Трансформатори

Інформатика, програмування

ПРОФЕСІЙНИЙ ЛІЦЕЙ № 4

«Трансформатори»

Виконав: Комісарів Д.В.

Викладач: Антонова Т.А.

р. Пенза

1999р.

ПЛАН:

1. Трансформатор: створення та принцип дії.

2. Області застосування трансформаторів.

3. Загальний пристрій і призначення трансформаторів для побутової радіоелектронної апаратури.

4. Розрахунок силового трансформатора.

1. Трансформатор: створення та принцип дії.

Одним з найважливіших переваг змінного струму перед постійним є легкість і простота, з якою можна перетворити змінний струм однієї напруги в змінний струм іншої напруги. Досягається це за допомогою простого і дотепного пристрої - трансформатора, створеного в 1876 р. чудовим російським ученим Павлом Миколайовичем Яблочкова.

П.М. Яблочков запропонував спосіб «дроблення світла» для своїх свічок за допомогою трансформатора. Надалі конструкцію трансформаторів розробляв інший російський винахідник І.Ф. Усагін, який запропонував застосовувати трансформатори для живлення не тільки свічок Яблочкова, а й інших приймачів.

Надалі кілька конструкцій однофазних трансформаторів із замкнутим магнітопроводів були створені угорськими електротехніка О. блату, М. Дері і К. Ціперновскім. Для розвитку трансформаторобудування і взагалі електромашинобудування велике значення мали роботи професора А.Г. Столетов з дослідження магнітних властивостей сталі і розрахунку магнітних кіл.

Важлива роль у розвитку електротехніки належить М.О. Долив-Добровольському. Він розробив основи теорії багатофазних і, зокрема, трифазних змінних струмів і створив перший трифазні електричні машини і трансформатори. Трифазний трансформатор сучасної форми з паралельними стрижнями, розташованими в одній площині, був сконструйований їм в 1891 р. З тих пір відбувалося подальше конструктивне удосконалення трансформаторів, зменшувалася їх маса і габарити, підвищувалася економічність. Основні положення теорії трансформаторів були розроблені в працях Е. Арнольда і М. Відмара.

У розвитку теорії трансформаторів і вдосконалення їх конструкції велике значення мали роботи радянських вчених В.В. Корицького, Л.М. Піотровського, Г.Н. Петрова, А.В. Сапожникова, А.В. Трамбіцкого та ін

Трансформатор являє собою сердечник з тонких сталевих ізольованих одна від одної пластин, на якому містяться два, а іноді і більше обмоток з ізольованого проводу. Обмотка, до якої приєднується джерело електричної енергії змінного струму, називається первинною обмоткою, інші обмотки - вторинними.

Якщо у вторинній обмотці трансформатора намотана в три рази більше витків, ніж у первинної, то магнітне поле, створене в серцевині первинною обмоткою, перетинаючи витки вторинної обмотки, створить в ній в три рази більше напруження.

Застосувавши трансформатор із зворотним співвідношенням витків, можна так само легко й просто отримати знижена напруга.

З допустимої для практики точністю можна вважати, що відношення числа витків первинної обмотки до вторинної дорівнює відношенню прикладеної напруги до вихідного.

Це відношення, зване коефіцієнтом трансформації , звичайно скорочують на менше з чисел, і тоді коефіцієнт трансформації отримують у вигляді відношення одиниці до певного числа (1:4; 1:50) або, навпаки, деякого числа до одиниці (4:1; 50:1).

У радіоапаратурі трансформатори використовуються в першу чергу в живлять пристроях, що дозволяють живити приймачі від освітлювальної мережі змінного струму. Такі трансформатори називаються силовими. Крім того, трансформатори використовуються для зниження і підвищення напруги різної частоти в підсилювачах і радіоприймачах. Для низьких (звукових) частот ці трансформатори виготовляються з серцевиною з листової сталі. Для струмів порівняно високої частоти трансформатори, як і котушки індуктивності, робляться або зовсім без сталевих сердечників або з сердечниками з магнетиту, альсіфера, карбонільного заліза та інших спеціальних металів.

Іноді для економії дроти і стали застосовують трансформатори, в яких одна обмотка є частиною іншої, тобто гальванічної розв'язки між вхідний і вихідний ланцюгом немає. Такі трансформатори, називають автотрансформатора, вони можуть підвищувати напругу, для чого обмотка, що включається в мережу, повинна становити частину обмотки, що дає вихідну напругу, і знижувати його, для чого обмотка, з якої знімається напруга, повинна становити частину мережевий обмотки.

