Полная мощность трансформатора: что это, из каких частей состоит, методика расчета

Теория и история

Латинское слово transformare переводится на русский язык как «превращение». Трансформатор предназначен для изменения уровня входного напряжения на определенную величину. Устройство состоит из одной или нескольких обмоток на замкнутом магнитопроводе. Катушки намотаны из алюминиевого или медного провода. Сердечник набирается из пластин с высокими ферромагнитными свойствами.

Первичная обмотка подключена к сети переменного тока. Во вторичной обмотке включается устройство, для которого требуется напряжение другой величины.

После подключения к силовому трансформатору в магнитопроводе возникает замкнутый магнитный поток, который наводит в каждой катушке переменную ЭДС. Закон Фарадея гласит, что ЭДС равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через электромагнитную цепь. Знак минус указывает на противоположные направления магнитного поля и ЭДС.

Формула e = − n (∆Ф ∕ ∆ t) объединяет следующие понятия:

• Электродвижущая сила e, выраженная в вольтах.
• Число витков девять индуктора.
• Магнитный поток F, единица измерения которого называется вебером.
• Время t, необходимое для одной фазы изменения магнитного поля.

Учитывая незначительность потерь в дросселе, ЭДС приравнивают к напряжению в обмотке. Отношение между напряжениями в первичной и вторичной обмотках равно отношению между числом витков в двух катушках. Отсюда выводится формула трансформатора:

K ≈ U ₁ ∕ U ₂ ≈ n ₁ ∕ n ₂.

 

Коэффициент К всегда больше единицы. В трансформаторе изменяются только напряжение и ток. Перемножаясь друг с другом, они определяют мощность юнита, постоянную величину для конкретного юнита. Зависимость между током и напряжением в обмотках выявляется формулой:

K = n₁ ∕ n₂ = I ₂ ∕ I₁ = U₁ ∕ U₂.

Другими словами, во сколько раз напряжение во вторичной обмотке уменьшается по отношению к напряжению в первичной обмотке, во столько раз ток во вторичной обмотке больше, чем ток в первичной обмотке. Различное напряжение устанавливается количеством витков в каждой катушке индуктивности. Формула, описывающая К-фактор, объясняет, как рассчитать трансформатор.

Трансформатор предназначен для работы в цепи переменного напряжения. Постоянный ток не индуцирует ЭДС в магнитопроводе и электрическая энергия не передается на другую обмотку.

Еще в 1822 году Фарадей был озабочен идеей, как превратить магнетизм в электрический ток. Годы исследований привели к созданию серии статей, описывающих физическое явление электромагнитной индукции. Фундаментальная работа была опубликована в научном журнале английского Королевского общества.

Суть опытов заключалась в том, что исследователь наматывал два отрезка медной проволоки на железное кольцо. К одной из катушек подавался постоянный ток. Гальванометр, подключенный к контактам другой обмотки, зафиксировал кратковременное появление напряжения. Для восстановления индукции экспериментатор выключал источник питания и вновь замыкал контакты батареи.

Работа Майкла Фарадея была высоко оценена научным сообществом Великобритании. В 1832 году физик получил престижную награду. За выдающиеся работы в области электромагнетизма ученый был награжден медалью Копли.

Однако устройство, собранное Фарадеем, все же сложно назвать трансформатором. Устройство, которое фактически преобразовывало напряжение и ток, было запатентовано в Париже 30 ноября 1876 г. В 80-х годах позапрошлого века во Франции жил автор изобретения и конструктор трансформатора П. Н. Яблочков. В то же время выдающийся русский инженер-электрик представил миру прототип прожектора — «свечу Яблочкова».

Обмотки трансформатора

Эти витки провода в трансформаторе называются обмотками. В основном обмотки состоят из лакированного медного провода. Такой провод находится в лаковой изоляции, поэтому провода в обмотке не замыкаются между собой. Такой провод обмотки трансформатора выглядит примерно так.

Может иметь разный диаметр. Все зависит от того, на какую нагрузку рассчитан тот или иной трансформатор.

Простейший однофазный трансформатор имеет две такие обмотки.

Обмотка, на которую подается напряжение, называется первичной обмоткой. В народе его еще называют «первичным». Обмотка, с которой уже снято напряжение, называется вторичной или «вторичной”.

