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

Online калькулятор расчёта геометрических параметров броневого трансформатора

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

Online калькулятор расчёта геометрических параметров стержневого трансформатора

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.

Online калькулятор расчёта геометрических параметров тороидального трансформатора

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 необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБЫВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *