Процесс использования электроэнергии в хозяйственной практике складывается из трёх основных этапов:
- генерирование;
- передача от источников генерации к потребителям;
- использование потребителями электроэнергии на местах.
- На каждом из этих этапов оптимальны свои параметры напряжений:
- генераторы электростанций в зависимости от типа 6,3-36,75 кВ;
- передача электроэнергии по магистральным электросетям в зависимости от требуемой мощности 110-750 кВ;
- промышленные и бытовые электросети 380-220 В;
- питание систем бытовых электрических и электронных устройств от нескольких Вольт до десятков Вольт.
Электромагнитным устройством, обеспечивающим преобразование напряжения и тока из одних величин к другим, является силовой трансформатор. Схематическое изображение трансформатора показано на Рисунке 1.
Трансформаторы отличаются друг от друга как по типам, так и по размерам. Внешний вид одного из типов силовых трансформаторов показан на Рисунке 2.
Профессиональный расчёт силовых трансформаторов достаточно сложен и трудоёмок. Он требует учёта многих факторов: диапазона напряжений, свойств применяемых материалов, геометрической конфигурации элементов устройства, требуемых режимов работы, теплового баланса и многого, многого другого, что необходимо для обеспечения экономичности, безопасности, долговечности.
В данной статье мы коснёмся упрощённых методов расчёта, достаточных для определения основных параметров трансформаторов единичного, непромышленного, изготовления трансформаторов любительских устройств.
Основные характеристики трансформатора для упрощённого расчёта
Характеристики, необходимы для выполнения упрощённого расчёта, следующие:
- напряжения первичной и вторичной обмоток U1, U2;
- токи первичной и вторичной обмоток I1, I2;
- мощность вторичной обмотки трансформатора P2=I2*U2=Pвых;
- площадь поперечного сечения сердечника Sс;
- площадь поперечного сечения окна Sо;
- рабочая частота трансформатора f = 50Гц.
Геометрию сердечника трансформатора можно определить из конфигураций наиболее распространённых форм. (см. Рис.3).
Sс и Sо определяются следующим образом:
- тороидальная конфигурация: Sс=H*(D-d)/2, Sо=πd^2/4;
- Ш и П конфигурация: Sс=a*b, Sо=h*c;
Габаритная мощность сердечника
Этот параметр определяется способностью поддерживать магнитные потоки необходимой величины вне зоны магнитного насыщения.
Габаритная мощность сердечника вычисляется из следующей зависимости:
В данной методике следует всегда принимать следующее условие:
Pгаб>P2
КПД трансформатора
КПД трансформатора, η, является важнейшим параметром для определения габаритной мощности сердечника трансформатора Pгаб. Величину η нужно брать из Таблицы1 по параметру Pвых=I2*U2. Если трансформатор имеет несколько вторичных обмоток, то считается Pвых каждой, после чего они суммируются.
Магнитная индукция В
Магнитную индукцию B нужно брать из Таблицы 2. Она определяется конфигурацией магнитопровода и Pвых.
Плотность тока J
Плотность тока в проводе обмоток нужно брать из Табл.3 в зависимости от конфигурации магнитопровода и Pвых.
Коэффициент заполнения окна сердечника медью Km
Коэффициент заполнения окна сердечника медью Km нужно брать из Таблицы 4 по конфигурации магнитопровода, рабочего напряжения U2 и Pвых.
Коэффициент заполнения сечения сердечника сталью Kc
Коэффициент заполнения сечения сердечника сталью Kc нужно брать из Таблицы 5. В случае изоляционного покрытия пластин сердечника лаком или фосфатной плёнкой нужно выбирать значения в скобках.
Ещё раз заметим, что при расчёте по этой методике необходимо выполнять требование: Pгаб ≥ P2.
В ином случае при расчёте необходимо уменьшить ток или напряжение вторичной обмотки.
После вычисления Pгаб определим напряжение одного витка u1 из следующей зависимости:
Магнитную индукцию B нужно брать из Таблицы2, ориентируясь на конфигурацию магнитопровода и Pвых.
Число витков первичной обмотки определим из зависимости:
W1= U1/u1
Число витков в трансформаторе любой из вторичных обмоток определим из зависимости:
Здесь W1 – количество витков первичной обмотки.
Мощность, потребляемую трансформатором от сети с учётом потерь, определим из зависимости:
P1 = Pвых / η
Ток в первичной обмотке определим из зависимости:
I1=P1/U1
Диаметры проводов обмоток трансформатора в миллиметрах определим из зависимости:
d=0,632*√I
Где I – соответственно токи первичной и вторичных обмоток в амперах.
Приведенная в данной статье методика расчёта позволяет подобрать параметры работоспособных силовых трансформаторов под те или иные задачи индивидуальных пользователей. Например, для питания бытовых электрических или электронных устройств, любительских радиосхем, самодельных игрушек или моделей, разного рода самодельного электроинструмента. Но, с другой стороны, учитывая упрощённость изложенного метода расчёта, необходимо отметить, что подбор параметров по этой статье не обеспечивает трансформатору экономичность, надёжность и безопасность эксплуатации во всех возможных режимах работы.