Мощность трансформатора силового – Пример выбора мощности силового трансформатора

Содержание

Пример выбора мощности силового трансформатора

Хочу привести реальный пример выбора мощности силового трансформатора в одном из недавно выпущенных мною проектов. Проект проходил экспертизу и получил замечание по выбору силового трансформатора, вернее нужно было обосновать мощность силового трансформатора.

По техническим условиям было разрешено 180 кВт по третьей категории электроснабжения. На данном этапе я делал лишь одну позицию (склад) с потребляемой мощностью 20 кВт, остальные позиции будут запроектированы позже.

Естественно выбор силового трансформатора я делал исходя из мощности 180 кВт.

Вы, наверное, помните, что у меня же есть статья:

Выбор силового трансформатора по расчетной мощности.

В этой статье я привел ссылки некоторых нормативных документов, поэтому повторяться не буду. Там же я привел и методические указания по выбору силового трансформатора.

На эту тему имеется еще одна статья:

Перегрузочная способность масляных силовых трансформаторов.

Так что обязательно ознакомьтесь, о чем я писал ранее.

В общем, суть такая, что если выбирать трансформатор по методическим указанием, то нам достаточно мощности силового трансформатора 160 кВА. Именно на это и ссылался эксперт. В проекте выбрана трансформаторная подстанция 250 кВА в металлическом корпусе. Самый дешевый вариант.

Я в свою очередь привел ссылку из ТКП 45-4.04-297-2014 п.11.20. Там сказано, что коэффициент загрузки однотрансформаторной подстанции должен быть 0,9-0,95. Там же написано, что выбор трансформатора должен производиться на основании технических характеристик трансформаторов от заводов-изготовителей.

Рассчитаем коэффициент загрузки трансформатора.

Кз=Sр/Sтр

– полная расчетная мощность, кВА;

Sтр – мощность силового трансформатора, кВА.

Sр=Р/cos=180/0,8=225кВА.

Коэффициент мощности я принял 0,8.

Кз(250)=225/250=0,9

Кз(160)=225/160=1,4

А теперь представим,  лето, температура воздуха 30 градусов. Как вы думаете, металлическая оболочка будет сильно греться на солнце? В таких условия воздух вокруг трансформатора, на мой взгляд, будет тоже не менее 30 градусов, а скорее всего и больше, т.к. КТП будет под прямыми солнечными лучами. Утверждать не буду, это лишь мои догадки.

Следующая таблица показывает нормы максимально допустимых систематических нагрузок при температуре 30 градусов.

Нормы максимально допустимых систематических нагрузок

Проверим трансформатор 160 кВА. Sр=225 кВА – это не значит, что трансформатор постоянно будет загружен на такую мощность. На такую мощность он будет загружен лишь пару часов в день. В остальное время он будет загружен, скажем на 65 % от этой расчетной мощности.

225*0,65=146,25 кВА.

Тогда К1=146,25/160=0,91, примем значение К1=0,9 – начальная загрузка трансформатора.

Согласно приведенной таблице и при температуре окружающей среды 30 градусов, К1=0,9 трансформатор 160 кВА в нормальном режиме с Sр=225 кВА (Кз=К2=1,4)  сможет работать около…0 часов. В таких условиях максимальный коэффициент  загрузки трансформатора 1,27 в течение 0,5 часа.

Конечно, следует еще привести таблицу норм допустимых аварийных перегрузок.

Нормы допустимых аварийных перегрузок

По этой таблице наш трансформатор сможет работать чуть больше 2 часов.

Не смотря на то, что трансформатор способен выдерживать аварийные перегрузки, следует иметь ввиду, что в таких режимах трансформатор очень сильно изнашивается и срок эксплуатации его сокращается.

Разумеется, по графику нагрузки значительно проще выбрать мощность силового трансформатора. В наших условиях проектирования, я считаю всегда должен быть небольшой запас прочности оборудования (резерв мощности), поскольку энергосистема развивается, количество потребляемой электроэнергии увеличивается и все чаше в ТУ пишут одним из требований: проверка существующих трансформаторов, т.е. многие подстанции загружены до предела,  а для небольших предприятий это может оказаться проблемой.

Вывод: трансформатор 160 кВА не сможет нормально работать при наших условиях эксплуатации, поэтому в проекте выбран трансформатор 250 кВА.

Кстати, энергонадзор согласовал КТП без проблем.

Вы согласны со мной либо нужно тупо руководствоваться методическими указаниями?

Советую почитать:

220blog.ru

Расчет силового трансформатора: по мощности, нагрузке, формулы

Расчетный срок службы трансформатора обеспечивается при соблюдений условий:

При проектировании, строительстве, пуске и эксплуатации эти условия никогда не выполняются (что и определяет ценологическаятеория).

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.

Режимы работы трансформатора

Наиболее экономичной работа трансформатора по ежегодным издержкам и потерям будет в случае, когда в часы максимума он работает с перегрузкой (эксплуатация же стремится работать в режимах, когда в часы максимума загрузки данного трансформатора он не превышает свою номинальную мощность). В реальных условиях значение допустимой нагрузки выбирается в соответствии с графиком нагрузки и коэффициентом начальной нагрузки и зависит также от температуры окружающей среды, при которой работает трансформатор.

Коэффициент нагрузки, или коэффициент заполнения суточного графика нагрузки, практически всегда меньше единицы:

В зависимости от характера суточного графика нагрузки (коэффициента начальной загрузки и длительности максимума), эквивалентной температуры окружающей среды, постоянной времени трансформатора и вида его охлаждения согласно ГОСТ допускаются систематические перегрузки трансформаторов.

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.

pue8.ru

Выбор силового трансформатора по расчетной мощности

Раз уж Вы читаете данную статью, значит, конец света все-таки не наступил  Итак, вернемся к теме, стоит задача запроектировать трансформаторную подстанцию. Есть какая-то расчетная нагрузка, согласно которой требуется подобрать трансформатор нужной мощности.

Существуют разные методики выбора силового трансформатора, но для проектировщика, на мой взгляд, они не годятся.

Я буду опираться лишь на требования нормативных документов.

По своему опыту могу сказать, что в основном применяют масляные трансформаторы, т.к. они дешевле. Применение сухого трансформатора должно быть обосновано.

Количество применяемых трансформаторов зависит от категории электроснабежения. Как правило, однотрансформаторные подстанции проектируют на объектах третей категории электроснабжения, двухтрансформаторые подстанции – второй и первой категории натежности.

Мощность двухтрансформаторных подстанций должна выбираться с учетом перегрузочной способности трансформатора в аварийном режиме.

Соотношения  между  коэффициентами  допустимой  перегрузки  масляных трансформаторов  в  послеаварийном  режиме  и  коэффициентами загрузки трансформаторов в нормальном режиме приведены в таблице.

Коэффициент допустимой перегрузкимасляного трансформатора, определенныйсогласно ГОСТ 14209-85Коэффициент загрузки масляного,трансформатора в нормальном режиме
двухтрансформат. подстанциятрехтрансформат. подстанция
1,00,50,666
1,10,550,735
1,20,60,8
1,30,650,86
1,40,70,93

Для  сухих  трансформаторов  максимальное  значение  коэффициента  допустимой перегрузки трансформатора следует принимать не более 1,2.

При заказе трансформатора лучше запросить у производителя соответствующие графики допустимых перегрузок. У разных производителей они могут отличаться.

 Согласно СН 174-75 следует принимать следующие коэффициенты загрузки трансформаторов:

  • для цехов с преобладающей нагрузкой I категории при двухтрансформаторных подстанциях — 0,65-0,7;
  • для цехов с преобладающей нагрузкой II категории при однотрансформаторных подстанциях с взаимным резервированием трансформаторов — 0,7-0,8;
  • для цехов с преобладающей нагрузкой II категории при возможности использования централизованного резерва трансформаторов и для цехов с нагрузками III категории — 0,9-0,95.

Отсюда можно заметить, что в нормальном режиме трансформатор должен быть загружен не более чем  на 90-95%.

А сейчас я хочу остановиться на методических указаниях по выбору силового трансформатора.

