Ламповый усилитель. Намотка силового трансформатора

Оставлен Evgenij Bortnik Чт, 09/29/2016 - 07:46
Аватар пользователя Evgenij Bortnik

Упрощенный расчет и намотка силового трансформатора.Трансформатор на частоте 50Гц, это устройство для преобразования уровней напряжений и токов с гальванической развязкой от бытовой сети. В работе силовой трансформатор всегда нагревается, поскольку есть потери мощности в меди провода и в стали сердечника. Дешевый вариант трансформатора с алюминиевыми эмалевыми проводами для себя любимого применять не рекомендуется, поскольку их резистивное сопротивление почти в 5 раз выше, следовательно эффективность трансформатора в несколько раз хуже, а габариты больше. Трансформатор должен нагреваться довольно сильно, но постепенно. Для качественного провода ПЭТВ, ПЭТ-155 не страшно, если трансформатор будет работать при температуре 90 градусов Цельсия. Если трансформатор холодный, то значит он обошелся значительно дороже, чем положено. Эмалированные провода марок ПЭЛ или ПЭВ - довольно старинные, низкотемпературные и их применять не рекомендую, особенно с учетом возможного плохого хранения и разрушения изоляции от сырости и старости. Можно применить хороший провод ПСДКТ в стекловолокнистой изоляции (200 градусов), однако он занимает больше места в окне ввиду повышенной толщины изоляционного слоя. Кроме того, ПСДКТ требует аккуратности и умелых рук, поскольку волокнистая изоляция не терпит перемотки. Межслойная изоляция обмоток нужна непременно тонкая и лучше всего использовать тончайшую ленту из фторопласта. Межобмоточная изоляция может быть из фторопласта потолще и лакоткани. Бывает удобно применить толстую электротехническую бумагу, которая лучше формует слой, поскольку её жесткость значительно выше. Натяг провода должен быть хороший, но такой, чтобы не оборвать обмотку при укладке виток к витку в работе на мелком станке. Обычно при малом и среднем темпе намотки натяг контролируют пальцем руки. Пропитка самодельного трансформатора расплавленным парафином в ёмкости типа кастрюля или лаком нужна непременно. Это резко улучшает условия охлаждения и повышает надёжность изоляции. При конструировании трансформатора нужно помнить, что расчёты это только половина дела. На практике нужны очумелые ручки, поскольку корявость в изготовлении обеспечит гадкость в применении или трансформатор просто сгорит. Ш-образное железо выгоднее по условиям результирующего качества, когда удаётся получить не гудящий трансформатор. Но Ш-образное железо нужно хорошо трамбовать в области керна и нормально сжимать скобами и особенно шпильками по углам. Каркасы трансформаторов заслуживают очень уважительного отношения, поскольку от их качества зависит итоговое качество сборки трансформатора. Трансформаторы на основе ПЛ-сердечников (подковообразных) со шлифованными торцами довольно капризны на этапе сборки. Поэтому линейную токовую нагрузку на такие трансформаторы лучше снизить. Иначе будет получен гудящий монстр, а вся работа окажется проделанной зря. Гудение таких трансформаторов победить довольно трудно, причём титанические усилия по затягиванию обжимной скобы нередко оказываются пустыми. Если такой сердечник после сборки гудит, то никакая пропитка не спасёт. Смело несите такой трансформатор на помойку, а затем расслабьтесь. Тороидальные трансформаторы, как правило, вовсе не гудят, но их приходится мотать вручную с применением челнока. Удобно мотать обмотки тороидов в два провода, для чего заранее высчитывают длину витка и наматывают на челнок сдвоенный провод с некоторым запасом. Челнок длиной 30-40 см можно запросто изготовить из упругой стальной проволоки диаметром 2-3 мм. Для тороидов расчет несколько отличается в сторону уменьшения запаса по сечению сердечника, а также увеличения плотности тока в обмотке. Для трансформаторов на повышенные частоты методика расчета очень существенно отличается.

