях обмоток. В таком состоянии можно определить потери, расходуемые на нагревание проводов в обмотках.

Технические характеристики

Важной характеристикой являются коэффициенты трансформации. Они показывают зависимость выходного напряжения от соотношения витков в обмотках. Коэффициент трансформации является базовым параметром при расчете.

Другая важная характеристика трансформатора – его КПД. В некоторых аппаратах этот показатель составляет 0,9 – 0,98, что характеризует незначительные потери магнитных полей рассеяния. Мощность P зависит от площади S сечения магнитопровода. По значению S, при расчетах параметров трансформатора, определяют количество витков в катушках: W = 50 / S.

На практике мощность выбирают исходя из предполагаемой нагрузки, с учетом потерь в сердечнике. Мощность вторичной обмотки Pн= Uн× Iн, а мощность первичной катушки Pс= Uс× Iс. В идеале Pн = Pс (если пренебречь потерями в сердечнике). Тогда k = Uс / Uн = Iс / Iн , то есть, токи в каждой из обмоток имеют обратно пропорциональную зависимость от их напряжений, следовательно, и от количества витков.

Как работает трансформатор

Трансформатор работает за счет взаимоиндукции. Для начала разберем, что такое индукция.

Что такое индукция

Если по проводу пустить электрический ток, то возникнет магнитное поле.

Магнитное поле — неотъемлемая часть электрического. И в магнитном поле сохраняется энергия электрического.

У постоянных магнитов наличие магнитного поля объясняется направлением «доменов в одну сторону». Т.е. у каждого отдельно взятого атома есть свое маленькое магнитное поле. У постоянных магнитов эти маленькие магнитные поля направлены в одну сторону. Поэтому у постоянного магнита такое сильное магнитное поле.

И другие материалы можно намагнитить, т.е. сделать так, чтобы магнитные поля были направлены в одну сторону. Так получится «искусственно созданный» магнит.

Кстати, среди ремонтников очень популярен магнит, который намагничивает и размагничивает отвертки. Таким отвертками удобно пользоваться, поскольку маленькие болтики и винтики останутся на отвертке и не упадут в случае неосторожного движения.

А индуктивность — это способность материала накапливать магнитное поле, когда по этому материалу течет электрический ток.

Чем больше материал может создать магнитное поле, тем выше его индуктивность.

Магнитное поле можно увеличить, если сделать катушку.

Достаточно взять проволоку, намотать ее на каркас. И магнитные поля витков будут складываться.

Это и есть катушка индуктивности.

Провод в катушке индуктивности должен быть изолирован. Потому, что если хотя бы один виток будет в коротком замыкании с другим, то магнитное поле будет неравномерным. Будет межвитковое замыкание, из-за которого магнитное поле потеряет свою равномерность.

Если мы подаем на катушку постоянный ток, то и магнитное поле будет постоянным. Оно не будет меняться. А что если отключить катушку от источника? Тогда наступит явление самоиндукции. Так как ток уменьшается, то магнитное поле больше нечем поддерживать. И вся так энергия, которая была в магнитном поле, переходит в электрическую.

Изменение магнитного поля создает электрическое поле.

Увеличение индуктивности сердечником

А как увеличить индуктивность? Только с помощью количества витков и диаметром провода? На индуктивность еще влияет окружающая среда. Воздух — не самый лучший материал для накопления или передачи магнитного поля. У него низкая магнитная проницаемость. Тем более, при изменении плотности и температуры воздуха, это значение меняется. Поэтому, для увеличения индуктивности используют ферромагнетики. К ним относят железо, никель, кобальт и др.

Если сделать сердечник в центре катушки из таких материалов, то можно многократно повысить индуктивность катушки.

Из ферромагнетиков делают сердечники (магнитопроводы). В основном используют электротехническую сталь, которую специально делают для этих целей.

Кстати, теперь намного проще регулировать индуктивность с сердечником. Достаточно плавно передвигать сердечник внутри катушки, и индуктивность будет плавно меняться. Это удобнее, чем двигать витки друг от друга.

Взаимоиндукция и принцип передачи тока

Раз можно накопить энергию в катушке за счет магнитного поля, то можно передать эту энергию в другую катушку.

Допустим, есть две одинаковые катушки индуктивности. Одна подключена к питанию, другая нет.

При подключении питания, у первой катушки возникнет магнитное поле. И если приблизить вторую катушку к первой, у второй катушки индуцируется ЭДС за счет магнитного поля первой.

Но ЭДС второй катушки будет не долгим явлением. Если на первую катушку подается постоянное напряжение, то и магнитное поле будет постоянным.

А электрический ток возникает только при переменном магнитное поле. Поэтому, ток во второй катушке сразу исчезнет, как только стабилизируется магнитное поле.

Если поменяем полярность на первой катушке, то и изменится ее магнитное поле. А это значит, что оно будет изменяться и во второй катушке. Это снова индуцирует ток во второй катушке, но не надолго.

Чтобы непрерывно можно было передать ток от первой катушки ко второй, нужен переменный источник тока. Переменный ток создает переменное магнитное поле. А переменное магнитное поле проницая проводник создает в нем переменный наведенный ток.

И поэтому, если на первую катушку будет подано переменное напряжение, то возникнет и переменное магнитное поле. Это магнитное поле индуцирует во второй катушке электромагнитное поле, и ток будет во второй катушке.

Такое явление называют взаимоиндукцией. Когда за счет индуктивности ток из одной части цепи можно передать в другую используя электромагнитное поле.

Многие путают электромагнитную индукцию и взаимоиндукцию. Но это разные явления, хоть и принцип действия во многом схож.

Кроме переменного тока можно использовать и импульсный ток, в котором плюс и минус не меняются местами. Главное выполнять правило — ток должен менять свое значение. И тогда будет переменное магнитное поле.

Кстати, когда работают блоки питания и светильники, издаваемый гул от них — это звук от катушек или их сердечников. Это из-за индукции. Магнитное поле из-за разного направления в катушках частично сдвигает витки и сердечники, отсюда и появляется тот самый звон. Это касается и электродвигателей. Поэтому такие детали заливают смолой или компаундом, чтобы уменьшить издаваемый звук.

Устройство трансформатора

А если катушки будут разными? Тогда можно преобразовать напряжение из одной величины в другую. Так и работает трансформатор. Трансформатор преобразует напряжение с первичной обмотки в напряжение другой величины на вторичной обмотке.

Трансформатор работает только с переменным, импульсным или любым другим током, у которого изменяется значение со временем.

Трансформатор преобразует ток и напряжение, но он не позволяет увеличить мощность. Даже наоборот, из-за нагрева он немного забирает мощность. И не смотря на это, его КПД может доходить вплоть до 99%.

Классический трансформатор

Разберем устройство классического трансформатора.