По данной методичке выбор мощности трансформаторов должен выполняться с учетом их перегрузочной способности в нормальном и послеаварийном режимах работы.

Суть выбора трансформатора заключается в том, что нужно сравнить нашу полную мощность проектируемого объекта (кВА) с интервалами допустимой нагрузки трансформаторов для различных видов потребитилей в нормальном и аварийном режимах. В общем нужно проверить 3 условия.

В методических указаниях все очень подробно расписано, а также приведены 2 примера по выбору однотрансформаторной и двухтрансформаторной подстанций.

Но самое удивительное в том, что по данному методическому указанию наш трансформатор будет практически всегда работать с перегрузкой или будет загружен практически на 100%. Например, 135 кВА соответствует трансформатору 100 кВА.

Нормативные документы по выбору силовых трансформаторов:

  1. НТП ЭПП-94. Проектирование электроснабжения промышленных предприятий. Нормы технологического проектирования (РФ, вместо СН 174-75).
  2. СН 174-75. Инструкция по проектированию электроснабжения промышленных предприятий (вроде как не действует в РБ).
  3. Методические указания по выбору мощности силовых трансформаторов 10/0,4 кВ (РБ).
  4. ГОСТ 14209-97. Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов.


Советую почитать:

220blog.ru

Выбор мощности силового трансформатора

Одним из важнейших вопросов при проектировании подстанций является выбор силового трансформатора. Ведь он должен полностью обеспечить питание электроприемников при нормальном режиме работы, а также, в зависимости от категории надежности электроснабжения, обеспечить резерв, в случае возникновения аварийного отключения второго трансформатора или питающей линии.

Также при выборе трансформатора необходимо учесть коэффициент заполнения графика нагрузки и максимально использовать возможности перегрузки в часы наибольшей загруженности предприятия.

Трансформаторы наружной установки

Трансформаторы, установка которых производится вне помещений и на местности где среднегодовая и максимальная температура составляют 50 и 350, могут нести постоянную нагрузку равную номинальной. Срок службы трансформаторы ограничивает срок службы изоляции его обмоток, и, примерно, составляет 20 лет.

Однако в реальных установках, будь то промышленные предприятия или бытовые потребители, постоянной нагрузки не существует, она все время меняется в течении суток, а также в течении сезонов. Если при проектировании подстанции максимум нагрузок будет соответствовать номинальной мощности трансформатора, то это означает, что нагрузочные способности трансформатора используются недостаточно и мощность подстанции в целом явно завышена. Поэтому выбор трансформатора стоит делать с учетом его перегрузочной способности и при этом учитывать график нагрузки предприятия или других потребителей.

Отношение ограниченной графиком площади, к площади прямоугольника, стороны которого представляют из себя абсциссу (Т=24 часа) и ординату, равной максимальной нагрузке Рmax, называют коэффициентом заполнения суточного графика:

Если известна продолжительность максимума, а также коэффициента заполнения графика, то использовав кривые:

Получаем допустимый коэффициент перегрузки масляных трансформаторов:

Где Iн и Sн – соответствующие номинальные токи и мощности трансформаторов.

При максимуме нагрузки, который определяется из кривых показанных выше, износ изоляции не превышает 80% от износа при номинальной нагрузке длительной (естественного износа), что позволяет обеспечить определенный запас при возникновении аварийных перегрузок.

Ранее отмечалось, что указанные величины коэффициентов перегрузок справедливы лишь для трансформаторов, которые установлены не в помещениях, где среднегодовая температура воздуха равна 50. Если же среднегодовая температура не равна 50, а равна какому-то значению ΰв, необходимо пересчитать коэффициенты перегрузки, умножив их на пересчетный коэффициент, равный:

В часы, когда температура больше 350, но не больше 450 (довольно часто бывает летом), нагрузка силового трансформатора должна быть ниже номинальной на (ΰв — 350)%, независимо от величины коэффициента заполнения графика.

Трансформаторы внутренней установки

При установке трансформаторов внутри помещений неотапливаемых и вентилируемых, среднегодовую температуру можно приминать на 80 выше, чем при наружной установке. Кроме перегрузок отмеченных ранее, также могут допускаться дополнительные перегрузки без ущерба для срока службы в зимние месяцы, за счет недогрузки в летнее время. Звучит запутанно. Попробую объяснить.

Например, если в период времени с июня по август нагрузка в р% ниже номинальной, то есть происходит недогрузка, то в период с декабря по март возможно повышение нагрузки на этот же процент р%, но при условии, что она не превышает 15% номинальной нагрузки.

Оба вида этих перегрузок являются нормальными, но они не должны превышать 30% номинальной мощности при коэффициентах заполнения графика не менее 0,6, и 50% при коэффициенте заполнения графика 0,6÷0,3.

В случае возникновения аварийных ситуаций допускается перегрузка трансформаторов на 40% от номинальной мощности на время максимумов общей суточной продолжительности не более 6 часов и в течении менее 5 суток. При этом коэффициент заполнения суточного графика нагрузки в условиях перегрузки не должен превышать 0,75:

Но в рядах городов система электроснабжения допускает перегрузку до 80% (для трансформаторов до 400 кВА).

Формулы, приведенные выше учитывают только условия старения изоляции, и совершенно не учитывают таких факторов как капитальные затраты и прочие факторы.

Примеры

Для наглядности давайте рассмотрим несколько примеров.

Пример 1

Установленный на открытом воздухе трансформатор с номинальной мощностью 630 кВА, среднегодовая температура данной местности составляет 50. Число максимума часов t = 6, а коэффициент заполнения суточного графика Кз.г. = 0,7.

Из выше показанных кривых кратностей определяем:

Теперь можем получить максимальную допустимую нагрузку при номинальном значении вторичного напряжения:

Пример 2

Летом тот же трансформатор что в примере 1 загружен на 500 кВА. Необходимо определить допустимую нагрузку зимой (декабрь — март).

Недогрузка в летнее время в процентном соотношении будет иметь вид:

С учетом ограничения можно допустить перегрузку зимой за счет недогрузки летом в 15%.

Тогда получим максимально допустимую перегрузку 14+15 = 29%, где 14 – это значение m = 1,14; выраженное в процентах.

Соответственно получаем максимальную нагрузку в течении 6 часового максимума в зимнее время:

Пример 3

Для трансформатора с примера 1, но установленного в помещении (неотапливаемом и вентилируемом), необходимо определить нагрузку в зимние месяцы.

Для решения принимаем среднегодовую температуру на 80 больше, чем при наружной установке, то есть 130. Пересчетный коэффициент примет вид:

Определим номинальную мощность:

Недогрузка в летнее время, выраженная в процентах, составит:

Допустимая перегрузка за счет летней недогрузки принимается 13,7%; и, соответственно максимально допустимая перегрузка составит 13,7+14 = 27,7%.

Допустимая максимальная нагрузка

Работа трансформаторов в условиях перегрузки и недогрузки

Для улучшения условий работы перегруженных устройств рекомендуется применять форсирование их охлаждения (например, принудительное обдувание воздухом). Нагрузки подстанций изменяются по определенному графику, так как многие предприятия (особенно городские) имеют ярко выраженные пики и провалы в нагрузках. В летнее время и ночные часы нагрузка трансформаторов может снижаться до 30% от номинальной. В такие моменты в целях снижения потерь в трансформаторах целесообразней отключать один из них. При однотрансформаторных подстанциях очень часто используют перемычки по низшему напряжению, соединяющие смежные подстанции, часть подстанций вовсе отключают, оставляя в работе лишь несколько для покрытия нагрузки. При таком отключении уровень напряжения должен обеспечиваться соответствующий нормальному, то есть перемычки должны быть рассчитаны таким образом, что бы падение напряжений до самых отдаленных потребителей не превышало допустимого и могло обеспечивать нормальный (не аварийный) режим питания электроприемников.

elenergi.ru

Особенности работы выпрямителей, или как правильно рассчитать мощность силового трансформатора — Начинающим — Теория

Хороший и надёжный силовой трансформатор — это уже половина собираемой и разрабатываемой конструкции.
В настоящее время выбор силовых трансформаторов, предлагаемых рынком, для радиолюбителей довольно широк. Но не смотря на это, не все предлагаемые трансформаторы идеально подходят для нужд радиолюбителя (по току, напряжению, количеству обмоток и т.д.), и поэтому довольно часто ему приходится самостоятельно изготавливать силовые трансформаторы для своих разработок и собираемых конструкций.
В этой статье я попробую объяснить, как правильно выбрать, или рассчитать силовой трансформатор для своей конструкции.
Нового я здесь ничего не открою, и постараюсь как можно проще и на примерах, объяснить Вам то, что уже давно доказано и решено. Просто в силу каких либо обстоятельств, не все это могут знать.