Застосування автотрансформаторів в радіоприймачах пов'язано з деякими незручностями, тому в аматорських і поліпшених промислових радіоприймачах автотрансформатори широкого розповсюдження не отримали. В основному вони знайшли застосування в дешевих масових промислових приймачах, а також у якості пристроїв для підтримки необхідного напруги при живленні радіоприймачів від освітлювальної мережі, напруга якої схильне до коливань.

2. Області застосування трансформаторів.

Трансформатори широко використовуються для наступних цілей:

1. Для передачі і розподілу електричної енергії.

У теперішній час для високовольтних ліній електропередач застосовуються силові трансформатори з масляним охолодженням напругою 330, 500 і 750 кВ, потужністю до 1200 - 1600 МВ * А.

2. Для забезпечення потрібної схеми включення вентилів у перетворювальних пристроях і узгодження напруги на вході і виході перетворювача.

Трансформатори, застосовуються для цієї мети, називаються перетворювальних. Їх потужність досягає тисячі кіловольт-ампер, напруга 110 кВ; вони працюють при частоті 50 Гц і більше. Розглянуті трансформатори виконують одно-, трьох-і багатофазних з регулюванням вихідної напруги в широких межах і без регулювання.

3. Для різних технологічних цілей: зварювання (зварювальні трансформатори), харчування електротермічних установок (електропечні трансформатори) та ін Потужність їх сягає десятків тисяч кіловольт-ампер при напругу до 10 кВ; вони працюють звичайно при частоті 50 Гц.

4. Для включення електровимірювальних приладів та деяких апаратів, наприклад реле, в електричні кола, по яких проходять великі струми, з метою розширення меж вимірювання та забезпечення електробезпеки.

Трансформатори, застосовувані для цієї мети, називаються вимірювальними. Вони мають порівняно більшу потужність, яка визначається потужність, що споживається електровимірювальними приладами, реле та ін

5. Для харчування різних ланцюгів радіо-і телевізійної апаратури; пристроїв зв'язку, автоматики і телемеханіки, електропобутових приладів; для розділення електричних ланцюгів різних елементів цих пристроїв; для узгодження напруг і т.п.

Трансформатори, що використовуються в цих пристроях, зазвичай мають малу потужність (від кількох вольт-ампер до декількох кіловольт-ампер), невисока напруга, працюють при частоті 50 Гц і більше. Їх виконують двох-, трьох-і багатообмотувальних; умови роботи, вимоги до них та принципи проектування дуже специфічні.

Як правило, трансформатори харчування виготовляються комбінованими, тобто що дозволяють знімати кілька напруг; при цьому первинна обмотка (мережева) може бути виконана у вигляді однієї обмотки з двома відводами або двох однакових обмоток з одним відводом в кожному з них. У другому варіанті первинна обмотка на різні напруги (110, 127 або 220 В) перемикається спеціальним мережевим перемикачем.

підвищує, обмотка трансформатора живлення виконується із середнім виводом при використанні двухполуперіодного випрямляча на двох діодах і без середнього виводу для мостової схеми випрямляча.

3. Загальний пристрій і призначення трансформаторів для побутової радіоелектронної апаратури.

Загальний пристрій трансформатора видно з представленого малюнка - це магнітопровід, набраний з окремих пластин; обмотки, виконані проводом; каркас з ізоляційного матеріалу, на якому намотані обмотки.

Трансформатор, що входить до складу випрямляча і призначений для живлення лампового радіоприймача, має наступні обмотки:

первинну, що включається в мережу;

вторинну підвищує, що дає випрямляється напруга;

вторинну знижує, що дає напругу для напруження кенотрона;

вторинну знижує, що дає напругу для напруження підсилювальних ламп радіо.

Іноді між первинною і вторинною обмотками міститься ще екранна обмотка , призначена для захисту приймача від проникнення в нього з мережі всіляких перешкод. Один кінець цієї обмотки заземляється, а інший ізольований і нікуди не включається.

Первинна обмотка робиться з декількох секцій, що дозволяють включати трансформатор в мережу з різним напругою.

