Расчет автотрансформатора своими руками

Содержание
  1. Расчет автотрансформатора своими руками — Справочник металлиста
  2. Принцип работы устройства
  3. Виды сердечников
  4. Типовой расчёт параметров
  5. Стержневой тип магнитопровода
  6. Особенности автотрансформатора
  7. Трансформатор тороидального типа
  8. Что собой представляет автотрансформатор, как собирается ЛАТРа своими руками и схема
  9. Устройство автотрансформатора
  10. Где используются
  11. Схема электронного прибора
  12. Необходимые для сборки материалы
  13. Расчёт обмотки ЛАТРа
  14. Расчет автотрансформатора своими руками
  15. Типы сердечников
  16. Исходные данные, необходимые для расчета
  17. Расчет количества витков и диаметра проводов
  18. Расчет автотрансформатора
  19.  
  20. ПРЕИМУЩЕСТВА АВТОТРАНСФОРМАТОРА
  21. ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ
  22. Автотрансформатор своими руками: как сделать, схемы, пошаговая инструкция
  23. Принцип действия
  24. Основные плюсы и минусы
  25. Мощность автотрансформатора
  26. Что такое ЛАТР
  27. Область применения
  28. Металлургическое производство
  29. Коммунальное хозяйство
  30. Химическая и нефтяная промышленность
  31. Производство техники
  32. Учебные заведения
  33. Изготовление самодельного ЛАТРа
  34. Подготовка материала
  35. Расчет провода
  36. Схема
  37. Намотка катушки
  38. Процесс сборки
  39. Проверка
  40. Как сделать трансформатор из автотрансформатора
  41. Электронный автотрансформатор
  42. Тиристорный регулятор
  43. Транзисторное управление
  44. ШИМ-регулятор

Расчет автотрансформатора своими руками — Справочник металлиста

Расчет автотрансформатора своими руками

Одним из часто применяемых устройств в областях энергетики, электроники и радиотехники является трансформатор. Часто от его параметров зависит надёжность работы приборы в целом.

Случается так, что при выходе трансформатора из строя или при самостоятельном изготовлении радиоприборов не получается найти устройство с нужными параметрами серийного производства.

Поэтому приходится выполнять расчёт трансформатора и его изготовление самостоятельно.

Принцип работы устройства

Трансформатор — это электротехническое устройство, предназначенное для передачи энергии без изменения её формы и частоты.

Используя в своей работе явление электромагнитной индукции, устройство применяется для преобразования переменного сигнала или создания гальванической развязки.

Каждый трансформатор собирается из следующих конструктивных элементов:

  • сердечника;
  • обмотки;
  • каркаса для расположения обмоток;
  • изолятора;
  • дополнительных элементов, обеспечивающих жёсткость устройства.

В основе принципа действия любого трансформаторного устройства лежит эффект возникновения магнитного поля вокруг проводника с текущим по нему электрическим током. Такое поле также возникает вокруг магнитов. Током называется направленный поток электронов или ионов (зарядов).

Взяв проволочный проводник и намотав его на катушку и подключив к его концам прибор для измерения потенциала можно наблюдать всплеск амплитуды напряжения при помещении катушки в магнитное поле.

Это говорит о том, что при воздействии магнитного поля на катушку с намотанным проводником получается источник энергии или её преобразователь.

В устройстве трансформатора такая катушка называется первичной или сетевой. Она предназначена для создания магнитного поля. Стоит отметить, что такое поле обязательно должно всё время изменяться по направлению и величине, то есть быть переменным.

Классический трансформатор состоит из двух катушек и магнитопровода, соединяющего их. При подаче переменного сигнала на контакты первичной катушки возникающий магнитный поток через магнитопровод (сердечник) передаётся на вторую катушку.

Таким образом, катушки связаны силовыми магнитными линиями. Согласно правилу электромагнитной индукции при изменении магнитного поля в катушке индуктируется переменная электродвижущая сила (ЭДС).

Поэтому в первичной катушки возникает ЭДС самоиндукции, а во вторичной ЭДС взаимоиндукции.

Количество витков на обмотках определяет амплитуду сигнала, а диаметр провода наибольшую силу тока. При равенстве витков на катушках уровень входного сигнала будет равен выходному. В случае когда вторичная катушка имеет в три раза больше витков, амплитуда выходного сигнала будет в три раза больше, чем входного — и наоборот.

От сечения провода, используемого в трансформаторе, зависит нагрев всего устройства. Правильно подобрать сечение возможно, воспользовавшись специальными таблицами из справочников, но проще использовать трансформаторный онлайн-калькулятор.

Отношение общего магнитного потока к потоку одной катушки устанавливает силу магнитной связи. Для её увеличения обмотки катушек размещаются на замкнутом магнитопроводе.

Изготавливается он из материалов имеющих хорошую электромагнитную проводимость, например, феррит, альсифер, карбонильное железо.

Таким образом, в трансформаторе возникают три цепи: электрическая — образуемая протеканием тока в первичной катушке, электромагнитная — образующая магнитный поток, и вторая электрическая — связанная с появлением тока во вторичной катушке при подключении к ней нагрузки.

Правильная работа трансформатора зависит и от частоты сигнала. Чем она больше, тем меньше возникает потерь во время передачи энергии.

А это означает, что от её значения зависят размеры магнитопровода: чем частота больше, тем размеры устройства меньше.

На этом принципе и построены импульсные преобразователи, изготовление которых связано с трудностями разработки, поэтому часто используется калькулятор для расчёта трансформатора по сечению сердечника, помогающий избавиться от ошибок ручного расчёта.

