На практике выделяют достаточно большое разнообразие преобразователей электрической энергии, как по конструктивным особенностям, так и по принципу действия. Среди устройств для изменения величины напряжения существуют броневые, стержневые и тороидальные трансформаторы. Последний вариант по своей форме напоминает бублик, за счет чего он является наиболее эффективным в части передачи магнитного потока. Его КПД может приближаться к 100% и отличается достаточной простотой намотки, поэтому многие радиолюбители стараются изготовить тороидальный трансформатор своими руками.
Конструкция и принцип работы
Конструктивная особенность такого трансформатора заключается в форме магнитопровода, которая представляет замкнутое кольцо, называемая тором.
В остальном состав его элементов идентичен другим типам электрических машин:
- Обмотка – выполняется медным проводником, разделяется на первичную и вторичную. Обе обмотки могут отличаться сечением проводника.
- Тороидальный сердечник — имеет форму кольца, изготавливается наборной шихтовкой, ленточной сталью или монолитным железом, в зависимости от габаритов и назначения. В качестве материала берутся ферромагнитные сплавы, обеспечивающие хорошую магнитную проводимость.
- Изоляционных материалов – часть диэлектрика заранее наносится на монтажных провод, остальной диэлектрик разделяет катушку тора с железом, обмотки между собой, между катушками и кожухом. В качестве изоляции используются ленточные или лакотканевые материалы, электроизоляционный картон, клей и т.д.
- Защитный кожух – предназначен как для защиты силового трансформатора от механических повреждений, так и для предотвращения контакта человека с поверхностью обмоток.
- Выводы вторичной и сетевой обмотки, крепежные и вспомогательные детали.
Рис. 1. Конструкция тороидального трансформатора
Принцип действия тороидального преобразователя заключается в подаче напряжения питания на выводы первичной обмотки. После чего в ней начинает протекать электрический ток, который создает магнитный поток внутри витков. Магнитный поток перемещается внутри каркасов катушек и наводит ЭДС во вторичной обмотке. При условии подключения нагрузки к ее выводам будет происходить потребление заданной мощности.
Данное устройство нашло применение в тороидальных автотрансформаторах (ЛАТРах), радиоэлектронике, сварочных трансформаторах и прочих преобразователях. В домашних условиях занимаются перемоткой трансформатора такого типа за счет относительно простого процесса.
Как упростить задачу по намотке витков на сердечник
Зная как создать трансформатор во всех подробностях и всеми данными, остается перейти к практической работе, но намотка витков представляет собой достаточно трудоемкий процесс, требующий особой концентрации внимания. Правильность намотки также имеет значение и напрямую влияет на характеристики устройства, которое в итоге получится.
Но для таких случаев в помощь людям существует специальное устройство, станок для намотки тороидальных трансформаторов, цена такого приспособления не высока, но купить его не просто, поэтому на рынке часто встречаются самодельные устройства, и если почитать соответствующую литературу, то можно попробовать сделать этот станок самому.
Изготовление своими руками
Чтобы изготовить тороидальную электрическую машину вам необходимо определиться с ее типом. Всего выделяют повышающий и понижающий трансформатор, в первом случае с низкого напряжения, к примеру, 220В получают высокое — 600В, а во втором, с высокого низкое, как наиболее распространенный вариант с 220В – 12В. Важным параметром для изготовления и расчета тороидального агрегата является коэффициент трансформации, показывающий, во сколько раз изменяется электрическая величина во вторичной обмотке по отношению к первичной. Для его определения используется одно из следующих соотношений:
U1/U2 = W1/W2 = I2/I1 = n
U1 и U2, I1 и I2 — величина напряжения и тока в обмотках, W1 и W2 – это число витков.
Что необходимо для работы?
Вам обязательно пригодится набор слесарных инструментов для элементарных работ: отвертки, пассатижи, круглогубцы, ножи, паяльник, заклепочник и т.д. Также для того чтобы намотать тороидальный сетевой трансформатор или самодельный сварочный агрегат вам понадобятся некоторые материалы:
- Медный провод с лаковым покрытием – можете взять и с виниловой изоляцией, но у него будет толщина больше. Как результат, намотка потребует больших усилий, что не сильно удобно при большом числе витков.