Основная его функция — это снижение или повышение напряжения для блока питания. Работает за счет сетевого напряжения и низкой частоты (от 50 Гц). Частота переменного тока важна для расчетов.

Классический трансформатор состоит из первичной и вторичной обмотки, а также сердечника (магнитопровода).

На первичную обмотку подается то напряжение, которое нужно преобразовать. А со вторичной обмотки снимают то напряжение, которое получилось за счет взаимоиндукции. Сердечник увеличивает магнитный поток.

Как же происходит преобразование? Все просто. Можно рассчитать индуктивность первичной и вторичной обмотки. Если нужно низкое напряжение, то вторичная обмотка имеет меньше витков, чем первичная. Раз первичная работает за счет сетевого напряжения, то и рассчитывается на 220 В с небольшим запасом из-за колебаний сети.

Напряжение на вторичной обмотке сдвинуто по фазе относительно первичной. Это связано с явлением взаимоиндукции. На графике показана примерная разница по синусоиде.

Трансформаторы могут быть источниками фазовых искажений. Они изменяют сигналы по фазе из-за индуктивности, как показано на графике выше.

На принципиальных схемах классический трансформатор обозначается двумя катушками с сердечником.

Соответственно, если у трансформатора несколько вторичных обмоток, то и количество катушек на схеме будет другим.

Количество обмоток на трансформаторе может быть любым. Могут быть и несколько первичных и вторичных обмоток. А еще есть трансформаторы с общей точкой для двуполярного питания.

Кстати, если вы думаете, что у трансформатора нет сторон, как у диодов или транзисторов, то вы ошибаетесь. У трансформатора тоже есть начало обмотки и конец обмотки. На принципиальных схемах обозначение начала обмотки обозначается точкой и цифрами.

Зачем это надо? Дело в том, что магнитная индукция имеет свое направление, и на этом заложен весь принцип работы схемы. Если подключить обмотку не так, как показано на схеме, то вся схема перестанет работать как изначально задумывалось. Еще как пример можно привести трёхфазные электродвигатели. У них и вовсе для правильной работы важно знать начало и конец обмотки.

Коэффициент трансформации

У трансформаторов есть такое понятие, как коэффициент трансформации. Это отношение его входных и выходных характеристик (отношение количества витков первичной обмотки к вторичной).

Например, если трансформатор понижающий, с 220 В до 12 В, то его коэффициент больше единицы, то есть К<1. А если понижающий, то наоборот К>1. У разделительного коэффициент равен 1.

От чего зависит мощность трансформатора

При расчете учитываются следующие параметры:

• Размеры магнитопровода (сердечника);
• Количество витков;
• Сечение провода;
• Количество обмоток;
• Частота работы.

И все эти значения меняются в зависимости от расчетной мощности и требуемых параметров.

Типы классических трансформаторов

Классические трансформаторы по типу магнитопровода и расположению катушек разделяются на три основных вида:

Броневые чаще всего состоят из Е-пластин (или Ш, как многие называют), которые изолируются друг от друга лаком. В этом типе катушки заключены внутри сердечника как под броней. Поэтому они так и называются.

А еще сердечник может быть ленточным, но расположение катушек от этого не меняется.

Однако в плане эффективности преобразования мощности — это не самый лучший вариант. Магнитный поток получается неравномерным. Да и броневой трансформатор более уязвим к наводкам и помехам извне. Но зато у такого типа есть неоспоримое преимущество. Катушка наматывается достаточно просто, а сборка магнитопровода не составляет особого труда.

Такие трансформаторы чаще всего применяются в мелкогабаритной бытовой технике. Например, их можно часто встретить в мощных звуковых колонках от компьютеров.

Стержневые отличаются особенностями расположения катушек и конструкцией магнитопровода. Такой тип трансформаторов еще называют П-образным. Это связано с тем, что конструктивно сердечник такого трансформатора ленточный, и он собирается из узкой ленты электротехнической стали. И чтобы установить катушки в сердечник, его делают из двух форм в виде буквы П.

После установки двух катушек на первую часть сердечника, вторая часть замыкает ее при окончательной сборке.

Этот тип противоположность броневому. У такого трансформатора обмотки находятся снаружи, а у броневого наоборот, внутри.

Тороидальные трансформаторы являются самыми эффективными, и в тоже время самыми сложными в изготовлении. Сложности изготовления заключаются в том, что сердечник имеет форму тора. Он замкнут, и поместить катушки в сердечник так просто как в стержневых и броневых не получится.

Можно и разъединить трансформаторное железо на две полукруглые части (как П-образный трансформатор), но обмотку не получится намотать. Она будет не такая плотная и ровная.

Поэтому наматывают витки сразу на сердечник. А это намного дольше, да и автоматизировать такой процесс сложнее. Соответственно, и цена на такой трансформатор будет выше.

Наиболее важные параметры силовых трансформаторов.

Что же нужно знать о трансформаторе, чтобы корректно и, самое главное, безопасно использовать его в своих целях? Чаще всего это ремонт какой-либо бытовой техники или изготовление собственных поделок, питающихся невысоким напряжением. А знать о лежащем перед нами трансформаторе нужно следующее:

1. На какие выводы подавать сетевое питание (230 вольт)?
2. С каких выводов снимать пониженное напряжение?
3. Каким оно будет (12 вольт, 24 или другим)?
4. Какую мощность сможет выдать трансформатор?
5. Как не запутаться, если обмоток, а соответственно, и попарных выводов – несколько?

Все эти характеристики вполне реально вычислить даже тогда, когда нет абсолютно никакой информации о марке и модели силового трансформатора. Для выполнения работы понадобятся простейшие инструменты и расходные материалы:

• мультиметр с функциями омметра и вольтметра;
• паяльник;
• изолента или термоусадочная трубка;
• сетевая вилка с проводом;
• пара обычных проводов;
• лампа накаливания;
• штангенциркуль;
• калькулятор.

Еще понадобится какой-либо инструмент для зачистки проводов и минимальный набор для пайки – припой и канифоль.

Определение первичной и вторичной обмоток.

Первичная обмотка понижающего трансформатора предназначена для подачи сетевого питания. То есть именно к ней необходимо подключать 230 вольт, которые есть в обычной бытовой розетке. В самых простых вариантах первичная обмотка может иметь всего два вывода. Однако бывают и такие, в которых выводов, например, четыре. Это значит, что изделие рассчитано на работу и от 230 В, и от 110 В. Рассматривать будем вариант попроще.

Итак, как определить выводы первичной обмотки трансформатора? Для решения этой задачи понадобится мультиметр с функцией омметра. С его помощью нужно измерить сопротивление между всеми имеющимися выводами. Где оно будет больше всего, там и есть первичная обмотка. Найденные выводы желательно сразу же пометить, например, маркером.