Напруга мережі нерідко коливається під впливом зміни навантаження. Вдень воно буває нормальним, наприклад 220 В, а ввечері падає до 180-190 С, вночі і рано вранці підвищується до 230-240 В. У таких випадках первинну обмотку іноді розбивають на ще більш дрібні секції (роблять відводи, розраховані на напругу 90, 100, 110, 120, 130, 180, 200, 220 і 240 В). Така секціонірованная первинна обмотка дозволяє підключати до мережі кількість витків, що відповідає фактичному напрузі, і таким чином забезпечує нормальні напруги для роботи приймача.

Якщо від мережі з вагається напругою живиться радіоприймач або яке-небудь інше радіопристрій, трансформатор якого не має подібних мелкосекціонірованних обмоток, доводиться вдаватися до допомоги автотрансформатора. Останній спеціально виготовляється з великим числом відводів, перемикаючи які можна регулювати напруга, що підводиться до приймача.

Вторинна підвищує обмотка силового трансформатора при однополуперіодних випрямленні складається з однієї секції без всяких відводів, а при двухполуперіодном випрямленні вона розраховується на вдвічі більша напруга і має відвід від середньої точки.

На якість виготовлення вторинної обмотки треба звернути особливу увагу, тому що в ній виходять високі напруги. Для отримання доброго згладженому струму при двухполуперіодном випрямленні обидві половини підвищує обмотки повинні бути скоєно однакові . Тому їх краще намотувати не одну поверх іншої, а мати у своєму розпорядженні в сусідніх секціях каркаса.

Накальние обмотки трансформаторів намотуються з відносно товстого дроту (1-2 мм). Обмотка напруження кенотрона у схемі випрямляча з'єднана з плюсом високої напруги, тому вона повинна бути особливо ретельно ізольована від осердя трансформатора, інших його обмоток і екрану.

Всі обмотки трансформатора для кращого використання його обсягу і для запобігання від пробою ізоляції проводів слід намотувати акуратно, виток до витка. Шари обмоток потрібно відокремити один від іншого тонкої пропарафінірованной папером, а між обмотками прокладати шар ізолювальних стрічки, тонкого електрокартону або два-три шари Лакотканини (спеціально ізоляційної тканини, просоченої лаком).

Щоб крайні витки сповзали в щілину між щічкою каркаса і краєм обмотки і верхні витки не торкалися нижніх, що знаходяться під великою напругою один щодо іншого, прокладки слід робити на 6-8 мм ширше довжини каркаса, а краї цієї прокладки надрізані і загнуті.

Каркас для намотування трансформатора звичайно виготовляється із спеціального електрокартону або звичайного щільного картону. Розміри каркаса визначаються розмірами сталевого осердя трансформатора.

Сердечник трансформатора для зменшення в ньому вихрових струмів виготовляється з тонких листів (0,35-0,5 мм) спеціальне трансформаторної сталі. Кожна пластина трансформатора з одного боку обклеюється тонкої цигаркового папером або покривається шаром ізолюючого лаку. Використовувані в даний час трансформаторні пластини найчастіше мають Ш-подібну форму. Застосовуються також пластини Г-подібної форми.

Ш - образна Г-образна

Після намотування трансформатора каркас повинен бути якомога щільніше заповнений трансформаторної сталлю. Набивати силовий трансформатор треба вперекришку: на те місце, де був стик пластин, наступні пластини класти суцільний частиною. Усі пластини кладуться ізольованою поверхнею в один бік.

Пластини трансформатора повинні бути туго стягнуті болтами, що проходять через спеціальні отвори. Якщо пластини не мають отворів, вони стягуються за допомогою сталевих обжімок або дерев'яних брусків.

Вихідний трансформатор.

Крім силових трансформаторів, в лампових радіоприймачах і підсилювачах вживають вихідні, междуламповие (або перехідні) і вхідні (в підсилювачі низької частоти) трансформатори.

Вихідні трансформатори застосовуються для узгодження опору гучномовця з опором анодного ланцюга вихідний лампи. Узгодження це необхідно для того, щоб можна було отримати від лампи ту потужність, на яку вона розрахована. Віддати ж найбільшу потужність лампа може тільки в тому випадку, якщо в анодного ланцюга її варто навантаження з опором, що є оптимальним для даної лампи. У довідниках ця оптимальна навантаження позначається зазвичай Rа або Rа опт.

