Trasformatori di potenza per una frequenza di 50 Hz. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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I trasformatori di potenza fanno parte di un gran numero di circuiti per alimentatori stabilizzanti e non stabilizzanti per l'alimentazione secondaria di apparecchiature elettroniche domestiche e amatoriali che funzionano da una rete a corrente alternata. Un trasformatore è un dispositivo elettromagnetico statico. Utilizzando un trasformatore, l'energia elettrica in corrente alternata con un parametro viene convertita in energia elettrica con altri parametri. Pertanto, con l'aiuto di un trasformatore, è possibile abbassare e aumentare la tensione e la corrente, nonché isolare elettricamente i canali di alimentazione in uscita dalla rete e tra loro.

Il funzionamento di un trasformatore si basa sull'interazione del campo elettromagnetico dell'avvolgimento primario del trasformatore sugli avvolgimenti secondari. L'avvolgimento primario (rete) è collegato alla rete di corrente alternata U1 con una frequenza di corrente di 50 Hz o da 400 a 5000 Hz e i consumatori di energia elettrica (carico) sono collegati agli avvolgimenti secondari. La Figura 1,a mostra uno schema semplificato del trasformatore e la Figura 1,b mostra il suo schema di collegamento. Gli avvolgimenti del trasformatore sono posti su un comune nucleo magnetico realizzato (per un migliore accoppiamento magnetico) in materiale ferromagnetico.

Il flusso magnetico Fo è chiuso lungo il circuito magnetico e induce EMF E1 ed E2 rispettivamente negli avvolgimenti primario e secondario. Tenendo conto della caduta di tensione attraverso la resistenza attiva r1 del primario e r2 degli avvolgimenti secondari E1=U1 - r1I1 e E2=U2+r2I2. Ma una parte del flusso magnetico è chiusa e dissipata nell'aria, il cosiddetto Fras, che agisce solo sulle spire dell'avvolgimento primario. Cercano di ridurre questo Fras, aumentando così l'efficienza del trasformatore. Questa è la modalità operativa del trasformatore al carico nominale. Esistono anche modalità inattiva e cortocircuito. Pertanto, l'elemento principale del trasformatore è il circuito magnetico (nucleo).

Per il nucleo dei trasformatori che funzionano a una frequenza di 50 Hz, vengono utilizzati principalmente acciai elettrici laminati a caldo speciali 1511, 3412. L'acciaio di questi gradi viene prodotto sotto forma di fogli con uno spessore di 0,35 e 0,5 mm. Vengono utilizzati anche gli acciai laminati a freddo 3411 e 3412. Viene prodotto sotto forma di fogli con uno spessore di 0,35; 0,5 mm e sotto forma di nastri con uno spessore di 0,28; 0,3; 0,35; 0,5 mm.

Gli acciai laminati a freddo hanno un'induzione magnetica maggiore rispetto agli acciai laminati a caldo, quindi i trasformatori realizzati in acciaio laminato a freddo

lei si ottengono con dimensioni e peso minori a parità di potenza. Per i trasformatori che funzionano a una frequenza di 50 Hz, viene utilizzato acciaio elettrico con uno spessore di 0,15-0,5 mm; a frequenze da 400 a 5000 Hz viene utilizzato acciaio con uno spessore di 0,05-0,08 mm. A seconda dei requisiti del trasformatore (potenza, costo, caratteristiche specifiche), viene utilizzato un circuito magnetico a piastre o strisce.

Le principali tipologie e dimensioni delle piastre del trasformatore sono mostrate in Fig. 2, dove: a - a forma di E; b - Piastre a W di vario tipo: W - con h>2,5...3l1; Shu - con base moderata e h>3l1; Sha - con h>l1; Шб - с h l1; e - Piastre ad U: Pn - con h>l1 e Pu - con h>1l1.

Pertanto, a seconda della progettazione del circuito magnetico, i trasformatori sono suddivisi in armature a piastre (a forma di W) e di tipo a piastre (a forma di U). Sono mostrati in Fig. 3.

I nuclei magnetici per trasformatori di potenza sono assemblati solo sovrapposti (sovrapposti). I nuclei del nastro vengono utilizzati anche per i trasformatori. Tali trasformatori hanno un campo di dispersione significativamente più piccolo, ad es. creare meno interferenze con gli elementi del circuito circostante e con le parti del dispositivo in fase di creazione. Ciò consente loro di essere posizionati accanto alle unità funzionali di apparecchiature radio altamente sensibili. Il nucleo di un trasformatore a forma di W è designato dal nome del tipo e dai numeri che determinano la larghezza dell'asta centrale l (Fig. 3, a) o delle aste laterali (Fig. 3, b) e lo spessore B di il nucleo magnetico.