Определить первичную обмотку можно и другим способом. Для этого намотанную проволоку внутри трансформатора должно быть хорошо видно. В современных вариантах чаще всего так и бывает. В старых изделиях внутренности могут оказаться залитыми краской, что исключает применение описываемого метода. Визуально выделяется та обмотка, диаметр проволоки которой меньше. Она является первичной. На нее и нужно подавать сетевое питание.

Осталось вычислить вторичную обмотку, с которой снимается пониженное напряжение. Многие уже догадались, как это сделать. Во-первых, сопротивление у вторичной обмотки будет намного меньше, чем у первичной. Во-вторых, диаметр проволоки, которой она намотана – будет больше.

Задача немного усложняется, если обмоток у трансформатора несколько. Особенно такой вариант пугает новичков. Однако методика их идентификации тоже очень проста, и аналогична вышеописанному. В первую очередь, нужно найти первичную обмотку. Ее сопротивление будет в разы больше, чем у оставшихся.

В завершение темы по обмоткам трансформатора стоит сказать несколько слов о том, почему сопротивление первичной обмотки больше, чем у вторичной, а с диаметром проволоки все с точностью до наоборот. Это поможет начинающим детальнее разобраться в вопросе, что очень важно при работе с высоким напряжением.

На первичную обмотку трансформатора подается сетевое напряжение 220 В. Это значит, что при мощности, например, 50 Вт через нее потечет ток силой около 0,2 А (мощность делим на напряжение). Соответственно, большое сечение проволоки здесь не нужно. Это, конечно же, очень упрощенное объяснение, но для начинающих (и решения поставленной выше задачи) этого будет достаточно.

Во вторичной обмотке токи протекают более значительные. Возьмем самый распространенный трансформатор, который выдает 12 В. При той же мощности в 50 Вт ток, протекающий через вторичную обмотку, составит порядка 4 А. Это уже довольно большое значение, потому проводник, через который будет проходить такой ток, должен быть потолще. Соответственно, чем больше сечение проволоки, тем сопротивление ее будет меньше.

Пользуясь этой теорией и простейшим омметром можно легко вычислять, где какая обмотка у понижающего трансформатора без маркировки.

Определение напряжения вторичной обмотки.

Следующим этапом идентификации «безымянного» трансформатора будет определение напряжения на его вторичной обмотке. Это позволит установить, подходит ли изделие для наших целей. Например, вы собираете блок питания на 24 В, а трансформатор выдает только 12 В. Соответственно, придется искать другой вариант.

Для определения напряжения, которое возможно снять со вторичной обмотки, на трансформатор придется подавать сетевое питание. Это уже довольно опасная операция. По неосторожности или незнанию можно получить сильный удар током, обжечься, повредить проводку в доме или сжечь сам трансформатор. Потому не лишним будет запастись несколькими рекомендациями относительно техники безопасности.

Во-первых, при тестировании подсоединять трансформатор к сети следует через лампу накаливания. Она подключается последовательно, в разрыв одного из проводов, идущих к вилке. Лампочка будет служить в роли предохранителя на случай, если вы что-то сделаете неправильно, или же исследуемый трансформатор неисправен (закорочен, сгоревший, намокший и так далее). Если она светится, значит что-то пошло не так. На лицо короткое замыкание в трансформаторе, потому вилку из розетки лучше сразу же вытянуть. Если лампа не светится, ничего не воняет и не дымит – работу можно продолжать.

Во-вторых, все соединения между выходами и вилкой должны быть тщательно заизолированы. Не стоит пренебрегать этой рекомендацией. Вы даже не заметите, как рассматривая показания мультиметра, например, возьметесь поправлять скручивающиеся провода, получите хорошенький удар током. Это опасно не только для здоровья, но и для жизни. Для изолирования используйте изоленту или термоусадочную трубку соответствующего диаметра.

Теперь сам процесс. К выводам первичной обмотки припаивается обычная вилка с проводами. Как указано выше, в цепь добавляется лампа накаливания. Все соединения изолируются. К выводам вторичной обмотки подсоединяется мультиметр в режиме вольтметра. Обратите внимание на то, чтобы он был включен на измерение переменного напряжения. Начинающие часто допускают тут ошибку. Установив ручку мультиметра на измерение постоянного напряжения, вы ничего не сожжете, однако, на дисплее не получите никаких вменяемых и полезных показаний.

Теперь можно вставлять вилку в розетку. Если все в рабочем состоянии, то прибор покажет вам выдаваемое трансформатором пониженное напряжение. Аналогично можно измерить напряжение на других обмотках, если их несколько.

Простые способы вычисления мощности силового трансформатора.

С мощностью понижающего трансформатора дела обстоят немного сложнее, но некоторые простые методики, все же, есть. Самый доступный способ определить эту характеристику – измерение диаметра проволоки во вторичной обмотке. Для этого понадобится штангенциркуль, калькулятор и нижеприведенная информация.

Сначала измеряется диаметр проволоки. Для примера возьмем значение в 1,5 мм. Теперь нужно вычислить сечение проволоки. Для этого необходимо половину диаметра (радиус) возвести в квадрат и умножить на число «пи». Для нашего примера сечение будет около 1,76 квадратных миллиметров.

Далее для расчета понадобится общепринятое значение плотности тока на квадратный миллиметр проводника. Для бытовых понижающих трансформаторов это 2,5 ампера на миллиметр квадратный. Соответственно, по второй обмотке нашего образца сможет «безболезненно» протекать ток силой около 4,3 А.

Теперь берем вычисленное ранее напряжение вторичной обмотки, и умножаем его на полученный ток. В результате получим примерное значение мощности нашего трансформатора. При 12 В и 4,3 А этот параметр будет в районе 50 Вт.

Мощность «безымянного» трансформатора можно определить еще несколькими способами, однако, они более сложные. Желающие смогут найти информацию о них в интернете. Мощность узнается по сечению окон трансформатора, с помощью программ расчета, а также по номинальной рабочей температуре.

Выбор числа трансформаторов

Для трансформаторных подстанций используют схемы с одним или двумя трансформаторами. Распределительные устройства, в состав которых входит более 2 трансформаторов, встречаются только на предприятиях или электрических станциях, где применение небольшого их числа не соответствует условиям бесперебойности электроснабжения, условиям эксплуатации. Там экономически целесообразнее установить несколько трансформаторов сравнительно небольшой мощности, чем один или два мощных. Так проще проводить ремонт, дешевле обходится замена неисправного аппарата.

Устанавливают однотрансформаторные подстанции в случаях:

• электроснабжения потребителей III категории надежности;
• электроснабжения потребителей любых категорий, имеющих другие независимые линии питания и собственную автоматику резервирования, переключающую их на эти источники.

