Методика расчета – пошаговая инструкция
Сам же расчет тороидального трансформатора разделяется на две части:
- Непосредственно рассчитать мощность тороидального сердечника, чтобы ее определить вы можете получить, при наличии у вас конкретного сердечника, или заданной мощности, то определить размеры будущего трансформатора.
- Расчет собственно электрической части, которая включает в себя количество витков в обмотках, а также какое сечение будет применяться в обмотках и материал провода.
Расчет сердечника
Его мы произведем по формуле, которая уже включает в себя константы, для упрощения понимания его результатов. Дальше останется подставить в ниже приведенную формулу только переменные значения, а именно:
«P=1,9*Sc*So», где:
- P – это мощность, которую возможно получить, применяя сердечник с таким габаритными размерами
- 1,9 – результат математических действий над всеми константами для данного вида трансформаторов
- Sc- площадь сердечника, единица измерения сантиметры квадратные
- So – площадь отверстия в теле сердечника, в «кв. см.»
Если сделанный трансформатор будет иметь основное назначение – сварка, то размеры его сердечника должны быть адекватными, иначе полученной мощности устройства будет не достаточно для выполнения своих функций. Для примера возьмем следующие значения и применив калькулятор вычислим. «P=1,9*70*70=9310 Ватт»
Определим количество витков первичной обмотки
В первую очередь рассмотрим расчет с единой первичной обмоткой, без регулировки. Для этого сначала выясним, сколько витков обмотки должен иметь тороидальный трансформатор для получения 1 вольта напряжения. Применим следующую формулу. К=35/ Sc, где:
Читайте также: Принципиальная электрическая схема болгарки
- K – количество витков на 1 вольт напряжения.
- 35 – это константа, которая одинакова для всех типов тороидальных сердечников.
- Sc- площадь сердечника, единица измерения сантиметры квадратные.
Таким образом, если у нас имеется сердечник площадью 70 «кв. см.», то подставив значения в формулу, получим следующую ситуацию. «K=35/70=0,5» витка на каждый вольт, и соответственно объём первичной обмотки узнаем, применив соответствующую формулу. «W1=U1*K», где:
- W1- количество витков в первой обмотке.
- U1 – необходимое напряжение в этой точке.
- K – количество витков на 1 вольт напряжения.
«W1=220*0,5=110» – витков. С учетом того, что мы проводим вычисления для сварочного трансформатора, то примем за рабочее напряжение вторичной равное 35 вольт, тогда исходя из аналогичной формулы, получим. «W2=35*0,5=17,5» – витков.
Расчет сечения применяемых проводов
Чтобы рассчитать необходимые сечения нужно понять какой ток будет через них протекать, это единственный параметр который влияет на толщину используемого материала, итак, вычисление величины тока в обмотках трансформатора: «I пер.=9310 Ватт/220 Вольт=42.3 Ампера» С вторичной обмоткой несколько сложнее, все должно опираться на напряжение дуги и ток сварки. «I свар.=(29 Вольт-14)/0.05=300 Ампер», где 29 вольт среднее значение дуги сварки. Теперь проверяем, возможна ли такая мощность у нашего устройства 300 Ампер*29 Вольт=8700 Ватт.
Это значение вполне укладывается в мощность, которой обладает тороидальный трансформатор, рассчитываемый нами, поэтому 300 Ампер, считаем током вторичной обмотки. Проведя эти нехитрые вычисления, для которых даже не всегда нужен калькулятор, можно перейти к определению сечения проводов и их материала.
Из руководящих документов таких как, например «ПУЭ», известно, что для продолжительной работы требуется 1 квадратный миллиметр сечения меди на каждые 5 ампер тока, а при использовании алюминия 2 ампера. Исходя из этих данных, вычисляем сечение проводов в устройстве для меди:
- Первичная обмотка=42,3/5=8,46 кв. мм, ближайший стандарт сечения это 10.
- Вторичная обмотка=300/5=60 кв. мм, выбираем следующее по стандарту сечение в сторону увеличения это 70.
Применяем условие продолжительности нагрузки 40 процентов, так как никто не работает все время под нагрузкой. В этом случае сечение можно уменьшить в два раза, тогда получаем:
- 8,46/2=4,23 ближайший стандарт сечения -6 кв. мм.
- 60/2=30 следующий стандарт 35 кв. мм.
П О П У Л Я Р Н О Е:
- Бесплатная программа для восстановления файлов — R.saver
- Бесплатная программа для расчёта антенн
Бесплатная программа для восстановления данных с исправных накопителей. Обладает простым и удобным интерфейсом. Производит восстановление информации с различных версий повреждённых файловых систем NTFS, FAT и exFAT, восстановление удаленных файлов и данных после форматирования.