Виды сердечников

Трансформаторы отличаются между собой не только сферой применения, техническими характеристиками и размерам, но и типом магнитопровода.

Очень важным параметром, влияющим на величину магнитного поля, кроме отношения витков, является размер сердечника. От его значения зависит способность насыщения.

Эффект насыщения наступает тогда, когда при увеличении тока в катушке величина магнитного потока остаётся неизменной, т. е. мощность не изменяется.

Для предотвращения возникновения эффекта насыщения понадобится правильно рассчитать объём и сечение сердечника, от размеров которого зависит мощность трансформатора. Следовательно, чем больше мощность трансформатора, тем большим должен быть его сердечник.

По конструкции сердечник разделяют на три основных вида:

  • стержневой;
  • броневой;
  • тороидальный.

Стержневой магнитопровод представляет собой П-образный или Ш-образный вид конструкции. Собирается из стержней, стягивающихся ярмом.

Для защиты катушек от влияния внешних электромагнитных сил используются броневые магнитопроводы. Их ярмо располагается на внешней стороне и закрывает стержень с катушкой.

Зная форму сердечника, несложно рассчитать мощность трансформатора. Находится она по несложной формуле: P=(S/K)*(S/K), где:

  • S — площадь сечения сердечника.
  • K — постоянный коэффициент равный 1,33.

Площадь сердечника находится в зависимости от его вида, её единица измерения — сантиметр в квадрате. Полученный результат измеряется в ваттах.

Но на практике часто приходится выполнять расчёт сечения сердечника по необходимой мощности трансформатора: Sс = 1.2√P, см2.

Исходя из формул можно подтвердить вывод: что чем больше мощность изделия, тем габаритней используется сердечник.

Типовой расчёт параметров

Довольно часто радиолюбители используют при расчёте трансформатора упрощённую методику.

Она позволяет выполнить расчёт в домашних условиях без использования величин, которые трудно узнать. Но проще использовать готовый для расчёта трансформатора онлайн-калькулятор.

Для того чтобы воспользоваться таким калькулятором, понадобится знать некоторые данные, а именно:

  • напряжение первичной и вторичной обмотки;
  • габаритны сердечника;
  • толщину пластины.

После их ввода понадобится нажать кнопку «Рассчитать» или похожую по названию и дождаться результата.

Стержневой тип магнитопровода

В случае отсутствия возможности расчёта на калькуляторе выполнить такую операцию самостоятельно несложно и вручную. Для этого потребуется определиться с напряжением на выходе вторичной обмотки U2 и требуемой мощностью Po. Расчёт происходит следующим образом:

  1. Рассчитывается ток нагрузки: In=Po/U2, А.
  2. Вычисляется величина тока вторичной обмотки: I2 = 1,5*In, А.
  3. Определяется мощность вторичной обмотки: P2 = U2*I2, Вт.
  4. Находится общая мощность устройства: Pт = 1,25*P2, Вт.
  5. Вычисляется сила тока первичной обмотки: I1 = Pт/U1, А.
  6. Находится необходимое сечение магнитопровода: S = 1,3*√ Pт, см².

Следует отметить, что если конструируется устройство с несколькими выводами во вторичной обмотке, то в четвёртом пункте все мощности суммируются, и их результат подставляется вместо P2.

После того как первый этап выполнен, приступают к следующей стадии расчёта. Число витков в первичной обмотке находится по формуле: K1 = 50*U1/S. А число витков вторичной обмотке определяется выражением K2= 55* U2/S, где:

  • U1 — напряжение первичной обмотке, В.
  • S — площадь сердечника, см².
  • K1, K2 — число витков в обмотках, шт.

Остаётся вычислить диаметр наматываемой проволоки. Он равен D = 0,632*√ I, где:

  • d — диаметр провода, мм.
  • I — обмоточный ток рассчитываемой катушки, А.

При подборе магнитопровода следует соблюдать соотношение 1 к 2 ширины сердечника к его толщине. По окончании расчёта выполняется проверка заполняемости, т. е. поместится ли обмотка на каркас. Для этого площадь окна вычисляется по формуле: Sо = 50*Pт, мм2.

Особенности автотрансформатора

Автотрансформаторы рассчитываются аналогично простым трансформаторам, только сердечник определяется не на всю мощность, а на мощность разницы напряжений.

Например, мощность магнитопровода 250 Вт, на входе 220 вольт, на выходе требуется получить 240 вольт. Разница напряжений составляет 20 В, при мощности 250 Вт ток будет равен 12,5 А. Такое значение тока соответствует мощности 12,5*240=3000 Вт.

Потребление сетевого тока составляет 12,5+250/220=13,64А, что как раз и соответствует 3000Вт=220В*13,64А. Трансформатор имеет одну обмотку на 240 В с отводом на 220 В, который подключён к сети.

Участок между отводом и выходом мотается проводом, рассчитанным на 12,5А.

Таким образом, автотрансформатор позволяет получить на выходе мощность значительно больше, чем трансформатор на таком же сердечнике при небольшом коэффициенте передачи.

Трансформатор тороидального типа

Тороидальные трансформаторы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами: меньший размер, меньший вес и при этом большее КПД. При этом они легко наматываются и перематываются.

Использование онлайн-калькулятора для расчёта тороидального трансформатора позволяет не только сократить время изготовления изделия, но и «на лету» поэкспериментировать с разными вводными данными.