Но к однотрансформаторным подстанциям есть дополнительное требование. Потребители III категории по надежности электроснабжения, хоть и допускают питание от одного источника, но перерыв его ограничен временем в одни сутки. Это обязывает иметь эксплуатирующую организацию складской резерв трансформаторов для замены в случае аварийной ситуации. Расположение и конструкция подстанции не должны затруднять эту замену. При обслуживании группы однотрансформаторных подстанций мощности их трансформаторов, по возможности, выбираются одинаковыми, либо максимально сокращается количество вариантов мощностей. Это минимизирует количество оборудования, находящегося в резерве.

Киосковая подстанция

К потребителям третьей категории относятся:

• деревни и села;
• гаражные кооперативы;
• небольшие предприятия, остановка которых не приведет к массовому браку выпускаемой продукции, травмам, экологическому и экономическому ущербу, связанному с остановкой технологического процесса.

Схема питания потребителей III категории

Для потребителей, перерывы электроснабжения которых не допускаются или ограничиваются, применяют двухтрансформаторные подстанции.

Категория электроснабжения	Время возможного перерыва питания	Схема питания
I	Невозможно	Два независимых источника с АВР и собственный генератор
II	На время оперативного переключения питания	Два независимых источника
III	1 сутки	Один источник питания

Отличие в питании категорий I и II – в способе переключения питания. В первом случае оно происходит автоматически (схемой автоматического ввода резерва – АВР) и дополнительно имеется собственный независимый источник питания. Во втором – переключение осуществляется вручную. Но минимальное количество трансформаторов для питания таких объектов – не менее двух.

Схема питания потребителей II категории

В нормальном режиме работы каждый из двух трансформаторов питается по своей линии и снабжает электроэнергией половину потребителей подстанции. Эти потребители подключаются к шинам секции, питаемой трансформатором. Второй трансформатор питает вторую секцию шин, соединенную с первой секционным автоматом или рубильником.

В аварийном режиме трансформатор должен взять на себя нагрузку всей подстанции. Для этого включается секционный автоматический выключатель. Для потребителей первой категории его включает АВР, для второй включение производится вручную, для чего вместо автомата устанавливают рубильник

Поэтому мощность трансформаторов выбирается с учетом питания всей подстанции, а в нормальном режиме они недогружены. Экономически это нецелесообразно, поэтому, по возможности, усложняют схему электропитания. Имеющиеся потребители III категории в аварийном режиме отключают, что приводит к снижению требуемой мощности.

Выбор конструкции трансформатора

По способу охлаждения и изоляции обмоток трансформаторы выпускают:

• масляными;
• с синтетическими жидкостями;
• воздушными.

Масляный трансформатор

Наиболее распространенные – масляные трансформаторы. Их обмотки размещены в баках, заполненных маслом с повышенными изоляционными характеристиками (трансформаторное масло). Оно выполняет роль дополнительной изоляции между витками обмоток, обмотками разных фаз, разных напряжений и баком трансформатора. Циркулируя внутри бака, оно отводит тепло обмоток, выделяемое при работе. Для лучшего теплоотвода к корпусу трансформатора привариваются трубы дугообразной формы, позволяющие маслу циркулировать вне бака и охлаждаться за счет окружающего воздуха. Мощные масляные трансформаторы комплектуются вентиляторами, обдувающими элементы, в которых происходит охлаждение.

Недостаток масляных трансформаторов – риск возникновения пожара при внутренних повреждениях. Поэтому их можно устанавливать только в подстанциях, расположенных отдельно от зданий и сооружений.

Трансформатор с воздушным охлаждением (сухой)

При необходимости установить распределительное устройство с трансформатором поближе к нагрузке или во взрыво- или пожароопасных цехах, используются трансформаторы с воздушным охлаждением. Их обмотки изолированы материалами, облегчающими передачу тепла. Охлаждение происходит либо за счет естественной циркуляции воздуха, либо с помощью вентиляторов. Но охлаждение сухих трансформаторов все равно происходит хуже масляных.

Решить проблему пожарной безопасности позволяют трансформаторы с синтетическим диэлектриком. Их устройство похоже на конструкцию масляного трансформатора, но вместо масла в баке находится синтетическая жидкость, которая не так склонна к возгоранию, как трансформаторное масло.

Группы и схемы соединений

Критериями выбора группы электрических соединений разных фаз обмоток между собой являются:

1. Минимизация в сетях уровней высших гармоник. Это актуально при увеличении доли нелинейных нагрузок потребителей.
2. При несимметричной загрузке фаз трансформатора токи первичных обмоток должны выравниваться. Это стабилизирует режим работы сетей питания.
3. При питании четырехпроводных (пятипроводных) сетей трансформатор должен иметь минимальное сопротивление нулевой последовательности для токов короткого замыкания. Это облегчает защиту от замыканий на землю.

Для соблюдения условий №1 и №2 одна обмотка трансформатора соединяется в звезду, при соединении другой – в треугольник. При питании четырехпроводных сетей наилучшим вариантом считается схема Δ/Yo. Обмотки низшего напряжения соединяются в звезду с выведенным наружу нулевым ее выводом, используемым в качестве PEN-проводника (нулевого проводника).

Еще лучшими характеристиками обладает схема Y/Zo, у которой вторичные обмотки соединяются по схеме «зигзаг» с нулевым выводом.

Схема Y/Yo имеет больше недостатков, чем достоинств, и применяется редко.

Выбор мощности трансформатора

Типовые мощности трансформаторов стандартизированы.

Стандартные мощности трансформаторов
25	40	60	100	160	250	400	630	1000

Для расчета присоединенной к трансформатору мощности собираются и анализируются данные о подключенных к нему мощностях потребителей. Однозначно цифры сложить не получится, нужны данные о распределении нагрузок по времени. Потребление электроэнергии многоквартирным домом варьируется не только в течение суток, но и по временам года: зимой в квартирах работают электрообогреватели, летом – вентиляторы и кондиционеры. Типовые графики нагрузок и величины потребляемых мощностей для многоквартирных домов определяются из справочников.

Для расчета мощностей на промышленных предприятиях требуется знание принципов работы их технологического оборудования, порядок его включения в работу. Определяется режим максимальной загрузки, когда в работу включено наибольшее число потребителей (Sмакс). Но все потребители одновременно включиться не могут никогда. Но при расчетах требуется учитывать и возможное расширение производственных мощностей, а также – вероятность в дальнейшем подключения дополнительных потребителей к трансформатору.

Учитывая число трансформаторов на подстанции (N) мощность каждого рассчитывают по формуле, затем выбирают из таблицы ближайшее большее значение:

В этой формуле Кз – коэффициент загрузки трансформатора. Это отношение потребляемой мощности в максимальном режиме к номинальной мощности аппарата. Работа с необоснованно пониженным коэффициентом загрузки экономически не выгодна. Для потребителей, в зависимости от категории бесперебойности электроснабжения, рекомендуются коэффициенты:

Категория потребителей	Коэффициент загрузки
I	0,65-0,7
II	0,7-0,8
II	0,9-0,95

Из таблицы видно, что коэффициент загрузки учитывает взятия одним трансформатором дополнительной нагрузки, переходящей к нему при выходе из строя другого трансформатора или его питающей линии. Но он ограничивает перегрузку трансформатора, оставляя по мощности некоторый запас.