До мощности 200 Вт расчет проводят в последовательности, описанной ниже. По напряжению и току всех вторичных обмоток, определяют мощность, отбираемую от трансформатора. Мощности обмоток суммируют, принимая нагрузку резистивной

Далее, принимая КПД на уровне 90 %, определяют габаритную мощность Р1 трансформатора. Это название определяет сколько будет весить железяка ручного изготовления.

Сечение сердечника должно обеспечить передачу такой мощности через магнитный поток из первичной обмотки во вторичную. В качестве расчетной величины в трансформаторах с каркасами принимают сечение рабочего керна сердечника. Это именно тот фрагмент сердечника, на который одевают каркас с обмотками. Площадь поперечного сечения керна сердечника S возрастает с увеличением мощности, измеряемой в ваттах. В хорошо рассчитанном трансформаторе нагреваются и обмотки и сердечник, причём нагреваются примерно одинаково. Требуемое сечение S керна сердечника (кв.см.) из трансформаторной электротехнической стали определяют по формуле:

По величине сечения S определяют число витков w' на один вольт обмотки. Стальные сердечники из тонких листов или тонкой ленты имеют потери меньше в сравнении с сердечниками на 0,5мм железе. Поэтому ленточные сердечники из 0,1мм железа нагреваются значительно слабее. Однако такое железо может оказаться существенно дороже. Для трансформаторной стали можно использовать приближенную формулу расчета числа витков на вольт

Если есть подозрение что сталь сердечника худшего качества, то следует увеличить число витков на вольт w' на 10-20 %. Если хочется получить силовой трансформатор с мелким током холостого хода, то число витков на вольт увеличивают на 30% и далее определяют требуемое число витков во всех обмотках

Под нагрузкой в трансформаторе будет заметное падение напряжения на внутреннем сопротивлении обмоток. Поэтому для компенсации потерь напряжения число витков берут на 3-5 % больше рассчитанного и далее вычисляют ток первичной обмотки

Диаметры проводов обмоток определяют по величинам токов, исходя из допустимой плотности тока по условиям нагрева. Нужно прогнозировать режим работы трансформатора. Если трансформатор включен постоянно и всегда везёт номинальную нагрузку, то плотность тока в меди следует ограничить на уровне 2 А/кв.мм. Если трансформатор включают эпизодически и продолжительность включенного состояния меньше, то плотность тока можно несколько увеличить. Но не следует принимать плотность тока выше 2,2 А/кв.мм. По умолчанию диаметр провода в справочниках указывают по меди, а не по изоляции. Его выбирают по таблице ниже или вычисляют по приближенной формуле:

Когда под руками нет провода нужного диаметра, то можно взять несколько более тонких одинаковых параллельных проводов. Их суммарная площадь сечения должна быть равна сечению одиночного провода. Площадь поперечного сечения проводов также оценивают по таблице или рассчитывают по приближенной формуле.

Для обмоток низкого напряжения, имеющих небольшое число витков толстого провода и расположенных поверх других обмоток, плотность тока можно увеличить до 2,5 А/кв.мм, поскольку условия охлаждения этих обмоток лучше. Тогда в формуле для расчёта диаметра провода применяют коэффициент 0,7 вместо 0,8. Далее проверяют размещение обмоток в окне сердечника. Общую площадь сечения витков каждой обмотки находят умножением числа витков w на сечение провода 0,8dиз, где dиз - диаметр провода в изоляции, а его берут по таблице. Площади сечения всех обмоток складывают. С учётом изоляции между слоями и обмотками, а также неплотностей намотки и наличия каркаса, полученное значение площади увеличивают в 2,5 раза, при этом площадь окна должна быть больше значения, полученного из расчета.

