Рассчитать тороидальный трансформатор: принцип работы, сечение сердечника, преимущества эксплуатации

Как рассчитать и сделать простой тороидальный трансформатор

Большинство электронных устройств для своей работы нуждаются в определённом типе питания, отличающегося от поступающего из промышленной сети. Одним из видов таких устройств является тороидальный трансформатор. Прибор нашёл широкое применение в различных областях энергетики, электроники и радиотехники. Наиболее часто трансформаторы используются в электрических сетях и в блоках питания всевозможной электронной техники.

Конструкция и принцип работы

Трансформатор — название слова происходит от латинского transformare, что в переводе означает превращать. Общепринятое определение для него следующее: трансформатор — это устройство, которое, используя явление электромагнитной индукции, способно изменять амплитуду напряжения без изменения формы и частоты сигнала.

Трансформатор — это электротехнический прибор, с помощью которого происходит уменьшение или увеличение переменного электрического напряжения. Такие трансформаторы называют понижающими или повышающими. При этом следует отметить, что существуют и такие приборы, которые оставляют величину синусоидального сигнала без изменения, они называются гальваническими или дроссельными.

Любой трансформатор в своей конструкции содержит следующие компоненты:

  • магнитопровод (сердечник);
  • обмотки;
  • каркас для расположения обмоток;
  • изолятор;
  • различные дополнительные элементы (скобы для крепления, планки для вывода контактов и т. п. ).

Трансформатор в своей конструкции имеет две или более обмотки с индуктивной связью. Выпускаются они как проволочного, так и ленточного типа и всегда покрываются слоем изоляции. Обмотки закрепляются на магнитопроводе, изготовленном из мягкого ферромагнитного материала. Первичная обмотка подсоединяется к источнику напряжения, а вторичная к нагрузке.

Общий принцип работы устройства, независимо от его вида и назначения, заключается в следующем. На первичную обмотку прибора подаётся переменный сигнал, что приводит к появлению в ней переменного тока. Этот ток, в свою очередь, наводит в сердечнике переменное магнитное поле, под действием, которого происходит возникновение переменной электродвижущей силы (ЭДС) в обмотках. При подключении нагрузки к вторичной обмотке по ней начинает протекать переменный ток. Обмотка, на которую подаётся сигнал, называется первичкой. Обмотка, подключённая к нагрузке, называется вторичкой.

По способу охлаждения тороидальные устройства различаются на использующие воздушное и жидкостное охлаждение. Кроме этого, существуют трансформаторы с совмещённым охлаждением — жидкостно-воздушным. К главным техническим параметрам устройства относятся:

  1. Величина входного напряжения: допустимое значение напряжения, подаваемое на первичку.
  2. Величина выходного напряжения. Определяется коэффициентом трансформации.
  3. Тип трансформации. Существует с повышением или понижением уровня сигнала.
  4. Число фаз. В зависимости от сети, в которой используются трансформаторы, они делятся на однофазные или трехфазные.
  5. Число обмоток. Существуют двухобмоточные или многообмоточные устройства.

К основным параметрам устройства относят: номинальную мощность и коэффициент трансформации. Единица измерения мощности вольт-ампер (ВА). Коэффициент трансформации показывает соотношение уровней напряжения на входе устройства к его выходу. Его значение прямо пропорционально отношению количества витков первички к вторичке.

В тороидальном трансформаторе в качестве основы используется кольцевой сердечник, геометрически представляющий собой тор. Преимущество такого вида магнитопровода заключается в простой перемотке трансформатора своими руками и получении наибольшего коэффициента полезного действия (КПД) по сравнению с другими типами трансформаторов при тех же габаритных значениях. К недостаткам торов относят повышенный нагрев при работе.

Трансформатор тока

Кроме стандартного типа трансформаторов напряжения существует особый вид, называемый трансформатором тока. Основное его назначение — изменять значение тока относительно своего входа. Другое название такого вида устройства — токовый.

Токовый трансформатор — измерительный прибор, предназначенный для измерения силы переменного тока. Применяются токовые устройства тогда, когда нужно измерить ток большой силы или для защиты полупроводниковых приборов от возникших на линии нештатных его значений.

Токовое устройство по виду ничем не отличается от трансформатора напряжения, его отличия — в подключении и количестве витков в обмотке. Первичка выполняется с помощью одного или пары витков. Эти витки пропускаются через тороидальный магнитопровод, и именно через них измеряется ток. Токовые устройства выполняются не только тороидального типа, но и могут быть выполнены и на других видах сердечниках. Главным условием является то, чтобы измеряемый провод совершил полный виток.

Вторичная обмотка при таком исполнении шунтируется низкоомным сопротивлением. При этом величина напряжения на этой обмотке не должна быть большого значения, так как во время прохождения наибольших токов сердечник будет находиться в режиме насыщения.

В некоторых случаях измерения проводятся на нескольких проводниках которые пропущены через тор. Тогда величина тока будет пропорциональна силе суммы токов.

Расчёт параметров изделия

Перед тем как намотать тороидальный трансформатор в домашних условиях понадобится рассчитать его значения. Для этого нужно знать исходные данные. К ним относят: величину напряжения на выходе, внешний и внутренний диаметр сердечника.

Мощность устройства определяется произведением площадей S и Sо, умноженных на коэффициент: P=1,9* S * Sок.

Площадь поперечного сечения рассчитывается по формуле: S=h*(D-d)/2, где:

  • S- площадь сечения;
  • h- высота конструкции;
  • D- наружный диаметр;
  • d — внутренний диаметр.

Для вычисления площади окна используется формула: Sок=3,14*d2/4.