- Устройство для намотки – чаще всего применяется либо автоматизированный механизм с кольцевым расцеплением, либо челночная катушка. Первый позволяет наматывать провода быстро и без лишних усилий, но его приобретение или самостоятельное изготовление требует дополнительных затрат. Второй способ куда проще, но он хуже применяется для жил большого сечения.
- Изоляционный материал – вам пригодится электроизоляционный картон, полимерный диэлектрик, лакотканевая изоляция, тканевая изолента. Чтобы перемотать трансформатор можно использовать не все вышеперечисленные материалы, а выбрать некоторые из них.
- Магнитопровод или тор – наилучшим вариантом будет готовый заводской сердечник круглой формы от другого трансформатора. Однако если его нет, можно собрать тороидальную конструкцию самостоятельно. Для этого подойдет шихтовка от стержневого магнитопровода.
Возьмите длинный лист стали и согните кольцом, на краю зафиксируйте концы.
Рис. 2. Согните пластину железа
Внутрь полученного тороидального листа поместите следующий, следите за тем, чтобы края ложились стык в стык. При необходимости, края можно подрезать, что особенно актуально на внутренних слоях. Каждую пластину необходимо четко обжимать, чтобы при мотании тор получился плотным без зазоров.
Если вы решите изготовить сердечник, его края обязательно следует обработать эпоксидным клеем с обеих сторон. После этого сборку сердечника можно считать оконченной. Помимо этого можно использовать ленточную сталь, которую по такой же технологии закручивают плотной по спирали.
Рис. 3. Намотайте сердечник из ленточной стали
Расчет
Чтобы начать вычисления, вам необходимо определиться с величиной напряжения на вторичной и первичной обмотке и нужной мощностью тороидального трансформатора. Далее вам понадобится определить сечение тора:
S = H * ((D-d))/2
где
- S – площадь сечения магнитопровода;
- H – высота тороидального сердечника;
- D – внешний диаметр тороидального сердечника;
- d – внутренний диаметр тороидального сердечника.
Чтобы вычислить количество витков воспользуйтесь двумя выражениями для коэффициента передачи магнитопровода:
k = f/S и W1= k*U1
Здесь k – коэффициент передачи, f – частота в подключаемой сети, S – площадь сечения магнитопровода. W1 – число витков в первичной катушки, U1 – напряжение в первичке. Из второй формулы вы узнаете количество витков, аналогично рассчитываются витки для вторичной обмотки тороидального трансформатора.
Чтобы определить сечение проводов катушек преобразователя, воспользуйтесь формулой:
S = (ρ*l * P)/U2
- S – площадь сечения проводника трансформатора;
- P – мощность тороидального трансформатора;
- ρ – удельная проводимость материала жил (для меди 0,017 Ом*мм2/м);
- U – напряжение в соответствующей обмотке трансформатора;
- l – длина проводника в катушке, этот параметр можно узнать из следующей формулы:
l = (2 * (D-d) + 2*H)*W
И длину и сечение трансформатора можно рассчитать для каждой обмотки отдельно. После того как расчет тороидального агрегата готов, можно переходить к его намотке.
Намотка
Процесс изготовления самодельного трансформатора будет состоять из нескольких этапов:
- осмотрите тороидальный магнитопровод на предмет отсутствия заусениц и неровностей – поверхность должна быть ровной, без выпирающих краев.
Рис. 4. Осмотрите сердечник
- изготовьте для пластин самодельного трансформатора изоляцию из электротехнического картона, при его отсутствии можете взять любой другой диэлектрик;
Рисунок 5: заизолируйте сердечник картоном
- чтобы не повредить изоляцию провода, наденьте на край челнока виниловую трубку и намотайте медный провод;
Рис. 6. Виниловая изоляция на край челнока
- припаяйте край провода к первому выводу обмотки тороидального трансформатора;
Рис. 7. Припаяйте провод к выводу трансформатора
- заизолируйте электроизоляционным картоном и закрепите место пайки на сердечнике;
Рис. 8. Закрепите место пайки на сердечнике
- с помощью челнока намотайте обмотку, при этом старайтесь делать витки, как можно плотнее к сердечнику;
Рис. 9. Намотайте обмотку челноком
- заизолируйте первичную обмотку тороидального трансформатора.
Рис. 10. Заизолируйте первичную обмотку
Перемотка вторичной обмотки осуществляется аналогичным образом, после чего ее так же изолируют и всю конструкцию, при необходимости, закрывают корпусом. Тороидальный трансформатор готов.
Сопротивления цепи параллельно соединённых резисторов:
Программа для расчёта сопротивления цепи, набранной параллельно соединёнными резисторами. Особенностью программы является возможность интерактивно добавляя сопротивления в параллельное соединение моментально получать значение общего сопротивления цепи. Ограничений или предустановок по количеству включаемых параллельно элементов нет. Работает в DOS и Windows 97/XP/7 (32-х битных) — в сеансе командной строки. Программа бесплатна. Для вычисления распакуйте архив, кликните на файле программы мышкой и следуйте инструкции на русском языке. Программа не инсталлируется и работает с любого носителя.
Скачать бесплатно программу для DOS/Windows 32-bit архив .zip 22,3 кб
Для Windows 7 — 64 bit(132 kb)
Для Linux — zip 488 kb Примечание о запуске программы для Linux:
для запуска распакуйте файл paralsop в каталог /bin или в /usr/local/bin , присвойте ему права 777 командой #chmod 777 /bin/paralsop или #chmod 777 /usr/local/bin/paralsopпосле чего можете запустить программу командой: $paralsop в первом варианте или $/usr/local/bin/paralsop во втором варианте
Онлайн расчёт цепи параллельно соединённых резисторов
Ещё одна программа для вычисления сопротивления цепи параллельно соединённых резисторов — paralsop. Особенностью её является то, что Вы можете добавлять и вычитать номиналы резисторов тут же получая результат. Для добавления резистора надо только ввести его номинал и нажать Enter, для удаления резистора из общей цепи нужно ввести его номинал со знаком минус и Enter — тут же получаем результат. Программа используется для точного набора сопротивления из кучи резисторов разных номиналов. Подробнее…
Скачать программу для Dos/Windows XP/32bit — zip 13 kb
Скачать программу для Windows 7/32bit — zip 121 kb
Скачать программу paralsop для Windows 7/64bit — zip 133 kb
Расчет тороидального трансформатора для сварки
Расчет сварочного трансформатора на тороидальном сердечнике
Трансформатор является главным узлом сварочного аппарата независимо от его конструкции. При самостоятельном изготовлении этого элемента возникает много вопросов: Как выбрать форму магнитопровода? Какой требуется намоточный провод? Как сделать расчет необходимого количества витков?
Тороидальный трансформатор имеет ряд преимуществ перед трансформаторами другого типа:
- Равномерное распределение обмоток;
- Снижение массы на 20…30 % при сохранении мощности;
- Сниженные токи Х.Х. в 10…20 раз;
- Высокий К.П.Д;
- Уменьшение полей рассеяния;
- Низкий уровень шума.
Если приложить определенные усилия для создания тороидального трансформатора своими руками, то можно получить свой уникальный набор характеристик устройства, которое удовлетворит все потребности при работе со сваркой. И даже более того – можно учесть текущие реалии нашей действительности такие как, например пониженное напряжение в сети вашего дома.
Используя формулы и методы, приведенные в нашей статье, вы получите практическое пособие по расчету сварочного трансформатора на тороидальном сердечнике.
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:
Рекомендуем! Как сделать сварочные электроды своими руками
«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.»
Формулы расчета площади сечения тороидального сердечника
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:
- 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.
Расчет трансформатора с тороидальным магнитопроводом :: АвтоМотоГараж
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:
- напряжение первичной обмотки, U1 = 220 В;
- напряжение вторичной обмотки, U2 = 36 В;
- ток вторичной обмотки, l2 = 4 А;
- внешний диаметр сердечника, D = 110 мм;
- внутренний диаметр сердечника, d = 68 мм;
- высота сердечника, h = 60 мм.