Расчет автотрансформатора (АТ) имеет некоторые особенности. В автотрансформаторе часть мощности передаётся по проводу обмотки, являющейся общей для первичной и вторичной цепей, а часть – через магнитный поток. Сердечник АТ надо рассчитывать не на полную вторичную мощность Р2, а только на мощность, передаваемую магнитным потоком Рт. Эту мощность определяют по формулам для повышающего или понижающего АТ:

Если автотрансформатор имеет отводы и будет работать при различных значениях n, то в расчете надо брать значение n, наиболее отличающееся от единицы, так как в этом случае значение Рт будет больше и надо, чтобы сердечник мог передать такую мощность. Затем определяют расчетную мощность Р, которая может быть принята равной 1,15•Рт. Множитель 1,15 учитывает КПД автотрансформатора, который обычно выше, чем у трансформатора. Далее применяют формулы расчета площади сечения сердечника (по мощности Р), числа витков на вольт, диаметров проводов, указанные выше для трансформатора. При этом надо иметь в виду, что в части обмотки, являющейся общей для первичной и вторичной цепей, ток равен разности I1 — I2, если автотрансформатор повышающий, и I2 — I1 если он понижающий. В завершении статьи следует заметить, что намотка типового силового трансформатора есть занятие нерациональное. Для большинства жизненных случаев на практике легко подобрать готовые силовые трансформаторы. Даже если есть жесткое требование минимального поля рассеяния силовика, при мелком токе холостого хода, то и в этом случае можно выйти из положения применив тороидальные трансформаторы. Для силовых трансформаторов обыкновенной конструкции при повышенных требованиях нужно иметь выбор из кучки и иметь миллиамперметр переменного тока, чтобы измерить реальный ток холостого хода. Практика показала, что большинство общепромышленных силовых трансформаторов, как старых, так и новодел, изготовлены с экономией меди, поэтому имеют повышенный ток хх. Трансформаторы для нужд энергетики (ОСМ и т.п.) или машиностроения вовсе не применимы для электроники, поскольку у них съэкономлены витки, чудовищный ток холостого хода и железо низкого качества. 

                           Евгений Бортник, Красноярск, Россия, сентябрь 2016

2 комментария

by Allessandroo on Сб, 02/18/2017 - 04:20
Я считал по этим формулам, количество витков получается в 2 раза выше чем в реальном заводском трансе. Соответственно и расход провода жуткий, и кпд низкий. http://rcl-radio.ru/?p=20670, вот такая технология дает почти промышленный результат, сравнивал расчет с данными на внешней изоляции готового заводского транса, совпадает. Условие по низкому току ХХ выполняется при расчете трансформатора не на 230, а на 250В, но при этом его приходится делать в 2 этапа- мотаем первичку, мотаем типо вторичку этак на 25-50В, полностью собираем и включаем, нагрузив батареей резисторов до отбора расчетной мощности. Вторичка должна быть ооочень большого сечения, потом измеряем напряжение на нагрузке и пересчитываем новый Ктр, исходя из которого и мотаем нормальные вторички. Если намотать в лоб, то под номинальной нагрузкой напряжения такого транса из за его низкого кпд просядут до недопустимых, причем тут недостаточно просто пропорционально повысить число витков во вторичках в отношение 250/230 раз. Такой трансформатор имеет Ixx где то 30ма при мощности 100вт, на хх напряжение накалки около 7В, под нагрузкой оседает до 6,3. Это при даже завышенных сечениях. Если же рассчитать реально на 230, то Jхх где то 90ма, накалка на хх 6,5, на режиме 6,3. Вот об этой особенности трансов с низким хх вы почему то не пишете. Кстати при расчете я выбираю сниженную индукцию, около 1,1тл
Возражений против снижения индукции у меня нет. Про двукратный расход провода это, скорее всего, преувеличение :)))). Думаю, что процентов на 30 - это нормально. Промышленный результат меня не интересует в данном случае совсем, поскольку он никудышный, а 99% промышленных трансформаторов - негодные. Считаю, что про "низкий" КПД, высказанные здесь суждения совершенно ошибочны. Завышение количества витков лишь косвенно влияет на снижение КПД. Причём снижение будет процентов на 5, ввиду увеличения потерь в лишней меди. Это же не гигаваттная электростанция. И это совсем не фатально, а разумный компромисс потери лишних 5 Ватт из 100 с сопутствующим снижением поля рассеяния. А вот по поводу необходимости мучительных итерационных экспериментально-моточных процедур я возражаю. Это совершенно избыточная трата сил и времени.