В основном радиолюбителю приходится изготавливать силовые трансформаторы средней мощности 50 — 300 Вт.
КПД таких трансформаторов достигает 0,88 — 0,92. У более мощных промышленных трансформаторов, при мощностях более 1 кВт, КПД может достигать 0,97-0,98, так как обмотки их намотаны толстым проводом и потери в них на активное сопротивление минимальны.
У менее мощных трансформаторов, с мощностью до 40 Вт, КПД понижается и обычно не превышает 0,8 — 0,85.

Чтобы правильно рассчитать трансформатор, нужны довольно сложные вычисления, радиолюбители-же пользуются для этих целей упрощёнными формулами и радиолюбительскими программами, которые в принципе тоже довольно точно позволяют это сделать, поэтому я тоже постараюсь не отходить от этой традиции и всё попробую объяснить на практических примерах и готовых расчётах, используя по минимуму формулы и вычисления.

Как обычно производится расчёт силового трансформатора.
Зная напряжение и ток, который должна давать вторичная (или несколько вторичных) обмотка (U2 и I2), находим мощность вторичной цепи: При наличии нескольких вторичных обмоток мощность подсчитывают путем сложения мощностей отдельных обмоток.
Мощность вторичной обмотки Р2 по Закону Ома равна;

Отсюда можно найти и мощность первичной обмотки, где для трансформаторов средней мощности к нашим расчётам мы берём КПД трансформатора 0,9 (90%). Для трансформаторов меньшей мощности соответственно и КПД берётся меньше (0,8).
Мощность первичной обмотки Р1 (мощность трансформатора) в этом случае будет равна;

То есть поясню, если расчётная мощность вторичной (вторичных) обмотки у нас получилась например 100 Вт, то общая мощность трансформатора будет равна 111,1 Вт (100/0,9). Это ещё не учитывая ток холостого хода, который тоже прибавляется к общей мощности трансформатора.

Как определить мощность первичной обмотки мы уяснили, теперь как правильно определить мощность вторичной обмотки?
Для этого у нас имеется какая либо нагрузка, которая потребляет определённый ток при определённом напряжении. Например имеется нагрузка, потребляющая ток 2 Ампера при напряжении 15 Вольт.
Кажется что может быть проще, по Закону Ома умножаем 2 на 15 и вуаля — получаем 30 Вт. Да, это так, ток отдаваемый вторичной обмоткой будет равен току потребления нагрузкой, но только тогда, когда вторичная обмотка нагружена на активную нагрузку! Например обмотка накала ламп.
Если же вторичная обмотка нагружена на нагрузку через элементы выпрямителя, или выпрямителя и фильтра, то ситуация приобретает совсем другой оборот. Ток отдаваемый вторичной обмоткой будет больше тока, потребляемого нагрузкой!
Почему так, давайте попробуем вместе с этим разобраться.
Работа вторичной обмотки на активную нагрузку мы рассматривать не будем, здесь всё ясно, давайте пойдём дальше.

 

Работа выпрямителя на активную нагрузку.

Однополупериодный выпрямитель.

Поставим перед нагрузкой выпрямительный диод. То есть у нас получился однополупериодный выпрямитель.

Соберём такую же схемку. Трансформатор у меня тороидальный, мощностью 60 Вт, с напряжением ХХ вторичной обмотки около 20 вольт (номинальный ток нагрузки 3,8 А, номинальное напряжение 16,5 Вольт), ток ХХ трансформатора 7 мА.
В разрыв первичной обмотки, для измерения её тока, я поставил резистор, величиной 1,0 Ом, в разрыв вторичной (последовательно с нагрузкой) резистор, величиной 0,1 Ом. Для измерения в цепях переменного и пульсирующего тока и напряжения, я использовался среднеквадратичный (RMS) микровольтметр В3-57, ну и для измерения в цепях постоянного тока — цифровой мультиметр «Mastech MY64».

Для безопасности измерений, вся эта конструкция подключалась через разделительный трансформатор. В качестве нагрузочных резисторов использовались проволочные переменные сопротивления различных величин, мощностью 25 Вт.
Действующий ток нагрузки был установлен 0,5 ампер (рисунок выше). Предел измерения 100 мВ, шунт во вторичной цепи 0,1 Ом.
Сопротивление переменного резистора получилось 19 Ом, действующее напряжение на нагрузке 9,5 вольт. То есть мощность потребляемая нагрузкой получилась 4,75 Вт.
Измерим ток, потребляемый первичной обмоткой.

Ток первичной обмотки получился 97 мА, минус 7 мА ХХ, итого 90 мА. Напряжение на первичной обмотке 215 вольт. Мощность потребляемая первичной обмоткой получилась 19,35 Вт, то есть в 4 (четыре) раза больше мощности потребляемой нагрузки. Почему так? Кому интересны все подробности происходящих процессов в трансформаторе, рекомендую почитать первоисточники, приведённые в конце статьи, кому лень читать, попробую объяснить по простому.

При установке диода последовательно с нагрузкой, у нас получается однополупериодный выпрямитель. На нагрузку подаётся импульс напряжения (тока) только в положительный полупериод, а в отрицательный ничего нет (пауза). В результате чего среднее напряжение на нагрузке уменьшается более, чем в два раза (точнее в 2,2) по сравнению с напряжением на вторичной обмотке. Средний ток через диод соответствует току нагрузки, а действующий ток диода и самой вторичной обмотки — больше тока нагрузки в 1,57 раза.
Давайте подсчитаем мощность вторичной обмотки;
Ток нагрузи 0,5 А, умножаем на 1,57=0,785 (ток вторичной обмотки). Полученный ток умножаем на напряжение вторичной обмотки (19 Вольт) 0,785х19=14,9 Вт — это получается отдаваемая мощность вторичной обмотки, плюс сюда ещё добавляются и переходные процессы при работе диода (вентиля), плюс реактивные токи, которые просто нагревают обмотку, в итоге мощность трансформатора получается минимум в 3,5 раза больше мощности потребляемой нагрузкой.
Ещё при работе этой схемы во вторичной обмотке возникает постоянная составляющая (из-за того, что ток в обмотке протекает только в одном направлении в один полупериод), которая намагничивает сердечник трансформатора и тем больше, чем больше ток нагрузки. Из-за этого свойства сердечника ухудшаются и увеличивается ток ХХ, в последствии чего повышается потребляемая мощность трансформатора (у нас получилась мощность в 4 раза больше).

Например уже при токе нагрузки в 1,0 Ампер, напряжение на нагрузке получилось 9,0 Вольт, сопротивление нагрузки 9,0 Ом, мощность нагрузки 9,0 Вт. Ток первичной обмотки получился 230 мА (минус 7 мА) итого 223 и напряжение на первичной обмотке 210 вольт. Итоговая потребляемая мощность трансформатора 46,83 Вт, то есть больше мощности потребляемой нагрузкой уже в 5,2 раза. Сильно увеличился ток ХХ с увеличением тока нагрузки (от которого увеличилось намагничивание сердечника).

Двухполупериодный выпрямитель.

Ну, с однополупериодным выпрямителем разобрались, давайте пойдём дальше. Посмотрим как ведёт себя двухполупериодная схема.
Что из себя представляет двухполупериодная схема выпрямителя. Это два однополупериодных выпрямителя, которые работают на общую нагрузку. Каждый выпрямитель имеет свою обмотку, но в отличии от другого — противофазную, в результате чего выпрямляются (поступают в нагрузку) оба полупериода, за счёт чего эффективность такого выпрямителя, по сравнению с однополупериодным, повышается два раза.

