Как рассчитать трансформатор

Давайте посмотрим, как рассчитать трансформатор. Начнём с простейшего примера, и если останется время, займёмся чем-нибудь более сложным. Рассмотрим общие вопросы, на которых спотыкаются новички. Дело в том, что трансформатор сама по себе вещь простая, но принцип работы известен далеко не каждому. Сразу скажем, что для расчётов проще всего пользоваться онлайн-калькуляторами или специальными компьютерными программами. Хотя, разумеется, можно взять старенький советский учебник по расчёту трансформаторов и найти там все необходимое.

Как работает трансформатор

Трансформатор преимущественно служит для преобразования параметров сети в нужную форму. Например, для понижения напряжения с 220 до 12 В. В этом случае витков первичной обмотки много и они тонкие, а вторичная обмотка поменьше, но и жила потолще. Дело в том, что мощность трансформатора (с учётом КПД) передаётся полностью. Поэтому при понижении напряжения возрастает на выходе ток. Вы, конечно же, замечали, что если первичная обмотка трансформатора заведена на питание, а к вторичной ничего не подключено, то короткого замыкания не происходит. Но почему – ведь провод же медный? Это происходит ввиду наличия реактивного индуктивного сопротивления у трансформатора.

Принцип работы трансформатора

Принцип работы трансформатора

Любой витой провод начинает, грубо говоря, при протекании переменного тока взаимодействовать сам с собой. За счёт этого напряжение в трансформаторе сдвигается по фазе относительно начального, а сопротивление резко возрастает. И чем выше частота сети, тем эти эффекты более заметны. Если быть ещё точнее, то существует строгая зависимость в этом плане:

R = W L,

где W = 2 П f – круговая частота, а L – индуктивность. П = 3,14 – число Пи, а f – частота сети, выраженная в Гц. Вообще говоря, сопротивление индуктивности трансформатора является чисто мнимой величиной, если пренебречь вкладом медной жилы в активную составляющую. А как мы знаем из теории, такой вектор лежит перпендикулярно оси действительных чисел. Из-за наличия этого чисто мнимого сопротивления и происходит сдвиг фаз между током и напряжением. И равен он приблизительно 90 градусов (зависит от соотношения омического сопротивления проволоки и величины индуктивности).

Вот почему при включении в розетку трансформатора никакого короткого замыкания не случается. Даже при наличии на руках индуктивности в 100 мГн сопротивление получается равным R = 2 х 3,14 х 50 х 100 / 1000 = 31,4 Ом. Это где-то приближённо соответствует току 7 А в сети 220 В. А мощность получается 1,5 кВт. Но на самом деле величина индуктивности может быть значительно выше. Как бы то ни было, чтобы трансформатор на холостом ходу (без нагрузки на вторичной обмотке) не сгорел, его входное сопротивление должно быть по возможности больше. Это мы ещё провели расчёт без учёта активной составляющей. Она складывается с мнимой по правилу прямоугольного треугольника. Гипотенуза и будет искомой величиной. Поскольку величина получается комплексной, то называют её уже не сопротивлением, а импедансом.

Магнитное поле

Магнитное поле

Теперь поговорим о том, что происходит, когда у трансформатора появляется нагрузка. В первичной обмотке возникает магнитное поле. Оно направлено перпендикулярно виткам. Чтобы это поле донести до вторичной обмотки, в трансформаторе применяется так называемый магнитопровод. Вообще говоря, для этих целей годится любая сталь (ферромагнитный материал). Но существует два но:

  1. Обычная сталь имеет свойства перемагничиваться. Причём при этом металл нагревается, забирая энергию магнитного поля. Это считается паразитным эффектом в трансформаторе, поэтому сталь применяется специальная. Так называемая электротехническая. Проще всего достать её из старого трансформатора. Во времена перестройки и развала СССР людям нечего было кушать, и они сдавали медь в больших количествах. За счёт этого магнитопроводы трансформаторов можно было найти едва ли не на каждом углу.
  2. Но состояли они из пластин. Зачем это? Магнитное поле идёт по оси провода. Например, по траектории квадрата. В ходе этого возникают попытки наведения круговых токов в перпендикулярной плоскости. Этот эффект блокируется разбиением единого магнитопровода на изолированные друг от друга пластины, лежащие рядом подобно колоде карт. Для разделения обычно используется специальный лак.
Читайте также:  Как подключить светодиодную ленту