Что собой представляет автотрансформатор, как собирается ЛАТРа своими руками и схема

Расчет автотрансформатора своими руками

Автотрансформатор – это разновидность трансформатора, имеющего одну обмотку на многослойном сердечнике.

Он похож на двухобмоточный трансформатор, но отличается тем, что часть обмотки является общей как для первичной, так и для вторичной сторон.

В состоянии нагрузки часть тока передаётся непосредственно от источника питания, а оставшаяся часть – от действия самого устройства. Таким образом, прибор действует в качестве регулятора напряжения.

Лабораторный автотрансформатор(ЛАТР)

Устройство автотрансформатора

Имеется одна общая обмотка, расположенная на магнитопроводе ЛАТРа, а от нее уже отходят три дополнительных вывода. У старых моделей автотрансформатора на вторичной обмотке расположен токосъемный контакт, позволяющий:

  • выходному напряжению плавно регулироваться;
  • в один момент сменять одно значение напряжения на другое;
  • изменять интенсивность нагрева жала у паяльника;
  • регулировать электроосвещение.

Наиболее распространенный тип автотрансформатора — это тороидальный магнитопровод. Он представляет собой сердечник в форме кольца, сделанный из электротехнической стали.

На сердечник намотана медная проволока, или обмотка. Кроме того, конструкция прибора имеет дополнительную отпайку — отвод от обмотки. В целом контактов получается ровно три.

Для больших трансформаций лучше всего не использовать ЛАТР. Причины в следующем:

  1. Слишком высоки шансы получить в результате короткое замыкание. Разобраться с проблемой помогут специально приспособленные для этого электронные схемы или дополнительное сопротивление.
  2. Обычный трансформатор подходит больше в силу множества причин, таких, как более высокий КПД, меньшие расходы на сталь, уменьшенные габариты и вес, сниженная цена на инструмент.

Где используются

Основными областями применения устройств являются:

  1. Компенсация падения потенциала в распределительных системах, которое производится повышением значений напряжения питания.
  2. Системы управления асинхронных и синхронных двигателей, где наличие автотрансформатора с несколькими ответвлениями облегчает запуск.
  3. В условиях исследовательских лабораторий, когда требуется варьировать электрические переменные в широких пределах.

Данные устройства используются также для регулировки яркости света; такие приборы называют диммерами. В этих случаях особое внимание уделяют правильному подбору предохранителей, в противном случае более высокое напряжение питания может оказаться на вторичных клеммах.

Схема электронного прибора

Купить надежный ЛАТР при имеющемся ассортименте — задача не из легких. Слишком много низкокачественных изделий представлено на рынке. Как вариант, можно приобрести промышленный образец, но цены на него довольно высокие, да и габариты немаленькие. В этом случае более приемлемым вариантом будет создать автотрансформатор своими руками.

Необходимые для сборки материалы

Материалы, которые обязательно понадобятся для сборки самодельного электронного ЛАТРа на полевом транзисторе, следующие:

  • медная проволока (обмотка);
  • лак, обладающий термоустойчивостью;
  • тряпичная изолента;
  • магнитопровод (подойдет как стержневой, так и тороидальный тип);
  • корпус с закрепленными разъемами, к которому будет подключаться питание и нагрузка.

Расчёт обмотки ЛАТРа

Для начала необходимо определиться, в каких пределах на тиристорах будет работать ЛАТР. Оптимальное значение питания сети — 220 В. Значения вторичных напряжений — соответственно, 127, 180 и 250 В. Мощность при таких параметрах не должна превышать 300 Вт. Но можно определить эти значения и самостоятельно, главное, чтобы всё друг другу соответствовало.

Теперь нужно рассчитать обмотку. Рассчитывать её надо по большему току. Наибольшее значение тока можно получить, преобразовывая напряжение 200 В в 127 В. Автотрансформатор при таких условиях становится понижающим. Максимальный ток, который проходит в обмотке обеих сетей, рассчитывается следующим образом:

I = I2 — I1 = P / U2 — P / U1 (I, I2, I3 — токи в соответствующих участках цепи, A, P — мощность, Вт, U1, U2 — напряжения первичной и вторичной цепи, В).

Диаметр провода d рассчитывается по формуле:

Существует специальная таблица, согласно которой определяется тип и сечение провода. Выбираются они с учётом расчётного тока и среднего значения плотности тока для ЛАТРа, равному 2 A/мм².

Формула для вычисления коэффициента трансформации n:

Формула для вычисления расчётной мощности Pp:

Pp = P * k * (1 — 1/n) (k — коэффициент, учитывающий КПД автотрансформатора)

Расчет автотрансформатора своими руками

Расчет автотрансформатора своими руками

> Советы электрика > Расчет трансформатора

Трансформаторы используются в блоках питания различной аппаратуры для преобразования переменного напряжения.

Блоки питания, собранные по трансформаторной схеме, постепенно снижают распространенность благодаря тому, что современная схемотехника позволяет понизить напряжение без самого громоздкого и тяжелого элемента системы питания.

Трансформаторы для блока питания актуальны в тех случаях, когда габариты и масса не критичны, а требования к безопасности велики.

Обмотки (кроме автотрансформатора) осуществляют гальваническое разделение и изоляцию цепей первичного (или сетевого) и вторичного (выходного) напряжений.

Работа устройства основана на всем известном явлении электромагнитной индукции.

Переменный ток, проходящий через провод первичной обмотки, наводит переменный магнитный поток в стальном сердечнике, а он, в свою очередь, вызывает появление напряжения индукции в проводе вторичных обмоток.

Совершенствование трансформатора с момента его изобретения сводится к выбору материала и конструкции сердечника (магнитопровода).

Типы сердечников

Металл для магнитопровода должен иметь определенные технические характеристики, поэтому были разработаны специальные сплавы на основе железа и особая технология производства.

Для изготовления трансформаторов наибольшее распространение получили следующие типы магнитопроводов:

  • броневые;
  • стержневые;
  • кольцевые.

Силовой трансформатор низкой частоты, как понижающий, так и повышающий, имеет сердечник из отдельных пластин трансформаторного железа.

Такая конструкция выбрана из соображения минимизации потерь из-за образования вихревых токов в сердечнике, которые нагревают его и снижают КПД трансформатора.

Броневые сердечники наиболее часто выполняются из Ш-образных пластин. Стержневые магнитопроводы могут изготавливаться из П-образных, Г-образных или прямых пластин.

Кольцевые магнитопроводы выполняются из тонкой ленты трансформаторной стали,  намотанной на оправку и скрепленной клеящим составом.

Из ленты также могут выполняться броневые и стержневые сердечники, причем такая технология наиболее часто встречается у маломощных устройств.

Ниже приведена методика расчета трансформатора, где показано:

  • как рассчитать мощность трансформатора;
  • как выбрать сердечник;
  • как определить количество витков и сечение (диаметр) проводов обмоток;
  • как собрать и проверить готовую конструкцию.

Исходные данные, необходимые для расчета

Расчет сетевого трансформатора начинается с определения его полной мощности. Поэтому, перед тем, как рассчитать трансформатор, нужно определиться с мощностью потребления всех, без исключения, вторичных обмоток.

Согласно мощности выбирается сечение сердечника. Опять же, от мощности определенным образом зависит и КПД. Чем больше полная мощность, тем выше КПД.

Принято в расчетах ориентироваться на такие значения:

  • до 50 Вт – КПД 0.6;
  • от 50 Вт до 100 Вт – КПД 0.7;
  • от 100 Вт до 150 Вт – КПД 0.8;
  • выше 150 Вт – КПД 0.85.

Количество витков сетевой и вторичной обмоток рассчитывается уже после выбора магнитопровода. Диаметр или поперечное сечение проводов каждой обмотки определяется на основании протекающих через них токов.

Минимальное сечение сердечника в см2 определяется из габаритной мощности. Габаритная мощность трансформатора – это суммарная полная мощность всех вторичных обмоток с учетом КПД.

Расчет резистора для светодиода

Итак, мощность трансформатора можно определить, это полная суммарная мощность всех вторичных обмоток:

Умножая полученное значение на КПД, завершаем расчет габаритной мощности.

Определение площади стержня сердечника производится после того, как произведен расчет габаритной мощности трансформатора из такого выражения:

S=√P.

Зная площадь сечения центрального стержня магнитопровода, можно подбирать нужный из готовых вариантов.

Важно! Сердечник, на котором будут располагаться обмотки, должен иметь, по возможности, сечение, как можно более близкое к квадрату. Площадь сечения должна быть равной или несколько больше расчетного значения.

Качество работы и технологичность сборки также зависит от формы магнитопровода. Наилучшим качеством обладают конструкции, выполненные на кольцевом магнитопроводе (тороидальные).

Их отличает максимальный КПД для заданной мощности, наименьший ток холостого хода и минимальный вес.

Основная сложность заключается в выполнении обмоток, которые в домашних условиях приходится мотать исключительно вручную при помощи челнока.

Проще всего делать трансформаторы на разрезных ленточных магнитопроводах типа ШЛ (Ш-образный) или ПЛ (П-образный). Как пример, можно привести мощный трансформатор блока питания старого цветного телевизора.

Трансформатор телевизора УЛПЦТИ

Трансформаторы старого времени выпуска или современные дешевые выполнены с использованием отдельных Ш,- или П-образных пластин.

Технологичность выполнения обмоток у них такая же, как у ленточных разрезных, но трудность состоит в сборке магнитопровода.

Такие устройства практически всегда будут иметь повышенный ток холостого хода, особенно, если используемое железо низкого качества.

Расчет количества витков и диаметра проводов

Расчёт заземления и его особенности

Расчет трансформатора начинается с определения необходимого количества витков обмоток на 1 В напряжения.

Найденное значение будет одинаковым для любых обмоток. Для собственных целей можно применить упрощенный метод расчета.

Посчитать, сколько надо витков на 1 В можно, подставив площадь сечения стержня магнитопровода в см2 в формулу:

где k – коэффициент, зависящий от формы магнитопровода и его материала.

На практике с достаточной точностью приняты следующие значения коэффициента:

  • 60 – для магнитопровода из Ш,- и П-образных пластин;
  • 50 – для ленточных магнитопроводов;
  • 40 – для тороидальных трансформаторов.

Большие значения связаны с невозможностью плотного заполнения сердечника отдельными металлическими пластинами. Как видно, наименьшее количество витков будет иметь тороидальный трансформатор, отсюда и выигрыш в массе изделия.

Зная, сколько витков нужно на 1 В, можно легко узнать количество витков каждой из обмоток:

где U – значение напряжения холостого хода на обмотке.

У маломощных трансформаторов (до 50 Вт) нужно получившееся количество витков первичной обмотки увеличить на 5%.

Таким образом, компенсируется падение напряжения, которое возникает на обмотке под нагрузкой (в понижающих трансформаторах первичная обмотка всегда имеет большее количество витков, чем вторичные).