Количество витков во вторичной обмотке равно произведению W2=U2*50/Sок.

Далее остаётся рассчитать количество витков в первичке. Для этого используется выражение: W1=(Uвх*W2)/Uвых, где Uвх — напряжение на входе, а Uвых — напряжение на выходе устройства.

Такую методику расчёта можно применить почти для любого вида тороидального трансформатора. Но для расчёта некоторых изделий существует своя методика.

Сварочное устройство

Такой тип трансформатора характеризуется большой силой тока на выходе. В качестве вводных параметров используется максимальная сила тока и напряжение. Например, для устройства с величиной сварочного тока 200 ампер и напряжением 50 вольт расчёт происходит следующим образом:

1. Рассчитывается мощность трансформатора: Р = 200 А * 50 В = 1000 Вт.

2. Вычисляется сечение окна: Sок = π * d2/ 4 = 3,14 * 144 / 4 (см2) ≈ 113 см².

3. Площадь поперечного сечения: Sс=h * Н = 2 см * 30 см = 60 см².

4. Мощность сердечника: Рс = 2,76 * 113 * 60 (Вт) ≈ 18712,8 Вт.

5. Количество витков первичной обмотки: W1 = 40 * 220 / 60 = 147 витков.

6. Количество витков для вторичной обмотки: W2 = 42 * 60 / 60 = 42 витка.

7. Площадь провода вторички находится исходя из наибольшего рабочего тока: Sпр = 200 А /(8 А/мм2) ≈ 25 мм².

8. Вычисляется площадь провода первички: S1 = 43 А /(8 А/мм2) ≈ 5,4 мм².

Такой вариант расчёта применим не только для сварочников, но и с успехом может быть использован для других типов. Как видно, никаких трудностей при расчёте возникнуть не должно.

Токовый трансформаторный прибор

Трансформатор тока своими руками сделать несложно, но перед его изготовлением понадобится выполнить расчёт. Такой расчёт отличаетчя от общепринятого в связи с конструктивными особенностями изделия. Начинается он с необходимой величины тока вторички (единица измерения ампер): Iам = Iпер / Iвт, где:

• Iпер — величина тока первичной обмотки, умноженная на число витков в ней;

• Iвт — количество витков во вторичной обмотке.

Для того чтобы разобраться, как правильно выполнить расчёт, проще рассмотреть практический пример самодельного токового устройства. Пусть на выходе токового устройства необходимо получить 4 вольта, а ток ограничить уровнем 5 ампер.

Поэтапно методика вычисления выглядит так:

  1. Берётся ферритовое кольцо, для примера 20×12х6 из 2000hМ.
  2. Мотается 100 витков провода. Эти витки составляют вторичную обмотку, так как первичная — это просто один виток проволоки, пропущенный через феррит.
  3. Значение тока во вторичке будет равно: I/Kтр = 5 / 100 = 0,05 A. где Ктр — коэффициент трансформации трансформатора (отношение количества первичной обмотки к вторичной).
  4. Величина нагрузочного шунта рассчитывается согласно закону Ома: R = U/I. Получается R= 4/0,05 = 80 Ом.

Таким образом можно выполнить расчёт для любых требуемых параметров. Независимо от формы тока на входе, на выходе токового устройства напряжение всегда двухполярное. В качестве шунта вторичной обмотки используется именно сопротивление, а не диод. Если есть необходимость в диоде, то вначале подключается резистор, а затем диод или диодный мост. Во втором случае сопротивление включается в диагональ моста.

Самостоятельное изготовление

Цена на готовые изделия велика, при этом не всегда удаётся найти прибор с требуемыми параметрами. Поэтому целесообразно изготовить трансформатор или автотрансформатор своими руками. Кроме изготовления трансформатора с нуля существует возможность перемотать неисправное устройство.

Для изготовления изделия потребуются трансформаторное железо и провод. Железо представляет собой пластины собранные в виде тора и образующие магнитопровод. Его можно купить либо взять со старых разобранных приборов. Например, взять пластины от промышленных трансформаторов и, используя приспособление в виде разрезанного кольца, скатать из металла пластинки в виде бублика. Пластинки собрать, сердечник обтянуть стеклотканью и залить лаком.

Витки обмоток изготавливаются из медного провода нужного диаметра. Сама намотка не вызывает сложностей:

  1. Наматывается первичная обмотка. Для этого один конец проволоки закрепляется на расстоянии около трёх сантиметров от поверхности железа, а оставшаяся часть провода сворачивается в виде полоски.
  2. Полоска с проводом поочерёдно продевается через внутреннее отверстие сердечника, обматывая его грани, и равномерно распределяется по всей поверхности. В конце вывод фиксируется и выводится в районе начала обмотки на таком же расстоянии, что и начало.
  3. Сверху первичная обмотка проматывается слоем диэлектрика (стеклотканью).
  4. Таким же способом наматывается вторичная обмотка.
  5. После выполнения требуемого количество витков сверху наматывается стеклоткань, и трансформатор покрывается лаком.

Если в процессе намотки необходимо выполнить отвод, тогда наматываемый провод разрывается. На место разрыва впаивается отвод, а основной провод мотается дальше. Место отвода, как правило, тщательно изолируется. Закрепление концов обмоток обычно выполняется с помощью ниток, которыми привязываются провода к поверхности сердечника или проложенного провода. Полоску продеваемого провода лучше разместить на «челнок». Изготавливается он из небольшого пластикового профиля с прорезями в торцах для фиксации проволоки.