Систематические перегрузки трансформаторов возможны, но их время и величина ограничиваются требованиями заводов-изготовителей этих устройств. По правилам ПТЭЭП длительная перегрузка трансформаторов с масляным или синтетическим диэлектриком ограничивается до 5%.

Отдельно ПТЭЭП определяется длительность аварийных перегрузок в зависимости от их величины.

Для масляных трансформаторов:

Величина перегрузки, %	30	45	60	75	100
Длительность, мин	120	80	45	20	10

Для сухих трансформаторов:

Величина перегрузки, %	20	30	40	50	60
Длительность, мин	60	45	32	18	5

Из таблиц видно, что сухие трансформаторы к перегрузкам более критичны.

Определение номинальной мощности трансформатора

Для правильного выбора номинальной мощности трансформатора (автотрансформатора) необходимо располагать суточным графиком нагрузки, из которого известна как максимальная, так и среднесуточная активная нагрузки данной подстанции, а также продолжительность максимума нагрузки.

График позволяет судить, соответствуют ли эксплуатационные условия загрузки теоретическому сроку службы (обычно 20…25 лет), определяемому заводом изготовителем.

Для относительного срока службы изоляции и (или) для относительного износа изоляции пользуются выражением, определяющим экспоненциальные зависимости от температуры. Относительный износ L показывает, во сколько раз износ изоляции при данной температуре больше или меньше износа при номинальной температуре. Износ изоляции за время оценивают по числу отжитых часов или суток: Н=Li.

В общем случае, когда температура изоляции не остается постоянной во времени, износ изоляции определяется интегралом:

В частности, среднесуточный износ изоляции:

Влияние температуры изоляции определяет, сколько часов с данной температурой может работать изоляция при условии, что ееизнос будет равен нормированному износу за сутки:

При температуре меньше 80°С износ изоляции ничтожен и им можно пренебречь. Температура охлаждающей среды, как правило, не равна номинальной температуре и, кроме того, изменяется во времени. В связи с этим для упрощения расчетов используют эквивалентную температуру охлаждающей среды, под которой понимают такую неизменную за расчетный период температуру, при которой износ изоляции трансформатора будет таким же, как и при изменяющейся температуре охлаждающей среды в тот же период.

Допускается принимать эквивалентную температуру за несколько месяцев или год равной среднемесячным температурам или определять эквивалентные температуры по специальным графикам зависимости эквивалентных месячных температур от среднемесячных и среднегодовых, эквивалентных летних (апрель—август), осенне-зимних (сентябрь—март) и годовых температур от среднегодовых.

Если при выборе номинальной мощности трансформатора на однотрансформаторной подстанции исходить из условия

(где Рмах — максимальная активная нагрузка пятого года эксплуатации; Рр — проектная расчетная мощность подстанции), то при графике с кратковременным пиком нагрузки (0,5… 1,0 ч) трансформатор будет длительное время работать с недогрузкой. При этом неизбежно завышение номинальной мощности трансформатора и, следовательно, завышение установленной мощности подстанции.

В ряде случаев выгоднее выбирать номинальную мощность трансформатора близкой к максимальной нагрузке достаточной продолжительности с полным использованием его перегрузочной способности с учетом систематических перегрузок в нормальном режиме.

Перегрузки силовых трансформаторов

Перегрузки определяются преобразованием заданного графика нагрузки в эквивалентный в тепловом отношении (рис. 3.5). Допустимая нагрузка трансформатора зависит от начальной нагрузки, максимума нагрузки и его продолжительности и характеризуется коэффициентом превышения нагрузки:

Допустимые систематические перегрузки трансформаторов определяются из графиков нагрузочной способности трансформаторов, задаваемых таблично или графически. Коэффициент перегрузки передается в зависимости от среднегодовой температуры воздуха /сп вида охлаждения и мощности трансформаторов, коэффициента начальной нагрузки кн н и продолжительности двухчасового эквивалентного максимума нагрузки tmах.

Для других значений tmax допустимый можно определить по кривым нагрузочной способности трансформатора.

Если максимум графика нагрузки в летнее время меньше номинальной мощности трансформатора, то в зимнее время допускается длительная 1%я перегрузка трансформатора на каждый процент недогрузки летом, но не более чем на 15 %. Суммарная систематическая перегрузка трансформатора не должна превышать 150 %. При отсутствии систематических перегрузок допускается длительная нагрузка трансформаторов током на 5 % выше номинального при условии, что напряжение каждой из обмоток не будет превышать номинальное.

На трансформаторах допускается повышение напряжения сверх номинального: длительно — на 5 % при нагрузке не выше номинальной и на 10% при нагрузке не выше 0,25 номинальной; кратковременно (до 6 ч в сутки) — на 10 % при нагрузке не выше номинальной.

Дополнительные перегрузки одной ветви за счет длительной недогрузки другой допускаются в соответствии с указаниями заводом — изготовителя. Так, трехфазные трансформаторы с расщепленной обмоткой 110 кВ мощностью 20, 40 и 63 М ВА допускают следующие относительные нагрузки: при нагрузке одной ветви обмотки 1,2; 1,07; 1,05 и 1,03 нагрузки другой ветви должны составлять соответственно 0; 0,7; 0,8 и 0,9.

Расчет номинальной мощности трансформатора

Номинальная мощность, MB • А, трансформатора на подстанции с числом трансформаторов п > 1 в общем виде определяется из выражения

Для сетевых подстанций, где примерно до 25 % потребителей из числа малоответственных в аварийном режиме может быть отключено, обычно принимается равным 0,75…0,85. При отсутствии потребителей III категории К 1-2 = 1 Для производств (потребителей) 1й и особой группы известны проектные решения, ориентирующиеся на 50%ю загрузку трансформаторов.

Рекомендуется широкое применение складского и передвижного резерва трансформаторов, причем при аварийных режимах допускается перегрузка трансформаторов на 40 % на время максимума общей суточной продолжительностью не более 6 ч в течение не более 5 сут.

При этом коэффициент заполнения суточного графика нагрузки трансформаторов кн в условиях его перегрузки должен быть не более 0,75, а коэффициент начальной нагрузки кпн — не более 0,93.

Так как К1-2 < 1, а Кпер > 1 их отношение К = К 1-2 / К пер. всегда меньше единицы и характеризует собой ту резервную мощность, которая заложена в трансформаторе при выборе его номинальной мощности. Чем это отношение меньше, тем меньше будет закладываемый в трансформаторы резерв установленной мощности и тем более эффективным будет использование трансформаторной мощности с учетом перегрузки.