Подробнее…
Бесплатная программа (freeware) моделирования антенн MMANA
Хорошая антенна — это главный фактор хорошего приёма! Будь то радиостанция, сотовый телефон, приёмник, автомагнитола или телевизор. Правильно рассчитать размеры антенны довольно сложный процесс. Нужны чертежи, размеры, формулы…
Подробнее…
Расчет трансформатора: онлайн калькулятор или дедовский метод для дома — выбери сам
Ремонт современных электрических приборов и изготовление самодельных конструкций часто связаны с блоками питания, пускозарядными и другими устройствами, использующими трансформаторное преобразование энергии. Их состояние надо уметь анализировать и оценивать.
Считаю, что вам поможет выполнить расчет трансформатора онлайн калькулятор, работающий по подготовленному алгоритму, или старый проверенный дедовский метод с формулами, требующий вдумчивого отношения. Испытайте оба способа, используйте лучший.
Сразу заостряю ваше внимание на том вопросе, что приводимые методики не способны точно учесть магнитные свойства сердечника, который может быть выполнен из разных сортов электротехнических стали.
Поэтому реальные электрические характеристики собранного трансформатора могут отличаться на сколько-то вольт или число ампер от полученного расчетного значения. На практике это обычно не критично, но, всегда может быть откорректировано изменением числа количества в одной из обмоток.
Поперечное сечение магнитопровода передает первичную энергию магнитным потоком во вторичную обмотку. Обладая определенным магнитным сопротивлением, оно ограничивает процесс трансформации.
От формы, материала и сечения сердечника зависит мощность, которую можно преобразовывать и нормально передавать во вторичную цепь.
Получение исходных данных для простого расчёта импульсного трансформатора.
Помню, когда наши электросети ещё не приватизировали иностранцы, я строил импульсный блок питания. Работы затянулись до ночи. Во время проведения последних испытаний, вдруг обнаружилось, что ключевые транзисторы начали сильно греться. Оказалось, что напряжение сети ночью подскочило аж до 256 Вольт!
Конечно, 256 Вольт, это перебор, но ориентироваться на ГОСТ-овские 220 +5% –10% тоже не стоит. Если выбрать за максимальное напряжение сети 220 Вольт +10%, то:
242 * 1,41 = 341,22V (считаем амплитудное значение).
341,22 – 0,8 * 2 ≈ 340V (вычитаем падение на выпрямителе).
Определяем примерную величину индукции по таблице.
Пример: М2000НМ – 0,39Тл.
Частота генерации преобразователя с самовозбуждением зависит от многих факторов, в том числе и от величины нагрузки. Если выберите 20-30 кГц, то вряд ли сильно ошибётесь.
Граничные частоты и величины индукции широко распространённых ферритов.
Марганец-цинковые ферриты.
Граничная частота при tg δ ≤ 0,1, МГц
Магнитная индукция B при Hм = 800 А / м, Тл
Никель-цинкове ферриты.
Граничная частота при tg δ ≤ 0,1, МГц
Магнитная индукция B при Hм = 800 А / м, Тл
Вернуться наверх к меню.
6. Как учесть инерционные свойства трансформатора?
На Рис.2. показана . В нее входят сопротивление источника r i
, приведенное сопротивление нагрузки R = n 2 R н
или R = P н / U 2 эфф
, где n = U 1 / U 2
— коэффициент трансформации, U эфф
— эффективное напряжение первичной обмотки.
Рис.2. Эквивалентная схема трансформатора.
Инерционные свойства трансформатора определяют малые индуктивности рассеивания L s
, индуктивность намагничивания L μ
(почти равна индуктивности первичной обмотки L 1
), параллельная емкость обмотки С p
(т.н. динамическая емкость) и последовательная емкость между обмотками С п
.
Как их оценить?
L 1
рассчитывают по формуле (5) или измеряют экспериментально.
Согласно индуктивность рассеивания по порядку величины равна L s ~ L 1 / μ
. Емкость С р
составляет примерно 1 пФ на виток.
Трансформатор работает подобно полосовому фильтру. На малых частотах он представляет собой ФВЧ с частотой среза ω н = R / L μ
.
На высоких частотах элементы L s
и C p
образуют ФНЧ с частотой среза ω в ≈ (L s C p) -1/2
.
Последовательная емкость С п
не велика и на работу практически не влияет.
В модели есть два характерных резонанса.
Низкочастотный (резонанс намагничивания) в параллельном контуре L μ
C р
Его частота f μ ≈ (1/ 2 π) ⋅ (L μ C p) -1/2
, а добротность Q μ ≈ (r i || R) ⋅ (L μ / C p) -1/2
(14)
Высокочастотный (резонанс рассеивания) в контуре, образованном L s
и C р
.
Его частота fs ≈ (1/ 2 π) ⋅ (L s C p) -1/2
, а добротность Q s ≈ (L s / C p) 1/2 / r i .
(15)
Как влияют эти резонансы?
АЧХ трансформатора подобно АЧХ полосового фильтра, но на ее верхнем краю резонанс f s
дает характерный пик.
Реакция на импульсы зависит от включения источника и величин сопротивлений.
При малом внутреннем сопротивлении источника r i
проявляется лишь резонанс f s
в виде характерного «звона» на фронтах импульсов.