Такая работа требует внимательности и аккуратности, особенно при наматывании первичной обмотки. Для изготовления нескольких устройств целесообразно использовать станок для намотки тороидальных трансформаторов. Своими руками такой прибор выполнить сложно, но возможно.

Намоточный станок своими руками

Один из возможных вариантов — сделать станок, оснащённый регулируемым укладчиком и счётчиком витков, используя принцип велосипедного колеса.

Читайте также:  Пирометры для измерения температуры бесконтактным методом: общие сведения, виды, правила пользования

Колесо надевается на штырь в стене, при этом его обод снабжается резиновым кольцом. Для того чтобы на обод надеть сердечник, предварительно потребуется его разрезать, а затем снова скрепить, получив цельный круг. Намотав на него необходимую длину проволоки, один ее конец подсоединяется к свободно расположенному на ободе сердечнику. Катушка передвигается по ободу полными кругами, в результате чего проволока укладывается на каркас. При этом для подсчёта оборотов используется велосипедный счётчик.

Создание более совершенного устройства потребует применение шаговых двигателей с позиционированием их положения. Для этого используются микроконтроллеры и электронный счётчик. Такое конструирование требует определённых навыков в радиоэлектронике.

KOMITART – развлекательно-познавательный портал

Разделы сайта

DirectAdvert NEWS

Друзья сайта

Осциллографы

Мультиметры

Купить паяльник

Купить Микшер

Купить Караоке

Статистика

Как расчитать тороидальный трансформатор

Простой расчет тороидальных трансформаторов.

Тороидальные трансформаторы обладают рядом преимуществ по сравнению с трансформаторами на стержневых и броневых сердечниках из Ш-образных пластин. Тороиды обладают меньшими размерами, меньшим весом и при этом гораздо большим КПД. Но мы в этой статье не будем залазить в дебри, раз уж вы заинтересовались этой статьей, значит вас интересует вопрос: как по простому рассчитать тороидальный трансформатор. Вообще существует много литературы по этой теме, но, как правило, расчеты там настолько заумные и громоздкие, что желания разбираться в этих формулах большого не возникает. Хотя стоит отметить, что рассчитав тороид по полному расчету, вы получите наиболее точные данные, и в то же время упрощенного расчета в большинстве случаев для радиолюбителя оказывается вполне достаточно. Давайте рассмотрим упрощенную методику расчета тороидального трансформатора по таблице , этот метод расчета существует уже очень давно, и многие радиолюбители успешно им пользуются. По этой таблице можно легко рассчитать тор мощностью до 120 ватт. Трансформаторы, не вошедшие в таблицу, рассчитываются также как трансформаторы на Ш-образном железе.

Эту таблицу применяют для расчета трансформаторов с частотой сети 50 Гц, сердечники которых выполнены из:

● холоднокатаная сталь марок Э310, Э320, Э330, толщина ленты 0,35-0,5 мм;
● сталь марок Э340, Э350, Э360, толщина ленты 0,05- 0,1 мм.

……….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;
…………допустимая плотность тока в обмотках;
ŋ…………КПД трансформатора.

При намотке тороида допускается применение лишь межобмоточной и наружной изоляции: и хоть межслоевая изоляция и позволит добиваться наиболее ровной укладки провода обмоток, из-за разного наружного и внутреннего диаметров сердечника при ее применении неизбежно увеличится толщина намотки по внутреннему диаметру.

Для намотки тороида нужно применять обмоточные провода, имеющие повышенную механическую и электрическую прочность изоляции. Можно использовать провода ПЭЛШО, ПЭШО, ну и на крайний случай ПЭВ-2. Межобмоточная и наружная изоляции могут быть выполнены батистовой лентой, триацетатной пленкой, лакотканью ЛШСС (0,06-0,12 мм толщины) или фторопластовой пленкой ПЭТФВ 0,01-0,02 мм толщины.

Пример расчета трансформатора:

Дано:
● напряжение питающей сети Uc=220 В,
● выходное напряжение Uн=24 В,
● ток нагрузки Iн=1,8 А.

1. Определяем мощность вторичной обмотки:

2. Определяем габаритную мощность трансформатора:

Величину к.п.д. и другие необходимые для расчета данные выбираем по таблице из нужной графы ряда габаритных мощностей.

3. Находим площадь сечения сердечника:

4. Подбираем размеры сердечника Dc, dc и hc:

Ближайший стандартный тип сердечника – ОЛ50/80-40, площадь сечения которого равна S=6 см2 (не менее расчетной).

5. При определении внутреннего диаметра сердечника должно быть выполнено условие:

dc должно быть больше или равно dc`

6. Предположим, что выбран сердечник из стали Э320, тогда число витков на вольт определяем по формуле:

7. Находим расчетные числа витков первичной и вторичной обмоток :

Так как в тороидах магнитный поток рассеивания весьма мал, то падение напряжения в обмотках определяется практически лишь их 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%.

8. Определяем диаметры проводов обмоток:

где I1 – ток первичной обмотки трансформатора, определяемый из формулы:

Выбираем ближайший диаметр провода в сторону увеличения (0,31 мм);

Трансформаторы, расчитанные с помощью приведенной выше таблицы, после изготовления подвергались испытаниям под постоянной максимальной нагрузкой в течение нескольких часов и показали отличные результаты.

При расчете транформатора часто возникает проблема с исходными данными. Давайте рассмотрим пример расчета, когда первичные данные отсутствуют.

Самый простой способ:

Подготавливаем сердечник для намотки первичной обмотки: обрабатываем острые края, накладываем изолирующие прокладки (в моем случае на тороидальный сердечник я сделал накладки из картона). Теперь наматываем 50 витков провода диаметром

0.5 мм. Для измерений нам понадобится амперметр с пределом измерения примерно до 2х ампер, вольтметр переменного напряжения и ЛАТР. Если нет ЛАТРа, то его можно заменить на генератор, умеющий выдавать частоту 50 Гц и усилитель мощности ЗЧ. Собираем схему как на рисунке:

Наша цель – снять зависимость тока холостого хода первичной обмотки от приложенного напряжения. Эта кривая вначале линейна, а затем начинает резко расти, когда сердечник входит в насыщение. Для этого подаем на обмотку трансформатора напряжение начиная от 0В с шагом 0.5В, записываем при этом показания амперметра. Затем с помощью MS Excel или на бумаге строим зависимость Ixx от приложенного напряжения U11. В результате получится вот такая зависимость:

Теперь определим конец линейного участка, в нашем случае это точка (14,5В; 260 мА).
Число витков на вольт нужно расчитать с запасом 20%:

Таким образом для первичной обмотки требуется :

Допустим требуемое напряжение вторичной обмотки = 35В. Число витков вторичной обмотки равно :

Далее по известным токам Ixx и Iвт.обмотки находим требуемый диаметр провода.

Примечание:
Этим методом можно расчитать любые виды сердечников, в том числе и ферритовые.

Сначала расчитаем площадь окна и площадь сечения тора:

Габаритная мощность определится как:

Расчитаем габаритную мощность для тора с размерами D=80 mm, d=50 mm, h=40 mm (ОЛ-50/80 – 40).

Sокна = 19,63 кв.см, Sсеч = 6 кв.см, Pгаб = 117,8 Вт.

Рассчитать тороидальный трансформатор: принцип работы, сечение сердечника, преимущества эксплуатации

Возникла необходимость в мощном блоке питания. В моём случае имеются два магнитопровода броневой-ленточный и тороидальный. Броневой тип: ШЛ32х50(72х18). Тороидальный тип: ОЛ70/110-60.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ для расчёта трансформатора с тороидальным магнитопроводом:

  • напряжение первичной обмотки, U1 = 220 В;
  • напряжение вторичной обмотки, U2 = 36 В;
  • ток вторичной обмотки, l2 = 4 А;
  • внешний диаметр сердечника, D = 110 мм;
  • внутренний диаметр сердечника, d = 68 мм;
  • высота сердечника, h = 60 мм.

Расчет трансформатора с магнитопроводом типа ШЛ32х50(72х18) показал, что выдать напряжение 36 вольт с силой тока 4 ампера сам сердечник в состоянии, но намотать вторичную обмотку возможно не получится, из-за недостаточной площади окна. Приступаем к расчёту трансформатора с магнитопроводом типа ОЛ70/110-60.

Программный (он-лайн) расчет, позволит налету экспериментировать с параметрами и сократить время на разработку. Также можно рассчитать и по формулам, они приведены ниже. Описание вводимых и расчётных полей программы: поле светло-голубого цвета – исходные данные для расчёта, поле жёлтого цвета – данные выбранные автоматически из таблиц, в случае установки флажка для корректировки этих значений, поле меняет цвет на светло-голубой и позволяет вводить собственные значения, поле зелёного цвета – рассчитанное значение.

Формулы и таблицы для ручного расчет трансформатора:

1. Мощность вторичной обмотки;

2. Габаритная мощность трансформатора;

ВеличинаСуммарная мощность вторичных обмоток Рвых, [Вт]
2-1515-5050-150150-300300-1000
КПД0,76-0,880,88-0,920,92-0,950,95-0,96

3. Фактическое сечение стали магнитопровода в месте расположения катушки трансформатора;

4. Расчётное сечение стали магнитопровода в месте расположения катушки трансформатора;

5. Фактическая площадь сечения окна сердечника;

6. Величина номинального тока первичной обмотки;

ВеличинаСуммарная мощность вторичных обмоток Рвых, [Вт]
2-1515-5050-150150-300300-1000
COS Φ0,85-0,900,90-0,930,93-0,950,95-0,930,93-0,94

7. Расчёт сечения провода для каждой из обмоток (для I1 и I2);

Конструкция магнитопроводаПлотность тока J, [а/мм кв.] при Рвых, [Вт]
2-1515-5050-150150-300300-1000
Кольцевая5-4,54,5-3,53,53,0

8. Расчет диаметра проводов в каждой обмотке без учета толщины изоляции;

9. Расчет числа витков в обмотках трансформатора;

n – номер обмотки,
U’ – падение напряжения в обмотках, выраженное в процентах от номинального значения, см. таблицу.

В тороидальных трансформаторах относительная величина полного падения напряжения в обмотках значительно меньше по сравнению с броневыми трансформаторами.

Тор, величина U’Суммарная мощность вторичных обмоток Рвых, [Вт]
8-2525-6060-125125-250250-600
U’17653.52.5
U’27653.52.5
Конструкция магнитопроводаМагнитная индукция Вмах, [Тл] при Рвых, [Вт]
5-1515-5050-150150-300300-1000
Тор1,71,71,71,651,6

10. Расчет числа витков приходящихся на один вольт;

11. Формула для расчёта максимальной мощности которую может отдать магнитопровод;

Sст ф – фактическое сечение стали имеющегося магнитопровода в месте расположения катушки;

Sок ф – фактическая площадь окна в имеющемся магнитопроводе;

Вмах- магнитная индукция, см. табл.№5;

J – плотность тока, см. табл.№3;

Кок – коэффициент заполнения окна, см. табл.№6;

Кст – коэффициент заполнения магнитопровода сталью, см. табл.№7;

Величины электромагнитных нагрузок Вмах и J зависят от мощности, снимаемой со вторичной обмотки цепи трансформатора, и берутся для расчетов из таблиц.

