Введение
Трансформатор представляет собой магнитопровод с нанесенными на него несколькими обмотками. Предназначен для преобразования переменного тока. На постоянном токе работа трансформатора не возможна.

При проектировании источников электропитания желательно использовать готовые трансформаторы, выпускаемые промышленностью и работающие от сети частотой 50 Гц. В тех случаях, когда токи и напряжения во вторичных обмотках или количество обмоток унифицированного трансформатора не соответствует требуемым значениям, необходимо проектировать и изготовлять трансформатор, параметры которого соответствуют исходным данным. При этом, исходными величинами для расчета трансформаторов служат напряжение питающей сети с частотой 50 Гц, а также токи и напряжения вторичных обмоток.

Выбор материалов и расчет трансформатора

Конструкция магнитопровода

По конструктивному исполнению магнитопроводы для сетевых трансформаторов подразделяются на броневые (рисунки 1а и 2а), стержневые (рисунки 1б и 2б) и кольцевые или тороидальные (рисунки 1в и 2в). По технологии изготовления магнитопроводы делятся на пластинчатые (рисунок 1) и ленточные (рисунок 2).

Рисунок 1. Пластинчатые магнитопроводы.

Рисунок 2. Ленточные магнитопроводы.

В трансформаторах малой (до 300 Вт) и средней мощности (до 1000 Вт) предпочтительно используют ленточные магнитопроводы. Среди ленточных магнитопроводов более часто применяют стержневые магнитопроводы, они имеют ряд существенных эксплуатационных преимуществ перед броневыми: минимальная индуктивность рассеяния, более высокое КПД, большая поверхность охлаждения обмоток, меньшая масса и меньшая чувствительность к внешним магнитным полям.

Тороидальные трансформаторы обладают наилучшими эксплуатационными характеристиками, однако сложны в изготовлении.

Существуют следующие типы стержневых ленточных магнитопроводов: ПЛ – стержневой ленточный; ПЛВ – стержневой ленточный наименьшей массы; ПЛМ – стержневой ленточный с уменьшенным расходом меди; ПЛР – стержневой ленточный наименьшей стоимости.

На рисунке 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. Магнитопроводы данного типа имеют сокращенное обозначение. Если присутствует запись: ПЛР25х50х65, то она расшифровывается как ПЛР – Рисунок 3 стержневой ленточный наименьшей стоимости, толщина стержня - 25 мм., ширина ленты – 50 мм., высота окна – 65 мм. При определении размеров магнитопровода используют таблицы 1 и 2 (приложение 1).

Существуют различные варианты размещения катушек на магнитопроводе. При изготовлении броневого магнитопровода обмотки наматываются полностью вторичная по верх первичной. Обмотки располагаются в окнах магнитопровода вокруг центрального стержня (рисунок 4а). При изготовлении стержневых трансформаторов рекомендуется каждую обмотку делить пополам и для каждой обмотки изготавливать 2 катушки, которые затем располагают на двух стержнях (рисунки 4б и 5). При этом полуобмотки каждой из обмоток должны быть включены согласованно (рисунок 6), чтобы создаваемые ими магнитные потоки имели одинаковое направление.

Рисунок 4.

 

Рисунок 5.

 

Рисунок 6.

При преобразовании напряжения в трансформаторе происходят потери мощности. Суммарная мощность потерь в трансформаторе равна:

Р_Σ = Р_ст + Р_м = Р_вт + Р_г + Р_м (1)

где: Р_ст – мощность потерь в стали (в магнитопроводе), которая складывается из мощности потерь на вихревой ток Р_вт и мощности потерь на гистерезис Р_г. Также в трансформаторе происходят потери в обмотках – мощность потерь в меди Р_м.

Материал магнитопровода.
Для уменьшения мощности потерь в стали, сталь подвергают термообработке - удаляют углерод, а также подвергают легированию – добавляют кремний, алюминий, медь и др. Это повышает магнитную проницаемость, уменьшает коэрцитивную силу и как следствие потери на гистерезис уменьшаются. Также сталь подвергают холодной или горячей прокатке для получения необходимой структуры (текстуры проката).

В зависимости от содержания легирующих элементов, структурного состояния, магнитных свойств, стали маркируют четырехзначными числами. К примеру, 1511. (Таблица 1, приложение 2)

Первая цифра означает класс электротехнической стали по структурному состоянию и классу прокатки: 1 — горячекатаная изотропная; 2 — холоднокатаная изотропная; 3 — холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой. Вторая цифра — процент содержания кремния: 0 — нелегированная сталь с суммарной массой легирующих элементов не более 0,5 %; 1 — легированная с суммарной массой свыше 0,5, но не более 0,8 %; 2 — 0,8... 1,8 %; 3 — 1,8...2,8 %; 4 - 2,8...3,8 %; 5 - 3,8...4,8 %. Третья цифра — группа по основной нормируемой характеристике (удельные потери и магнитная индукция): 0 — удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл на частоте 50 Гц (Р_1,7/50); 1 — потери при магнитной индукции 1,5 Тл на частоте 50 Гц (Р_1,5/50); 2 — при индукции 1 Тл на частоте 400 Гц (Р_1/400); 6 — индукция в слабых магнитных полях при напряженности 0,4 А/м (B_0,4); 7 — индукция в средних магнитных полях при напряженности 10 А/м (B₁₀) или 5 А/м (B₅).

Первые три цифры обозначают тип электротехнической стали. Четвертая цифра — порядковый номер типа стали. Магнитопроводы для трансформаторов общего назначения изготавливают из холоднокатаной текстурованной стали марок 3411—3415 с нормированными удельными потерями при магнитной индукции 1,5 Тл на частоте 50 Гц и удельным сопротивлением 60*10^-8 Ом*м. Параметры некоторых марок электротехнической стали приведены в таблице 2 (приложение 2).

Холоднокатаная электротехническая сталь обладает более высокими магнитными характеристиками. Кроме того, более гладкая поверхность позволяет увеличить коэффициент заполнения объема магнитопровода (k_ст) до 98 % .