Ориентировочным значением считается плотность тока в обмотках 3-7 А на каждый мм2 провода.

На практике расчет диаметра проводов обмоток можно упростить, используя простые формулы, что дает допустимые значения в большинстве случаев:

Расчет автотрансформатора

Расчет автотрансформатора своими руками

Расчет автотрансформатора, или

как повысить напряжение сети?

АВТОР:    А. Т. Ярмат

 

 Перегрузка осветительных сетей часто приводит к чрезмерному падению напряжения. Все электроприборы при этом работают значительно хуже обычного, а радиоприемники иногда вообще перестают работать. Вполне понятно, что радиолюбители заботятся о том, чтобы обеспечить нормальный режим питания своего приемника.

 Самое правильное и простое решение вопроса — повысить напряжение посредством трансформирования. Остается выяснить, каким образом это лучше сделать.

ПРЕИМУЩЕСТВА АВТОТРАНСФОРМАТОРА

Рис. 1. Трансформатор и  автотрансформатор

Всякие трансформаторы, в том числе и силовые, достаточно знакомы радиолюбителям. Но применять обычный трансформатор в данном случае нецелесообразно, значительно выгоднее воспользоваться автотрансформатором. Чтобы убедиться в этом, сравним их между собой.

В целях упрощения пренебрежем потерями мощности, падением напряжения и током холостого хода. Условимся также, что нагрузкой является активное сопротивление.

Положим, что напряжение в сети равно U1 вольт; мы хотим повысить его до величины U2 вольт и при этом получать мощность Р ватт. Тогда, как известно:

P = U2I1 = U1I2

 

Здесь I, — ток, потребляемый трансформатором из сети, I2 — ток, отдаваемый трансформатором нагрузке. Оба тока мы можем определить из уравнений:

I1= P÷U1;  I2= P÷U2 

 

 Если мы остановимся на трансформаторе, то мы должны будем поместить на нем две обмотки (рис. 1а). Число витков должно соответствовать напряжениям U1 и U2. а сечения проводов обмоток должны быть рассчитаны на токи I1 и I2

 Автотрансформатор имеет только одну обмотку (рис. 16); повышенное напряжение снимается со всей обмотки, а к сети присоединяется только часть ее. В этой части обмотки, как видно на рис. 16, токи I1 и I2 направлены навстречу друг другу, поэтому действительная сила тока I3 равна разности между I1 и I2 т. е.

I3 = I1 — I2  

 Ясно, что эта разность всегда меньше чем I1 соответственно может быть уменьшено и сечение провода в этой части обмотки

 Мы можем представить себе, что автотрансформатор получается из трансформатора посредством следующих изменений (рис. 1в).

Рис.2. Распределение отводов от обмотки трансформатора  

 Ту часть вторичной обмотки, в которой создавалось напряжение, равное напряжению сети, мы удаляем. На рис. 1в эта часть обмотки показана пунктиром. Оставшуюся часть вторичной обмотки присоединяем к первичной. Кроме того, в первичной обмотке уменьшаем сечение провода, так как ток в этой части обмотки уменьшается.

В результате мы получили автотрансформатор с такими же электрическими данными что и тот трансформаторов котором мы произвели все эти изменения. Но у автотрансформатора оказалось меньше витков и провод стал тоньше, а поэтому мы можем уменьшить его размеры. Следовательно, сделать его легче и обойдется он дешевле.

Необходимо иметь в виду, что эти преимущества автотрансформатора сказываются тем

сильнее, чем ближе отношение —  U2÷U1  к единице.

 Поэтому он особенно выгоден для небольшого повышения напряжения, как, например, при питании приемника от сети. Расчет. Примем следующие обозначения:

S — площадь сечения среднего стержня железного сердечника, т. е. произведение ширины стержня на толщину пакета железа. Размеры в сантиметрах;

F — площадь окна сердечника (отверстия в железе, сквозь которое проходят витки обмотки). Размеры — в сантиметрах.
Umin — наименьшее напряжение сети, па которое рассчитывается автотрансформатор;
n0 — число витков обмотки, приходящееся на один вольт;
В — магнитная индукция в среднем стержне сердечника.

Цель расчета — найти такие основные размеры автотрансформатора, при которых были бы выполнены следующие требования.

Первое — обмотка должна поместиться на сердечнике. Для этого нужно соблюсти условие:

SF= 1.5P( 1- U1min÷U2 )

 Второе — каждая часть обмотки должна давать соответствующее напряжение. Если мы определим n0 по формуле:

n0= 530000÷BS

 то необходимое число витков в каждой части помучим, помножив n,) на нужное напряжение, т.е. n =  n0 U.  

Рис. 3. Разрез катушки  трансформатора

Для-трансформаторного железа индукцию В следует брать от 10 000 до 12 000.

Третье требование — обмотка не должна перегреваться выше допустимого предела. Для этого нужно, чтобы плотность тока в проводе была не больше 2 — 2,5 А на квадратный миллиметр его сечения.

Следует иметь в виду, что рекомендованные, здесь значения индукции и плотности тока относятся только к данному частному случаю. Такой упрощенный расчет вполне достаточен для того, чтобы сделать удовлетворительно действующий автотрансформатор. Некоторые практические дополнения к расчету даются в приводимом примере.

Пример расчета. Произведем расчет такого автотрансформатора, который по своим данным в наибольшей степени соответствовал бы основным нуждам радиолюбителя. Зададимся мощностью в 100 W, она достаточна для питания радиоприемника средней мощности (50—60 W) и электропаяльника или настольной лампы 40 W).