Итак, в одном месте магнитопровода трансформатора намотана первичная обмотка, а в другом – вторичная. Поле идёт по заданной траектории и наводит на выходных витках ЭДС (те самые вихревые токи, но теперь уже полезные). В результате на контактах вторичной обмотки трансформатора появляется напряжение. А как бонус от использования трансформатора возникает гальваническая развязка. То есть трансформатором убирается связь по постоянному току.

В зависимости от числа витков первичной и вторичной обмоток, а также соотношений между ними возникает нужный коэффициент передачи. Выбираются также и сечения провода. Мы уже говорили об этом выше. А теперь пара слов о том, как это все реализовать на практике.

Как собрать трансформатор своими руками

Ищем инструмент для расчёта трансформатора

Особенности расчёта трансформатора

Особенности расчёта трансформатора

Этот вопрос может вызвать улыбку у мастера старой школы, но для современного интернета проблема весьма актуальна. Здесь большинство вебмастеров попросту не знают, как ведётся расчёт трансформатора тока. Поэтому можно найти самые нелепые предложения по этому поводу. Мы решили исследовать сеть на предмет дельных вариантов. Итак, предположим, что перед тем, как сделать простейший трансформатор, нужно найти материал. Бьёмся об заклад, что у большинства читателей под рукой не имеется электротехнической стали. Угадали? А даже если и была бы, нарезать её по результатам расчёта калькулятора может только сам Господь, либо технолог специализированного предприятия. Поэтому придётся расчёт вести с конца:

  • Следует найти как можно больше сформованной электротехнической стали от старого трансформатора.
  • Аккуратно измерить толщину пластин и другие размеры.
  • Прикинуть, какой можно собрать сердечник магнитопровода по форме.

И вот теперь уже думать, чего, как и сколько намотать. Учтите, что встык сердечник собирают редко. При это образуются воздушные зазоры, которые вызывают потери в магнитном поле. Чаще всего пластины кладутся внахлёст. То есть КПД трансформатора напрямую зависит от качества сердечника. А теперь начинаем подбирать инструмент для расчёта. К примеру, заходим сюда http://www.skrutka.ru/sk/tekst.php?id=19. Здесь видим возможность посчитать параметры трансформатора, но без сердечника. Зато можно оценить типичные цифры.

Вот что мы видим:

  1. Мощность задаётся косвенно через ток во вторичной обмотке. Через это можно посчитать ватты, если умножить на напряжение. Что и сделано ниже, в результатах.
  2. Даётся индуктивность сердечника… а что это? Мы полагаем, что какой-то недосмотр. Проще говоря, ошибка.

Итак, онлайн-калькуляторам верить можно далеко не всегда. Тем не менее, взяв для основы расчёта вот этот ресурс http://energo-novgorod.ru/calcs/calc-trans/, мы видим примерно тот же результат. Но имеется и отличие. Чему верить? Вот первый нюанс современного мира – никто не объясняет свои предпосылки и не гарантирует результат. А перематывать бы не хотелось. Но второй ресурс, видимо, не учитывает КПД, зато даёт возможность выбрать параметры сердечника. А это значит, что для наших целей он подходит больше. В этом смысле остаётся только проверить доводы авторов. А для этого нужно поискать ещё программу или калькулятор.

По всем приметам указанный ресурс является урезанным вариантом вот этого http://astar3.ucoz.ru/index/0-6. Здесь объясняется, что для приведённого размера магнитопровода и напряжений подбираются идеальные параметры. Вот почему нет никакой возможности выбрать мощность. Это не очень удобно, но зато мы имеем возможность понять, годится ли найденный нами сердечник вообще для наших целей, или нужно нечто принципиально иное.