Parametri strutturali del nucleo magnetico

Area della sezione trasversale della barra minima

Sc=B(l-∆l),

dove B è lo spessore dell'insieme; l - imposta la larghezza; ∆l - deviazione limite.

Area finestra minima impostata

Sok = l1(h-∆h),

dove l1 è la larghezza della finestra di composizione; altezza finestra h; Deviazione limite ∆h.

Per nuclei magnetici ШI, ШШ, ШП (Fig. 4, a-g)

La lunghezza media della linea magnetica del campo di forza del nucleo

Iср=h-1[h+2l1+1,18(H-h) + 0,4I/H-I

Per il circuito magnetico SHU (Fig. 4, e)

lav=2(h+l1)+1,57l.

Per il circuito magnetico PN, PU (Fig. 4, e)

lcp=2(h+l1)+1,57(Hh);

lо=2l+2В+2,5l1+8δк,

dove lо è la lunghezza media del conduttore di corrente elettrica del nucleo; δk è il valore totale dello spazio e dello spessore del telaio del trasformatore (entro 0,55-1,5 mm).

Per facilitare la produzione, i nuclei magnetici del nastro vengono divisi. Il giunto è ben lucidato e serrato bene durante il montaggio in modo che non vi sia perdita di flusso magnetico e che il trasformatore non ronzi. I nuclei magnetici a nastro continuo hanno un'induzione magnetica più elevata (20-30%), cioè hanno perdite magnetiche. Ma avvolgere tali trasformatori è molto più difficile. L'avvolgimento dei trasformatori continui viene effettuato su macchine speciali oa casa utilizzando una navetta. I nuclei del nastro dei trasformatori sono divisi in asta (Fig. 5, a), armatura (Fig. 5, b) e anello (Fig. 5, c), dove a è lo spessore dell'avvolgimento; b - larghezza del nastro; c - larghezza della finestra; h - altezza della finestra; R - raggio interno (da 5 a 2 mm a seconda dello spessore del nastro). Le strutture in tondino sono suddivise in PL - nastro a U; PLM - Nastro a forma di U con rapporto ridotto tra larghezza della finestra e spessore dell'avvolgimento (c/a <1); PLR - Nastro a forma di U con dimensioni geometriche con il più basso costo del trasformatore.

Le strutture dell'armatura sono divise in ShL - nastro a forma di Sh; ShLM - Nastro a forma di W con un rapporto ridotto tra larghezza della finestra e spessore dell'avvolgimento; ShLO - Nastro a forma di Sh con rapporto maggiorato tra larghezza del nastro e spessore dell'avvolgimento (b/a>3); ShLR - Trasformatori a nastro a forma di Sh con la geometria del trasformatore più economico.

Selezioniamo un nucleo per un trasformatore per ottenere il minor costo, volume e peso: tipo PL - per trasformatori a bassa tensione con una potenza superiore a 500 VA; Tipo PLM - per trasformatori a bassa tensione con potenza superiore a 100 VA e quando è richiesto il campo di dissipazione più piccolo; Tipo ShLM - per una potenza di 100 VA e con una caduta di tensione sugli avvolgimenti limitata. L'ideale naturalmente è un trasformatore con nucleo strip-ring. Ha un flusso di dispersione molto basso, una bassa resistenza magnetica e una scarsa sensibilità ai campi magnetici esterni.

Il trasformatore ha tre modalità operative: senza carico, carico nominale e cortocircuito. In modalità H.H Ix scorre attraverso l'avvolgimento primario w1 (Fig. 1) e crea il flusso magnetico principale Fx nel nucleo. La potenza utile fornita dal trasformatore è zero. La potenza attiva viene consumata dalla rete, che è determinata solo dalle perdite (a seconda del materiale del nucleo) nel nucleo del trasformatore stesso. Ix presenta anche una componente reattiva, che porta ad un peggioramento del fattore di potenza cosϕ della rete di alimentazione. Questa modalità non è pericolosa per il trasformatore.

La modalità di cortocircuito (cortocircuito o basso carico nel circuito secondario) è pericolosa e può causare danni (riscaldamento e persino accensione) del trasformatore. Nella modalità di carico nominale, la tensione sull'avvolgimento secondario è un valore complesso e dipende dal valore e dalla natura della resistenza di carico.