Примем, что напряжение должно повышаться до 120 V и что напряжение в сети может меняться от 120 до 60 V. Более низкое напряжение маловероятно. Для того чтобы при разных напряжениях сети получать от автотрансформатора одно и то же напряжение, предусмотрим в его обмотке соответствующие отводы.

Точность регулировки примем ±1 V

Хотя эта точность высока, мы все же сможем получить ее без особого усложнения обмотки. Итак, исходные данные для расчета будут следующие:

P=100W;  U1=60÷120V;  U2=120V

 Определим необходимую величину произведения

SF=1.5×100( 1-60÷120V )=150×0.5=75

 

 Возьмем сердечник силового трансформатора от радиоприемника 6Н-1. Этот сердечник радиолюбителю, повидимому, легче достать, чем какой-нибудь другой.

    Сечение стержня:

S=3.2×3.8=12.16 cm²                    Площадь окна: F=4.8×1.6=8.68 cm²      Произведение: SF=12.16×7.68=93.3  т. е. немного больше, чем нам нужно. Это значит что мы сможем несколько свободнее расположить обмотку, поэтому считаем, что сердечник подойдет. Зная S, мы можем определить  n0 :

n0=530000÷(BS)=930000÷(11000×12.16)=3.96

   Округляя, примем  n0  = 4. Следовательно, вся обмотка должна состоять из: n= U2 n0=120×4= 480 витков    Найдем токи в обмотке. Возьмем самый невыгодный случай, когда автотрансформатор дает наибольшее повышение напряжения, т. е. U1 = 60 V:

I1=P÷U1=100÷60=1.66 A

I2=P÷U2=100÷120=0.83 A

I2= I1-I2=1.66-0.83=0.83 A

    В данном случае оказалось, что все части обмотки надо рассчитывать на один и тот же ток 0,83 А. При плотности тока 2 А на mm2

На О.83 A нужен провод сечением  0,83÷2=0,41mm².

  Ближайшие по диаметру изготовляемые провода — 0.69 и 0,74; мы можем взять любой из них. Провод должен быть с эмалевой изоляцией, марки ПЭ или ПЭЛ.

 Намотку следует производить правильными рядами. Между слоями нужно прокладывать слой писчей бумаги. Необходимо внимательно следить, чтобы на краях катушки отдельные витки не западали под бумажную прокладку.

 Проверим, поместится ли обмотка на сердечнике. Провод ПЭ 0,74 может иметь толщину с изоляцией до 0,8 mm. В слое уложится 40 витков, следовательно, получится 12 слоев.

Считая, что толщина бумаги 0,1 mm, мы получим общую толщину слоя 0,9 mm. a 12 слоев — 10,8 mm.

Если толщина изолирующей гильзы насердечнике будет 2 mm, то из всей ширины окна 16 mm мы займем обмоткой 12,8 mm, следовательно, обмотка поместится.

Трансформатор приемника 6Н-1 имеет бескаркасную обмотку. Без приспособлений и надлежащего навыка такую обмотку сделать трудно, поэтому практичнее изготовить для нее каркас.

Отводы для регулировки напряжения сделаем по следующей схеме (рис. 2). В начале обмотки отводы делаются в конце 1, 2, 3, 4, и 5-го слоев. Затем укладываются 240 витков без отводов. От последнего слоя делаются 5 отводов через каждые 8 витков.

Ha рис. 3 изображены слои катушки в разрезе в показано расположение отводов.

Все они находятся у наружных концов рядов намотки, что очень удобно, так как отводы не занимают места внутри катушки и тем самым упрощают ее изготовление.

Но такое расположение отводов не всегда удается получить и поэтому не следует смущаться, если при конструировании какого-либо другого автотрансформатора отводы придется выводить изнутри катушки.

Как показано на рис. 2, каждой внутренней секции соответствует напряжение 10 V, а наружной — 2 V. В зависимости от напряжения сети автотрансформатор присоединяется к ней различными точками обмотки. Например, при 60 V — точками 5 и 6, при 84 V — 3 и 8 и т. д. Во всех случаях мы получим между началом и концом обмотки (точками Н и К) 120 V.

При напряжении сети, например, 73 V мы можем подвести его к точкам 4 и 7 или 4 и 8. В обоих случаях мы получим отклонение от расчетных значений по первичному напряжению не больше 1 V.

ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ

Рис. 4. Переключение при помощи  вилок, с соединенными накоротко ножками

Для быстрого и удобного перехода с одной степени напряжения на другую нужны два переключателя, которые должны давать возможность присоединять провода сети к разным точкам обмотки.

Каждый переключатель должен быть однополюсным на 6 направлений. Он может быть сделан, например, из штепсельной вилки и гнезд. Такой переключатель схематически показан на рис. 4.

Переключение в нем достигается перестановкой вилок в разные гнезда. Штырьки внутри вилки должны быть соединены накоротко.

Может быть также применен переключатель с ползунком. Очень важно, чтобы при переключении ползунок не замыкал между собой соседние контакты, иначе будет происходить короткое замыкание секции и автотрансформатор может сгореть. Чтобы избежать этого, нужно между каждыми двумя соседними контактами поместить один холостой.

Рассчитанный нами автотрансформатор является не только примерным. Полученных данных достаточно для того, чтобы по ним изготовить простой и удобный автотрансформатор. Он окажется полезным предметом в хозяйстве радиолюбителя.