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.
Формулы и таблицы для ручного расчет трансформатора:
1. Мощность вторичной обмотки;
2. Габаритная мощность трансформатора;
Табл.№1.
Величина Суммарная мощность вторичных обмоток Рвых, [Вт]2-15 15-50 50-150 150-300 300-1000
| По сравнению с обычными конструкциями тороидальные трансформаторы имеют ряд существенных преимуществ. При незначительных размерах и массе, они обладают значительно большим коэффициентом полезного действия. Поэтому данные устройства нашли широкое применение в сварочных аппаратах и стабилизаторах напряжения. Большое значение имеет правильный расчет тороидального трансформатора, применительно к конкретным условиям эксплуатации. Существуют различные способы расчетов, позволяющие получить результаты с разной степенью точности. Чаще всего для расчетов используются таблицы. Определение основных параметровПеред началом расчетов необходимо определиться с основными параметрами трансформатора. В первую очередь это касается типа проводов и количества витков, от которых зависит общая длина проводника. Далее нужно сделать правильный выбор сечения, влияющего на показатели выходного тока и мощность устройства. Следует учитывать и тот фактор, что при небольшом количестве витков, первичная обмотка будет нагреваться. Точно такая же ситуация возникает, когда мощность потребителей, включаемых во вторичную обмотку, превышает мощность, отдаваемую трансформатором. В результате перегрева снижается надежность устройства, иногда может произойти воспламенение трансформатора. В качестве примера приводится таблица, с помощью которой можно рассчитать тороидальный трансформатор, работающий при частоте сети 50 Гц. Сердечники устройств могут быть изготовлены из холоднокатаной стали марок Э310-330, толщиной от 0,35 до 0,5 мм. Может применяться и обычная сталь, марок Э340-360, где толщина ленты будет в пределах от 0,05 до 0,1 мм. Условные обозначения в таблице соответствуют:
При наматывании тороидальной катушки используется только наружная и межобмоточная изоляция. Несмотря на ровную укладку обмоточных проводов, толщина намотки по внутреннему диаметру обязательно увеличивается вследствие разницы между наружным и внутренним диаметром сердечника. Поэтому рекомендуется использовать проводники, изоляция которых обладает повышенной механической и электрической прочностью, например, марки ПЭЛШО и ПЭШО, а в некоторых случаях – ПЭВ-2. Для наружной и межобмоточной изоляции чаще всего применяется батистовая лента, лакоткань ЛШСС, толщиной 0,06-0,12 мм, а также триацетатная или фторопластовая пленка, толщиной 0,01-0,02 мм. Формулы для расчета тороидального трансформатораОсновными параметрами для расчета тороидального трансформатора служат напряжение сети питания (Uc), равное 220 В, значение выходного напряжения (Uн) – 24 В, токовая нагрузка (Iн) – 1,8 А. Для определения мощности вторичной обмотки существует формула: Р = Uн х Iн = 24 х 1,8 = 43,2 Вт. Далее определяется габаритная мощность трансформаторного устройства по формуле: Величина коэффициента полезного действия и прочие данные, необходимые для расчетов, выбираются из таблицы, в соответствующей графе и ряде под конкретную габаритную мощность. Следующим этапом будет расчет площади сечения сердечника по формуле: Выбор размеров сердечника осуществляется следующим образом: Ближайшим типом сердечника со стандартными параметрами будет ОЛ50/80-40, с площадью сечения S = 60 мм2, которая должна быть не менее расчетной. Внутренний диаметр сердечника определяется в соответствии с условием, что dc имеет значение большее или равное dc’:
Теперь необходимо определить количество витков в первичной и вторичной обмотках: Поскольку в любом тороиде рассеивание магнитного потока совсем незначительное, падение напряжения в обмотках возможно определить только по их активному сопротивлению. В результате, значение относительной величины падения напряжения в обмотках тороидального трансформатора будет намного меньше, чем в обычных трансформаторах. В связи с этим, потери на сопротивлении вторичной обмотки компенсируются увеличением количества витков примерно на 3%. Расчет будет выглядеть следующим образом: W1-2=133 х 1,03=137 витков. Диаметры обмоточных проводов можно определить по формуле:
Диаметр провода выбирается по ближайшему значению в сторону увеличения, что будет составлять 0,31 мм. Трансформаторы, изготовленные по расчетам с помощью таблицы, прошли успешные испытания при постоянной максимальной нагрузке, воздействующей на протяжении нескольких часов. Таким образом, расчет тороидального трансформатора позволяет получить точные результаты, подтвержденные на практике. С помощью этой методики можно определить необходимые параметры для любого устройства. | ||||
| КПД | 0,76-0,88 | 0,88-0,92 | 0,92-0,95 | 0,95-0,96 |
3. Фактическое сечение стали магнитопровода в месте расположения катушки трансформатора;
4. Расчётное сечение стали магнитопровода в месте расположения катушки трансформатора;
5. Фактическая площадь сечения окна сердечника;
6. Величина номинального тока первичной обмотки;
Табл.№2.
Величина Суммарная мощность вторичных обмоток Рвых, [Вт]2-15 15-50 50-150 150-300 300-1000
| COS Φ | 0,85-0,90 | 0,90-0,93 | 0,93-0,95 | 0,95-0,93 | 0,93-0,94 |
7. Расчёт сечения провода для каждой из обмоток (для I1 и I2);
Табл.№3.
Конструкция магнитопровода Плотность тока J, [а/мм кв.] при Рвых, [Вт]2-15 15-50 50-150 150-300 300-1000
| Кольцевая | 5-4,5 | 4,5-3,5 | 3,5 | 3,0 |
8. Расчет диаметра проводов в каждой обмотке без учета толщины изоляции;
9. Расчет числа витков в обмотках трансформатора;
n – номер обмотки, U’ – падение напряжения в обмотках, выраженное в процентах от номинального значения, см. таблицу.
В тороидальных трансформаторах относительная величина полного падения напряжения в обмотках значительно меньше по сравнению с броневыми трансформаторами.
Табл.№4.
Тор, величина U’ Суммарная мощность вторичных обмоток Рвых, [Вт]8-25 25-60 60-125 125-250 250-600
| U’1 | 7 | 6 | 5 | 3.5 | 2.5 |
| U’2 | 7 | 6 | 5 | 3.5 | 2.5 |
Табл.№5.
Конструкция магнитопровода Магнитная индукция Вмах, [Тл] при Рвых, [Вт]5-15 15-50 50-150 150-300 300-1000
| Тор | 1,7 | 1,7 | 1,7 | 1,65 | 1,6 |
10. Расчет числа витков приходящихся на один вольт;
11. Формула для расчёта максимальной мощности которую может отдать магнитопровод;
Sст ф – фактическое сечение стали имеющегося магнитопровода в месте расположения катушки;
Sок ф – фактическая площадь окна в имеющемся магнитопроводе;
Вмах- магнитная индукция, см. табл.№5;
J – плотность тока, см. табл.№3;
Кок – коэффициент заполнения окна, см. табл.№6;
Кст – коэффициент заполнения магнитопровода сталью, см. табл.№7;
Величины электромагнитных нагрузок Вмах и J зависят от мощности, снимаемой со вторичной обмотки цепи трансформатора, и берутся для расчетов из таблиц.
Табл.№6.
Конструкция магнитопровода Коэффициент заполнения окна Кок при Рвых, [Вт]5-15 15-50 50-150 150-300 300-1000
| Тор | 0,18-0,20 | 0,20-0,26 | 0,26-0,27 | 0,27-0,28 |
Табл.№7.
Конструкция магнитопровода Коэффициент заполнения Кст при толщине стали, мм0,08 0,1 0,15 0,2 0,35
| Тор | 0,85 | 0,88 |
Определив величину Sст*Sок, можно выбрать необходимый линейный размер магнитопровода, имеющий соотношение площадей не менее, чем получено в результате расчета.
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.
