Как узнать мощность тороидального трансформатора по габаритам

Принцип работы устройства

Трансформатор — это электротехническое устройство, предназначенное для передачи энергии без изменения её формы и частоты. Используя в своей работе явление электромагнитной индукции, устройство применяется для преобразования переменного сигнала или создания гальванической развязки. Каждый трансформатор собирается из следующих конструктивных элементов:

• сердечника;
• обмотки;
• каркаса для расположения обмоток;
• изолятора;
• дополнительных элементов, обеспечивающих жёсткость устройства.

В основе принципа действия любого трансформаторного устройства лежит эффект возникновения магнитного поля вокруг проводника с текущим по нему электрическим током. Такое поле также возникает вокруг магнитов. Током называется направленный поток электронов или ионов (зарядов). Взяв проволочный проводник и намотав его на катушку и подключив к его концам прибор для измерения потенциала можно наблюдать всплеск амплитуды напряжения при помещении катушки в магнитное поле. Это говорит о том, что при воздействии магнитного поля на катушку с намотанным проводником получается источник энергии или её преобразователь.

В устройстве трансформатора такая катушка называется первичной или сетевой. Она предназначена для создания магнитного поля. Стоит отметить, что такое поле обязательно должно всё время изменяться по направлению и величине, то есть быть переменным.

Классический трансформатор состоит из двух катушек и магнитопровода, соединяющего их. При подаче переменного сигнала на контакты первичной катушки возникающий магнитный поток через магнитопровод (сердечник) передаётся на вторую катушку. Таким образом, катушки связаны силовыми магнитными линиями. Согласно правилу электромагнитной индукции при изменении магнитного поля в катушке индуктируется переменная электродвижущая сила (ЭДС). Поэтому в первичной катушки возникает ЭДС самоиндукции, а во вторичной ЭДС взаимоиндукции.

Количество витков на обмотках определяет амплитуду сигнала, а диаметр провода наибольшую силу тока. При равенстве витков на катушках уровень входного сигнала будет равен выходному. В случае когда вторичная катушка имеет в три раза больше витков, амплитуда выходного сигнала будет в три раза больше, чем входного — и наоборот.

От сечения провода, используемого в трансформаторе, зависит нагрев всего устройства. Правильно подобрать сечение возможно, воспользовавшись специальными таблицами из справочников, но проще использовать трансформаторный онлайн-калькулятор.

Отношение общего магнитного потока к потоку одной катушки устанавливает силу магнитной связи. Для её увеличения обмотки катушек размещаются на замкнутом магнитопроводе. Изготавливается он из материалов имеющих хорошую электромагнитную проводимость, например, феррит, альсифер, карбонильное железо. Таким образом, в трансформаторе возникают три цепи: электрическая — образуемая протеканием тока в первичной катушке, электромагнитная — образующая магнитный поток, и вторая электрическая — связанная с появлением тока во вторичной катушке при подключении к ней нагрузки.

Правильная работа трансформатора зависит и от частоты сигнала. Чем она больше, тем меньше возникает потерь во время передачи энергии. А это означает, что от её значения зависят размеры магнитопровода: чем частота больше, тем размеры устройства меньше. На этом принципе и построены импульсные преобразователи, изготовление которых связано с трудностями разработки, поэтому часто используется калькулятор для расчёта трансформатора по сечению сердечника, помогающий избавиться от ошибок ручного расчёта.

Как рассчитать мощность трансформатора

Чаще всего необходимость расчета мощности трансформатора возникает при работе со сварочной аппаратурой, особенно когда технические характеристики заранее неизвестны.

Мощность трансформатора тесно связана с силой тока и напряжением, при которых аппаратура будет нормально функционировать. Самым простым вариантом расчета мощности будет умножение значения напряжения на величину силы тока, потребляемого устройством. Однако на практике не все так просто, прежде всего из-за различия в типах устройств и применяемых в них сердечников. В качестве примера рекомендуется рассматривать Ш-образные сердечники, получившие наиболее широкое распространение, благодаря своей доступности и сравнительно невысокой стоимости.