Автотрансформатор своими руками: как сделать, схемы, пошаговая инструкция

Расчет автотрансформатора своими руками

Кроме обычных трансформаторов, в которых несколько обмоток, есть автотрансформаторы, в которых всего одна катушка. При необходимости можно произвести сборку автотрансформатора своими руками.

Принцип действия

Основной принцип действия автотрансформатора аналогичен обычному аппарату:

  • ток, протекающий по первичной обмотке, создает магнитное поле и магнитный поток в магнитопроводе;
  • величина этого поля зависит от силы тока и от числа витков;
  • изменения магнитного потока наводят ЭДС во вторичной обмотке;
  • величина наведенной ЭДС зависит от числа витков во вторичной обмотке.

Особенность автотрансформатора в том, что часть витков первичной обмотки является также вторичной. В связи с тем, что ЭДС в первичной и вторичной обмотках направлены встречно, ток в общей части катушки I¹² равен разнице I¹ и I². При равенстве входного и выходного напряжения или Ктр=1 I¹² определяется индуктивным сопротивлением катушки.

Основные плюсы и минусы

В связи с особенностями конструкции автотрансформатор обладает преимуществами и недостатками по сравнению с обычными устройствами.

Достоинства автотрансформатора, проявляющиеся при Ктр0,5-2:

  • меньший вес и габариты;
  • более высокий КПД, связанный с пониженными потерями в обмотках и магнитопроводе.

Кроме достоинств, эти устройства имеют недостатки:

  • Повышенный ток КЗ. Это связано с тем, что ток нагрузки ограничен не насыщением магнитопровода, а сопротивлением нескольких витков вторичной обмотки.
  • Электрическая связь между первичной и вторичной обмотками. Это делает невозможным применение этих аппаратов в качестве разделительных и для питания низковольтных устройств в опасных условиях, требующих низкого напряжения согласно ПУЭ.

Мощность автотрансформатора

Мощность любого электроаппарата равна произведению тока на напряжение Р=I*A. В обычном трансформаторе она равна мощности нагрузки с учетом КПД.

Мощность автотрансформатора рассчитывается немного иначе.  В повышающем напряжение аппарате она складывается из мощности первичной обмотки части Р¹²=I¹²*U¹² и мощности повышающей обмотки Р²=I²*U⅔.

В связи с тем, что ток, протекающий через первичную катушку меньше, чем ток нагрузки, то мощность автотрансформатора меньше мощности нагрузки.

Фактически, мощность аппарата определяется разностью первичного и вторичного напряжений и током вторичной обмотки P=(U¹-U²)*I².

Особенно это заметно при небольших (10-20%) отклонениях выходного напряжения. Аналогичным образом рассчитывается понижающий автотрансформатор.

Информация! Это позволяет уменьшить сечение магнитопровода и диаметр провода обмотки. В связи с этим автотрансформатор легче и дешевле обычного устройства.

Что такое ЛАТР

Кроме силовых аппаратов, заменяющих обычные трансформаторы, в школах, институтах и лабораториях используются ЛАТРы – Лабораторные АвтоТРанформаторы.

Эти устройства используются для плавного изменения напряжения на выходе аппарата. Самые распространенные конструкции представляют из себя катушку, намотанную на тороидальном магнитопроводе.

С одной из сторон провод очищен от лака и по нему при помощи поворотного механизма двигается графитный ролик.

Питающее напряжение подаётся на концы катушки, а вторичное снимается с одного из концов и графитного ролика. Поэтому ЛАТР не может поднимать напряжение выше сетевого, в некоторых модификациях выше 250В.

Кроме катушечных, есть электронные ЛАТРы. Фактически, это не автотрансформатор, а регулятор напряжения. Есть разные виды таких устройств:

  • Тиристорный регулятор. В этих аппаратах в качестве силового элемента установлены тиристор и диодный мост или симистор. Недостаток в отсутствии синусоидальной формы выходного напряжения. Самый известный прибор такого типа – диммер ламп освещения.
  • Транзисторный регулятор. Дороже тиристорного, требует установки транзисторов на радиаторы. Обеспечивает синусоидальную форму выходного напряжения.
  • ШИМ-контроллер.

Совет! Для того, чтобы получить напряжение выше сетевого, ЛАТР подключается ко вторичной обмотке повышающего трансформатора.

Область применения

Особенности автотрансформатора позволяют применять его в быту и разных областях промышленности.

Металлургическое производство

Регулируемые автотрансформаторы в металлургии применяются для проверки и настройки защитной аппаратуры прокатных станов и трансформаторных подстанций.

Коммунальное хозяйство

До появления автоматических стабилизаторов эти аппараты применялись для обеспечения нормальной работы телевизоров и другой аппаратуры. Они представляли из себя обмотку с большим числом отводов и переключателем. Он переключал вывода катушки, а выходное напряжение контролировалось при помощи вольтметра.

В настоящее время автотрансформаторы используются в релейных стабилизаторах напряжения.

Справка! В трехфазных стабилизаторах установлены три однофазных автотрансформатора, и регулировка производится в каждой фазе по-отдельности.

Химическая и нефтяная промышленность

В химической и нефтяной промышленности эти аппараты применяются для стабилизации и регулировки химических реакций.

Производство техники

В машиностроении такие аппараты используются для пуска электродвигателей станков и управления скоростью вращения дополнительных приводов.

Учебные заведения

В школах, техникумах и институтах ЛАТРы применяются при выполнении лабораторных работ и демонстрации законов электротехники, и опытах по электролизу.