Чтобы узнать, где первичная обмотка, а где вторичная, достаточно посмотреть на шильдик трансформатора.

I/P: 220M50Hz (КРАСНЫЙ-КРАСНЫЙ) — это говорит нам о том, что два красных провода — это первичная обмотка трансформатора, на которую мы подаем сетевое напряжение 220 вольт. Почему я считаю его первичным? I/P — означает InPut, что переводится как «ввод”.

O/P: 12В 0,4А (ЧЕРНЫЙ, ЧЕРНЫЙ) — вторичная обмотка трансформатора с выходным напряжением 12 Вольт (OutPut). Максимальный ток, который этот трансформатор может отдать в нагрузку, составляет 0,4 Ампер или 400 мА.

Принцип работы устройства

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

• основной;
• обмотки;
• рамка для расположения обмоток;
• изоляция;
• дополнительные элементы, обеспечивающие жесткость устройства.

Принцип работы любой трансформаторной установки основан на эффекте возникновения магнитного поля вокруг проводника с протекающим по нему электрическим током. Такое поле возникает и вокруг магнитов. Ток представляет собой направленный поток электронов или ионов (зарядов).

Взяв проволочный проводник, намотав его на катушку и подключив к концам прибор для измерения потенциала, можно наблюдать увеличение амплитуды напряжения при помещении катушки в магнитное поле. Это говорит о том, что при приложении магнитного поля к катушке с намотанным проводником получается источник энергии или ее преобразователь.

В трансформаторном блоке такая катушка называется первичной или сетевой катушкой. Он предназначен для создания магнитного поля. Стоит отметить, что такое поле обязательно должно все время изменяться по направлению и размеру, то есть быть переменным.

Классический трансформатор состоит из двух катушек и соединяющей их магнитной цепи. При подаче переменного сигнала на контакты первичной катушки возникающий магнитный поток передается через магнитопровод (сердечник) на вторую катушку.

Таким образом, катушки связаны магнитными силовыми линиями. Согласно закону электромагнитной индукции, при изменении магнитного поля в катушке индуцируется переменная электродвижущая сила (ЭДС). Поэтому в первичной обмотке возникает ЭДС самоиндукции, а во вторичной ЭДС взаимной индукции.

Количество витков на обмотках определяет амплитуду сигнала, а диаметр провода определяет максимальный ток. При равных витках катушек 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 входного — и наоборот.

Нагрев всего агрегата зависит от сечения провода, используемого в трансформаторе. Выбрать нужный раздел можно с помощью специальных таблиц из энциклопедий, но проще воспользоваться онлайн-калькулятором-трансформером.

Отношение полного магнитного потока к потоку катушки определяет прочность магнитной связи. Для его увеличения обмотки катушек размещены на замкнутом магнитопроводе. Изготавливается из материалов с хорошей электромагнитной проводимостью, например феррита, альцифера, карбонильного железа.

Таким образом, в трансформаторе возникают три цепи: одна электрическая, образованная током в первичной обмотке, одна электромагнитная, образующая магнитный поток, и другая электрическая, связанная с появлением тока во вторичной обмотке при подключении нагрузки к этому.

Корректная работа трансформатора также зависит от частоты сигнала. Чем он больше, тем меньше потерь при передаче энергии. А это значит, что размеры магнитопровода зависят от величины: чем выше частота, тем меньше размеры устройства.

По такому принципу строятся импульсные преобразователи, производство которых связано с трудностями освоения, поэтому для расчета трансформатора по сечению сердечника часто используют калькулятор, помогающий избавиться от ошибок ручного расчета.

Назначение и функциональность

Итак, какова функция трансформатора?

1. Это снижение напряжения до требуемых параметров.
2. С его помощью снижается гальваническая развязка сети.

Что касается второй функции, то необходимо дать пояснения. Обе обмотки (первичная и вторичная) трансформатора тока напрямую друг с другом не связаны. Это означает, что сопротивление устройства фактически должно быть бесконечным. Это на самом деле идеально. Связь обмоток происходит через магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой. Вот такой сложный функционал.

Как измерить диаметр провода

Если у вас дома есть микрометр, вы можете измерить им диаметр провода.

Сначала провод лучше нагреть в пламени спички и только потом снимать скальпелем ослабевшую изоляцию. Если этого не сделать, часть меди может быть удалена вместе с изоляцией, что снизит точность измерения, особенно для тонкого провода.

Если нет микрометра, можно использовать обычную линейку. Необходимо намотать на кончик отвертки или на другую подходящую ось 100 витков провода, зажать витки гвоздем и закрепить полученный набор на линейке. Разделив результат на 100, получим диаметр провода с изоляцией. Диаметр провода для меди вы можете узнать из таблицы ниже.

Пример.

Намотал 100 витков резьбы и получил длину набора -39мм.

39/100 = 0,39 мм

По таблице определяю диаметр проволоки для меди — 0,35 мм.

Расчёт параметров прибора

Иногда в руки электрика попадает устройство без описания его технических характеристик. Затем специалист определяет мощность трансформатора по сечению магнитопровода. Площадь поперечного сечения находится путем умножения ширины и толщины сердечника. Полученное число возводится в квадрат. В результате будет указана примерная мощность устройства.

Желательно, чтобы площадь магнитопровода немного превышала расчетное значение. В противном случае тело сердечника попадет в область насыщения магнитного поля, что вызовет падение индуктивности и сопротивления катушки. Этот процесс повысит уровень прохождения тока, что приведет к перегреву и поломке устройства.

Практический расчет силового трансформатора не займет много времени. Например, перед домашним мастером стоит задача осветить рабочую зону в гараже. В помещении имеется бытовая розетка 220 В, к которой необходимо подключить светильник с лампой мощностью 40 Вт на 36 В. Необходимо рассчитать технические параметры понижающего трансформатора.

Определение мощности

При работе устройства потери тепла неизбежны. При нагрузке, не превышающей 100 Вт, КПД равен 0,8. Истинная необходимая мощность трансформатора Р1 определяется делением мощности лампы Р₂ на КПД:

P₁ = P₂ ∕ μ = 40 ∕ 0,8 = 50

Округление сделано. В результате получается 50 Вт.

Вычисление сечения сердечника

Размеры магнитопровода зависят от мощности трансформатора. Площадь поперечного сечения определяется следующим образом.

S = 1,2∙√P₁ = 1,2∙ 7,07 = 8,49

Сечение жилы должно иметь площадь не менее 8,49 см².

Расчёт количества витков

Площадь магнитопровода помогает определить количество проводов на 1 вольт напряжения:

n = 50/S = 50/8,49 = 5,89.

Разность потенциалов в один вольт будет соответствовать 5,89 виткам провода вокруг сердечника. Следовательно, первичная обмотка с напряжением 220 В состоит из 1296 витков, а вторичная потребуется 212 витков.

Во вторичной обмотке происходит потеря напряжения из-за активного сопротивления провода. В результате специалисты рекомендуют увеличить количество витков в выходной катушке на 5-10%. Исправленное количество витков будет 233.

Токи в обмотках

Следующим шагом является нахождение тока в каждой обмотке, который рассчитывается путем деления мощности на напряжение. После несложных расчетов желаемый результат достигается.

В первичной обмотке I₁ = P₁ ∕ U₁ = 50 ∕ 220 = 0,23 ампер, а во вторичной обмотке I₂ = P₂ ∕ U₂ = 40 ∕ 36 = 1,12 ампер.

Диаметр провода

Расчет обмоток трансформатора завершается определением толщины провода, сечение которого рассчитывается по формуле: d = 0,8 √I. Слой изоляции не учитывается. Проводник входной катушки должен иметь диаметр:

d₁ = 0,8 √I₁ = 0,8 √0,23 = 0,8 ∙ 0,48 = 0,38.

Для намотки выходной обмотки потребуется провод диаметром:

d₂ = 0,8 √I₂ =0,8 √1,12 = 0,8 ∙ 1,06 = 0,85.

Измерения указаны в миллиметрах. После округления получается, что первичная обмотка намотана проводом толщиной 0,5 мм, а для вторичной обмотки подходит провод 1 мм.

Преимущества онлайн калькулятора

В результате расчета трансформатора онлайн получаются выходные параметры в виде мощности, силы тока в амперах, количества витков и диаметра провода в первичной и вторичной обмотках.

Существуют формулы, позволяющие быстро выполнять расчеты трансформатора. Однако они не дают полной гарантии от ошибок в расчетах. Чтобы избежать подобных проблем, используется программа онлайн-калькулятор.

Полученные результаты позволяют проектировать трансформаторы на различные воздействия и напряжения. С помощью калькулятора проводятся не только расчеты трансформаторов. Это возможность изучить его структуру и основные функции.

Запрошенные данные вносятся в таблицу и остается только нажать нужную кнопку.

Благодаря электронному калькулятору вам не нужно выполнять никаких самостоятельных расчетов. Полученные результаты позволяют перемотать трансформатор своими руками.

Большинство необходимых расчетов выполняются в соответствии с размерами сердечника. Калькулятор максимально упрощает и ускоряет все расчеты.

Вы можете получить необходимые пояснения из инструкций и четко следовать их инструкциям в будущем.

Конструкция магнитопроводов трансформаторов представлена ​​тремя основными вариантами — бронированными, стержневыми и тороидальными. Другие модификации встречаются гораздо реже. Для расчета каждого типа необходимы исходные данные в виде частоты, входного и выходного напряжения, выходного тока и размеров для каждого магнитопровода.

Типовой расчёт параметров

Довольно часто радиолюбители используют упрощенную методику при расчете трансформатора. Это позволяет выполнять расчеты дома, не используя величины, которые трудно узнать. Но проще воспользоваться готовым онлайн-калькулятором для расчета трансформатора. Для использования такого калькулятора необходимо знать некоторые данные, а именно:

• напряжение первичной и вторичной обмоток;
• основные размеры;
• толщина пластины.

После их ввода нужно нажать на кнопку «Рассчитать» или аналогичную по названию и дождаться результата.

Стержневой тип магнитопровода

При отсутствии возможности посчитать на калькуляторе такую ​​операцию несложно выполнить самостоятельно и вручную. Для этого нужно определить напряжение на выходе вторичной обмотки U2 и необходимую мощность Po. Расчет следующий:

После завершения первого шага переходите к следующему шагу расчета. Число витков в первичной обмотке находится по формуле: K1 = 50*U1/S. А количество витков вторичной обмотки определяется выражением К2=55*U2/S, где:

• U1 — напряжение первичной обмотки, В.
• S – площадь сердечника, см².
• К1, К2 — количество витков в обмотках, шт.

Осталось рассчитать диаметр намотанной проволоки. Он равен D = 0,632*√I, где:

• d — диаметр проволоки, мм.
• I — ток обмотки расчетной катушки, А.

При выборе магнитопровода следует соблюдать отношение ширины сердечника к его толщине 1 к 2. В конце расчета проверяют покрытие, т.е подойдет ли обмотка к каркасу. Для этого площадь окна рассчитывается по формуле: So = 50*Pt, мм2.

Читайте также: Расключение электрического щитка своими руками: схемы + пошаговый инструктаж по сборке

Расчет сетевого трансформатора

• Если у вас есть конкретный сердечник трансформатора, из которого вы хотите сделать трансформатор, вам необходимо измерить сердечник (как показано на рисунке), а также измерить толщину пластины или ленты.
• Первым делом рассчитывают площадь поперечного сечения сердцевины – Sc (см²) и площадь поперечного сечения окна – So (см²).
• Для тороидального трансформатора:

• Sc=H*(Dd)/2
• S0= π * d2/ 4

Для Ш- и П-образного сердечника:

Определим суммарную мощность нашего ядра на частоте 50 Гц:

• н — КПД трансформатора,
• Sc — площадь поперечного сечения жилы, см2,
• То же площадь поперечного сечения окна, см2,
• f — рабочая частота трансформатора, Гц,
• В — магнитная индукция, Тл,
• j — плотность тока в проводе обмотки, А/мм2,
• Km – коэффициент заполнения окна сердцевины медью,
• Kc – коэффициент заполнения сердечника сталью.

При расчете трансформатора необходимо учитывать, что общая мощность трансформатора должна быть больше расчетной электрической мощности вторичных обмоток.