Посмотрим, как он себя ведёт. Соберём схему двухполупериодного выпрямителя. Для этой схемы нужен трансформатор с отводом от средней точки вторичной обмотки. Трансформатор другой, вторичная обмотка имеет напряжение 193-193 Вольт, ток ХХ у него 36 мА (какой нашёл).
Проволочными резисторами выставил ток нагрузки 150 мА.

Нагрузочный резистор получился с сопротивлением 1,17 кОм, измеренное напряжение на нём 175 Вольт. Мощность потребляемая нагрузкой получилась 26,17 Вт. Смотрим ток первичной обмотки.

Ток первичной обмотки 210 мА, минус ток ХХ (36) итого 174 мА. Мощность потребляемая трансформатором получилась 38,28 Вт. Это больше мощности потребляемой нагрузкой в 1,46 раз.
Как видите, здесь показатели гораздо лучше, чем у однополупериодного выпрямителя.
Идём дальше.

Мостовая схема выпрямителя.

Проверим, как поведёт себя мостовая схема выпрямителя.
Для этого соберём следующую схему.

Трансформатор возьмём тот, что был и раньше, с одной вторичной обмоткой из первого рассматриваемого случая для однополупериодного выпрямителя.
Ток нагрузки я выставил 0,5 А, проволочное переменное сопротивление получилось величиной 32 Ома. Напряжение на нагрузке 16 Вольт. Мощность потребляемая нагрузкой получилась 8 Вт.

Смотрим ток потребляемый первичной обмоткой.

Ток первички 53 мА минус ток ХХ (7 мА) = 45 мА. Мощность потребляемая первичной обмоткой получилась 9,9 Вт. Это в 1,23 раза больше, чем мощность потребляемая нагрузкой.
Как видите, здесь показатели ещё лучше, чем у двухполупериодного выпрямителя, не говоря уже об однополупериодном.

Работа выпрямителя на нагрузку с ёмкостной реакцией.

В основном радиолюбители используют в своей практической деятельности выпрямители с сглаживающими фильтрами, начинающимися с ёмкости (конденсатора), то есть нагрузка с ёмкостной реакцией.
Переписывать учебники не имеет смысла, кому интересно, список литературы в конце статьи. Просто я здесь дальше кратко изложу основные схемы выпрямителей применяемых радиолюбителями, их особенности и приближённые электрические характеристики, и как они влияют на общую мощность трансформатора.

Однополупериодный выпрямитель.

Начнём как обычно с однополупериодного выпрямителя.

У такого выпрямителя конденсатор фильтра заряжается до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки (при отсутствии нагрузки). То есть если напряжение вторички 10 Вольт, то конденсатор зарядится до 10х1,41=14,1 Вольта (это без падения напряжения на диоде).
Достоинства выпрямителя;
Простота схемы, используется всего один вентиль (диод, кенотрон).
Недостатки;
Большая зависимость выходного напряжения от тока нагрузки, пониженная частота пульсаций по отношению с другими схемами, что требует применение конденсаторов в два раза большей ёмкости, плохое использование трансформатора (низкий КПД), присутствует вынужденное намагничивание сердечника. При пробое вентиля, переменное напряжение поступает на конденсатор, что ведёт его к выходу из строя и взрыву.
Особенности схемы;
Применяется радиолюбителями для питания слаботочных цепей. Обратное напряжение в этой схеме прикладываемое к вентилю, приблизительно в три раза больше напряжения вторичной обмотки (точнее в 2,82 раза), почему так происходит — попробуйте сами определить. То есть если у Вас вторичка имеет напряжение 100-110 Вольт, то диод необходимо ставить на обратное напряжение не менее 400 Вольт, на 300 Вольт может пробить.
Средний ток через вентиль здесь соответствует току нагрузки, а действующее значение тока через вентиль в два раза больше тока нагрузки.

 

Вторичная обмотка для однополупериодного выпрямителя выбирается в 1,8 -1,9 раз больше по току (лучше в 2 раза), чем ток потребления нагрузки. К общей расчётной мощности трансформатора, если есть ещё другие обмотки, добавьте мощность этой Вашей нагрузки умноженной на 2.

Двухполупериодный выпрямитель.

Двухполупериодный выпрямитель обладает гораздо лучшими параметрами, чем однополупериодный. Выходное напряжение этого выпрямителя (напряжение на конденсаторе) в 1,41 раз выше, чем напряжение вторичной обмотки (половины). Это при отсутствии нагрузки.

Достоинства выпрямителя;
Малое количество используемых вентилей (2). Среднее значение тока через вентиль почти в два раза меньше тока нагрузки. Уровень пульсаций у этой схемы в 2 раза меньше по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления. Емкость конденсатора при одинаковом с однополупериодной схемой коэффициенте пульсаций, может быть в 2 раза меньше. Отсутствует вынужденное намагничивание сердечника, но это зависит от конструкции трансформатора и способа намотки обмоток, о чём будет сказано ниже.
Недостатки;
Сложная конструкция трансформатора, вторичная обмотка состоит из двух половин, откуда не рациональное использование меди. Обратное напряжение на один вентиль здесь также больше напряжения (половины) вторичной обмотки в 2,82 раза. Плохое использование трансформатора, так как общая расчётная мощность всей вторичной обмотки получается в 2,2 раза больше мощности потребляемой нагрузкой.
Особенности схемы;
Так как за один период, в этой схеме работают обе половины вторичной обмотки по очереди, соответственно и вентили (диоды) тоже работают по очереди, то среднее значение тока через один вентиль (за период) здесь получается почти в два раза меньше, чем ток нагрузки. То есть например, если поставить в эту схему диоды с допустимым постоянным током на 5 Ампер, то снять с этого выпрямителя можно будет 7-8 Ампер без особого риска выхода из строя диодов, естественно обеспечив им необходимое охлаждение. Действующий же ток через вентиль и вторичную обмотку здесь будут в 1,1 раза больше тока нагрузки.
Провод для вторичной обмотки в этой схеме, можно выбирать на 30-40% меньше по току (сечение), чем ток нагрузки, так как половины вторичной обмотки так же работают по очереди и среднее значение тока вторичной обмотки получается меньше тока нагрузки. Но лучше, если позволяют размеры трансформатора и возможности, мотать вторичку проводом соответствующего сечения с током нагрузки.

Насчёт вынужденного намагничивания сердечника. Если сердечник трансформатора Ш-образный, броневой, и все обмотки размещены на одном каркасе, то вынужденного намагничивания сердечника здесь не будет.
Если сердечник трансформатора стержневой и в конструкции трансформатора предусмотрены два каркаса, на которых размещены обмотки, и сетевая обмотка состоит из двух половин, размещённых на разных стержнях (ТС-180, ТС250), то вторичную обмотку в таких трансформаторах необходимо выполнять следующим образом;
Каждая половина вторичной обмотки делится ещё раз пополам и наматывается на разных стержнях, потом всё соединяется последовательно, сначала четверти одной половины, затем другой. Как ниже на рисунке. Иначе будет намагничивание сердечника.

 

Так как кенотроны обладают большим внутренним сопротивлением, то при выборе кенотронной схемы выпрямителя, напряжение вторичной обмотки (половины) выбирается в среднем примерно на 10-15% меньше планируемого выходного напряжения выпрямителя. Это ещё зависит от тока нагрузки. Чем больше ток нагрузки, тем меньше должна быть разница.
Ещё запомните, что во всех выпрямителях и с кенотронами и с диодами, конденсаторы фильтра при отсутствии нагрузки, всегда заряжаются до амплитудного напряжения вторичной обмотки (UC = U2 x 1,41). Это учитывайте при выборе напряжения конденсаторов фильтра.

Как примерно определить здесь, какая мощность добавится к общей мощности трансформатора? Не углубляясь глубоко в теорию, так как там очень много зависящих друг от друга факторов, можно поступить следующим образом;

Зная расчётный ток нагрузки, умножаем его на 1,7 (схема с кенотронами), или на 1,6 (схема с диодами), потом полученный результат умножаем на напряжение нагрузки. Это будет приблизительный результат полученной мощности, которая добавится к общей мощности трансформатора. Большой ошибки здесь не будет.