Что понадобится для сборки?

Все преобразователи подразделяются на две основные категории – повышающие и понижающие трансформаторы.

В зависимости от предназначения, конструктивных особенностей и места установки их можно разделить на такие категории:

• Силовые трансформаторы;
• Измерительные трансформаторы;
• Импульсные трансформаторы;
• Сварочные трансформаторы;

Практически каждое из вышеперечисленных устройств вы можете воссоздать в домашних условиях. Наиболее простым вариантом является перемотка трансформатора из заводского изделия, так как он уже содержит необходимые элементы. Главное, чтобы первичная обмотка подходила по номиналу питающего напряжения и мощности. Куда хуже, если перематывать нужно обе обмотки, к примеру, если и первичная, и вторичная обмотка пробиты или получили механическое повреждение.

Для изготовления трансформатора своими руками вам понадобятся:

Магнитопровод – служит в качестве проводника магнитного потока, лучше взять из старого трансформатора, так как он изготовлен из электротехнической стали и обеспечивает необходимые параметры работы, характеризуется малыми потерями в железе.

Провода нужного вам сечения в лаковой, полимерной или стеклотканевой изоляции. Чем тоньше этот слой, тем плотнее прилягут витки к каркасу и друг к другу.

Каркас – служит в качестве основания для обмоток трансформатора, устанавливает габариты по ширине. Можно взять из старого трансформатора, а можно изготовить своими руками

Материалом для каркаса может послужить электротехнический картон, гетинакс или текстолит, важно чтобы он не занимал много места в зазоре между сердечником и проводом. Изоляция – предназначена для электрического отделения токоведущих элементов друг от друга и от конструктивных элементов трансформатора

В промышленном производстве используется лакотканевая лента, фторопласт, парафиновая пропитка, но при самостоятельном изготовлении подойдет любой имеющийся у вас материал, главное, чтобы его диэлектрической прочности хватало для напряжения сети

Изоляция – предназначена для электрического отделения токоведущих элементов друг от друга и от конструктивных элементов трансформатора. В промышленном производстве используется лакотканевая лента, фторопласт, парафиновая пропитка, но при самостоятельном изготовлении подойдет любой имеющийся у вас материал, главное, чтобы его диэлектрической прочности хватало для напряжения сети.

Намоточный станок – позволяет упростить процесс и обеспечить постоянное натяжение

Можно изготовить своими руками из ручной дрели или по принципу вертела на двух шарнирах

Важно, чтобы изготовленный станок имел как можно меньший люфт.. Помимо этого вам могут пригодиться: молоток с деревянной пресс-планкой, паяльник для соединения проводов, ножницы, пассатижи

Но перед изготовлением, обязательно рассчитайте параметры трансформатора

Помимо этого вам могут пригодиться: молоток с деревянной пресс-планкой, паяльник для соединения проводов, ножницы, пассатижи. Но перед изготовлением, обязательно рассчитайте параметры трансформатора.

Расчет силового тороидального трансформатора

Перед конструкторами радиоэлектронной аппаратуры часто ставится задача создания таких устройств, которые отличались бы небольшими размерами и минимальным весом. Практика показала, что лучше всего применять трансформаторы с тороидальным магнитопроводом. По сравнению с броневыми сердечниками из Ш-образных пластин тороидальные трансформаторы имеют меньший вес и габариты, а также отличаются лучшими условиями охлаждения обмотки н повышенным КПД. Кроме того, при равномерном распределении обмоток по периметру сердечника практически отсутствует поле рассеяния и в большинстве случаев отпадает необходимость в экранировании трансформаторов.