Изготовление самодельного ЛАТРа

В продаже есть достаточно готовых устройств, но при необходимости его можно сделать самостоятельно. За основу лучше взять трансформатор на О- или Ш-образном магнитопроводе. Изготовление ЛАТРа на тороидальном железе сводится к его перемотке и требует очень высокой аккуратности при наматывании катушки.

Подготовка материала

Для изготовления регулируемого автотрансформатора необходимы:

  • Магнитопровод. Его сечение определяет мощность автотрансформатора.
  • Обмоточный провод. Его сечение зависит от мощности и потребляемого тока устройства.
  • Термоустойчивый лак. Необходим для пропитки катушки после намотки проводов. Допускается замена масляной краской.
  • Тряпичная изолента или киперная лента и корпус с закрепленными разъемами для подключения нагрузки и питания. Желательно разместить в корпусе цифровой или аналоговый вольтметр
  • Многопозиционный переключатель. Его допустимый ток должен соответствовать току аппарата. При необходимости допускается производить переключение выводов автотрансформатора при помощи пускателей.

Расчет провода

Перед началом намотки катушки необходимо определить сечение провода и необходимое количество витков/вольт (n/v). Этот расчёт производится по поперечному сечению магнитопровода при помощи онлайн-калькуляторов или по специальным таблицам.

Если для изготовления устройства используется исправный трансформатор, то эти параметры определяются по имеющимся обмоткам:

  • подключить трансформатор к сети 220В;
  • вольтметром измерить выходное напряжение V;
  • отключить аппарат;
  • разобрать магнитопровод;
  • размотать вторичную обмотку, считая количество витков N;
  • по формуле n/v=N/V вычислить количество витков/вольт – основной параметр для расчета катушки;
  • измерить сечение провода первичной обмотки.

Совет! Если первичная обмотка не была пропитана лаком и разматывается без нарушения изоляции, то допускается использовать её для намотки катушки автотрансформатора.

Схема

Перед началом работ составляется схема обмотки с указанием количества витков и напряжением на каждом из выводов. В отличие от обычного трансформатора автотрансформатор имеет только одну обмотку, которая изображается с одной из сторон черты, символизирующей магнитопровод.

Для расчетов витков необходимо определить число выводов. Оно зависит от количества положений многопозиционного переключателя. Один из отводов может совпадать с сетевым выводом:

  • определить и указать на схеме напряжение V каждого из положений переключателя;
  • рассчитать необходимое число витков между отводами по формуле N=(n/v)*(V²-V³), где V¹, V², V³ и т.д. – напряжение на последующих выводах;
  • указать на схеме количество витком между каждыми из отводов.

Совет! При необходимости сделать повышающий автотрансформатор к первичной обмотке добавляется необходимое количество витков. Для этого допускается использовать провод, снятый со вторичной обмотки.

Намотка катушки

После выполнения всех расчётов производится намотка катушки. Она выполняется на готовом или специально изготовленном каркасе вручную или при помощи намоточного станка:

  • наматывается необходимое число витков в секции;
  • выполняется ответвление – из обмоточного провода, не обрывая его, делается петля длиной 5-20 см и скручивается в жгут;
  • после изготовления отвода продолжается намотка катушки;
  • операции 1-3 повторяются до завершения намотки;
  • готовая обмотка закрепляется киперной лентой и покрывается лаком или краской.

Процесс сборки

После завершения намотки и высыхания лака производится сборка автотрансформатора:

  • собирается магнитопровод;
  • собранный аппарат устанавливается в корпус;
  • подключаются многопозиционный переключатель и вольтметр;
  • собранный автотрансформатор подключается к клеммам.

Проверка

После сборки работоспособность устройства необходимо проверить:

  • первичная обмотка аппарата подключается к сети;
  • измеряются напряжения при каждом из положений переключателя и данные сравниваются с расчетными;
  • через 20 минут трансформатор отключается и проверяется на нагрев – при его отсутствии производятся повторные испытания под нагрузкой.

Как сделать трансформатор из автотрансформатора

Кроме изготовления ЛАТРа из обычного трансформатора возможно обратная операция – изготовление трансформатора из ЛАТРа. Такие устройства обладают более высоким КПД из-за лучших свойств тороидального сердечника по сравнению с Ш-образным магнитопроводом.

Для такой переделки достаточно намотать вторичную обмотку:

  • посчитать количество витков между выводами 220В;
  • определить число витков/вольт

Электронный автотрансформатор

Более современным способом регулировки является использование электронных устройств. Любое из них можно изготовить своими руками.

Тиристорный регулятор

Простейшая схема такого приспособления представляет собой переменный резистор, включенный между анодом и управляющим электродом тиристора. Это позволяет получать пульсирующее постоянное напряжение и управлять им в диапазоне 0-110В.

Для регулировки переменного напряжения 0-220В применяется встречно-параллельная схема соединения, а резистор включается между управляющими электродами.

Вместо двух тиристоров целесообразно применение симистора, а в качестве схемы управления использовать диммер для ламп накаливания.

Транзисторное управление

Самая качественная регулировка получается при использовании транзисторного регулятора. Он обеспечивает плавное изменение и правильную форму выходного напряжения.

Недостаток этой схемы в нагреве выходных транзисторов. Для его уменьшения и повышения КПД целесообразно подключить регулятор к выходным клеммам автотрансформатора – грубая регулировка осуществляется переключением обмоток, а плавная при помощи транзисторов.

ШИМ-регулятор

Самым современным способом является применение ШИМ-контроллера (широтно-импульсная модуляция). В качестве силовых элементов полевые или биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).

Сделай сам
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: