Сетевой трансформатор для источника питания
В линейных источниках питания, как правило, основной элемент — сетевой трансформатор, обычно понижающий, который уменьшает сетевое напряжение до необходимого значения . О том, как правильно его рассчитать (выбрать магнитопровод, рассчитать диаметр обмоточного провода, число витков в обмотках и т. д.), пойдет речь в предлагаемой статье.
Как выбрать магнигопровод
По конструктивному исполнению магнитопроводы для сетевых трансформаторов подразделяют на броневые, стержневые и тороидальные, а по технологии изготовления — на пластинчатые (рис. 1) и ленточные
(рис. 2). На рис.1 и 2 обозначены магнитопроводы: а) — броневые, б) — стержневые, с) — тороидальные.
В трансформаторах малой (до 300 Вт) и средней мощности (до 1000 Вт) чаще используют ленточные магнитопроводы . А среди ленточных наиболее применимы тороидальные магнитопроводы. Они имеют ряд преимуществ по сравнению например, с броневыми :
Как выбрать магнигопровод
По конструктивному исполнению магнитопроводы для сетевых трансформаторов подразделяют на броневые, стержневые и тороидальные, а по технологии изготовления — на пластинчатые (рис. 1) и ленточные
(рис. 2). На рис.1 и 2 обозначены магнитопроводы: а) — броневые, б) — стержневые, с) — тороидальные.
- Меньшая, приблизительно на 25 % масса при одинаковой мощности трансформатора.
- Меньшая, примерно на 30 % индуктивность рассеяния.
- Больше КПД.
- Меньшая чувствительность к внешним электромагнитным полям.
- Большая поверхность охлаждения обмоток.
Закажите сетевой тороидальный трансформатор прямо сейчас
Однако тороидальным магнитопроводам присущи и недостатки:1. Технологически сложная намотка катушек.
2. Меньшая защищенность катушек от механического воздействия.
В тороидальных трансформаторах практически весь магнитный поток проходит по магнитопроводу, поэтому индуктивность рассеяния у них минимальная, однако сложность изготовления обмоток весьма высока.
Для примера выберем стержневой ленточный магнитопровод . Подобные магнитопроводы изготавливают следующих типов: ПЛ — стержневой ленточный; ПЛВ — стержневой ленточный наименьшей массы; ПЛМ — стержневой ленточный с уменьшенным расходом меди; ПЛ Р — стержневой ленточный наименьшей стоимости . На рис. 3 показаны обозначения габаритных размеров магнитопровода: А — ширина; Н — высота; а — толщина стержня; b — ширина ленты; с — ширина окна; h — высота окна; h1 — высота ярма. Стержневым магнитопроводам присвоено сокращенное обозначение, например ПЛ8х 12,5х 16 где ПЛ — П-образный ленточный, 8 — толщина стержня, 12,5 — ширина ленты, 16 — высота окна. Размеры магнитопроводов ПЛ и ПЛР приведены в табл. 1 и 2.
Варианты размещения катушек на магнитопроводе
Различные варианты расположения катушек на стержнях магнитопровода сравним по одному из основных параметров трансформаторов — индуктивности рассеяния, которую рассчитаем по формуле:
LS=2uO*w12 *вср.об.*b/(3h)
где uO= 4л*107Гн/м — магнитная постоянная; w, — число витков первичной обмотки; вср.об.— средняя длина витка обмоток, см; b — толщина обмоток, см; h — высота обмотки, см. Эта формула получена при условии, что обмогки — цилиндрические, не секционированы и расположены концентрически. Схемы соединения обмоток для всех вариантов показаны на рис. 4.
Сравнительные расчеты проведем для трансформатора на магнитопроводе ПЛ 10x12,5x40, имеющего одну первичную и одну вторичную обмотки. Чтобы все расчетные варианты находились в одинаковых условиях, примем толщину обмоток b = = с/4 и число витков первичной обмотки w, = 1000.
Рассмотрим первый вариант, когда первичная и вторичная обмотки расположены на одном стержне (рис. 4, а). Чертеж катушки показан на рис. 5. Сначала рассчитаем среднюю длину витка обмоток:
Вср.об.=2а+2b+2п*с/4=6,5см. , а затем индуктивность рассеяния катушки первого варианта: LS1=uo*c*w12*вср.об./(6h)=4п*10-9*6,5*1,25/(6*4)=4,25мГн. Во втором варианте первичная и вторичная обмотки разделены на две равные части, которые размещены на двух стержнях (рис. 4, б). Каждая катушка состоит из половины обмотки w, и половины w2. Чертеж катушек показан на рис. 6. Вычислим индуктивность рассеяния одной катушки (w, = 500), а затем результат удвоим, поскольку катушки одинаковы: LS2=2*uO*c*w12*вср.об./(6h)=2*4п*10-9*25*104*6,5*1,25/(6-4)=2,13мГн. Две первичные обмотки в третьем варианте расположены в двух катушках на разных стержнях, каждая из которых содержит по 1000 витков. Обе первичные обмотки соединены параллельно. Вторичная обмотка также размещена в двух катушках на разных стержнях, причем возможны два случая: две полуобмотки с полным числом витков, соединенные параллельно (рис. 4, в), или вторичная обмотка разделена на две полуобмотки с вдвое меньшим числом витков, соединенные последовательно (рис. 4, г). Чертеж катушек показан на рис. 6 В этом варианте индуктивность рассеяния такая же, как и во втором варианте: LS3=LS2=2.13мГн.
Следует помнить, что во втором и третьем вариантах первичные и вторичные обмотки и полуобмотки должны быть включены согласно, чтобы создаваемые ими магнитные потоки в магнитопроводе имели одинаковое направление. Другими словами, магнитные потоки должны суммироваться, а не вычитаться. На рис. 7а показано неправильное подключение, а на рис 7б — правильное.
Необходимость соблюдения правил соединения обмоток и полуобмоток — недостаток второго и третьего вариантов. Кроме того, в третьем варианте суммарный магнитный поток от первичной обмотки вдвое больше по сравнению с другими, что может привести к насыщению магнитопровода и, как следствие, к искажению синусоидальной формы напряжения. Поэтому применять третий вариант включения обмоток на практике следует осторожно. В четвертом варианте первичная обмотка полностью расположена на одном стержне магнитопровода, а вторичная — на другом (рис. 4, д) Чертеж катушек показан на рис. 8 Поскольку обмотки расположены не концентрически, для расчета индуктивности рассеяния воспользуемся формулой:
где b = с/4 — толщина обмоток, см RВН=воб./(2п)— внешний радиус обмотки, см; воб.=2а+2b+2пb— наружная длина витка обмотки, см. Вычислим наружную длину витка и внешний радиус обмотки: воб.=6,5см; R=1,04см. Подставляя рассчитанные значения в формулу для вычисления индуктивности рассеяния, получим LS4= 88,2 мГн.
Кроме рассмотренных четырех существует еще много других вариантов расположения обмоток на стержнях магнитопровода, однако во всех остальных случаях индуктивность рассеяния больше, чем во втором и третьем вариантах.
Анализируя полученные результаты, можно сделать следующие выводы:
1. Индуктивность рассеяния минимальна во втором и третьем вариантах расположения обмоток и находится в таком соотношении LS4>>LS1>LS2=LS3.
2 У трансформаторов третьего варианта две одинаковые первичные обмотки, поэтому они более тяжелые, трудоемкие и дорогие, чем во втором варианте.
Следовательно, при изготовлении трансформаторов малой мощности следует выбирать схему соединения и расположение обмоток, рассмотренные во втором варианте. Вторичные полуобмотки можно соединять и последовательно, если необходимо получить более высокое напряжение на выходе, и параллельно, если требуется больший выходной ток.
В. ПЕРШИН
К списку статей