Первые исходные данные для упрощенного расчета:

• первичное напряжение U1
• напряжение вторичной обмотки U2
• вторичный ток l2
• мощность вторичной обмотки Р2 = I2 * U2 = Рвых
• площадь поперечного сечения жилы Sc
• площадь поперечного сечения окна So
• рабочая частота трансформатора f = 50 Гц

КПД (η) трансформатора можно взять из таблицы при условии, что Pвых = I2 * U2 (где I2 — ток во вторичной обмотке, U2 — напряжение вторичной обмотки), если вторичных обмоток несколько в трансформаторе, который считается Pвых каждый, а затем добавил те.

Б — магнитная индукция выбирается из таблицы в зависимости от конструкции магнитопровода и Рвых.

j — плотность тока в проводе обмотки, также выбираемая в зависимости от конструкции магнитопровода и Pвых.

Km – коэффициент заполнения окна сердцевины медью

Kc – коэффициент заполнения сердечника сталью

В скобках указаны коэффициенты заполнения для пластинчатых заполнителей, когда ламинаты изолированы лаком или фосфатной пленкой.

При первом расчете необходимо соблюдать условие — Ргаб ≥ Рвых, если это условие не выполняется, при расчете уменьшают ток или напряжение вторичной обмотки.

После того, как вы определились с общей мощностью трансформатора, можно приступать к расчету напряжения на виток:

1. где Sc — площадь поперечного сечения сердечника, f — рабочая частота (50 Гц), B — магнитная индукция выбирается из таблицы в зависимости от конструкции магнитопровода и Pвых.
2. Теперь определяем количество витков первичной обмотки:
3. w1=U1/u1
4. где U1 — напряжение первичной обмотки, u1 — напряжение одного витка.
5. Число витков каждой из вторичных обмоток находится из простой пропорции:

• где w1 — число витков первичной обмотки, U1 — напряжение первичной обмотки, U2 — напряжение вторичной обмотки.
• Определим мощность, потребляемую трансформатором из сети с учетом потерь:
• Р1 = Рut / η
• где η — КПД трансформатора.
• Определить силу тока в первичной обмотке трансформатора:
• I1 = P1/U1
• Определяем диаметр проводов обмоток трансформатора:
• д = 0,632*√I
• где d — диаметр провода, мм, I — ток обмотки, А (для первичной и вторичной обмоток).

Расчёт трехфазного трансформатора

Изготовление трехфазного трансформатора и его точный расчет – более сложный процесс, так как первичная и вторичная обмотки уже состоят из трех витков. Это разновидность силового трансформатора, магнитопровод чаще всего выполнен стержневым методом. Здесь уже появляются такие понятия, как фазное и линейное напряжения.

Линейная измеряется между двумя фазами, а фаза между фазой и землей. Если трехфазный трансформатор рассчитан на 0,4 кВ, то линейное напряжение будет 380В, а фазное 220 В. Обмотки могут быть соединены звездой или треугольником, что дает разные значения токов и напряжений.

Обмотки трехфазного трансформатора размещают на стержнях так же, как и у однофазного, т.е низковольтные обмотки низковольтного трансформатора располагают ближе к стержню, а высоковольтные обмотки обмотки высокого напряжения размещены на обмотках низкого напряжения.

Высоковольтные трехфазные трансформаторы тока рассчитываются и изготавливаются исключительно в промышленных условиях. Кстати, любой понижающий трансформатор при повторном включении действует как повышающее устройство.

Расчет броневого трансформатора

Распространенный тип трансформатора используется практически во всех устройствах от зарядных устройств для шуруповертов до блоков питания магнитофонов. При эксплуатации всех этих агрегатов часто случаются поломки питателя, связанные с перегоревшим изделием обмотки. Потом для восстановления приходится перематывать, но это не решает проблему.

Часто приходится увеличивать мощность источника, при этом как рассчитать трансформатор, чтобы утюг не перегревался? Вам нужно выбрать утюг большего размера и использовать более толстый шнур. Такой ход поможет сохранить производительность устройства и даже повысить его производительность, сделав его более стабильным и устойчивым при скачках напряжения в сети.

К сожалению, не все производители учитывают этот фактор, но наша сеть нестабильна и в ней регулярно наблюдаются возмущения в виде высоковольтных игольчатых импульсов. Также бывают ситуации, когда происходит просадка сети до 170 В, что характерно зимой.

Тогда необходимо обеспечить запас по напряжению не менее 40-45%, что повышает эффективность и компенсирующего стабилизатора. Такие ситуации часто наблюдаются в частном секторе.

Вернемся к расчету Ш-образного трансформатора на Ш-сердечнике. Принцип будет таким же и с сердечником типа PL, при условии, что обмотка расположена на средней части. Что нужно сделать для следующих шагов:

• Определить площадь поперечного сечения центральной части сердечника. Она выражается буквой S сек и находится из произведения сторон. Взяв линейку, измеряем параметры сечения, умножаем и получаем значение в квадратных сантиметрах.
• Следующим шагом нужно решить, как рассчитать мощность трансформатора. Это расчетное значение, которое можно определить, возведя S сек в квадрат. Значение будет измеряться в ваттах и ​​обозначаться буквой «P».
• При расчете мощности сердечника необходимо учитывать тип используемых пластин. Например, если бы они использовались для комплекта Ш-20, общая толщина сердечника должна быть 30 мм при мощности 36 Вт. Если для трансформатора использовались пластины Ш-30, то толщины набора будет достаточно в 20 мм, а при использовании Ш-24 – 25 мм.

Существуют справочные таблицы, где можно найти мощность трансформатора по сечению магнитопровода для конкретной ситуации. Для наилучшей стабильности электропитания утюги следует использовать с избыточной мощностью не менее 25%. То есть, если расчетная мощность ранее была равна 6 Вт, то для надежной работы и исключения насыщения сердечника следует учитывать не менее 8 Вт.

Это обязательное условие. Если использовать магнитопровод с меньшей площадью сечения сердечника, то трансформатор быстро выйдет из строя, так как железо будет насыщено, что приведет к увеличению токов в обмотках.

• Следующим шагом является определение количества обмоток. Для современных транзисторных устройств достаточно одного или двух с центральной точкой. Поэтому рассмотрим пример расчета именно такого трансформатора. Для этого нужно использовать понятие «вольт на виток». Величина определяется следующим образом: Вт /B=(50÷70) / S сек.

Формула справедлива только для сердечников типа ШП и ПЛ.При расчете первичной и вторичной обмоток нужно взять произведение полученного соотношения на входное напряжение: W1 = Вт/В ∙ U1, W2 = 1,2 ∙ Вт/В ∙ У2.

• Производится расчет и подбор диаметра проволоки. Его выбрали исходя из хорошей теплоотдачи и теплоизоляции, для чего рекомендуется использовать ПЭЛ или ПЭВ, покрытые лаком. Определить размер можно по формуле: d = 0,7∙√I. Значение выражается в мм. Свинец выбирается с небольшим запасом до 4-6%.

Все программы расчета трансформаторов позволяют найти параметры изделия в любом порядке. Они используют стандартные алгоритмы, с помощью которых выводятся значения. При необходимости вы можете создать свой собственный калькулятор, используя электронные таблицы Excel. Аналогично работает калькулятор для расчета трансформатора на стержневом сердечнике.

Виды и применение трансформаторов

Применение трансформаторов разнообразно. Усилители напряжения используются в промышленных целях для передачи электроэнергии на большие расстояния. Понижающие трансформаторы применяются в радиоэлектронике и для подключения бытовых приборов.

Некоторые умельцы, недовольные пониженным напряжением в сети, рискуют включать бытовую технику через повышающий трансформатор. Спонтанный скачок напряжения может привести к тому, что яркий комнатный свет заменит очень сильное пламя огня.

По задачам, которые решает трансформатор, устройства делятся на основные виды:

• Автотрансформатор имеет магнитопровод, на котором собран индуктор. Часть витков действует как первичная обмотка, а оставшиеся витки действуют как вторичные катушки.
• Преобразователи напряжения работают в измерительных приборах и в схемах релейной защиты.
• Преобразователи тока предназначены для гальванической развязки в сигнальных и управляющих сетях.
• Импульсные трансформаторы применяются в вычислительной технике, автоматике, системах связи.
• Силовые агрегаты работают с напряжением до 750 киловольт.

Любое изменение параметров электричества в цепи связано с трансформатором. Разработчик электронных схем должен знать природу электромагнетизма. Технология расчета обмоток трансформатора основана на основных формулах физики.

Электротехники, занимающиеся рутинным делом намотки трансформатора, должны вспомнить добрым словом дядю Фарадея, открывшего чудесный закон электромагнитной индукции. Глядя на готовое устройство, следует вспомнить и о великом соотечественнике, русском изобретателе Павле Николаевиче Яблочкове.