Конструкция магнитопроводаКоэффициент заполнения окна Кок при Рвых, [Вт]
5-1515-5050-150150-300300-1000
Тор0,18-0,200,20-0,260,26-0,270,27-0,28
Конструкция магнитопроводаКоэффициент заполнения Кст при толщине стали, мм
0,080,10,150,20,35
Тор0,850,88
Читайте также:  Датчики влажности и температуры для измерения уровня влажности воздуха: принцип действия разных типов

Определив величину Sст*Sок, можно выбрать необходимый линейный размер магнитопровода, имеющий соотношение площадей не менее, чем получено в результате расчета.

Простой расчет трансформатора с тороидальным магнитопроводом

Перед конструкторами радиоэлектронной аппаратуры часто ставится задача создания таких устройств, которые отличались бы небольшими размерами и минимальным весом.

Практика показала, что лучше всего применять силовые трансформаторы с тороидальным магнитопроводом. В сравнении с броневыми сердечниками из Ш-образных пластин они имеют меньший вес и габариты, а также отличаются лучшими условиями охлаждения обмотки и повышенным к.п.д. Кроме того, при равномерном распределении обмоток по периметру сердечника практически отсутствует поле рассеяния и в большинстве случаев отпадает необходимость в экранировании трансформаторов,

В связи с тем, что полный расчет тороидального трансформатора по сечению сердечника сложен, приводим таблицу, с помощью которой радиолюбителю будет легче произвести расчет тороидального трансформатора мощностью до 120 вт.

Точность расчета вполне достаточна для любительских целей.

Расчет параметров тороидального трансформатора, не вошедших в таблицу, аналогичен расчету трансформаторов на Ш-образном сердечнике.

Таблицей можно пользоваться при расчете трансформаторов на сердечниках из холоднокатаной стали Э310, Э320, Э380 с толщиной ленты 0,35—0, 5 мм. и стали Э340, Э350, Э360 с толщиной ленты 0*05—0,1 мм. при частоте питающей сети 50 Гц.

При намотке трансформаторов допустимо применять лишь меж обмоточную 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 пригодны фторопластовая пленка ПЭТФ толщиной 0,01— 0,02 мм. лакоткань ЛШСС толщиной 0,06—0,12 мм. или батистовая лента.

Дано: напряжение питающей сети Uc = 220 в,

выходное напряжение Uн = 24 в,

  1. Расчет мощности тороидального трансформатора. Определяют мощность вторичной обмотки P = Uн*Iн = 24*1,8 = 43,2 вт.
  2. определяют габаритную мощность трансформатора Pг = p/η = 43,2 / 0,92 = 48 вт. Величину к. п. д. и другие необходимые для расчета данные выбирают по таблице из нужной графы ряда габаритных мощностей.
  3. Определяют площадь сечения сердечника тороидальной катушки
Pг Вт.W1W2Sсм 2Δ А/мм 2η
до 1041/S38/SPг4,50,8
10-3036/S32/SPг/1,14,00,9
30-5033,3/S29/SPг/1,23,50,92
50-12032/S28/SPг/1,253,00,95

Примечание. Рг, — габаритная мощность трансформатора, w1, — число витков на вольт для стали Э310, Э320, Э330, w2— число витков на вольт для стали Э340, Э359, ЭЗ60, S — площадь сечения сердечника см 2 , Δ — допустимая плотность тока в обмотках, η — к. п. д. трансформатора.

4. Подбирают размеры сердечника Dc, dc и hc

Ближайший стандартный тип сердечника — ОЛ 50/80-40, площадь сечения которого равна 6 см 2 (не менее расчетной).

5. При определении внутреннего диаметра сердечника должно быть выполнено условие: dc ≥ d`c,то есть 5 ≥3,8.

6. Предположим, что выбран сердечник из стали Э320, тогда число витков на вольт определяют по формуле;

w1 = 33,3 / S = 33,3 / 6 = 5,55 витков / вольт.

7. Находят расчетные числа витков первичной и вторичной обмоток W1-1 =w1* Uc = 5,55 * 220 = 1221 виток. W1-2= w2 * Uc = 5,55*24 = 133 витка.

Так как в тороидальных трансформаторах магнитный поток рассеяния весьма мал, то падение напряжения в обмотках определяется практически лишь их 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 обметки необходимо увеличить количество ее витков лишь на 3%.

W1-2 = 133 * 1,03 = 137 витков.

8. Определяют диаметры проводов обмоток d1 = 1,13 * √(I1 / Δ) , где I1 ток первичной обмотки трансформатора, определяемый иэ формулы:

Выбирают ближайший диаметр провода в сторону увеличения (0*31 мм)

Трансформаторы, рассчитанные с помощью приводимой таблицы, после изготовления подвергались испытаниям под постоянной максимальной нагрузкой в течение нескольких часов и показали хорошие результаты.

Видео: Расчет тороидального трансформатора

Видео посвящено вопросу расчета тороидального трансформатора. При расчете используется классическая методика определения количества витков для первичной и вторичной катушек трансформатора.

Преимущества тороидального трансформатора

Магнитопроводы трансформаторов подразделяются на броневые, стержневые и тороидальные. Магнитопровод броневого трансформатора имеет Ш-образную форму, все обмотки располагаются на среднем стержне, то есть частично охватываются магнитопроводом (бронируются). Магнитопровод стержневого трансформатора выполняется П-образным и имеет два стержня с обмотками. Магнитопровод тороидального трансформатора имеет форму тороида, то есть кольца с прямоугольным сечением.

Тороидальные трансформаторы имеют ряд преимуществ по сравнению с обычными броневыми или стержневыми:

  1. отсутствие стыков и зазоров в сердечнике;
  2. лучшее использование структурных свойств стали сердечника, так как в этом случае направление магнитного поля совпадает с направлением проката ленты;
  3. возможность использования для сердечника сталей с повышенной магнитной проницаемостью марок Э-340, Э-370 и т.п. Применение таких сталей для штампованных пластин броневых трансформаторов связано с значительными производственными трудностями;
  4. поток рассеяния идеальной тороидальной катушки, как известно, теоретически должен быть равен нулю. Практически в тороидальных трансформаторах потоки рассеяния имеют некоторую конечную величину. Однако они меньше, чем в трансформаторах обычного типа. Внешние магнитные поля теоретически не должны влиять на работу трансформатора.
Основные магнитные свойства анизотропных трансформаторных сталей, используемых также при изготовлении тороидального трансформатора.
Толщина, ммМарка сталиУдельные магнитные потери, Вт/кг, не болееМагнитная индукция, Тл, не менее, при наря- женности постоянного магнитого поля, А/м
Р1,0/50Р1,5/50Р1,7/501002500
0,8033114,01,75
0,7033113,81,75
0,5034112,451,75
34122,001,80
34131,751,85
34141,51,88
0,3534111,751,75
34121,51,80
34131,301,85
34041,601,60
34051,501,61
34061,431,62
34071,361,68 1,72
34081,301,71 1,74
34091,241,72 1,74
0,3034121,31,80
34131,191,85
34041,501,60
34051,401,61
34061,331,62
34071,261,68 1,72
34081,201,71 1,74
34091,141,72 1,74
0,2734131,151,85
34051,381,61
34061,271,62
34071,201,68 1,72
34081,141,71 1,74
34091,081,72 1,74
*Оранжевым цветом отмечена электротехническая сталь которую мы используем для производства тороидального трансформатора

Перечисленные особенности тороидальных сердечников позволяют получить при их использовании трансформаторы со значительно более высокими электрическими и экономическими показателями:

  1. Благодаря применению высоколегированных сталей и отсутствию зазоров можно допустить в сердечнике трансформатора значительно большую индукцию без заметного увеличения коэффициента нелинейных искажений. Практически удается повысить допустимое Вmax примерно в два раза по сравнению с допустимой величиной индукции в броневых трансформаторах. Это дает возможность уменьшить объем и вес сердечника.
  2. Применение сталей, обладающих высокой магнитной проницаемостью, позволяет уменьшить число витков, необходимое для получения заданной величины индуктивности первичной обмотки. В практически осуществленных конструкциях удалось снизить расход меди примерно на 20%.
  3. Малая величина индуктивности рассеяния обеспечивает равномерную частотную характеристику каскад, малые искажения из-за переходных процессов и позволяет применить в выходном каскаде весьма глубокую обратную отрицательную связь.

Так как такой трансформатор имеет весьма малое внешнее магнитное поле, то даже при тесном монтаже связи между ним и другими деталями относительно невелики.

К достоинствам таких трансформаторов следует отнести также удобство и простоту их крепления, отсутствие экранов, меньшая масса и габаритные размеры, снижение температуры нагрева из-за большой поверхности охлаждения обмоток (благодаря чему можно допускать в проводах обмоток относительно высокую плотность тока от 3 до 5 а/мм2), значительно меньший уровень шума, более высокий КПД.

Устройство тороидального трансформатора и его преимущества

Трансформаторы применяются для изменения выходного напряжения в большую или меньшую сторону. Без них невозможно представить себе современную электротехнику. Одним из самых высокоэффективных является тороидальный трансформатор. Он представляет собою изогнутый кольцом сердечник, обвитый проволокой, а внутри него находятся свернутые стальные полоски.

Электричество проходит сквозь обмотку сердечника, создавая магнитные поля. Для получения выходного напряжения магнитное поле проходит через первую обмотку в катушке. В статье читатель найдет видео c наглядным разбором устройства и книгу Котенева Е.С., Евсеева А.Н. «Расчет и оптимизация тороидальных трансформаторов».

Как устроен

Тороидальный трансформатор имеет идеальный дизайн, в отличие от трансформаторов другой конструкции. Фактически, первый трансформатор, разработанный Фарадеем, представлял собой трансформатор на тороидальном ядре.

Тороидальные сердечники сделаны из магнитной рулонной трансформаторной стали с очень низкими уровнями потерь и высокой индукцией насыщения. Это достигается путем нагрева тороидального каркаса до высокой температуры, а потом его охлаждения по специальной программе.

Это позволяет достичь высоких степеней насыщения до 16 000 Гаусс. В тороидальном трансформаторе магнитный поток равномерно распределен в сердечнике и, из-за отсутствия промежуточных металлических деталей и технологических зазоров.

Основные преимущества и недостатки

При использовании тороидальных трансформаторов, поставляемых со свободными витыми выводами, можно добиться экономии до 64 % занимаемого объёма по сравнению с обычными трансформаторами с шихтованными сердечниками (очень часто легче подключить оборудование именно с помощью выводов из трансформатора, а не клеммников).

Тороидальный (кольцевой) сердечник имеет идеальную форму, позволяющую изготовить трансформатор, используя минимальное количество материала. Все обмотки симметрично распределены по всей окружности сердечника, благодаря чему значительно уменьшается длина обмотки.

Читайте также:  Установка и монтаж одноклавишного электровыключателя: пошаговая инструкция, как правильно установить

Это ведёт к уменьшению сопротивления обмотки и повышению коэффициента полезного действия. Возможна более высокая магнитная индукция, так как магнитный ток проходит в том же направлении, в каком ориентирована кремнистая сталь ядра во время прокатки. Также можно отметить плюсы:

  • низкие показатели рассеивания;
  • меньший нагрев;
  • низкий вес и размер;
  • компактен, удобен в установке в электроаппаратуре.

Можно использовать более высокую плотность тока в проводах, так как вся поверхность тороидального сердечника позволяет эффективно охлаждать медные провода. Потери в железе очень низки – типическое значение составляет 1,1 Вт при индукции 1,7 Тл и частоте 50/60 Гц. Это обеспечивает очень низкий ток намагничивания, способствующий изумительной тепловой нагрузочной способности тороидального трансформатора.

Почему это самый популярный вид трансформаторов

Любой специалист скажет, что тороидальная форма сердечника является идеальной для трансформатора по нескольким причинам: во-первых, экономия материалов на производстве, во-вторых, обмотки равномерно заполняют весь сердечник, распределяясь по всей его поверхности, не оставляя неиспользованных мест, в-третьих, поскольку обмотки имеют меньшую длину, КПД тороидальных трансформаторов получается выше в силу меньшего сопротивления провода обмоток.

Экономия электроэнергии — еще один плюс в пользу тороидального трансформатора. Примерно на 30% больше энергии сохраняется при полной нагрузке, и примерно 80% на холостом ходу, в сравнении с шихтованными магнитопроводами иных форм. Показатель рассеяния у тороидальных трансформаторов в 5 раз меньше, чем у броневых и стержневых трансформаторов, поэтому их можно безопасно использовать с чувствительным электронным оборудованием.

Охлаждение обмоток — еще один важный фактор. Обмотки эффективно охлаждаются, будучи расположены в форме тороида, следовательно плотность тока может быть более высокой. Потери в железе при этом минимальны и ток намагничивания сильно меньше. В итоге тепловая нагрузочная способность тороидального трансформатора оказывается очень высокой.

При мощности тороидального трансформатора до киловатта, он настолько легок и компактен, что для монтажа достаточно применить прижимную металлическую шайбу и болт. Потребителю всего то и нужно выбрать подходящий трансформатор по току нагрузки и по первичному и вторичному напряжениям. При изготовлении трансформатора на заводе рассчитывают площадь сечения сердечника, площадь окна, диаметры проводов обмоток, – и выбирают оптимальные габариты магнитопровода с учетом допустимой индукции в нем.

Область применения

У тороидальных трансформаторов есть многочисленные области применения, и среди них мы можем подчеркнуть, как наиболее распространенные следующие:

  1. Бытовая электроника.
  2. Медицинская электроника.
  3. Конвертеры.
  4. Системы электропитания.
  5. Аудиосистемы.
  6. Системы безопасности.
  7. Телекоммуникации.
  8. Низковольтное освещение.

Сегодня тороидальные трансформаторы применяют в различных сферах промышленности, и наиболее часто тороидальные трансформаторы устанавливают в источники бесперебойного питания, в стабилизаторы напряжения, применяют для питания осветительной техники и радиотехники, часто тороидальные трансформаторы можно увидеть в медицинском и диагностическом оборудовании, в сварочном оборудовании.

Что нужно для намотки устройства

Работает тороидальный трансформатор принципиально так же, как и трансформаторы с другими формами сердечников: он понижает или повышает напряжение, повышает или понижает ток — преобразует электроэнергию.

Но тороидальный трансформатор отличается при той же передаваемой мощности меньшими размерами и меньшим весом, то есть лучшими экономическими показателями. Основное, что должен знать и главное понимать человек, который мотает трансформатор:

  • длина провода (количество витков) это напряжение;
  • сечение проводника – это ток, которым можно нагружать его;
  • если число витков в первичной цепи малое, то это лишний нагрев провода;
  • если габаритная мощность недостаточная (потребляется больше возможного), это опять-таки тепло;
  • перегрев трансформатора приводит к снижению надёжности.

Перед намоткой необходимо подготовить железо к намотке. Если посмотрите на углы трансформатора, то уведите что они под углом 90 градусов, в этих точках будет изгибаться провод и будет облущиваться лак, что б этого не было необходимо обработать углы напильником скруглив их максимально. Минимальный радиус окружности 3мм.

Небольшая хитрость, при обработке углов напильником необходимо избегать зализывания стали, дабы слои между собой оставались не замкнутыми! Для этого следует производить движения напильником вдоль направления трансформаторной ленты. После обработки рекомендую просмотреть углы на замыкание слоев и доработать их мелким напильником.

Чтобы изолировать сердечник от обмотки необходимо его изолировать ТКАНЕВОЙ изолентой (или киперкой пропитанной парафином-воском). Лучше использовать изоленту шириной около 25мм, тогда будет максимальное покрытие металла в один слой, что позволяет экономить место в окне. Конец намотки не заклеиваем.

Лакопровод

Лакопроводом называют электрический проводник изоляция которого сделана из лака (намоточный или обмоточный провод). Бывает разных марок ПЭВ, ПЭВ-2, ПЭТ-155 и другие. Рекомендую использовать ПЭВ-2, насыщенный оранжевый цвет. Также очень хорошо себя показал провод очень тёмный с виду (ПЭЛ), цвета гнилой вишни, такой имеет толстый слой изоляции, что позволяет его использовать для трансформаторов высоковольтников (более 500В).

Выводы обмоток необходимо «усилить» при помощи дополнительной изоляции. Для этих вещей очень хорошо подходит ПВХ-изоляция (советская белая), но ещё лучше подходит изоляция из провода необходимого сечения.

Применять термоусадку можно, но лучше использовать ПВХ или изоляцию потому как первая имеет свойство изгибаться в одном месте что нам очень ненужно мы от этого пытаемся защитится дабы провод не отломался.

Для того, чтобы стянуть изоляцию рекомендую взять провод, который имеет дополнительную изоляцию в виде нитки, обмотанную вокруг проводника. В этом случае нить не дает сильной связи между ПВХ и медью и позволяет стянуть изоляцию. Чтоб было проще стягивать провод нужно немного перегибать (под 45 градусов).

Для того чтоб легче было считать витки их лучше группировать по 5 или 10 витков. Натягивать провод необходимо не чётко перпендикулярно к касательной, а слегка наклонено в сторону намотки, как будто внутренняя часть намотки идёт впереди наружной. Таким образом намотки провод при натяжке будет сам прижимается к другим уже уложенным виткам.

Главная особенность тороидального трансформатора — небольшой общий объем устройства, доходящий до половины в сравнении с другими типами магнитопроводов. Шихтованный сердечник вдвое больше по объему чем тороидальный ленточный сердечник при той же габаритной мощности. Поэтому тороидальные трансформаторы удобнее устанавливать и подключать, и уже не так важно, идет ли речь о внутреннем или о наружном монтаже.

Как проверить устройство

Необходимые материалы для тестирования тороидального трансформатора: схема цепи с указанием того, как подсоединен трансформатор и (цифровой электронный мультиметр тестер или аналоговый мультиметр тестер).

Первый шаг заключается в том, что трансформатор необходимо визуально осмотреть и проверить, нет ли от него запаха. Перегрев может привести к неисправности трансформатора, если есть следы ожогов или внешняя часть обмотки видна снаружи, трансформатор должен быть заменен и нет никакой необходимости для дальнейших испытаний, которые будут проводиться.

Точно так же, запах гари является свидетельством того, что трансформатор перегревается. Если никаких дополнительных повреждений не видно за исключением запаха, дальнейшие испытания могут быть проведены, чтобы определить, является ли трансформатор в рабочем состоянии или нет.

Информация о входном и выходном напряжении, как правило, четко обозначена на трансформаторе, но самым безопасным вариантом является получение схемы цепи от производителя продукта.

Инструкция пошаговой проверки

Напряжение, которое подается на первичную обмотку, должно быть четко указано на схеме цепи и корпуса трансформатора. Аналогичным образом, выходное напряжение, подаваемое на вторичной обмотке должно быть четко указано на схеме цепи и корпуса трансформатора. Вы должны знать входное и выходное напряжения для того, чтобы проверить, правильно ли работает трансформатор.

Трансформатор не способен преобразовывать переменное напряжение, в напряжение постоянного тока. Для преобразования напряжения переменного тока используются диоды и конденсаторы.

Схема цепи покажет, как выходное напряжение трансформатора преобразуется из переменного тока, в напряжение постоянного тока. Вам потребуется эта информация, чтобы определить, следует ли завершить измерения, проводимые с помощью мультиметра тестера в режиме переменного тока или в режиме постоянного тока. Начните проведение теста путем подключения питания и коммутации к изделию. Далее следуйте инструкции:

  1. Переключите цифровой мультиметр тестер (с экраном) или аналоговый мультиметр тестер в режиме напряжения переменного тока.
  2. Для того, чтобы подтвердить правильность входного напряжения для трансформатора, проверьте напряжение, прикоснувшись красный щуп к положительному полюсу, а черный зонда к отрицательной клемме трансформатора основного входа.
  3. Если значения напряжений слишком низкие, значит это может быть из-за проблем с трансформатором или схемами.
  4. Необходимо удалить трансформатор от входной цепи и проверить входную мощность, представленную схемой. Если показания находятся в линии, то трансформатор неисправен и если показания остаются неизменными, то схема неисправна.
  5. Чтобы проверить выходное напряжение сначала нужно определить, является ли выходное напряжение в сети переменного или постоянного тока.
  6. Установите цифровой или аналоговый мультиметр тестер в нужный режим для проверки.

Если конденсаторы и диоды используются для преобразования выходного напряжения от сети переменного тока в напряжении постоянного тока, то слишком низкое чтение может быть вызвано неисправным трансформатором или неисправными конденсаторами и диодами. В видеоролике об устройстве будет рассказано подробнее.

Извлеките тороидальный трансформатор с выходной схемой и проверьте выходное напряжение трансформатора. Не забудьте изменить режим мультиметра тестера к напряжению сети переменного тока. Если выходное напряжение в линии, трансформатор работает правильно, то проблема будет тогда с конденсаторами и диодами.

Тороидальные трансформаторы, которые излучают постоянный жужжащий звук скоро выйдут из строя и должны быть заменены. Всегда помните об осторожности, не касайтесь схемы при выполнении тестов. Случайный контакт со схемой, которая находится под напряжением может привести к травмам.

Заключение

В данной статье были рассмотрены основные преимущества и недостатки тороидальных трансформаторов, которые нужно принять во внимание. Больше информации о современных тороидальных трансформаторах, их основных разновидностях, типах конструкции и новейших разработках в этой сфере можно узнать в книге Котенева Е.С., Евсеева А.Н. «Расчет и оптимизация тороидальных трансформаторов».

Добавить комментарий