Читайте также:  Как подключить датчик движения к лампочке

Нами в конце концов была найдена программа Trans50Hz в рабочем варианте. Потому что в сети очень много её урезанных версий. Ниже мы помещаем скрин приложения, а адрес, где её можно скачать для личного пользования, следующий: http://audio-cxem.ru/programmyi/raschet-transformatorov/programma-dlya-rascheta-silovyih-transformatorov-s-chastotoy-50-gts-trans50hz-3700.html. Это достаточно важная информация, потому что в сети достаточно много неработающих вариантов и бестолковых приложений. Мы даже не полагали до этого поиска, что вопрос о том, как рассчитать мощность трансформатора и его параметры, может быть таким сложным. До этого неоднократно попадались заметки на эту тему, но дотошно не проверялись.

Расчёты в Trans50Hz

Расчёты в Trans50Hz

Ведём сборку трансформатора

Снабдив наших читателей подобной информацией, мы теперь полностью спокойны. Добавим, что интерфейс приложения предлагает выбрать один из пяти доступных вариантов сердечника. Таким образом, у читателей имеется некоторый выбор.

Во-первых, нужно подобрать лак. А перед этим очистить пластины от ржавчины. Как? Для этого подходят самые разные методики, быть может, придётся перепробовать несколько. Обратите свои взоры на средства для борьбы с накипью. Это могут быть лимонная или уксусная кислоты, специальный descaler для чайников, а также и многое другое. Средства для очистки монет также вполне подходят, а некоторые используют для тех же целей Комет (куда обычно входит лимонная кислота). В некоторых случаях будет полезно воспользоваться шкуркой, болгаркой, шлифовальным диском. Главное, чтобы броневые пластины были очищены, вот ещё несколько способов:

  1. Сок лайма смешать с солью, вымачивать сталь.
  2. Сода и щётка иногда помогают справиться с проблемой.
  3. Намылить сталь и положить сверху свежего резаного картофеля на часок-другой.
  4. Кило щавелевой кислоты идёт по цене 890 рублей. Этот реактив также пригоден для очистки стали.
  5. Для особо настырных можно порекомендовать ортофосфорную кислоту или средство для очистки бензобака авто. Риска в этом случае меньше, а возможность получить результат больше, нежели в борьбе с капризами иномарки. Такие средства часто называют преобразователями ржавчины. Найдёте в магазине для автолюбителей.

Самое главное – промойте как следует детали после окончания операции. Дальше нужно будет поработать с лаком, поэтому нужна идеальная чистота. Любители рекомендуют ПФ-238. Суть в том, чтобы в лаке не было ацетона. Потому что в будущем это может повредить изоляцию проводов. Она тоже лаковая и растворяется именно ацетоном. Сообразно этому и выбирайте лак для конструирования сердечника. Лак КО 916 идёт по цене порядка 330 рублей за кг. Ходят слухи, что для сборки стальных пластин магнитопровода трансформатора он подходит прямо-таки идеально.

А как вести намотку? Это зависит от формы сердечника. Если взять типичный прямоугольник с одной перемычкой по центру (пластины Ш), то можно расположить первичную обмотку над вторичной. При этом желательно, чтобы высота после окончания операции была равномерной. Для этого можно примерно оценить этот параметр по числу витков и их сечению. Провод обычно берётся с лаковой изоляцией, как мы уже говорили выше. К примеру, программа Trans50Hz предлагает использовать марку ПЭТ-155 по умолчанию. Вы же можете полистать listBox (выпадающий список) на предмет других вариантов.

Нет ничего проще, таким образом, нежели как выбрать трансформатор по своему вкусу и предпочтению. Наконец, неплохо бы ознакомиться с существующими типоразмерами проводов. Для этого нужно найти ГОСТ на них или зайти на сайт производителя и пробежаться по прайсу. Это позволит более точно подобрать нужные параметры. А мы на этом обзор заканчиваем, настоятельно рекомендуем посмотреть, как производится установка трансформаторов тока. Изготовление ведётся по тому же принципу, но нужно правильно включить своё устройство в сеть.