Если источник подключается через ключ, то при его размыкании могут возникать интенсивные колебания с частотой f μ
Рис.3. Пример АЧХ и переходного процесса в трансформаторе. Его эквивалентная схема дана ниже на рисунке 4.
Как пользоваться онлайн калькулятором для расчета трансформатора пошагово
Подготовка исходных данных за 6 простых шагов
Шаг №1. Указание формы сердечника и его поперечного сечения
Лучшим распределением магнитного потока обладают сердечники, набранные из Ш-образных пластин. Кольцевая форма из П-образных составляющих деталей обладает большим сопротивлением.
Для проведения расчета надо указать форму сердечника по виду пластины (кликом по точке) и его измеренные линейные размеры:
- Ширину пластины под катушкой с обмоткой.
- Толщину набранного пакета.
Вставьте эти данные в соответствующие ячейки таблицы.
Шаг №2. Выбор напряжений
Трансформатор создается как повышающей, понижающей (что в принципе обратимо) или разделительной конструкцией. В любом случае вам необходимо указать, какие напряжения вам нужны на его первичной и вторичной обмотке в вольтах.
Заполните указанные ячейки.
Шаг №3. Частота сигнала переменного тока
По умолчанию выставлена стандартная величина бытовой сети 50 герц. При необходимости ее нужно изменить на требуемую по другому расчету. Но, для высокочастотных трансформаторов, используемых в импульсных блоках питания, эта методика не предназначена.
Их создают из других материалов сердечника и рассчитывают иными способами.
Шаг №4. Коэффициент полезного действия
У обычных моделей сухих трансформаторов КПД зависит от приложенной электрической мощности и вычисляется усредненным значением.
Но, вы можете откорректировать его значение вручную.
Шаг №5. Магнитная индуктивность
Параметр определяет зависимость магнитного потока от геометрических размеров и формы проводника, по которому протекает ток.
По умолчанию для расчета трансформаторов принят усредненный параметр в 1,3 тесла. Его можно корректировать.
Шаг №6. Плотность тока
Термин используется для выбора провода обмотки по условиям эксплуатации. Среднее значение для меди принято 3,5 ампера на квадратный миллиметр поперечного сечения.
Для работы трансформатора в условиях повышенного нагрева его следует уменьшить. При принудительном охлаждении или пониженных нагрузках допустимо увеличить. Однако 3,5 А/мм кв вполне подходит для бытовых устройств.
Выполнение онлайн расчета трансформатора
После заполнения ячеек с исходными данными нажимаете на кнопку «Рассчитать». Программа автоматически обрабатывает введенные данные и показывает результаты расчета таблицей.
Расчет тороидального трансформатора своими руками
Возникла необходимость в мощном блоке питания. В моём случае имеются два магнитопровода броневой-ленточный и тороидальный. Броневой тип: ШЛ32х50(72х18). Тороидальный тип: ОЛ70/110-60.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ для расчёта трансформатора с тороидальным магнитопроводом:
Расчет трансформатора с магнитопроводом типа ШЛ32х50(72х18) показал, что выдать напряжение 36 вольт с силой тока 4 ампера сам сердечник в состоянии, но намотать вторичную обмотку возможно не получится, из-за недостаточной площади окна. Приступаем к расчёту трансформатора с магнитопроводом типа ОЛ70/110-60.
Программный (он-лайн) расчет, позволит налету экспериментировать с параметрами и сократить время на разработку. Также можно рассчитать и по формулам, они приведены ниже. Описание вводимых и расчётных полей программы: поле светло-голубого цвета – исходные данные для расчёта, поле жёлтого цвета – данные выбранные автоматически из таблиц, в случае установки флажка для корректировки этих значений, поле меняет цвет на светло-голубой и позволяет вводить собственные значения, поле зелёного цвета – рассчитанное значение.
5. Насколько нагреется сердечник?
Потери в магнетике.
При частоте менее критической fс потери энергии в магнетике складываются в основном из потерь на перемагничивание, а вихретоковыми можно пренебречь.
Опыт и теория показывают, что потери энергии в единице объема (или массы) на одном цикле перемагничивания прямо пропорциональны
площади петли гистерезиса. Следовательно мощность магнитных потерь:
P H = P 0 ⋅ V ⋅ f
(8)
Где P 0
– удельные потери в единице объема (измеренные на частоте f 0
при индукции B 0
) , V
– объем образца.
Однако с ростом частоты индукция насыщения уменьшается, петля гистерезиса деформируется, а потери растут. Для учета этих факторов Штейнмец (C. P. Steinmetz, 1890-1892) предложил эмпирическую формулу:
P H = P 1 ⋅ m ⋅ (f / f 1) α (B / B 1) β
(9)
Условились , что f 1 = 1 кГц, B 1 = 1 Тл
; величины P 1 , α, β
указывают в справочнике.
Таблица 5. Удельные потери в некоторых ферритах
| Марка | 1500НМ3 | 2000НМ1-А,Б | 2000НМ3 | 2000НМ-17 | 3000НМ-А | 6000НМ-1 | |||
| f | — | 0,4..100 кГц | 0,1..1 МГц | — | 0,4..100 кГц | 0,1..1 МГц | 0,4..200 кГц | 20..50 кГц | 50..100 кГц |
| P 1 , Вт / кг | 23,2 | 32±7 | 13±3 | 44,6 | 63±10 | 25±4 | 48±8 | 11±2 | 38±0,8 |
| α | 1,2 | 1,2 | 1,4 | 1,3 | 1,2 | 1,4 | 1,2 | 1,35 | 1,6 |
| β | 2,2 | 2,4 | 2,7 | 2,85 | 2,76 | 2,69 | 2,6 |
Потери в меди.
Омические потери в первичной обмотке при комнатной температуре и без учета скин-эффекта:
P M1 =I 2 эфф (ρ / Sm) ((D — d) + 2h) ⋅ n 1
(10)
Где I эфф
— эффективный ток, D — внешний, d — внутренний диаметр кольца, h — его высота в метрах; n 1 — число витков; Sm
— поперечное сечение провода, в мм 2 ; ρ = 0,018 Ом ⋅ мм 2 / м удельное сопротивление меди.
Суммарные потери во всех обмотках при повышенной температуре окружающей среды:
P M = (P M1 + P M2 + ..)(1 + 0,004(T-25 o C))
(11)
Общие потери в трансформаторе.
P Σ = P H + P M
(12)
Предполагаемая температура перегрева при естественной конвекции:
ΔT = P Σ / (α m Sохл)
(13)
Где α m = (10..15) -4 Вт/см 2 o С,
Sохл = π /2 (D 2 — d 2)+π h (D + d)
Пример 3:
Найдем потери в трансформаторе из Примеров 1 и 2. Для простоты считаем, что вторичная и первичная обмотка одинаковые. Эффективный ток
первичной обмотки Iэфф = 0,4 А. Потери в меди первичной обмотки P M1 = 0,4 2 ⋅ (0,018 /0,08) (28 — 16 + 18) ⋅ 10 -3 ⋅ 87 ≈ 0,1 Вт.
Потери в меди обеих обмоток: P M = 0,2 Вт.
Согласно справочным данным для феррита 2000НМ P 1 = 32 Вт / кг, α = 1,2 , β = 2,4 ,
масса сердечника К28х16х9 равна 20 грамм.
Потери в феррите: P H = 32 (30 / 1) 1,2 (0,25 / 1) 2,4 ⋅ 20 ⋅ 10 -3 = 1,36 Вт
Суммарные потери в трансформаторе: P Σ = 1,56 Вт
. Ориентировочный КПД = (40 — 1,56) / 40 ⋅ 100% ≈ 96%
2. Как уточнить плотность тока?
Если мы делаем маломощный трансформатор, то можем поиграть с плотностью тока и выбрать более тонкие провода, не опасаясь их перегрева. В книге Эраносяна дана такая табличка:
Почему плотность тока зависит от мощности трансформатора?
Выделяемое количество теплоты равно произведению удельных потерь на объем провода. Рассеиваемое количество теплоты
пропорционально площади обмотки и перепаду температур между ней и средой. С увеличением размера трансформатора объем растет быстрее площади и для одинакового перегрева удельные потери и плотность тока надо уменьшать. Для трансформаторов мощностью 4..5 кВА плотность тока не превышает 1..2 А/мм 2 .
Как уточнить число витков первичной обмотки?
Зная число витков первичной обмотки n
вычислим ее индуктивность. Для тороида она определяется по формуле:
L = μ 0 μ S с n 2 / l a
(5)
Где площадь S с
дана в м 2 , средняя длина магнитной линии
l a
в м, индуктивность в Гн,
μ 0 = 4π ⋅ 10 -7
Гн/м — магнитная постоянная.
В инженерном варианте эта формула выглядит так:
L = A L n 2
(5А) ,
n = (L / A L) 1/2
(5Б)
Читайте также: Катеты сварных швов согласно СП 16.13330 Стальные конструкции
Коэффициент A L
и параметр мощности
S о S c
для некоторых типов колец приведены в Таблице 2 :
Для работы трансформатора в качестве согласующего устройства должно выполняться условие:
L > (4 .. 10) R / (2 π f min)
(6)
Где L
— индуктивность в Гн,
R = U 2 эфф / P н
приведенное к первичной обмотке сопротивление нагрузки Ом,
f min
— минимальная частота Гц.
В ключевых преобразователях в первичной обмотке текут два тока, прямоугольный ток нагрузки I пр = U m / R
и треугольный ток намагничивания $$ I_T= {1 over L} int_0^{T/2} U_1 dt = { T over 2L }U_m $$
Для нормальной работы величина треугольной составляющей не должна превышать 10% от прямоугольной, т.е.
L > 5 R / f (7)
При необходимости число витков увеличивают или применяют феррит с большей μ
. Чрезмерно завышать число витков в обмотке не желательно. Из-за роста межвитковой емкости на рабочей частоте могут возникнуть резонансные колебания. Выбранный феррит должен иметь достаточную максимальную индукцию и малые потери в рабочей полосе частот. Как правило, на низких частотах (до 1 МГц) применяют феррит с
μ
= 1000 .. 6000 , а на радиочастотах приходиться использовать
μ
= 50 .. 400.
Пример 2:
Трансформатор из Примера 1 намотан на кольце К28х16х9 из никель-марганцевого феррита 2000НМ с магнитной проницаемостью μ
= 2000. Мощность нагрузки P = 40 Вт, эффективное напряжение первичной обмотки Uэфф = 100 В, частота f = 30 кГц. Уточним число его витков.
Читайте также: Классификация методов неразрушающего и разрушающего контроля
Приведенное сопротивление нагрузки: R = 100 2 / 40 = 250 Ом
Площадь поперечного сечения магнитопровода:
Sc = 0,54 см 2 = 0,54 ⋅ 10 -4 м 2
Средняя длина магнитной линии:
la = π (D +d) / 2 = π (2,8+1,6) ⋅10 -2 / 2 = 6,9 ⋅ 10 -2 м
Коэффициент индуктивности:
A L = 4 π 10 -7 2000 0,54 10 -4 / 6,9 10 -2 = 1963 нГн / вит 2
Минимальная индуктивность первичной обмотки: L = 10 ⋅ 250 / (2π ⋅ 3 ⋅ 10 4) = 13,3 мГн
Число витков:
n = (13,3 ⋅ 10 -3 / 1,963 ⋅ 10 -6) 1/2 = 82
Оно даже меньше, чем рассчитанное ранее
n min = 87.
Таким образом, условие достаточной индуктивности выполнено и число витков в обмотке n = 87.
4 практических совета по наладке и сборке трансформатора: личный опыт
Сборка магнитопровода
Степень сжатия пластин влияет на шумы, издаваемые железом сердечника при вибрациях от протекающего по нему магнитного потока.
Одновременно не плотное прилегание железа с воздушными зазорами увеличивает магнитное сопротивление, вызывает дополнительные потери энергии.
Если для стягивания пластин используются металлические шпильки, то их надо изолировать от железа сердечника бумажными вставками и картонными шайбами.
Иначе по этому креплению возникнет искусственно созданный короткозамкнутый виток. В нем станет наводиться дополнительная ЭДС, значительно снижающая коэффициент полезного действия.
Состояние изоляции крепежных болтов относительно железа сердечника проверяют мегаомметром с напряжением от 1000 вольт. Показание должно быть не менее 0,5 Мом.
Расчет провода по плотности тока
Оптимальные размеры трансформатора играют важную роль для устройств, работающих при экстремальных нагрузках.
Для питающей обмотки, подключенной к бытовой проводке лучше выбирать плотность тока из расчета 2 А/мм кв, а для остальных — 2,5.
Способы намотки витков
Быстрая навивка на станке «внавал» занимает повышенный объем и нормально работает при относительно небольших диаметрах провода.
Качественную укладку обеспечивает намотка плотными витками один возле другого с расположением их рядами и прокладкой ровными слоями изоляции из конденсаторной бумаги, лакоткани, других материалов.
Хорошо подходят для создания диэлектрического слоя целлофановые (не из полиэтилена) ленты. Можно резать их от упаковок сигарет. Отлично справляется с задачами слоя изоляции кулинарная пленка для запекания мясных продуктов и выпечек.
Она же придает красивый вид внешнему покрытию катушки, одновременно обеспечивая ее защиту от механических повреждений.
Обмотки сварочных и пускозарядных устройств, работающие в экстремальных условиях с высокими нагрузками, желательно дополнительно пропитывать между рядами слоями силикатного клея (жидкое стекло).
Ему требуется дать время, чтобы засох. После этого наматывают очередной слой, что значительно удлиняет сроки сборки. Зато созданный по такой технологии трансформатор хорошо выдерживает высокие температурные нагрузки без создания межвитковых замыканий.
Как вариант такой защиты работает пропитка рядов провода разогретым воском, но, жидкое стекло обладает лучшей изоляцией.
Когда длины провода не хватает для всей обмотки, то его соединяют. Подключение следует делать не внутри катушки, а снаружи. Это позволит регулировать выходное напряжение и силу тока.
Замер тока на холостом ходу трансформатора
Мощные сварочные аппараты требуют точного подбора объема пластин и количества витков под рабочее напряжение, что взаимосвязано.
Выполнить качественную наладку позволяет замер тока холостого хода при оптимальной величине напряжения на входной обмотке питания.
Его значение должно укладываться в предел 100÷150 миллиампер из расчета на каждые 100 ватт приложенной мощности для трансформаторных изделий длительного включения. Когда используется режим кратковременной работы с частыми остановками, то его можно увеличить до 400÷500 мА.
Выполняя расчет трансформатора онлайн калькулятором или проверку его вычислений дедовскими формулами, вам придется собирать всю конструкцию в железе и проводах. При первых сборках своими руками можно наделать много досадных ошибок.
Чтобы их избежать рекомендую посмотреть видеоролик Виктора Егель. Он очень подробно и понятно объясняет технологию сборки и расчета. Под видео расположено много полезных комментариев, с которыми тоже следует ознакомиться.
Если заметите в ролике некоторые моменты, которые немного отличаются от моих рекомендаций, то можете задавать вопросы в комментариях. Обязательно обсудим.
Как выбрать ферритовый кольцевой сердечник?
Выбрать примерный размер ферритового кольца можно при помощи калькулятора для расчета импульсных трансформаторов и справочника по ферритовым магнитопроводам. И то и другое Вы можете найти в «Дополнительных материалах».
Вводим в форму калькулятора данные предполагаемого магнитопровода и данные, полученные в предыдущем параграфе, чтобы определить габаритную мощность срдечника.
Не стоит выбирать габариты кольца впритык к максимальной мощности нагрузки. Маленькие кольца мотать не так удобно, да и витков придётся мотать намного больше.
Если свободного места в корпусе будущей конструкции достаточно, то можно выбрать кольцо с заведомо бо’льшей габаритной мощностью.
импульсных источников питания на ферритовых кольцах http://www. ferrite. /user_files/File/. literature8.zip схема к статье:
Расчёт дросселя (статья) http://valvolodin. na. ms/drossel. html
Рассчет дросселей на резисторах МЛТ (прога) — http://rf. *****/s3/r-dros. html
Программа для расчёта высокочастотных трансформаторов и дросселей — http://www. /. gramm/5/3.shtml
Программа для расчёта импульсного трансформатора — http://www. /. gramm/5/2.shtml
Дроссели переменного тока радиоэлектронной аппаратуры — http://dmitriks. naro. ooks/dptra. djvu
Рассчёт дросселей и катушек книга — http://depositfiles. files/mcckejoig
Трансформаторы и дроссели 1.1 на archive. ***** —
Оптимальное проектирование силовых высокочастотных ферромагнитных устройств — http://dmitriks. naro. oks/opsvfu. djvu
«Импульсные источники вторичного электропитания в бытовой радиоаппаратуре» — http://dmitriks. naro. books1/iip. djvu
на 494 http://focus. /. 1d/slva001d. pdf
ТРАНСФОРМАТОРЫ И ДРОССЕЛИ ДЛЯ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ — http://members. kern. ouz/chokes. html
http://www. /ser2800.cfm
Читайте также: Увеличение мощности инжектора ваз
Выбор и расчет конструкции анодного дросселя — http://qrx. *****/hams/r_and. htm
Расчет индуктивности дросселя с магнитным зазором — http://www. gerelo. dp. ras_indukt. html
Авторская страница Семёнова — http://www. *****/proga. htm
Расчёт трансформатора и дросселя — http://enginee-ru. uc. oad/
http://enginee-ru. uc. /load/
автоматическиq on-line калькулятор
http://schmidt-walte. smps_e. html#Abw
.
Расчет маломощных силовых трансформаторов и дросселей фильтров
http://*****/book/krizeSN. zip
характеристики и прога рассчета индуктивностей на металопорошковых
сердечниках Micrometals — http://www. /
Материаллы — http://www. ferrite. /
Прога по катушкам — http://*****/nuke/modules/Downloads/pub. /l_%20meter. zip
Кольцевые сердечники: ферритовые кольца Amidon — http://www. *****/. rrite_Cores. htm
Библиотека знаний: http://www. /library. asp
Расчетные программы: http://www. mag-inc. c. re/software. asp
Трансформаторы и дроссели для импульсных источников питания — http://www. *****/
Ещё материаллы и расчёт — http://*****sgates. ocore. php? pg=12
имп сердечники и их расчёт — http://www. /default. asp
===================================================================================
НАСЫЩЕНИЕ СЕРДЕЧНИКА
Если через катушку с сердечником протекает большой ток, то магнитный материал сердечника может войти в насыщение. При насыщении сердечника его относительная магнитная проницаемость резко уменьшается, что влечет за собой пропорциональное уменьшение индуктивности. Уменьшившаяся индуктивность вызывает дальнейший ускоренный рост тока через КИ, и т. д. В большинстве ИИП насыщение сердечника крайне нежелательно и может приводить к следующим негативным явлениям:
увеличенный уровень потерь в материале сердечника и увеличенный уровень омических потерь в проводе обмотки приводят к неоправданно низкому КПД ИИП;
дополнительные потери вызывают перегрев КИ, а также расположенных поблизости радиодеталей
сильные магнитные поля в сердечнике в сочетании с его уменьшившейся магнитной проницаемостью являются многократно усиленным по сравнению с нормальным режимом работы источником помех и наводок на малосигнальные цепи ИИП и другие приборы;
ускоренно нарастающий ток через КИ вызывает ударные токовые перегрузки ключей ИИП, повышенные омические потери в ключах, их перегрев и преждевременный выход из строя;
ненормально большие импульсные токи КИ влекут за собой перегрев электролитических конденсаторов фильтров питания, а также увеличенный уровень помех излучаемых проводами и дорожками печатной платы ИИП.
Список можно продолжить, но и так уже ясно, что следует избегать работы сердечника в режиме насыщения. Ферриты входят в насыщение, если величина плотности потока магнитной индукции превышает 300 [мТ] (миллитесла), причем эта величина не так уж сильно зависит от марки феррита. То есть 300 [мТ] является как бы врожденным свойством именно ферритов, другие магнитные материалы имеют другие величины порога насыщения. Например, трансформаторное железо и порошковое железо насыщаются при примерно 1 [Т], то есть могут работать в гораздо более сильных полях. Более точные значения порога насыщения для разных ферритов указаны в таблице 5.
Величина плотности потока магнитной индукции в сердечнике рассчитывается по следующей формуле:
(8) B = 1000 * µ0 * µe * I * N / le [мТ]
где µ0 — абсолютная магнитная проницаемость вакуума, 1.257*10-3 [мкГн/мм]
µe — относительная магнитная проницаемость сердечника (не путать с проницаемостью материала сердечника!)
I — ток через обмотку, [А]
N — количество витков в обмотке
le — длина средней магнитной линии сердечника, [мм]
Несложное преобразование формулы (8) поможет найти ответ на практический вопрос — какой максимальный ток может проходить через дроссель до того, как сердечник войдет в насыщение:
(9) Iмакс = 0.001 * Bмакс * le / ( µ0 * µe * N ) [A]
где Bмакс — табличное значение для используемого материала сердечника, вместо которого можно использовать значение 300 [мТ] для любых силовых ферритов
Для сердечников с зазором удобно подставить сюда выражение (4), после сокращений получаем:
(10) Iмакс = 0.001 * Bмакс * g / ( µ0 * N ) [A]
Результат получается на первый взгляд довольно парадоксальный: величина максимального тока через КИ с зазором определяется отношением размера зазора к количеству витков обмотки, и не зависит от размеров и типа сердечника. Однако этот кажущийся парадокс просто объясняется. Ферритовый сердечник настолько хорошо проводит магнитное поле, что все падение напряженности магнитного поля приходится на зазор. При этом величина потока магнитной индукции, одинаковая и для зазора и для сердечника, зависит лишь от толщины зазора, тока через обмотку и количества витков в обмотке, и не должна превышать 300 [мТ] для обычных силовых ферритов.
Для ответа на вопрос, какой величины суммарный зазор g надо ввести в сердечник, чтобы он выдержал без насыщения заданный ток, преобразуем выражение (10) к следующему виду:
(11) g = 1000 * µ0 * I * N / Bмакс [мм]
Чтобы нагляднее показать влияние зазора, приведем следующий пример. Возьмем сердечник E30/15/7 без зазора, феррит 3C85, магнитная проницаемость µe = 1700. Рассчитаем количество витков, необходимое для получения индуктивности 500 [мкГн]. Сердечник, согласно таблице, имеет AL = 1.9 [мкГн], воспользовавшись формулой (7) получаем чуть более 16 витков. Зная эффективную длину сердечника le = 67 [мм], по формуле (9) вычислим максимальный рабочий ток, Iмакс = 0.58 [А].
Теперь введем в сердечник прокладку толщиной 1 [мм], зазор составит g = 2 [мм]. Эффективная магнитная проницаемость уменьшится, после несложных расчетов по формулам (5) и (7) находим, что для получения индуктивности 500 [мкГн] надо намотать 125 витков. По формуле (10) определяем максимальный ток КИ, он увеличился до 3.8 [А], то есть более чем в 5 раз!
Читайте также: Наличие производственных мощностей строительной компании
Отсюда следует и практическая рекомендация для читателей, самостоятельно конструирующих дроссели. Чтобы получить катушку индуктивности, работающую при максимально возможном токе, заполняйте сердечник проводом полностью, а затем вводите в сердечник максимально возможный зазор. Если при проверочном расчете окажется, что дроссель имеет чрезмерный запас по току, то выбирайте меньший размер сердечника, или, по крайней мере, уменьшайте количество витков в обмотке, чтобы снизить потери в меди, и одновременно уменьшайте зазор в сердечнике. Важно подчеркнуть, что эта рекомендация не относится к трансформаторам, в которых ток через первичную обмотку состоит из двух составляющих: тока, передаваемого во вторичную обмотку, и небольшого тока, намагничивающего сердечник (ток магнетизации).
Как видим, зазор в сердечнике дросселя играет исключительно важную роль. Однако не все сердечники позволяют вводить прокладки. Кольцевые сердечники выполнены неразъемными, и, вместо того чтобы «регулировать» эквивалентную магнитную проницаемость при помощи зазора, приходится выбирать кольцо с определенной магнитной проницаемостью феррита. Этим и объясняется факт большого разнообразия типов магнитных материалов, применяемых промышленностью для изготовления колец, тогда как разъемные сердечники для ИИП, куда легко ввести зазор, почти всегда выполнены из ферритов с высокой магнитной проницаемостью. Наиболее употребительными для ИИП оказываются два типа колец: с низкой проницаемостью (в пределах 50. 200) — для дросселей, и с высокой проницаемостью (1000 и более) — для трансформаторов.
Порошковое железо оказывается наиболее предпочтительным материалом для кольцевых неразъемных сердечников дросселей, работающих при больших токах подмагничивания. Проницаемость порошкового железа обычно находится в пределах 40. 125, чаще всего встречаются кольца, выполненные из материалов с проницаемостью 50. 80. В таблице 6 приведены справочные данные кольцевых сердечников из порошкового железа фирмы Филипс.
Проверить, входит ли сердечник в насыщение при работе ИИП, несложно, достаточно при помощи осциллографа проконтролировать форму тока, протекающего через КИ. Датчиком тока может служить низкоомный резистор или трансформатор тока. КИ работающая в нормальном режиме будет иметь геометрически правильную треугольную или пилообразную форму тока. В случае же насыщения сердечника форма тока будет искривлена.
==============================================================================
Магнитная индукция поля внутри тороида:
B=m*m0*N*I/Lср,
где m — магнитная проницаемость феррита,
m0 — магнитная постоянная = 4*pi*10^(-7),
N — число витков,
I — ток в обмотке,
Lср — длина средней линии ферритового кольца.
Индуктивность тороида:
L=m*m0*N^2*S/Lср,
где m — магнитная проницаемость феррита,
m0 — магнитная постоянная,
N — число витков,
S — площадь поперечного сечения феррита,
Lср — длина средней линии ферритового кольца.
Активное сопротивление обмотки (без учета скин-эффекта):
R=p*Lп/S,
где p — удельное сопротивление меди (0.017Ом*м),
Lп — длина провода обмотки,
Sп — площадь сечения провода.
Расчет дросселя я провожу в следующем порядке:
1) Выявляем параметры ферритового кольца: магнитную проницаемость m, длину средней линии Lср, площадь сечения S, индукцию насыщения Bm. Последний параметр можно узнать в справочнике по известной марке феррита, либо на сайте производителя феррита.
2) Задаемся необходимой индуктивностью дросселя L.
3) Зная параметры L, m, Lср, S, вычисляем необходимое количество витков N.
4) Определяем максимальное токопотребление нагрузки I и берем с 10-15% запасом.
5) Зная параметры m, Lср, S, I, N рассчитываем индукцию B внутри феррита. Если она оказывается больше, чем 0.8Bm, значит кольцо для поставленной задачи не подходит, необходимо выбрать кольцо либо бОльшего сечения, либо с бОльшей индукцией насыщения.
6) Если индукция не превышает 0.8Bm, определяем удовлетворяет ли нас дроссель по рассеиваемой мощности. Для этого задаемся максимальной мощностью, рассеиваемой на дросселе (Pm=0.5-2Вт в зависимости от размеров кольца).
7) По заданной мощности Pm и токопотреблении I, определяем активное сопротивление провода обмотки R.
8) Подбираем провод, которым собираемся наматывать (0.8-1мм для намотки в один провод, 0.5-0.6мм для намотки в несколько проводов).
9) Зная сечение провода(ов) Sпр и их активное сопротивление R, вычисляем максимальную длину провода(ов) Lпр.
10) Наматываем один виток провода на кольцо и определяем его длину Lв. Добавляем 1-2мм на угловое смещение провода при намотке.
11) По найденной максимальной длине провода Lпр и длине одного витка Lв вычисляем допустимое количество витков Nдоп.
12) Если Nдоп оказываеся меньше ранее посчитанного числа витков N, необходимо использовать провод с бОльшим сечением, либо наматывать в несколько проводов.
13) Если Nдоп>=N, оцениваем возможность намотки посчитанного числа витков. Для этого измеряем внутренний диаметр кольца d и смотрим выполняется ли неравенство:
pi*(d-Sпр)>=N*dпр,
где Sпр — площаль сечения предполагаемого к намотке провода,
dпр — диаметр предполагаемого к намотке провода.
14) Если неравенство не выполняется, значит необходимо наматывать в 2 или более слоя. Для маленьких колец с внутренним диаметром до 8мм я лично мотать в несколько слоев не советую. В этом случае лучше взять кольцо бОльших размеров, либо с бОльшей магнитной проницаемостью.
Читайте также: Компенсация реактивной мощности соединение конденсаторов
Источник
Двухтактные преобразователи (упрощенный расчет) (стр. 3 )
 |
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 |
Для кольцевого сердечника не нужно изготавливать каркас и мастерить приспособление для намотки. Единственное, что придётся сделать, так это изготовить простенький челнок.
На картинке изображён ферритовый магнитопровод М2000НМ.
Идентифицировать типоразмер кольцевого магнитопровода можно по следующим параметрам.
D – внешний диаметр кольца.
d – внутренний диаметр кольца.
H – высота кольца.
В справочниках по ферритовым магнитопроводам эти размеры обычно указываются в таком формате: КDxdxH.
Вернуться наверх к меню.