В связи с тем, что полный расчет силовых тороидальных трансформаторов слишком громоздок и сложен, приводим таблицу 1, с помощью которой радиолюбителю будет легче произвести расчет тороидального трансформатора мощностью до 120 Вт. Точность расчета вполне достаточна дли любительских целей. Расчет параметров тороидального трансформатора, не вошедших в таблицу, аналогичен расчету трансформаторов на Ш-образпом сердечнике. Таблицей 1 можно пользоваться при расчете трансформаторов на сердечниках холоднокатаной стали Э310, Э320, Э330 с толщиной ленты 0,3 — 0,5 мм и стали Э340, Э350, Э360 с толщиной ленты 0,05—0,1 мм при частоте питающей сети 50 Гц. При намотке трансформаторов допустимо применять лишь межобмоточную и наружную изоляции, хотя межслоевая изоляция и позволяет добиться более ровной укладки провода обмоток, из-за различия наружного и внутреннего диаметров сердечника при ее применении неизбежно увеличивается толщина намотки по внутреннему диаметру. Для намотки тороидальных трансформаторов необходимо применять обмоточные провода с повышенной механической и электрической прочностью изоляции. При намотке вручную следует пользоваться проводами ПЭЛШО, ПЭШО (таблица3). В крайнем случае можно применить провод П0В-2. В качестве межобмоточной и внешней изоляции пригодны фторопластовая пленка П0ТФ толщиной 0,01.— 0,02 мм, лакоткань ЛШСС толщиной 0,06-0,12 мм или батистовая лента.

Пример расчета трансформатора. Дано: напряжение питающей сети Uc = 220 В , выходное напряжение Uн = 24 В , ток нагрузки Iн = 1,8 А . 1. Определяют мощность вторичной обмотки: P = Uн·Iн = 24·1,8 = 43,2 Вт. 2. Определяют габаритную мощность трансформатора: Pг = P/η = 43,2/0,92 = 48 Вт, где величину к. п. д. η и другие необходимые для расчета данные выбирают по таблице 1 из нужной графы ряда габаритных мощностей. 3. Находят площадь сечения тороида: Sрасч = √(Pг/1,2) = √(48/1,2) = 5,8 см². 4. Зная площадь сечения подбирают размеры сердечника Dc, dc и hc в таблице 2, чтобы они соответствовали размерам в формуле: S = [( Dc — dc )/2]·hc. Ближайший подходящий стандартный тип сердечника — ОЛ 50/80-40 площадь сечения которого равна: S = [(8 — 5)/2]·4 = 6 см² ( не менее Sрасч ). 5. При определении внутреннего диаметра сердечника должно быть выполнено условие dc ≥ d’c: d’c = √(2,4·S) = √(2,4·6) = 3,8 см² , т.е. неравенство выполняется — 5>3,8. 6. Предположим, что выбран тороид из стали Э320, тогда число витков на вольт определяют по формуле: w1 = 33,3/S =33,3/6 = 5,55 витков/В 7. Находят расчетные числа витков первичной обмотки: W1-1 = w1·Uc = 5,55·220 = 1221 виток, и вторички: W1-2 = w1·Uн = 5,55·24 =133 витка. Так как в тороидальных трансформаторах магнитный поток рассеяния весьма мал, то падение напряжения в обмотках определяется практически лишь их активным сопротивлением, вследствие чего относительная величина падения напряжения в обмотках тороидального трансформатора значительно меньше, чем в трансформаторах стержневого и броневого типов. Поэтому для компенсации потерь необходимо увеличить количество ее витков лишь на 3%: W1-2 = 133·1,03 =137 витков. 8. Определяют диаметр провода первичной обмотки: d1 = 1,13·√(I1/∆), где I1 — ток первичной обмотки трансформатора, определяемый из формулы: I1 = 1,1·(Pг/Uc) = 1,1·(48/220) = 0,24 A. Тогда d1 = 1,13·√(0,24/3,5) = 0,299 мм. Выбирают ближайший диаметр провода в сторону увеличения (0,31 мм). Диаметр провода вторичной обмотки: d2 = 1,13·√(Iн/∆) = 1,13·√(1,8/3,5) = 0,8 мм. Трансформаторы, рассчитанные с помощью приводимой таблицы, после изготовления подвергались испытаниям под постоянной максимальной нагрузкой в течение нескольких часов и показали хорошие результаты .

