ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Выбор и параметры сердечника трансформатора

Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказывал об определении габаритной мощности трансформатора РГ и об определении коэффициента заполнении окна kок трансформатора. Для выбора трансформатора этих данных недостаточно. Существенное влияние на его параметры оказывают заданные величины, например, напряжение, частота, режим и условия работы. Часто тип трансформатора, его сердечник и обмотки известны изначально, в противном случае их следует выбирать исходя из заданных условий.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Как выбрать тип трансформатора?

Тип трансформатора определяется конструкцией применяемого в нём сердечника. В настоящее время выпускается большое разнообразие сердечников в особенности ферритовых. Но среди них можно выделить три основных типа: стержневой (СТ), броневой (БТ) и тороидальный (ТТ). Остальные же являются, по сути, их модификацией с различными конструктивными особенностями.

Сделать однозначный выбор в пользу того или иного типа невозможно, так как каждый обладает своими достоинствами и недостатками и должен применяться в зависимости от назначения и предъявляемых к нему требований. К трансформаторам могут предъявляться следующие требования и их комбинация: массогабаритные, по стоимости, влияние собственных и внешних магнитных полей, конструктивные факторы и технологичность производства.

основные типы трансформаторов
Основные типы конструкций сердечников трансформаторов: стержневой СТ, броневой БТ и тороидальный ТТ трансформаторы (слева направо).

При условии минимального падения напряжения (∆U) на промышленной частоте (50 Гц) наименьшим объемом обладает БТ, а весом – ТТ. Стержневые трансформаторы несколько уступают броневым (до 10%). При увеличении частоты, по весу – СТ улучшают свои параметры по сравнению с БТ, а по объему – ухудшаться. ТТ при возрастании частоты значительно улучшают массогабаритные показатели. Таким образом, при условии минимального падения напряжения при частоте 50 Гц рекомендуется применение броневых сердечников (БТ), а при повышении частоты следует использовать тороидальные сердечнике (ТТ), если вес и объем играет решающую роль.

Если ключевым требованием к трансформатору является постоянство рабочей температуры (∆T), то здесь рекомендации другие. При малой мощности БТ имеют преимущество, а в остальных случаях следует использовать СТ даже при повышенных частотах. Использование ТТ имеет смысл только на небольших мощностях особенно на повышенных частотах, так как с ростом мощности преимущества по массе и весу сглаживаются, а при больших мощностях (свыше сотен ватт) ТТ начинают уступать как СТ, так и БТ.

В итоге можно сказать, что для трансформаторов небольшой мощности (до 50 Вт) рекомендуется применять БТ и ТТ, а на высоких частотах – ТТ. При мощностях более 50 Вт показатели СТ становятся лучше, чем у БТ, а при мощностях более 250 Вт лучше, чем у ТТ.

Если условием для проектирования трансформатора является наибольшее значение КПД, то на промышленной частоте (50 Гц) лучшие показатели у БТ и СТ в порядке убывания, а на повышенных и высоких – ТТ и БТ, также в порядке убывания. Также стоит отметить, что ТТ обладает наименьшим намагничивающим током, при прочих равных условиях.

На высоких частотах важную роль часто играют магнитные поля рассеяния и восприимчивость к внешним магнитным полям. В этом отношении лучшими показателями отличаются тороидальные трансформаторы (при равномерно распределённой обмотке по сердечнику), а также стержневые трансформаторы (при равном разделении обмотки между стержнями). Собственная емкость у ТТ достаточно высокая по сравнению с БТ и СТ.

С точки зрения технологичности наилучшими показателями обладают БТ и СТ. Из недостатков ТТ здесь можно выделить следующее: необходимость последовательного изготовления сердечника и катушки, а также низкая производительность намотки катушки.

Рекомендуемые области применения различных типов трансформаторов.

Вид трансформатора На штампованных сердечниках На ленточных сердечниках
Низковольтные Малой мощности (до 50 Вт) БТ БТ, СТ
Средней и большой мощности (более 50 Вт) 50 Гц БТ СТ
< 10 кГц БТ СТ, ТТ
> 10 кГц БТ, ТТ ТТ, СТ
Высоковольтные (тысячи вольт) < 10 кГц БТ СТ, ТТ
> 10 кГц БТ, ТТ СТ, ТТ
С высоким потенциалом < 10 кГц БТ, ТТ СТ, ТТ
> 10 кГц ТТ, БТ ТТ, СТ
При необходимости надёжного экранирования ТТ, СТ ТТ, СТ
Примечание. Первым указывается тип трансформатора, применение которого предпочтительней.

Основные размеры трансформатора

Геометрические размеры трансформатора в большинстве случаев являются определяющими для его технико-экономических показателей. Основными размерами катушки трансформатора являются её высота и ширина (толщина), ограниченные размерами сердечника. Для сердечника основными размерами будут: ширина стержня, несущего катушку а; толщина стержня b; ширина окна с и высота окна h.

основные ты трансформаторов
Основные размеры сердечников трансформаторов разных типов.

В технических характеристиках на сердечники и литературе единицей измерения размеров, как правило, является миллиметры мм (mm).