Завышение коэффициента к приводит к завышению суммарной установленной мощности трансформаторов на подстанции.

Уменьшение коэффициента возможно лишь до такого значения, которое с учетом перегрузочной способности трансформатора и возможности отключения неответственных потребителей позволит покрыть основную нагрузку одним оставшимся в работе трансформатором при аварийном выходе из строя второго трансформатора.

Таким образом, для двухтрансформаторной подстанции

В настоящее время существует практика выбора номинальной мощности трансформатора для двух трансформаторной подстанции с учетом значения к = 0,7, т.е.

Формально выражение (3.14) выглядит ошибочно: действительно, единица измерения активной мощности — Вт; полной (кажущейся) мощности — ВА. Есть различия и в физической интерпретации S и Р. Но следует подразумевать, что осуществляется компенсация реактивной мощности на шинах подстанции 5УР, ЗУР и что коэффициент мощности cos ф находится в диапазоне 0,92… 0,95.

Тогда ошибка, связанная с упрощением выражения (3.13) до (3.14), не превышает инженерную ошибку 10%, которая включает в себя и приблизительность значения 0,7, и ошибку в определении фиксированного Рмах

Таким образом, суммарная установленная мощность двухтрансформаторной подстанции

При этом значении к в аварийном режиме обеспечивается сохранение около 98 % Рмах без отключения неответственных потребителей. Однако, учитывая принципиально высокую надежность трансформаторов, можно считать вполне допустимым отключение в редких аварийных режимах какойто части неответственных потребителей.

При двух и более установленных на подстанции трансформаторах при аварии с одним из параллельно работающих трансформаторов оставшиеся в работе трансформаторы принимают на себя его нагрузку. Эти аварийные перегрузки не зависят от предшествовавшего режима работы трансформатора, являются кратковременными и используются для обеспечения прохождения максимума нагрузки.

Далее приведены значения кратковременных перегрузок масляных трансформаторов с системами охлаждения М, Д, ДЦ, Ц сверх номинального тока (независимо от длительности предшествующей нагрузки, температуры окружающей среды и места установки).

Аварийные перегрузки масляных трансформаторов со всеми видами охлаждения:

Для трехобмоточных трансформаторов и автотрансформаторов указанные перегрузки относятся к наиболее нагруженной обмотке.

Типы магнитопроводов

Основой трансформатора переменного тока является магнитопровод, который должен обладать определенными магнитными свойствами. В трансформаторах используется сталь особого состава и со специфической обработкой (трансформаторное железо). В процессе работы трансформатора в магнитопроводе образуются вихревые токи, которые нагревают сердечник и ведут к снижению КПД трансформатора. Для снижения вихревых токов сердечник выполняют не монолитным, а собранным из тонких стальных пластин или лент, покрытых непроводящим оксидным слоем.

По типу используемого металла сердечники разделяют на:

• Пластинчатые;
• Ленточные.

Первый тип сердечников собирается в виде пакета из отдельных пластин соответствующей формы, а второй – наматывается из ленты. В дальнейшем ленточный сердечник может быть разрезан на отдельные сегменты для удобства намотки провода.

По типу магнитопровода различают сердечники:

• Броневые;
• Стержневые.

Каждый из перечисленных типов может различаться формой пластин или сегментов:

• Броневый;
• Ш образный;
• Кольцевой.

Форма и тип сердечника в теории не влияют на методику расчета, но на практике это следует учитывать при определении КПД и количества витков обмоток.

Типы сердечников

Кольцевой (тороидальный) сердечник отличается наилучшими свойствами. Трансформатор, выполненный на таком магнитопроводе, будет иметь максимальный КПД и минимальный ток холостого хода. Это оправдывает самую большую трудоемкость выполнения обмоток, поскольку в домашних условиях эта работа выполняется исключительно вручную, без использования намоточного станка.

Исходные данные

Особенности работы и применения резонансного трансформатора Тесла

Исходными данными, на основе которых производится расчет трансформатора, в обязательном порядке являются:

• Напряжение сети;
• Напряжение и количество вторичных обмоток;
• Токи потребления нагрузок.

Для полного и точного расчета понижающего трансформатора необходимо учитывать температурный режим, допускаемые отклонения напряжения первичной обмотки и еще некоторые факторы, однако практика показывает, что трансформаторы, изготовленные по данным упрощенного расчета, имеют достаточно хорошие параметры. Далее будет рассказано, как рассчитать трансформатор, не прибегая к сложным и громоздким вычислениям.

Порядок расчета

Как расшифровать маркировку трансформатора

Расчет силового трансформатора начинается с определения габаритной мощности. Для начала определяется суммарная полная мощность всех вторичных обмоток:

Pс= P1+P2+P3+…

Как рассчитать мощность трансформатора, если неизвестны мощности обмоток? Узнать ее поможет известная из курса физики формула:

P = U·I.

Габаритная мощность трансформатора находится из полной с учетом КПД, который различается для устройств разной мощности. Опытным путем установлены следующие ориентировочные значения КПД:

• До 50 Вт – 0.6 (60%);
• От 50 до 100 Вт – 0.7 (70%);
• От 100 до 150 Вт – 0.8 (80%).

Более мощный трансформатор будет иметь КПД 0.85.

Таким образом, расчет габаритной мощности выглядит таким образом:

Рг = КПД∙Рс, где Рс – полная мощность.

На основе габаритной мощности трансформатора можно определить площадь поперечного сечения магнитопровода:

S=√Рг.

Согласно данной формуле, искомая площадь сечения получается в квадратных сантиметрах. По полученным данным подбирают сердечник с близким или несколько большим значением сечения. Используя разборные сердечники из Ш и П образных пластин, можно в некоторых пределах изменять толщину набора, добавляя или убирая по несколько пластин.

Как определить мощность неизвестного трансформатора? Нужно возвести в квадрат площадь сердечника, выраженную в квадратных сантиметрах.

Обратите внимание! Поперечное сечение магнитопровода должно, по возможности, иметь приближенную к квадрату форму.

После выбора магнитопровода, рассчитываем намоточные данные. Имея в наличии магнитопровод и зная площадь его сечения, можно выполнить расчет обмоток трансформатора (количества витков в обмотках). Принято за основу расчета брать количество витков, которые приходятся на 1 В напряжения, поскольку данное число одинаково для всех обмоток и зависит от характеристик магнитопровода и частоты напряжения питающей сети. Полная формула, которая учитывает частоту сети, магнитную индукцию в сердечнике, имеет большую сложность и в расчетах практически никогда не применяется. Вместо этого используют упрощенный вариант, который учитывает лишь материал и конструкцию сердечника:

N=k/S, где k – коэффициент из следующего перечня:

• Ш и П образные пластины магнитопровода – k = 60;
• Ленточный сердечник – k = 50;
• Тороидальный магнитопровод – k = 40.