Инж. Г. Мартынихин. «Радио» 1972г. №3.

Трансформатор тока

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

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

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

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

Методика расчета – пошаговая инструкция

Сам же расчет тороидального трансформатора разделяется на две части:

1. Непосредственно рассчитать мощность тороидального сердечника, чтобы ее определить вы можете получить, при наличии у вас конкретного сердечника, или заданной мощности, то определить размеры будущего трансформатора.
2. Расчет собственно электрической части, которая включает в себя количество витков в обмотках, а также какое сечение будет применяться в обмотках и материал провода.

Расчет сердечника

Его мы произведем по формуле, которая уже включает в себя константы, для упрощения понимания его результатов. Дальше останется подставить в ниже приведенную формулу только переменные значения, а именно:

«P=1,9*Sc*So», где:

• P – это мощность, которую возможно получить, применяя сердечник с таким габаритными размерами
• 1,9 – результат математических действий над всеми константами для данного вида трансформаторов
• Sc- площадь сердечника, единица измерения сантиметры квадратные
• So – площадь отверстия в теле сердечника, в «кв. см.»

Если сделанный трансформатор будет иметь основное назначение – сварка, то размеры его сердечника должны быть адекватными, иначе полученной мощности устройства будет не достаточно для выполнения своих функций. Для примера возьмем следующие значения и применив калькулятор вычислим. «P=1,9*70*70=9310 Ватт»

Определим количество витков первичной обмотки

В первую очередь рассмотрим расчет с единой первичной обмоткой, без регулировки. Для этого сначала выясним, сколько витков обмотки должен иметь тороидальный трансформатор для получения 1 вольта напряжения. Применим следующую формулу. К=35/ Sc, где:

• K – количество витков на 1 вольт напряжения.
• 35 – это константа, которая одинакова для всех типов тороидальных сердечников.
• Sc- площадь сердечника, единица измерения сантиметры квадратные.

Таким образом, если у нас имеется сердечник площадью 70 «кв. см.», то подставив значения в формулу, получим следующую ситуацию. «K=35/70=0,5» витка на каждый вольт, и соответственно объём первичной обмотки узнаем, применив соответствующую формулу. «W1=U1*K», где:

• W1- количество витков в первой обмотке.
• U1 – необходимое напряжение в этой точке.
• K – количество витков на 1 вольт напряжения.

«W1=220*0,5=110» – витков. С учетом того, что мы проводим вычисления для сварочного трансформатора, то примем за рабочее напряжение вторичной равное 35 вольт, тогда исходя из аналогичной формулы, получим. «W2=35*0,5=17,5» – витков.

Расчет сечения применяемых проводов

Чтобы рассчитать необходимые сечения нужно понять какой ток будет через них протекать, это единственный параметр который влияет на толщину используемого материала, итак, вычисление величины тока в обмотках трансформатора: «I пер.=9310 Ватт/220 Вольт=42.3 Ампера» С вторичной обмоткой несколько сложнее, все должно опираться на напряжение дуги и ток сварки. «I свар.=(29 Вольт-14)/0.05=300 Ампер», где 29 вольт среднее значение дуги сварки. Теперь проверяем, возможна ли такая мощность у нашего устройства 300 Ампер*29 Вольт=8700 Ватт.

Это значение вполне укладывается в мощность, которой обладает тороидальный трансформатор, рассчитываемый нами, поэтому 300 Ампер, считаем током вторичной обмотки. Проведя эти нехитрые вычисления, для которых даже не всегда нужен калькулятор, можно перейти к определению сечения проводов и их материала.

Из руководящих документов таких как, например «ПУЭ», известно, что для продолжительной работы требуется 1 квадратный миллиметр сечения меди на каждые 5 ампер тока, а при использовании алюминия 2 ампера. Исходя из этих данных, вычисляем сечение проводов в устройстве для меди:

1. Первичная обмотка=42,3/5=8,46 кв. мм, ближайший стандарт сечения это 10.
2. Вторичная обмотка=300/5=60 кв. мм, выбираем следующее по стандарту сечение в сторону увеличения это 70.

Применяем условие продолжительности нагрузки 40 процентов, так как никто не работает все время под нагрузкой. В этом случае сечение можно уменьшить в два раза, тогда получаем:

1. 8,46/2=4,23 ближайший стандарт сечения -6 кв. мм.
2. 60/2=30 следующий стандарт 35 кв. мм.

Простой способ расчета вторичных обмоток

А теперь о том, как произвести расчет вторичных обмоток, если первичная уже имеется или готова. Использовать можно такой трансформатор 220 на 12 Вольт для светодиодных лент, только обязательно установите стабилизатор напряжения. В противном случае яркость будет непостоянной. Итак, что нужно для расчета? Несколько метров провода и только, наматываете определенное количество витков поверх первичной обмотки. Допустим, вы намотали 10 (а больше и не нужно, этого предостаточно).

Дальше необходимо собрать трансформатор и подключить первичную обмотку к сети через автоматический выключатель (для подстраховки). Ко вторичной обмотке подключаете вольтметр и щелкаете автомат. Смотрите, какое значение напряжения показывает прибор (например, он показал 5 В). Следовательно, каждый виток выдает ровно 0,5 В. А теперь просто ориентируетесь на то, какое напряжение вам нужно получить (в нашем случае это 12 В). Два витка – это 1 Вольт напряжения. А 12 В – это 24 витка. Но рекомендуется взять небольшой запас – около 25 % (а это 6 витков). Потери напряжения никто не отменял, поэтому вторичная обмотка на 12 В должна содержать 30 витков провода.

Особенности импульсных нагрузок

Для приборов несущих импульсную нагрузку применяют специальные трансформаторы. Они способны преобразовать напряжение и силу тока при импульсных нагрузках и выдержать их разрушающее действие. Типы сердечников импульсных трансформаторов по форме не отличаются от других видов приборов.

Наиболее часто магнитопровод изготавливают в виде тора из феррита. На него наматываются обмотки особым способом: в первичной витку укладываются против часовой стрелки, а во вторичной – по часовой.

Такой трансформатор можно изготовить самостоятельно, необходимо только учесть требования сохранения импульса.

Как рассчитать тороидальный трансформатор в домашних условиях

Трансформатор является главным узлом сварочного аппарата независимо от его конструкции. При самостоятельном изготовлении этого элемента возникает много вопросов: Как выбрать форму магнитопровода? Какой требуется намоточный провод? Как сделать расчет необходимого количества витков?

Тороидальный трансформатор имеет ряд преимуществ перед трансформаторами другого типа:

• Равномерное распределение обмоток;
• Снижение массы на 20…30 % при сохранении мощности;
• Сниженные токи Х.Х. в 10…20 раз;
• Высокий К.П.Д;
• Уменьшение полей рассеяния;
• Низкий уровень шума.

Если приложить определенные усилия для создания тороидального трансформатора своими руками, то можно получить свой уникальный набор характеристик устройства, которое удовлетворит все потребности при работе со сваркой. И даже более того – можно учесть текущие реалии нашей действительности такие как, например пониженное напряжение в сети вашего дома.

Используя формулы и методы, приведенные в нашей статье, вы получите практическое пособие по расчету сварочного трансформатора на тороидальном сердечнике.

Намоточный станок своими руками

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

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

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

Конструкция и принцип работы

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

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

Любой трансформатор в своей конструкции содержит следующие компоненты:

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

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

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

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

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

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

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