 

Мостовой выпрямитель.

Мостовой выпрямитель, так же как и двухполупериодный, обладает гораздо лучшими параметрами, чем однополупериодный и немного получше КПД, чем у двухполупериодного. Поэтому это наиболее распространённая схема.

Достоинства выпрямителя;
Среднее значение тока через вентиль почти в два раза меньше тока нагрузки. Уровень пульсаций у этой схемы в 2 раза меньше по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления. Емкость конденсатора при одинаковом с однополупериодной схемой коэффициенте пульсаций, может быть в 2 раза меньше. Отсутствует вынужденное намагничивание сердечника. Используется всего одна вторичная обмотка.
Недостатки;
Плохое использование трансформатора, так как приходится увеличивать расчётную мощность вторичной обмотки на величину амплитудного значения напряжения вторичной обмотки, т.е. в 1,41 раз. Увеличенное число используемых вентилей (4) и необходимость их шунтирования резисторами, для выравнивания обратного напряжения на каждом их них. Хотя это уже не столь актуально при современном качестве их исполнения. Ещё в два раза большее падение напряжения, по сравнению с другими схемами, так как выпрямляемый ток проходит по двум вентилям последовательно. Но это заметно только при низком выходном напряжении и больших токах нагрузки.
Особенности схемы;
В этой схеме так же, как и в двухполупериодной, среднее значение тока через один вентиль (за период) получается почти в два раза меньше, чем ток нагрузки. То есть также можно использовать диоды с меньшим рабочим током (на 30-40%), чем ток нагрузки.
А вот действующий ток вторичной обмотки всегда будет выше, чем ток нагрузки, минимум на 1,41. Поэтому провод для вторичной обмотки в этой схеме нужно выбирать в 1,5 раза больше по току (сечение), чем ток нагрузки. Почему, потому что выпрямитель всегда будет заряжать конденсатор фильтра до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки, и от величины этого напряжения и подсчитывается мощность. А так, как по закону сохранения энергии она никуда не пропадает, то вторичной обмотки ничего не остаётся, как постоянно восполнять эту разницу. То есть у нас например вторичная обмотка имеет напряжение 14 Вольт. На конденсаторе фильтра будет напряжение около 20-ти Вольт. Нагрузили мы её током 0,5 Ампер. Мощность получилась 10 Вт. Значит и вторичка должна отдавать 10 Вт, а при выходном напряжении 14 Вольт это будет ток примерно 0,71 Ампера, то есть больше тока нагрузки в 1,41 раз.

Вторичная обмотка в мостовой схеме выпрямителя, всегда будет отдавать энергию на заряд конденсатора до амплитудного значения напряжения, а нагрузка разряжать его. То есть это как повышающий преобразователь, где низковольтная часть — это вторичная обмотка, а высоковольтная — конденсатор фильтра. Поэтому и ток вторичной обмотки всегда будет выше тока нагрузки на эту разницу напряжений, то есть минимум в 1,41 раз.

Например нашли Вы трансформатор с выходным напряжением 24 Вольта и током нагрузки 5 Ампер (120 Вт). Собрали линейный регулируемый блок питания, подключили к нему нагрузку 12 Вольт и током потребления 5 Ампер (60 Вт). Вроде всё нормально должно быть. Погоняли с полчаса-час, запахло палёным, потрогали трансформатор — обожглись. Как так?

Давайте проверим что у нас было с трансформатором;
Ток нагрузки 5 Ампер, напряжение на конденсаторе фильтра в режиме ХХ будет 24х1,41=33,84 Вольта. Мощность потребляемая нагрузкой будет 33,84х5=169,2 Вт, притом это не зависит от выходного напряжения Вашего БП, хоть 5 Вольт, хоть 25. Остальная мощность просто потеряется на регулирующем транзисторе.
И вот оказывается, что в течении часа наш транс отдавал мощность нагрузке 170 Вт!!!, хотя его мощность 120.

Вывод; Для схемы мостового выпрямителя, сечение провода вторичной обмотки необходимо выбирать на 50% или в 1,5 раза больше планируемого тока нагрузки для обеспечения нормальных условий работы трансформатора, или же выбирать трансформатор для своей конструкции с током вторичной обмотки выше планируемого на такую же величину, так как ток нагрузки на трансформаторах указан для активной нагрузки.

Ну и соответственно мощность вторичной обмотки подсчитывается так: Ток нагрузки умножаем на напряжение вторичной обмотки и полученный результат умножаем на 1,5.

 

Схема удвоения напряжения.

Схема удвоения напряжения, тоже довольно часто применяется на практике. Схема состоит из двух однополупериодных выпрямителей, включенных последовательно и работающих на общую нагрузку. Особенностью данной схемы является то, что в одном полупериоде от вторичной обмотки “заряжается” один конденсатор, а во втором полупериоде от той же обмотки – другой. Поскольку конденсаторы включены последовательно, то результирующее напряжение на обоих конденсаторах (на нагрузке) в два раза выше, чем можно получить от той же вторичной обмотки в схеме с однополупериодным выпрямителем. То есть максимальное выходное напряжение ХХ выпрямителя равно U2 х 2,82 , почти в три раза больше напряжения вторичной обмотки.

Достоинства выпрямителя;
Вторичную обмотку трансформатора можно рассчитывать на значительно меньшее напряжение. Отсутствует вынужденное намагничивание сердечника. Используется всего одна вторичная обмотка.
Недостатки;
Большая зависимость выходного напряжения от тока нагрузки. Значительные токи через вентили выпрямителя и вторичную обмотку. Уровень пульсаций значительно выше, чем в схемах двухполупериодных выпрямителей.
Особенности схемы;
Схемы эти на практике применяются для получения высоких напряжений при малых токах нагрузки. Например вполне можно использовать такую схему для питания анодных цепей в маломощных ламповых усилителях, если нет подходящего трансформатора а перематывать лень, в предварительных каскадах мощных ламповых усилителях, сеточных цепей, и т.д.. Пульсации на нагрузке здесь такие же, как в мостовой или двухполупериодной схеме выпрямителей. Ток протекающий через вентиль соответствует току нагрузки. Обратное напряжение на вентиль равно амплитудному значению напряжения вторичной обмотки.

Действующий ток вторичной обмотки здесь больше тока нагрузки почти в три раза (2,82). Мощность вторичной обмотки подсчитывается так, ток нагрузки умножаем на 2,9 и полученный результат умножаем на напряжение вторичной обмотки. Сечение провода вторичной обмотки для этой схемы, выбирается по току в три раза больше, чем ток потребляемый нагрузкой.

Почему так, теперь Вы сами вполне сможете догадаться. Если напряжение ХХ вторичной обмотки например 10 Вольт, то при положительном полупериоде конденсатор С1 здесь зарядится до какого напряжения? Правильно, до 14,1 вольта (до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки, которое больше действующего в 1,41 раз). При отрицательном полупериоде конденсатор С2 так же зарядится до 14,1 вольт. Какое будет итоговое напряжение на нагрузке (R), 28,2 Вольта, то есть в 2,82 раза больше напряжения вторичной обмотки. Отсюда и вторичке ничего не остаётся, как всё время компенсировать эту разницу.

Удачи Вам в конструировании!

Список литературы;

  • Терентьев Б.П. «Электропитание радиоустройств» (1958).
  • Белопольский И.И. «Электропитание радиоустройств» (1965).
  • Рогинский В. «Электропитание радиоустройств» (1970).

 

vprl.ru

Как узнать мощность трансформатора? Определение мощности силового трансформатора — Radiodvor.com

 Для изготовления трансформаторных блоков питания необходим силовой однофазный трансформатор, который понижает переменное напряжение электросети 220 вольт до необходимых 12-30 вольт, которое затем выпрямляется диодным мостом и фильтруется электролитическим конденсатором. Эти преобразования электрического тока необходимы, поскольку любая электронная аппаратура собрана на транзисторах и микросхемах, которым обычно требуется напряжение не более 5-12 вольт.