Как видно, при использовании тороидального сердечника количество витков будет минимальным.

Тороидальный трансформатор

Зная количество витков на вольт, легко определить намоточные данные обмоток на любое напряжение:

W = N∙U.

Для первичной обмотки это будет:

W = N∙220.

Обратите внимание! Поскольку для понижающих трансформаторов сечение провода и количество витков сетевой обмотки больше всех остальных, то и омические потери в проводах также будут выше, поэтому для маломощных трансформаторов (до 100 Вт) нужно учесть эти потери, увеличив количество витков первичной обмотки на 5%.

Если рассчитывается трансформатор стержневого типа, то обычно обмотки делят пополам и наматывают их на обоих стержнях равномерно. Части одинаковых обмоток затем соединяют последовательно.

Не менее важным этапом расчета трансформатора является определение сечения проводников обмотки. Здесь за основу берется такое значение тока в проводах, которое вызывает их минимальный нагрев. Чем выше сечение провода, тем меньше плотность тока через единицу сечения и, соответственно, меньше нагрев. Но чрезмерное увеличение сечения обмоточных проводов приводит к увеличению массы трансформатора, завышению стоимости, а также вероятности того, что обмотки просто не поместятся в окнах магнитопровода.

Принято считать оптимальным плотность тока в обмотках 4-7 А на 1 мм2. Меньшее значение плотности используется для расчета сечения проводов первичной обмотки или любой другой, которая находится ближе к сердечнику магнитопровода. У данных обмоток наихудшие условия охлаждения.

Чтобы не оперировать плотностями тока и сложными формулами перевода площади сечения в диаметр, можно посчитать диаметр, используя их упрощенный вариант:

• d = 0.7∙√I – для проводников первичной обмотки;
• d = 0.6∙√I – для проводников вторичных обмоток.

Для обмоток используется изолированный обмоточный провод по сечению, наиболее близкому к расчетному, но не меньше его.

Важно! Формула дает расчётное значение для голого провода, без учета изоляции.

Для измерения диаметра неизвестного провода необходим микрометр. Приблизительно определить диаметр можно, намотав на карандаш десять витков и измерив длину намотки.

Чтобы определить, поместятся ли обмотки в окнах магнитопровода, подсчитайте коэффициент заполнения окна:

K=0.008∙(d12 ∙w1+ d22 ∙w2+ d32 ∙w3+…)/Sокна.

Если получившееся значение больше 0.3, то обмотки не поместятся, а перемотка наполовину готового устройства к хорошему результату не приведет. Выходов несколько:

• Использовать магнитопровод с большим сечением;
• Увеличить плотность тока в обмотках (не более 5%);
• Понизить число витков во всех обмотках одновременно (также не более 5%).

Уменьшение количества витков приведет к появлению повышенного тока холостого хода и потерям в трансформаторе, которые буду выражены в повышении его температуры. Поэтому использование последних двух способов можно рекомендовать исключительно как крайнюю меру.

Типовой расчёт параметров

Довольно часто радиолюбители используют при расчёте трансформатора упрощённую методику. Она позволяет выполнить расчёт в домашних условиях без использования величин, которые трудно узнать. Но проще использовать готовый для расчёта трансформатора онлайн-калькулятор. Для того чтобы воспользоваться таким калькулятором, понадобится знать некоторые данные, а именно:

• напряжение первичной и вторичной обмотки;
• габаритны сердечника;
• толщину пластины.

После их ввода понадобится нажать кнопку «Рассчитать» или похожую по названию и дождаться результата.

Стержневой тип магнитопровода

В случае отсутствия возможности расчёта на калькуляторе выполнить такую операцию самостоятельно несложно и вручную. Для этого потребуется определиться с напряжением на выходе вторичной обмотки U2 и требуемой мощностью Po. Расчёт происходит следующим образом:

1. Рассчитывается ток нагрузки: In=Po/U2, А.
2. Вычисляется величина тока вторичной обмотки: I2 = 1,5*In, А.
3. Определяется мощность вторичной обмотки: P2 = U2*I2, Вт.
4. Находится общая мощность устройства: Pт = 1,25*P2, Вт.
5. Вычисляется сила тока первичной обмотки: I1 = Pт/U1, А.
6. Находится необходимое сечение магнитопровода: S = 1,3*√ Pт, см².

Следует отметить, что если конструируется устройство с несколькими выводами во вторичной обмотке, то в четвёртом пункте все мощности суммируются, и их результат подставляется вместо P2.

После того как первый этап выполнен, приступают к следующей стадии расчёта. Число витков в первичной обмотке находится по формуле: K1 = 50*U1/S. А число витков вторичной обмотке определяется выражением K2= 55* U2/S, где:

• U1 — напряжение первичной обмотке, В.
• S — площадь сердечника, см².
• K1, K2 — число витков в обмотках, шт.

Остаётся вычислить диаметр наматываемой проволоки. Он равен D = 0,632*√ I, где:

• d — диаметр провода, мм.
• I — обмоточный ток рассчитываемой катушки, А.

При подборе магнитопровода следует соблюдать соотношение 1 к 2 ширины сердечника к его толщине. По окончании расчёта выполняется проверка заполняемости, т. е. поместится ли обмотка на каркас. Для этого площадь окна вычисляется по формуле: Sо = 50*Pт, мм2.

Особенности автотрансформатора

Автотрансформаторы рассчитываются аналогично простым трансформаторам, только сердечник определяется не на всю мощность, а на мощность разницы напряжений.

Например, мощность магнитопровода 250 Вт, на входе 220 вольт, на выходе требуется получить 240 вольт. Разница напряжений составляет 20 В, при мощности 250 Вт ток будет равен 12,5 А. Такое значение тока соответствует мощности 12,5*240=3000 Вт. Потребление сетевого тока составляет 12,5+250/220=13,64А, что как раз и соответствует 3000Вт=220В*13,64А. Трансформатор имеет одну обмотку на 240 В с отводом на 220 В, который подключён к сети. Участок между отводом и выходом мотается проводом, рассчитанным на 12,5А.

Таким образом, автотрансформатор позволяет получить на выходе мощность значительно больше, чем трансформатор на таком же сердечнике при небольшом коэффициенте передачи.

Трансформатор тороидального типа

Тороидальные трансформаторы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами: меньший размер, меньший вес и при этом большее КПД. При этом они легко наматываются и перематываются. Использование онлайн-калькулятора для расчёта тороидального трансформатора позволяет не только сократить время изготовления изделия, но и «на лету» поэкспериментировать с разными вводными данными. В качестве таких данных используются:

• напряжение входной обмотки, В;
• напряжение выходной обмотки, В;
• ток выходной обмотки, А;
• наружный диаметр тора, мм;
• внутренний диаметр тора, мм;
• высота тора, мм.

