Расчет трансформатора: формулы, применение онлайн-калькуляторов

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

Оглавление:

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

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

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

Но сразу, стоит уверить вас, что КПД равный 1 – это нереальный фактор, потому что потери присутствуют всегда, поэтому выполняя расчет онлайн или традиционным методом, увидев показатель равный 40% при расчете силового трансформатора на железе – это уже хорошо. Для импульсных же устройств программа расчета выдаст по меньшей мере 55-60%. Поэтому, если вы хотите сделать устройство наиболее эффективное, то выбирайте именно импульсный тип трансформатора, но если требуется сделать надежный силовой агрегат, где неважна потребляемая мощность, то, конечно, берем в расчет трансформаторное железо.

Порядок расчета трансформаторов

Все программы расчета трансформаторов производят обработку данных по известным нам формулам из научных изданий, поэтому правильность ее программы всегда можно проверить. Но необходимость знания табличных величин может завести вас в заблуждение. Поэтому сейчас разберем некоторые подробности расчета трансформаторов с тороидальным сердечником на трансформаторном железе или на феррите.

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

Этапы определения параметров

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

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

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

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

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

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

Для изготовления сердечников таких сетевых трансформаторов применяется 2 типа стали:

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

Следует понимать, что число витков для каждого типа стали может быть различным, что связано с магнитной проницаемостью сердечника, прочих показателей. В таблице же ω 1 и ω 2 – это число витков для холоднокатанной и обычной стали соответственно. Рг – габаритная мощность трансформатора; S – параметры сердечника (площадь сечения), ∆ — максимально допустимая плотность тока в обмотках; η – коэффициент полезного действия устройства.

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

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

Преимущества использования программ

Одним из преимуществ использования онлайн-калькуляторов для расчета параметров трансформатора является отсутствие необходимости во всех вышеперечисленных нюансах. Но результат получается приблизительным, поэтому это важно помнить, используя ту или иную программу. Конечно, есть более качественные проекты с расчетом трансформаторов, в которых учитывается толщина изоляционной пленки, тип стали, плотность намотки.

Основные формулы и порядок их применения

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

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

Р=Uн х I н.

Далее, она рассчитывает габаритную мощность по следующей формуле:

Рг=Р/ η.

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

S расч=√Рг/1,2.

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

S =( Dc — dc ) hc /2.

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

Следующим шагом, который выполняет программа расчета сварочного или силового трансформатора с питанием от сети 50Гц, является определение количества витков на 1 вольт. Для этого необходимо воспользоваться постоянными величинами, взятыми из справочника. Дело в том, что для каждого типа сердечника имеется своя константа. Например, для магнитопровода из стали Э320 она равна 33,3, а формула выглядит следующим образом:

ω 1=33,3/ S .

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

W 1-1 = ω 1 х Uc ;

W 1-2 = ω 1 х U н.

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

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

I 1=1,1(Р2/ Uc ). А по формуле:

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

Такой расчет справедлив для всех типов трансформаторов как силовых, так и сварочных с питанием от сети частотой 50Гц. Программа расчета производит те же операции, что были приведены выше. Только она может оперировать данными в любом порядке. Например, задавая количество витков, можно определить напряжение и мощность сердечника, вводя параметры сердечника, можно узнать мощность и электрические характеристики трансформатора.

Расчет импульсного трансформатора

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

При выполнении расчетов сварочных импульсных трансформаторов при помощи программ, многие из них дают подсказки, представляя мостовые схемы выпрямителей и прочее. Все это намного облегчает процесс, так как традиционными методами он сложен. Но, в общем, принцип остается таким же. А что насчет программ калькуляторов, то их в интернете можно найти большое количество для выполнения расчета любых импульсных или обычных сетевых устройств различной мощности и электрических параметров.