Для упрощения расчётов и некоторой унификации сердечников в отечественной литературе и методиках расчёта был введен так называемый базовый размер. В качестве базового может быть взят один из основных размеров трансформатора. В большинстве случаев в качестве базового размера берётся ширина стержня а. Тогда геометрия сердечника описывается следующими соотношениями

формула

Используя базовый размер а и безразмерные коэффициенты x, y, z можно выразить все геометрические характеристики трансформатора: длины, сечения, поверхности и объёмы. Например, сечение сердечника Sc = ab, а с учетом базового размера Sc = ya2. Объём броневого трансформатора БТ

формула

а с учетом базового размера

формула

то есть геометрические параметры трансформатора с учётом базового размера выражаются формулами типа

формула

где k – может иметь значение от 1 до 3, в зависимости от типа величины (1 – длины; 2 – площади, поверхности, сечения; 3 – объёмы);

φi – функция геометрической характеристики трансформатора, индекс «i» указывает конкретную характеристику.

Характеристика трансформатора Обозначение функции Обозначение характеристики
Длина средней магнитной линии φl lc= φla
Средняя длина витка катушки φw lw= φwa
Сечение сердечника (геометрическое) φs sc= φsa2
Полное сечение (площадь) окна сердечника φok sok= φoka2
Площадь поверхности охлаждения катушки φпк Пк= φпкa2
Площадь поверхности охлаждения сердечника φпс Пс= φпсa2
Объем, занимаемый катушкой φk Vk= φka3
Объем, занимаемый сердечником φс Vс= φсa3

 

Геометрические характеристики трансформатора и их функции.

Функции геометрии не имеют размерности, поэтому с их помощью проще проводить анализ различных типов трансформаторов.

Функции геометрических параметров броневого трансформатора

Итак, начнем c геометрических параметров броневого трансформатора:

— длина средней магнитной линии lc

формула

— средняя длина витка lw

формула

— площадь сечения сердечника sc

формула

— сечение окна сердечника sok

формула

— площадь поверхности охлаждения катушки Пк

формула

— площадь поверхности охлаждения сердечника Пс

формула

— объем занимаемый катушкой Vk

формула

— объем занимаемый сердечником Vc

формула

Функции геометрических параметров стержневого трансформатора

Для геометрических параметров стержневого трансформатора функции имеют вид:

— длина средней магнитной линии lc

формула

— средняя длина витка lw

формула

— площадь сечения сердечника sc

формула

— сечение окна сердечника sok

формула

— площадь поверхности охлаждения катушки Пк

формула

— площадь поверхности охлаждения сердечника Пс

формула

— объем занимаемый катушкой Vk

формула

— объем занимаемый сердечником Vc

формула

Функции геометрических параметров тороидального трансформатора

Ещё одним из основных типов трансформатора является тороидальный, для которого функции геометрии будут следующие:

— длина средней магнитной линии lc

формула

— средняя длина витка lw

формула

— площадь сечения сердечника sc

формула

— сечение окна сердечника sok

формула

— площадь поверхности охлаждения катушки Пк

формула

— площадь поверхности охлаждения сердечника Пс

формула

— объем занимаемый катушкой Vk

формула

— объем занимаемый сердечником Vc

формула

Функции геометрических параметров φ­i широко используются для расчёта электромагнитных нагрузок трансформатора (плотности тока j и индукции В) и его электрического расчета.

Выбор материала сердечника

На данный момент разработано большое количество магнитных материалов, из которых изготавливают сердечники трансформаторов. Основными из них являются:

  1. Электротехнические стали используются на частотах до десятков кГц и имеют индукцию насыщения BS ≤ 2 Тл. На частоте 50 Гц применяется сталь толщиной 0,35 – 0,5 мм, а выше – толщиной 0,05 – 0,15 мм. Например, 3411, 3412, 3421, 3422 и т.д.
  2. Электротехнические сплавы используются на частотах до 100 кГц с индукцией насыщения до 1,5 Тл. Изготавливаются в виде ленты толщиной 0,05 – 0,1 мм. Например, 79НМ, 34НКМП и т.д.
  3. Ферриты применяются в широком диапазоне частот от единиц кГц до единиц МГц с индукцией насыщения до 0,5 Тл. Изготавливаются в виде сердечников различных типов. Например, 1500НМ3, 700НМ, N72, М33 и т.д.
  4. Магнитодиэлектрики имеют незначительную магнитную проницаемость до сотен единиц, а индукцию насыщения и рабочую частоту в широком диапазоне в зависимости от типа:

— карбонильное железо (BS < 2,18 Тл, частота до 100 МГц), например, МР-20, МР-100 и т.д.;

— альсиферы (BS = 0,2 – 0,5 Тл, максимальная частота 20 – 700 кГц), например, ТЧ-90, ВЧ-32 и т.д.;

— пресспермы (BS = 0,5 – 0,8 Тл, частота до 100 кГц), например, МП-60, МП-140, МП-250 и т.д.

Основными параметрами магнитных материалов являются: индукция насыщения BS, остаточная индукция Br, абсолютная магнитная проницаемость μa, удельные потери Руд на единицу объема или массы, коэрцитивная сила Нс, прямоугольность петли гистерезиса Br/BS.

Материал сердечника должен позволять изготавливать сердечники наименьшего объема (высокое значение μa) и обладать минимальными потерями мощности (низкое значение Руд). Но зачастую данные требования противоречивы, поэтому необходимый выбор материала должен основываться на достижении наилучшего значения наиболее важного для изделия параметра. Чаще всего разработчики в качестве основного ограничения выбирают массогабаритные характеристики материала с приемлемыми потерями мощности.

С выбором материала сердечника необходимо определить коэффициент заполнения сердечника kc зависит от вида сердечника. Для прессованных (ферриты, магнитодиэлектрики) kс = 1, а для ленточных и шихтованных зависит от толщины магнитного материала

Толщина ленты, мм 0,35 0,15 0,1-0,08 0,05 0,02
Коэффициент заполнения сердечника, kc 0,93 0,9 0,85 0,75-0,8 0,65-0,7

Для приблизительных расчётов в случае ленточных и шихтованных сердечников можно принимать kс = 0,9.

Оптимальная геометрия сердечника

Трансформаторы проектируют для различных комбинаций электрических параметров и условий эксплуатации. Для этого выпускаются сердечники унифицированных серий по каким-либо параметрам. Однако их применение не всегда возможно, так как унификация охватывает лишь какой-то определённый набор параметров, не всегда удовлетворяющих потребителей. Поэтому перед проектировщиками возникает необходимость использовать сердечник с неунифицированными размерами.

Для изготовления трансформатора с нестандартным сердечником, его геометрию (параметры x, y, z) следует выбирать оптимальной в зависимости от заданных условий и критериев проектирования.

Трансформатором с оптимальной геометрией является трансформатор, для которого обеспечивается его минимальный вес, объем, стоимость. Геометрия трансформатора полностью определяется геометрией сердечника.

Оптимальная геометрия трансформатора может обеспечивать или получать наилучшие технико-экономические показатели при заданных критериях проектирования или же, если размеры сердечника выбраны с запасом, получить минимальные значения ограничивающих факторов проектирования.

Критерии проектирования характеризуют способность трансформатора выполнять свои функции как элемент общей схемы устройства. Для трансформаторов существуют три основных критерия проектирования: допустимый перегрев ∆T, допустимое падение напряжения ∆U и допустимый намагничивающий ток i0. В каждом случае один из критериев окажется самым жестким и определяющим весь ход проектирования и определения электромагнитных нагрузок j(плотность тока в обмотках) и B(магнитная индукция в сердечнике). Таким образом, для каждого критерия проектирования существует своя оптимальная геометрия (параметры x, y, z), при которой обеспечиваются наилучшие технико-экономические показатели.

Ориентировочные рекомендации по выбору оптимальных значений x, y, z для разных типов трансформаторов и условий проектирования приведены ниже.

Оптимальная геометрия для трансформатора наименьшей стоимости

Частота 50 Гц ≥ 400 Гц
Параметры геометрии x y z x y z
БТ ∆U 0,5 2 1,3 0,8 2 1,8
∆T 0,7 2 1,5 1 1,8 1,6
СТ ∆U 0,9 2 1,6 1,3 2 2,5
∆T 0,9 2 1,7 1,4 1,6 2
ТТ ∆U 1,6 1,8 2,3 1,7
∆T 1,3 1,1 1,6 0,6

Оптимальная геометрия для трансформатора наименьшего объёма

Частота 50 Гц ≥ 400 Гц
Параметры геометрии x y z x y z
БТ ∆U 0,5 2 1,5 0,8 2 2
∆T 0,7 2 1,7 1 2 2
СТ ∆U 0,9 2 2,5 1,1 2 3
∆T 1 2 2,5 1,4 2 2,6
ТТ ∆U 2 1,8 2,4 1,8
∆T 1,5 1,3 1,7 0,7

 

Оптимальная геометрия для трансформатора наименьшего веса

Частота 50 Гц ≥ 400 Гц
Параметры геометрии x y z x y z
БТ ∆U 0,6 2 1,6 1 2 2
∆T 0,8 2 1,5 1 2 1,9
СТ ∆U 1 1,8 2,2 1,6 1,6 2,8
∆T 1,1 1,6 2 1,6 1,6 2,3
ТТ ∆U 2 2 3 2
∆T 1,4 1 1,8 0,8

К данным таблицам необходимо сделать ряд примечаний:

  1. Значения параметров геометрии в данных таблицах для критерия ∆T даны для трансформаторов средней мощности (от нескольких десятков до нескольких сотен Вт).
  2. Незначительные вариации значений слабо сказываются на конечном результате.
  3. При использовании медной фольги все значения х необходимо увеличить в 1,3 – 1,5 раз.
  4. Для трансформаторов с неполным заполнением окна при ∆T = const значения х следует увеличивать в 1,2 – 1,4 раза.

Данный рекомендации позволяют спроектировать сердечник для трансформатора и получить некоторый технический и экономический эффект.

 

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

code