 Чтобы самостоятельно собрать блок питания, начинающему радиолюбителю требуется найти или приобрести подходящий трансформатор для будущего блока питания. В исключительных случаях можно изготовить силовой трансформатор самостоятельно. Такие рекомендации можно встретить на страницах старых книг по радиоэлектронике.

 

Но в настоящее время проще найти или купить готовый трансформатор и использовать его для изготовления своего блока питания.

Полный расчёт и самостоятельное изготовление трансформатора для начинающего радиолюбителя довольно сложная задача. Но есть иной путь. Можно использовать бывший в употреблении, но исправный трансформатор. Для питания большинства самодельных конструкций хватит и маломощного блока питания, мощностью 7-15 Ватт.

Если трансформатор приобретается в магазине, то особых проблем с подбором нужного трансформатора, как правило, не возникает. У нового изделия обозначены все его главные параметры, такие как мощностьвходное напряжение,выходное напряжение, а также количество вторичных обмоток, если их больше одной.

Но если в ваши руки попал трансформатор, который уже поработал в каком-либо приборе и вы хотите его вторично использовать для конструирования своего блока питания? Как определить мощность трансформатора хотя бы приблизительно? Мощность трансформатора весьма важный параметр, поскольку от него напрямую будет зависеть надёжность собранного вами блока питания или другого устройства. Как известно, потребляемая электронным прибором мощность зависит от потребляемого им тока и напряжения, которое требуется для его нормальной работы. Ориентировочно эту мощность можно определить, умножив потребляемый прибором ток (Iн на напряжение питания прибора (Uн). Думаю, многие знакомы с этой формулой ещё по школе.

P=Uн * Iн

, где Uн – напряжение в вольтах; Iн – ток в амперах; P – мощность в ваттах.

Рассмотрим определение мощности трансформатора на реальном примере. Тренироваться будем на трансформаторе ТП114-163М. Это трансформатор броневого типа, который собран из штампованных Ш-образных и прямых пластин. Стоит отметить, что трансформаторы такого типа не самые лучшие с точки зрения коэффициента полезного действия(КПД). Но радует то, что такие трансформаторы широко распространены, часто применяются в электронике и их легко найти на прилавках радиомагазинов или же в старой и неисправной радиоаппаратуре. К тому же стоят они дешевле тороидальных (или, по-другому, кольцевых) трансформаторов, которые обладают большим КПД и используются в достаточно мощной радиоаппаратуре.

Итак, перед нами трансформатор ТП114-163М. Попробуем ориентировочно определить его мощность. За основу расчётов примем рекомендации из популярной книги В.Г. Борисова «Юный радиолюбитель».

Для определения мощности трансформатора необходимо рассчитать сечение его магнитопровода. Применительно к трансформатору ТП114-163М, магнитопровод – это набор штампованных Ш-образных и прямых пластин выполненных из электротехнической стали. Так вот, для определения сечения необходимо умножить толщину набора пластин (см. фото) на ширину центрального лепестка Ш-образной пластины.

При вычислениях нужно соблюдать размерность. Толщину набора и ширину центрального лепестка лучше мерить в сантиметрах. Вычисления также нужно производить в сантиметрах. Итак, толщина набора изучаемого трансформатора составила около 2 сантиметров.

Далее замеряем линейкой ширину центрального лепестка. Это уже задача посложнее. Дело в том, что трансформатор ТП114-163М имеет плотный набор и пластмассовый каркас. Поэтому центральный лепесток Ш-образной пластины практически не видно, он закрыт пластиной, и определить его ширину довольно трудно.

Ширину центрального лепестка можно замерить у боковой, самой первой Ш-образной пластины в зазоре между пластмассовым каркасом. Первая пластина не дополняется прямой пластиной и поэтому виден край центрального лепестка Ш-образной пластины. Ширина его составила около 1,7 сантиметра. Хотя приводимый расчёт и являетсяориентировочным, но всё же желательно как можно точнее проводить измерения.

Перемножаем толщину набора магнитопровода (2 см.) и ширину центрального лепестка пластины (1,7 см.). Получаем сечение магнитопровода – 3,4 см2. Далее нам понадобиться следующая формула.

, где S  — площадь сечения магнитопровода; Pтр  — мощность трансформатора; 1,3  — усреднённый коэффициент.

После нехитрых преобразований получаем упрощённую формулу для расчёта мощности трансформатора по сечению его магнитопровода. Вот она.

Подставим в формулу значение сечения S = 3,4 см2, которое мы получили ранее.

В результате расчётов получаем ориентировочное значение мощности трансформатора ~ 7 Ватт. Такого трансформатора вполне достаточно, чтобы собрать блок питания для монофонического усилителя звуковой частоты на 3-5 ватт, например, на базе микросхемы усилителя TDA2003.

 

Вот ещё один из трансформаторов. Маркирован как PDPC24-35. Это один из представителей трансформаторов — «малюток». Трансформатор очень миниатюрный и, естественно, маломощный. Ширина центрального лепестка Ш-образной пластины составляет всего 6 миллиметров (0,6 см.).

Толщина набора пластин всего магнитопровода – 2 сантиметра. По формуле мощность данного мини-трансформатора получается равной около 1 Вт.

Данный трансформатор имеет две вторичные обмотки, максимально допустимый ток которых достаточно мал, и составляет десятки миллиампер. Такой трансформатор можно использовать только лишь для питания схем с малым потреблением тока.

radiodvor.com

РАСЧЕТ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА | Техника и Программы

Классический теоретический расчет трансформатора достаточно сложен Для его выполнения необходимо знать такие характеристики, как магнитная проницаемость используемых для сердечника пластин трансформаторной стали, длина магнитных силовых линий в сердечнике, средняя длина витка обмотки и другие параметры Профессиональному разработчику НИИ все эти параметры известны, так как он обладает сертификатами применяемых в трансформаторе материалов Радиолюбитель же вынужден использовать для трансформатора совершенно случайно попавший к нему сердечник, характеристики которого ему неизвестны

По указанной причине для расчета трансформатора предлагается эмпирический метод, многократно проверенный радиолюбителями и основанный на практическом опыте Расчет элементарно прост и требует лишь знания простейших основ арифметикиПринцип действия трансформатора

Рис 61 Трансформатор: а – общий вид б – условное обозначение

Трансформатор был изобретен П Н Яблочковым в 1876 году Устройство трансформатора показано на рис 61а, а его схематическое обозначение – на рис 616

Трансформатор состоит из стального сердечника и обмоток, намотанных изолированным обмоточным проводом

Сердечник собирается из тонких пластин специальной электротехнической стали для снижения потерь энергии

Обмотка, предназначенная для подключения к сети переменного тока, называется первичной Нагрузка подключается к вторичной обмотке, которых в трансформаторе может быть несколько Номера обмоток обычно проставляются римскими цифрами Часто обмоткам присваивают номера их выводов

Работа трансформатора основана на магнитном свойстве электрического тока При подключении концов первичной обмотки к электросети по этой обмотке протекает переменный ток, который создает вокруг ее витков и в сердечнике трансформатора переменное магнитное поле Пронизывая витки вторичной обмотки, переменное магнитное поле индуцирует в них ЭДС Соотношение количества витков первичной и вторичной обмоток определяет получаемое напряжение на выходе трансформатора Если количество витков вторичной обмотки больше, чем первичной, выходное напряжение трансформатора будет больше напряжения сети Такая обмотка называется повышающей Если же вторичная обмотка содержит меньше витков, чем первичная, выходное напряжение окажется меньше сетевого (понижающая обмотка)

Трансформатор – это пассивный преобразователь энергии Его коэффициент полезного действия (КПД) всегда меньше единицы Это означает, что мощность, потребляемая нагрузкой, которая подключена к вторичной обмотке трансформатора, меньше, чем мощность, потребляемая нагруженным трансформатором от сети Известно, что мощность равна произведению силы тока на напряжение, следовательно, в повышающих обмотках сила тока меньше, а в понижающих – больше силы тока, потребляемого трансформатором от сети

Параметры и характеристики трансформатора

Два разных трансформатора при одинаковом напряжении сети могут быть рассчитаны на получение одинаковых напряжений вторичных обмоток Но если нагрузка первого трансформатора потребляет большой ток, а второго – маленький, значит, первый трансформатор характеризуется по сравнению со вторым большей мощностью Чем больше сила тока в обмотках трансформатора, тем больше и магнитный поток в его сердечнике, поэтому сердечник должен быть толще Кроме того, чем больше сила тока в обмотке, тем более толстым проводом она должна быть намотана, а это требует увеличения окна сердечника Поэтому габариты трансформатора зависят от его мощности И наоборот, сердечник определенного размера пригоден для изготовления трансформатора только до определенной мощности, которая называется габаритной мощностью трансформатора

Количество витков вторичной обмотки трансформатора определяет напряжение на ее выводах Но это напряжение зависит также и от количества витков первичной обмотки При определенном значении напряжения питания первичной обмотки напряжение вторичной зависит от отношения количества витков вторичной обмотки к количеству витков первичной Это отношение и называется коэффициентом трансформации

Если напряжение на вторичной обмотке зависит от коэффициента трансформации, можно ли выбирать количество витков одной из обмоток, например первичной, произвольно Оказывается, нельзя Дело в том, что чем меньше габариты сердечника, тем больше должно быть количество витков каждой обмотки Поэтому размеру сердечника трансформатора соответствует вполне определенное количество витков его обмоток, приходящееся на один вольт напряжения, меньше которого брать нельзя Эта характеристика называется количеством витков на один вольт

Как и всякий преобразователь энергии, трансформатор обладает коэффициентом полезного действия – отношением мощности, потребляемой нагрузкой трансформатора, к мощности, которую нагруженный трансформатор потребляет от сети

КПД маломощных трансформаторов, которые обычно применяются для питания бытовой электронной аппаратуры, колеблется в пределах от 0,8 до 0,95 Более высокие значения имеют трансформаторы большей мощности

Электрический расчет трансформатора

Прежде чем начать электрический расчет силового трансформатора, необходимо сформулировать требования, которым он должен удовлетворять Они и будут являться исходными данными для расчета Технические требования к трансформатору определяются также путем расчета, в результате которого определяются те напряжения и токи, которые должны быть обеспечены вторичными обмотками Поэтому перед расчетом трансформатора производится расчет выпрямителя для определения напряжений каждой из вторичных обмоток и потребляемых от этих обмоток токов Если же напряжения и токи каждой из обмоток трансформатора уже известны, то они и являются техническими требованиями к трансформатору

Для определения габаритной мощности трансформатора необходимо определить мощности, потребляемые от каждой вторичной обмотки, и сложить их, учитывая также КПД трансформатора Мощность, потребляемую от любой обмотки, определяют умножением напряжения между выводами этой обмотки на силу потребляемого от нее тока:

где Р – мощность, потребляемая от обмотки, Вт

U – эффективное значение напряжения, снимаемого с этой обмотки, В

I – эффективное значение силы тока, протекающего в этой же обмотке, А

Суммарная мощность, потребляемая, например, тремя вторичными обмотками, вычисляется по формуле:

Для определения габаритной мощности трансформатора полученное значение суммарной мощности Ps нужно разделить на КПД трансформатора:

где Рг – габаритная мощность трансформатора

η – КПД трансформатора

Заранее рассчитать КПД трансформатора нельзя, так как для этого нужно знать величину потерь энергии в обмотках и в сердечнике, которые зависят от параметров самих обмоток (диаметры проводов и их длина) и параметров сердечника (длина магнитной силовой линии и марка стали) И те и другие параметры становятся известны только после расчета трансформатора Поэтому с достаточной для практического расчета точностью КПД трансформатора можно определить из табл 61

Таблица 61 Определение КПД трансформатора

Суммарная мощность, Вт

10-20

20-40

40-100

100-300

кпд

трансформатора

0,8

0,85

0,88

0,92

Допустим, что нужно рассчитать трансформатор, имеющий три вторичные обмотки со следующими исходными данными:

U, = 6,3 В I, = 1,5 А

U, = 12 В I, = 0,3 А

U3 = 120 ΒΊ3 = 59 мА

Находим суммарную мощность, потребляемую от вторичных обмоток:

Ps = Ιφφ + U,I, + U3I3 = 6,3 x 1,5 + 12 x 0,3 + 120 x 0,059 = 20,13 Вт

Обращаем внимание на то, что при расчете сила тока третьей обмотки, которая в исходных данных указана в миллиамперах, обязательно должна переводиться в амперы: 59 мА = 0,059 А

Из табл 61 находим КПД трансформатора η = 0,85 и определяем его габаритную мощность:

Наиболее распространены две формы сердечника: О-образная (рис, 62а) и Ш-образная (рис, 626) На сердечнике О-образной формы обычно располагаются две катушки, а на сердечнике Ш-образной формы – одна (рис, 63) Зная габаритную мощность трансформатора, находят сечение рабочего керна его сердечника, на котором находится катушка:

Сечением рабочего керна сердечника, как показано на рис, 62, является произведение ширины рабочего керна а и толщины пакета с Размеры а и с выражены в сантиметрах, а сечение – в квадратных сантиметрах

Рис 62 Формы сердечника трансформатора

Рис 63 Расположение катушек на сердечнике

После этого выбирают тип пластин трансформаторной стали и определяют толщину пакета сердечника Сначала находят приблизительную ширину рабочего керна сердечника по формуле:

Затем по полученному значению а производят выбор типа пластин трансформаторной стали из числа имеющихся в наличии и находят фактическую ширину рабочего керна а, после чего определяют толщину пакета сердечника с:

Количество витков, приходящихся на 1 вольт напряжения, определяется сечением рабочего керна сердечника трансформатора по формуле:

где η – количество витков на 1 В

к – коэффициент, определяемый свойствами сердечника

S – сечение рабочего керна сердечника, см2

Из приведенной формулы видно, что чем меньше коэффициент к, тем меньше витков будут иметь все обмотки трансформатора Однако произвольно выбирать коэффициент к нельзя Его значение обычно лежит в пределах от 35 до 60 В первую очередь оно зависит от свойств пластин трансформаторной стали, из которых собран сердечник Для сердечников С-образной формы, витых из тонкой ленты, можно брать к = 35 Если используется сердечник О-образной формы, собранный из П- или Г-образных пластин без отверстий по углам, берут к = 40 Такое же значение к и для пластин типа УШ, у которых ширина боковых кернов больше половины ширины среднего керна Если используются пластины типа Ш без отверстий по углам, у которых ширина среднего керна ровно вдвое больше ширины средних кернов, целесообразно взять к = 45, а если Ш-образные пластины имеют отверстия, то к = 50 Наконец, коэффициент к берется равным 60 при использовании Ш-образных пластин толщиной 0,5 мм с отверстиями, в то время как меньшие значения к соответствуют толщине пластин 0,35 мм Следует заметить, что выбор к в значительной мере условен и им можно в некоторых пределах варьировать, если учесть, что уменьшение к облегчает намотку, но ужесточает режим трансформатора При применении пластин из высококачественной трансформаторной стали этот коэффициент можно немного уменьшать, а при низком качестве стали приходится его увеличивать

Зная необходимое напряжение каждой обмотки и количество витков на 1 В, легко определить количество витков обмотки, перемножив эти величины:

Такое соотношение справедливо только для первичной обмотки, а при определении количества витков вторичных обмоток нужно дополнительно вводить приближенную поправку для учета падения напряжения на самой обмотке от протекающего по ее проводу тока нагрузки:

Коэффициент ш зависит от силы тока, протекающего по данной обмотке (см табл 62)

Если сила тока меньше 0,2 А, можно принимать ш = Е

Толщина провода, которым наматывается обмотка трансформатора, определяется силой тока, протекающего по этой обмотке Чем больше ток, тем толще должен быть провод, подобно тому как для