Анодна навантаження вихідних низькочастотних ламп становить зазвичай кілька тисяч му, в той час як опір обмоток сучасних гучномовців дорівнює одиницям му. Якщо гучномовець з такою низькоомний звуковою котушкою включити прямо в анодний ланцюг лампи, то тільки маленька частка потужності буде витрачатися на гучномовця, а вся інша потужність буде марно витрачатися на нагрів лампи. При включення ж в анодний ланцюг лампи понижуючого трансформатора, до вихідний обмотці якого підключено гучномовець, становище різко зміниться.

Трансформатор, знижуючи напруга, що діє в анодного ланцюга лампи, в той же час як би «підвищує» опір, підключений до анодного ланцюга. Якщо коефіцієнт трансформації вихідного трансформатора дорівнює 20:1, тобто у вторинній (вихідний) обмотці в 20 разів менше витків, ніж у первинної (анодного), то напруга, що підводиться до гучномовця, буде в 20 разів менше діє на аноді лампи, а опір, «відчувається» лампою, стане в 400 разів більше опору обмотки гучномовця, тобто зросте в 20 * 20 = 202 разів.

Розрахунок вихідного трансформатора складний для початківця радіоаматора, тому в таблиці наведені дані обмоток вихідних трансформаторів для найбільш уживаних вихідних ламп і гучномовців.

Таблиця 1.

Дані найбільш уживаних вихідних трансформаторів. Опір анодного навантаження в ом Кількість витків вторинної обмотки при первинній обмотці, яка має 2 400?? ітков Опір звукової котушки динамічного гучномовця 2 му 2,2 ом 2,8 ом 3,0 ом 3,4 ом 3,8 ом 4,3 ом 10 ом 2 000 76 80 90 92 100 104 110 170 2 500 70 72 80 83 90 93 100 150 3 000 62 65 73 76 81 86 91 140 4 500 50 53 60 62 66 70 74 112 5 000 48 50 57 60 62 66 70 108 5 500 46 48 55 56 60 63 66 102 7 000 41 42 48 50 53 56 60 90 8 000 38 40 45 46 50 52 56 86 8 500 37 39 43 45 48 50 54 83 12 000 30 32 36 38 40 42 45 70 30 000 20 21 23 24 26 27 28 44

Примітка. Для потужностей до 1 Вт переріз сердечника повинно бути 2,5 - 3 см2; первинна обмотка намотується проводом ПЕ діаметром 0,1 - 0,12 мм, вторинна - проводом ПЕ діаметром 0,6 - 0,7 мм. Для потужностей 1 - 3 Вт перетин осердя 4 - 5 см2; первинна обмотка намотується проводом ПЕ діаметром

0,12 - 0,15 мм, вторинна - проводом ПЕ діаметром 0,7 - 0,9 мм.

Треба вказати на особливість зборки сердечників вихідних трансформаторів. Тут, так само як і в дроселях фільтра, пластини осердя збираються в стик з зазором між пакетами пластин в 0,1 - 0,2 мм. Необхідно це тому, що за відсутності зазору постійна анодний ток лампи, що проходить через трансформатор, може дуже сильно намагнітити сердечник, внаслідок чого індуктивність трансформатора зменшиться, а це призведе до погіршення трансформування нижніх звукових частот.

Вхідні трансформатори.

Вхідні трансформатори служать для узгодження входу підсилювача звукової частоти з мікрофоном, звукознімачем або магнітної головкою. Так як максимальна амплітуда змінної напруги для вхідних трансформаторів буває не більше 1В, то їх виготовляють підвищують. Вхідні трансформатори повинні мати підвищену перешкодозахищеність і слабку чутливість до впливу зовнішніх магнітних полів, тому що в іншому випадку в них можуть з'явитися значні напруги перешкод.

Для зменшення перешкод вхідні трансформатори ретельно екранують, осі їх обмоток розташовують перпендикулярно до магнітним силовим лініях джерела перешкод, а також вживають заходів щодо можливо більшого видалення вхідних ланцюгів від вихідного трансформатора і трансформатора живлення. Враховуючи, що найменшою чутливістю до дії зовнішніх магнітних полів мають трансформатори з магнітопровода броньового або тороїдального типу, вхідні трансформатори виготовляються на штампованих або стрічкових сердечниках з пермаллоя. 80НХС або 79НМ, а також із сталі. Вхідні трансформатори поміщають в екран або обпресовують пластмасою. Їх кріплять на друкованих платах з допомогою «лапок» або безпосередньо пайкою висновків з лудженої дроту діаметром 1 -- 1,5 мм.