Понятие мощности трансформатора

Трансформатор переменного тока не производит электрическую энергию, а только преобразует ее по величине. Поэтому мощность полностью зависит от его величины нагрузки (тока потребления) вторичной цепи.

При наличии нескольких потребителей необходимо учитывать общую нагрузку, которую можно подключить одновременно. Для цепей переменного тока учитывается активный и реактивный характер потребления.

Активная

Эта составляющая характеристики определяется как среднее значение мгновенной за определенный период времени. Для синусоидальных цепей переменного тока в качестве промежутка времени используют значение периода колебаний:

Т=1/ф,

где f — частота.

Активная часть зависит от характера нагрузки, т.е сдвига фаз между током и напряжением, и определяется по формуле:

P=i∙U∙cosϕ,

где ϕ — угол фазового сдвига.

Активная составляющая устройств переменного тока выражается в ваттах, как и для цепей постоянного тока.

Реактивная

Реактивная нагрузка отличается от активной тем, что в период колебаний напряжения электрическая энергия фактически потребляется, но возвращается. В результате подключения к блоку питания устройств с большой емкостью или индуктивностью (электродвигатели) возникает фазовый сдвиг между током и напряжением.

Реактивная составляющая потребления определяется выражением:

Q= i∙U∙sinϕ

Единица измерения – вар (вольт-ампер реактивный).

Полная

Суммарная мощность трансформатора учитывает всю потребляемую и возвращаемую энергию и находится из выражения

S = я ∙ U

Все компоненты связаны соотношением:

S2=P2+Q2.

Единицей измерения является ВА (вольт-ампер).

Полная мощность равна реальной мощности только при полностью активной нагрузке.

Номинальная

Номинальная мощность трансформатора учитывает возможность работы конструкции с учетом подключения к потребителям другого рода, то есть напоминает полную. При этом гарантируется исправная работа агрегата в течение всего указанного срока службы при заданных условиях эксплуатации.

Номинальная мощность, как и полная мощность, учитывает активный и реактивный характер потребления, который может меняться в процессе эксплуатации.

Выражается в вольт-амперах.

Методика расчета мощностей трансформатора

При расчете силового трансформатора питающей сети учитывают среднесуточную нагрузку и продолжительность периода максимального потребления. При этом следует учитывать взаимосвязь:

Режим пикового потребления также должен учитывать время воздействия, так как при коротких всплесках (до 1 часа) устройство будет работать в недогруженном режиме, что экономически нецелесообразно.

В таких случаях необходимо учитывать перегрузочную способность конструкции, которая зависит от конструктивных особенностей, температуры окружающей среды и условий охлаждения. Это диктуется условиями допустимого нагрева элементов (обмоток, коммутационных цепей).

Понятие коэффициента нагрузки определяет соотношение между среднесуточным и максимальным потреблением электрической энергии. Коэффициент нагрузки всегда меньше единицы. Значение связано с требованиями к надежности электроснабжения. Чем ниже требуемая надежность, тем больше коэффициент может приближаться к единице.

Примеры реальных расчетов

В качестве примера можно выбрать пункт питания в жилом районе. Нагрузка подстанции относится к III категории, поэтому коэффициент нагрузки можно выбрать из большего значения — 0,9-0,95.

Характер потребления электроэнергии в бытовом секторе зависит от времени суток и сезона, но с учетом высокого коэффициента загрузки допустимо учитывать среднее значение потребления электроэнергии.

Для повышения эксплуатационной надежности в период максимального потребления рекомендуется применять маслонаполненные трансформаторы, которые характеризуются большой перегрузочной способностью в течение длительного времени (перегрузка 30 % в течение 2 часов).

Эскиз конструкции трансформатора

Конструкция мощного силового трансформатора состоит из нескольких частей:

1. Скелет.
2. Съемная часть.

Съемная часть включает собственно сердечник и обмотки с активной частью, включающей в себя выключатели с приводами, вводы высокого и низкого напряжения и предохранительные устройства.

Каркас является основным компонентом активной части. Каркас включает в себя магнитную систему (сердечник) со всеми обмотками, а также конструктивные элементы для крепления и соединения обмоток и частей магнитной системы.