Сила тока вторичной обмотки, А

0,2-0,5

0,5-1,0

1,0-2,00

2,0-4,0

m

1,02

1,03

1,04

1,06

увеличения потока воды требуется использовать более толстую трубу Дело в том, что от толщины провода зависит сопротивление обмотки Чем тоньше провод, тем больше сопротивление обмотки, следовательно, увеличивается выделяемая на ней мощность и она сильнее нагревается Для каждого типа обмоточного провода существует предел допустимого нагрева, который зависит от свойств эмалевой изоляции Поэтому диаметр провода может быть определен по формуле:

d = pVf,

где d – диаметр провода по меди, мм

I – сила тока в обмотке, А

р – коэффициент (табл 63), который учитывает допустимый нагрев той или иной марки провода

Таблица 63 Выбор диаметра провода

М арка провода

ПЭЛ

ПЭВ-1

ПЭВ-2

ПЭТ

Р

0,8

0,72

0,69

0,65

Выбрав коэффициент р, можно определить диаметр провода каждой обмотки Найденное значение диаметра округляют до большего стандартного

Сила тока в первичной обмотке определяется с учетом габаритной мощности трансформатора и напряжения сети:

Пример электрического расчета

Произведем расчет трансформатора по тем исходным данным, которые были приведены ранее

Находим сечение сердечника трансформатора:

Находим приближенное значение ширины рабочего керна:

Выбираем пластины трансформатора типа Ш-19, для которых а = 1,9 см, и находим толщину пакета:

Фактически полученное сечение рабочего керна сердечника:

Определяем коэффициент к Допустим, что используются пластины трансформаторной стали типа Ш-19 без отверстий по углам Тогда к = 45

Находим количество витков на 1 В:

Определяем количество витков первичной обмотки при питании от сети напряжением 127 В:

а также при питании от сети напряжением 220 В:

Определяем количество витков дополнительной секции первичной обмотки, которую необходимо подключить к обмотке, рассчитанной на 127 В, для питания напряжением 220 В:

Находим из табл 62 коэффициент ш для каждой из вторичных обмоток:

при ф = 1,5 А пр = 1,04

при 12 = 0,3 А ш2 = 1,02

при 13 = 0,059 А ш3 = 1,00

Определяем количество витков каждой из вторичных обмоток с округлением до ближайшего целого числа:

Находим силу тока в первичной обмотке при питании от сети напряжением 127 В:

то же при напряжении сети 220 В:

Находим диаметр провода первичной обмотки для секции, рассчитанной на напряжение 127 В при использовании провода марки ПЭВ-1 (коэффициент р = 0,72 берем из табл 63):

то же для секции на 220 В:

Находим диаметры проводов вторичных обмоток

Для этого составляем схему трансформатора (рис, 64) и таблицу намоточных данных (табл 64), где диаметры проводов по меди выбраны из ближайших больших стандартных значений, а диаметры проводов в изо ляции взяты на 10% больше, чем диаметры проводов по меди

Таблица 64 Намоточные данные трансформатора

Нем ера вы водов

Количество витков, W

Диаметр провода по меди, d, мм

Диаметр провода по изоляции, мм

1-2

970

СО

О

t

СО

О

2-3

710

0,25

0,275

4-5

50

0,9

0,99

6-7

94

0,41

0,45

8-9

917

0,18

0,2

Конструктивный расчет трансформатора

Окно сердечника, предназначенное для размещения катушки с обмотками, имеет размеры, соответствующие толщине катушки b и ее ширине h (рис, 62) Однако не вся площадь окна может быть занята обмотками, необходимо оставить место и для каркаса катушки Кроме того, обмотки нельзя наматывать вплотную к щечкам каркаса, так как это иногда приводит к «проваливанию» витков верхних слоев намотки в пространство, занятое нижними слоями, в результате чего может возникнуть пробой между витками, появятся короткозамкнутые витки и во время работы трансформатора его обмотки сгорят Поэтому в зависимости от конструкции каркаса и толщины материала, из которого он будет изготовлен, а также с учетом расстояния между щечкой каркаса и началом намотки каждого слоя выбираются эффективные размеры окна Ьэ и h

Обмотки трансформатора наматываются рядовой намоткой виток к витку с прокладками между слоями для обеспечения электрической изоляции одного слоя по отношению к соседнему, иначе возникнет пробой между витками обмоток Ведь между началом одного слоя и концом следующего, которые оказываются расположенными один под другим, действует значительное напряжение, соответствующее количеству витков двух слоев намотки и многократно превышающее допустимое напряжение для эмалевой изоляции Поэтому между слоями используются прокладки в виде одного слоя кабельной бумаги толщиной d, а между обмотками – три слоя такой же бумаги Иногда, если прочность электрической изоляции какой-либо обмотки нужно специально увеличить, между этой обмоткой и другими прокладывают дополнительно один или несколько слоев лакоткани

При определении толщины обмотки сначала нужно подсчитать количество витков W , которое можно намотать в одном слое Для этого эффективную ширину окна следует разделить на диаметр провода по изоляции:

Полученный результат округляют до ближайшего меньшего целого числа Затем находят количество слоев η , которое займет обмотка, разделив общее количество ее витков W на количество витков Wc одного слоя:

Полученное значение п,округляют до ближайшего большего целого числа, после чего определяют толщину обмотки t:

где (η – 1) – количество бумажных прокладок между слоями

Для определения толщины катушки нужно сложить значения толщины каждой обмотки и к результату прибавить толщину прокладок между обмотками:

где t, t, t и тд – толщина каждой обмотки d – толщина бумаги для прокладок η – количество обмоток

Полученная толщина катушки Т должна быть меньше, чем эффективный размер окна b Теоретически этого достаточно для вывода: катушка сможет разместиться в окне сердечника Однако на практике существуют некоторые факторы, которые трудно учесть в процессе инженерного расчета Одним из таких факторов является невозможность, а иногда просто неумение намотчика укладывать при намотке витки вплотную один к другому В результате уменьшается количество витков в слое относительно расчетного, а следовательно, увеличивается количество слоев, что ведет к увеличению фактической толщины катушки Кроме того, форма витка обычно не получается прямоугольной, а напоминает эллипс, что также приводит к увеличению толщины катушки Поэтому следует установить некоторый запас по толщине катушки Так, при ручной намотке и низкой квалификации намотчика полученное значение Т должно быть по крайней мере в 2 раза меньше, чем Ьэ Когда намотка производится на станке и квалификация намотчика достаточно высока, Т может быть в 1,2 раза меньше b Если такие соотношения не получаются, необходимо произвести перерасчет трансформатора, увеличив размер окна путем выбора другого типоразмера пластин или увеличив сечение рабочего керна за счет увеличения толщины пакета Это снизит количество витков на 1 В, уменьшится количество витков всех обмоток, и толщина катушки Т станет меньше

Пример конструктивного расчета

Произведем конструктивный расчет трансформатора, который должен следовать за электрическим расчетом, проведенным ранее

Для пластин трансформаторной стали типа Ш-19 размеры окна: b = 17 мм h = 46 мм

Допустим, что каркас катушки выполнен из гетинакса толщиной 0,5 мм Тогда эффективная ширина окна должна быть уменьшена на толщину каркаса, то есть Ьэ = 16,5 мм Эффективная ширина намотки может быть найдена, если из высоты окна h вычесть толщину двух щечек каркаса и двойное расстояние между щечками и крайними витками обмоток, которое можно принять равным 2 мм Тогда Ьэ = 41 мм

Выберем для прокладок между слоями и между обмотками бумагу толщиной d = ОД мм Найдем количество витков в слое для секции первичной обмотки, предназначенной для напряжении сети 127 В:

Находим количество слоев этой обмотки:  и ее толщину:

Количество витков в слое для дополнительной секции, рассчитанной на 220 В:

Количество слоев:

Толщина обмотки:

То же для вторичной обмотки № 1:

Для вторичной обмотки № 2:

Для вторичной обмотки № 3:

Находим толщину катушки трансформатора:

Определим запас размещения катушки в окне сердечника:

Полученный результат позволяет сделать вывод о том, что намотка может быть выполнена вручную при средней квалификации намотчика

Источник: Виноградов Ю А и др, Практическая радиоэлектроника-М: ДМК Пресс – 288 с: ил (В помощь радиолюбителю)

nauchebe.net