Междуламповие і междукаскадние трансформатори.

Междукаскадние трансформатори застосовуються для зв'язку в УЗЧ, що одержують харчування від автономних джерел, тому що в цьому випадку від підсилювача необхідно одержати максимальний коефіцієнт підсилення при мінімальній кількості транзисторів і радіоламп.

Конструктивно междукаскадние трансформатори не відрізняються від вхідних. Вони виготовляються з коефіцієнтом трансформації не більше ніж 1:4, так як більший коефіцієнт викликає великі гармонійні спотворення.

Междуламповие трансформатори вживаються, коли при обмеженій кількості ламп і невеликому анодному напрузі необхідно отримати велике підсилення. Такі вимоги часто пред'являються до батарейним радіоприймачів.

Междуламповие трансформатори здебільшого роблять з малим перерізом сталевого сердечника (1,5 - 3 см 2). Первинні обмотки, що включаються в анодний ланцюг лампи, зазвичай складаються з 3000 - 5000 витків емальованого дроту діаметром 0,08 - 0,1 мм. Вторинні обмотки трансформаторів мають від 6000 до 20 000 витків того ж дроти, що і первинна обмотка.

Коефіцієнт трансформації междулампових трансформаторів, тобто відношення кількості витків первинної обмотки до кількості витків вторинної обмотки, беруться в межах від 1:2 до 1:5.

Здавалося б, що для більшого посилення треба мати великі коефіцієнти трансформації. Однак при підвищенні коефіцієнта трансформації навіть тільки до 1:4, 1:5 трансформатори вже дають помітно гірша якість відтворення звуку, ніж трансформатори з коефіцієнтом 1:2. Причина в тому, що при дуже великій кількості витків у вторинній обмотці її власна ємність стає настільки великою, що погіршує трансформацію верхніх звукових частот.

Крім того, намотаних тонким проводом междуламповий трансформатор є найбільш надійною деталлю приймача чи підсилювача.

Тому по можливості междуламповий трансформатор не слід застосовувати.

Застосування перехідних трансформаторів в мережевих приймачах небажано ще тому, що при використанні междулампового трансформатора дуже важко позбутися від прослуховування фону змінного струму. Це явище викликається тим, що магнітний потік силового трансформатора не весь замикається по сердечникові. Частина потоку проходить в навколишньому просторі, перетинає витки обмотки междулампового трансформатора і наводить у ньому змінну напругу. Наведення напруга посилюється і, потрапляючи в гучномовець, створює неприємне гудіння.

4. Розрахунок силового трансформатора.

Силовий трансформатор належить до деталей, які радіоаматорові доводиться часто виготовляти самому. Тому необхідно вміти визначати дані силового трансформатора і розраховувати його. Це завдання нескладне і цілком доступна починаючому радіоаматорові.

Розрахунок складається з наступних етапів:

1. У залежності від призначення пристрою, для живлення якого розраховується силовий трансформатор, встановлюються число обмоток трансформатора та їх струми і напруги. Потім підраховується сумарна корисна потужність трансформатора, для чого знаходяться потужність, віддають кожній вторинною обмоткою трансформатора (шляхом множення величини струму на напругу).

2. Знаходиться потужність, споживана від мережі трансформатором. Як відомо, під час роботи трансформатора в ньому відбуваються втрати (на вихрові струми, перемагнічування стали і нагрівання обмоток), з цього потужність, споживана трансформатором від мережі, буде приблизно в 1,25 разів більше корисної віддається потужності.

Pпотр = 1,25 * Pпол

3. Визначається перетин сталевого осердя трансформатора, необхідне для даної споживаної потужності, за графіком 1.

Графік № 1.

Визначення перерізу осердя трансформатора по його потужності
18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

100

120

140

160

180

200

Потужність трансформатора в вольт-амперах

За знайденому перерізу сердечника і за розмірами наявних відповідних трансформаторних пластин визначається форма сердечника (перш за все товщина пакету стали б, як показано на графіку) і встановлюється форма і розмір каркасу трансформатора.