Необходимо отметить, что почти все онлайн-программы не демонстрируют особой точности в случае расчёта импульсных трансформаторов. Для получения высокой точности можно воспользоваться специально разработанными программами, например, Lite-CalcIT, или рассчитать вручную. Для самостоятельного расчёта используются следующие формулы:

1. Мощность выходной обмотки: P2=I2*U2, Вт.
2. Габаритная мощность: Pg=P2/Q, Вт. Где Q — коэффициент, берущийся из справочника (0,76−0,96).
3. Фактическое сечение «железа» в месте размещения катушки: Sch= ((D-d)*h)/2, мм2.
4. Расчётное сечение «железа» в месте расположения катушки: Sw =√Pq/1.2, мм2
5. Площадь окна тора: Sfh=d*s* π/4, мм2.
6. Значение рабочего тока входной обмотки: I1=P2/(U1*Q*cosφ), А, где cosφ справочная величина (от 0,85 до 0,94).
7. Сечение провода находится отдельно для каждой обмотки из выражения: Sp = I/J, мм2., где J- плотность тока, берущаяся из справочника (от 3 до 5).
8. Число витков в обмотках рассчитывается отдельно для каждой катушки: Wn=45*Un*(1-Y/100)/Bm* Sch шт., где Y — табличное значение, которое зависит от суммарной мощности выходных обмоток.
9. Остается найти выходную мощность и расчёт тороидального силового трансформатора считается выполненным. Pout = Bm*J*Kok*Kct* Sch* Sfh /0,901, где: Bm — магнитная индукция, Kok — коэффициент заполнения проводом, Kct —коэффициент заполнения железом.

Все значения коэффициентов берутся из справочника радиоаппаратуры (РЭА). Таким образом, проводить вычисления в ручном режиме несложно, но потребуется аккуратность и доступ к справочным данным, поэтому гораздо проще использовать онлайн-сервисы.

Рекомендации по сборке и намотке

При сборке трансформатора своими руками пластины сердечника собираются «вперекрышку». Магнитопровод стягивается обоймой или шпилечными гайками. Для того чтобы не нарушить изоляцию, шпильки закрываются диэлектриком. Стягивать «железо» нужно с усилием: если его окажется недостаточно при работе устройства возникнет гул.

Проводники наматываются на катушку плотно и равномерно, каждый последующий ряд изолируется от предыдущего тонкой бумагой или лавсановой плёнкой. Последний ряд обматывается киперной лентой или лакотканью. Если в процессе намотки выполняется отвод, то провод разрывается, а на место разрыва впаивается отвод. Это место тщательно изолируется. Закрепляются концы обмоток с помощью ниток, которыми привязываются провода к поверхности сердечника.

При этом существует хитрость: после первичной обмотки не следует наматывать всю вторичную обмотку сразу. Намотав 10—20 витков, нужно измерить величину напряжения на её концах.

По полученному значению можно представить, сколько витков потребуется для получения нужной амплитуды выходного напряжения, тем самым контролируя полученный расчёт при сборке трансформатора.

Выполнение обмоток

Обмотки трансформатора выполняют на каркасе из изоляционного материала. Каркас может быть цельным или разборным. Несмотря на кажущуюся сложность, разборный каркас изготовить легче, к тому же его размеры легко пересчитать под любой имеющийся сердечник. Из материалов для каркаса можно взять листовой гетинакс, текстолит или стеклотекстолит. В щечках каркаса нужно предусмотреть отверстия для выводов.

Выводы обмоток выполняют гибким многожильным проводом, тщательно заизолировав место пайки. Саму обмотку выполняют, по возможности, виток к витку. Такая намотка позволяет лучше использовать свободное место, сокращает расход провода, а главное – в местах пересечения проводов при некачественно выполненной намотке существует риск повреждения изоляции и междувитковых замыканий. Это правило не касается тонкого провода с диаметром менее 0.2 мм, поскольку рядовую обмотку в домашних условиях на нем выполнить очень тяжело.

Каждую обмотку необходимо изолировать одна от другой, особенно первичную обмотку. Для изоляции можно использовать несколько слоев ФУМ ленты. Она выполнена из фторопласта, который обладает хорошими электроизоляционными свойствами.

Важно! ФУМ лента имеет малую толщину, а фторопласт обладает текучестью, поэтому делать нужно несколько слоев изоляции.

Сборка трансформатора

Качество трансформатора во многом зависит от правильности сборки магнитопровода. При сборке Ш образного броневого сердечника соседние пластины нужно укладывать поочередно в разные стороны. Пакет пластин должен быть уложен максимально плотно. После сборки его нужно обязательно плотно стянуть винтами. Неплотно стянутый трансформатор издает сильный шум во время работы. Особое внимание следует уделить плотному прилеганию Ш образных пластин с пластинами перекрытия. Зазор между ними приведет к тому, что сердечник станет разомкнутым, а отсюда вытекает следующее:

• Повышение тока холостого хода;
• Снижение КПД;
• Повышенное магнитное поле рассеивания.

При сборке разрезного ленточного сердечника нужно обращать внимание на соответствие частей друг другу, поскольку при изготовлении они подгоняются путем шлифовки. Для понижения шума торцы пакетов пластин можно покрыть слоем лака.

Ленточный сердечник

Обратите внимание! Части ленточного магнитопровода требуют аккуратного обращения, поскольку расслоившиеся ленты практически невозможно установить на прежнее место. Пластины разборного сердечника нельзя гнуть и подвергать ударам, поскольку это нарушит структуру металла, и он потеряет свои свойства. В крайнем случае, изогнутые под большим радиусом пластины нужно аккуратно разогнуть руками и при сборке уложить их в середину пакета пластин. При дальнейшей стяжке они выровняются.

Расчет сетевого трансформатора не представляет сложности. Важнее здесь определиться с предъявляемыми к нему требованиями. От правильности поставленной задачи будет зависеть точность дальнейших расчетов. Для силового трансформатора расчет так же удобно выполнить, используя он-лайн калькулятор. По такой же методике рассчитывается повышающий трансформатор.

Эксплуатация изделий

При эксплуатации однофазных преобразующих устройств особое внимание обращается на безопасное обращение с ними, что объясняется высоким напряжением, присутствующим на первичных обмотках

Также важно учитывать следующие моменты, касающиеся правил установки и включения трансформаторов в электрические схемы:

чтобы избежать выхода обмоток из строя (выгорания), следует защищать вторичные цепи от КЗ; важно следить за тепловым режимом сердечника и обмоток и, если потребуется, предусмотреть их охлаждение.

Уход за однофазным трансформатором сводится к стандартным процедурам, которые предусмотрены положениями действующих нормативов.