Gli avvolgimenti dei trasformatori con struttura corazzata e ad asta sono solitamente realizzati su telai, ma vengono utilizzati anche avvolgimenti senza telaio (manicotto). Gli avvolgimenti dei nuclei ad anello sono realizzati su telai ad anello o su un circuito magnetico avvolto con qualche tipo di isolamento. I telai sono realizzati in cartone elettrico, plastica o semplicemente cartone. Si consiglia di impregnare i telai con vernici speciali o composti resistenti all'umidità. Gli avvolgimenti sono posti uno sopra l'altro o uno accanto all'altro. I trasformatori di bassa potenza sono generalmente realizzati su nuclei a piastre o strisce di costruzione corazzata. Gli avvolgimenti in questo caso sono posizionati sull'asta centrale. Quando si producono trasformatori di media e alta potenza, è preferibile utilizzare nuclei magnetici con struttura ad asta. Gli avvolgimenti sono posti sui telai di due aste laterali.

L'avvolgimento di rete (primario) viene solitamente avvolto per primo sul telaio. Successivamente, gli avvolgimenti secondari vengono avvolti. Si consiglia di interporre uno schermo elettrostatico tra l'avvolgimento primario e quello secondario. È realizzato con filo isolato in uno strato o con un giro di lamina aperto. Un'estremità di tale schermo elettrostatico è collegata al telaio o al filo comune del dispositivo, il che consente di ridurre le interferenze e le interferenze che penetrano attraverso le capacità di avvolgimento e avvolgimento dalla rete e viceversa. Questo è molto rilevante al giorno d'oggi, poiché nella nostra realtà sono solitamente in funzione molti dispositivi radio ed elettrici diversi che interferiscono con la rete di alimentazione. Gli alimentatori a commutazione delle moderne apparecchiature radio di consumo producono soprattutto molte interferenze.

Quando si avvolgono i trasformatori su un “anello”, gli avvolgimenti devono essere posizionati uniformemente attorno alla circonferenza del nucleo. Gli avvolgimenti con un punto medio sono meglio avvolti con due fili contemporaneamente. Successivamente, collega l'inizio di un avvolgimento alla fine dell'altro per ottenere il punto medio. Ciò si traduce in una buona simmetria dell'avvolgimento. Gli avvolgimenti avvolti devono essere isolati l'uno dall'altro. Questo viene fatto utilizzando carta per cavi, tessuto verniciato, nastro fluoroplastico, solo carta, ecc. Quando si realizzano avvolgimenti ad alta tensione, è necessario isolarli ogni 2-3 strati. Per questi scopi è molto adatto un film di polietilene tereftalato con uno spessore fino a 59 micron.

Gli avvolgimenti dei trasformatori domestici sono avvolti con fili rotondi (raramente rettangolari) isolati in rame (raramente alluminio). A questo scopo sono molto adatti i fili tondi con isolamento ad alta resistenza (viniflex) come PEV-1, PEV-2. Attualmente il filo di tipo PEL (isolamento con vernice olio-resina) viene utilizzato meno frequentemente. I tipi di filo PEV-1, PEV-2 sono disponibili nei diametri da 0,03 a 2,5 mm. La tensione di rottura di questi fili, a seconda del diametro, va da 600 a 2500 V. Vengono utilizzati anche fili con maggiore resistenza al calore come PET e PETV.

Il grado di riempimento della finestra centrale con rame è determinato dal coefficiente di riempimento della finestra Kok = Sm/Sok. Questo è il rapporto tra l'area totale

Ombreggiare la sezione trasversale degli avvolgimenti del filo di rame nell'area della finestra centrale. Per gli elettrodomestici, il valore del Coke nei calcoli è preso come segue:

Questo è per fili di avvolgimento PEL, PEV, PET, PETV di sezione rotonda.

Quando si determina la temperatura di riscaldamento di un trasformatore, è necessario tenere conto della densità di corrente negli avvolgimenti J e della superficie radiante degli avvolgimenti del trasformatore.

Diametro del filo richiesto per gli avvolgimenti (senza isolamento):

dm = 1,13(I/J)^1/2,

dove I è la corrente effettiva nell'avvolgimento; J è la densità di corrente data.

Quando si avvolgono gli avvolgimenti girando per girare, non sarà mai possibile adattare strettamente le spire tra loro, quindi è necessario tenere conto del coefficiente di posa Cook. Per fili con diametro da 0,05 a 0,1 mm è pari a 0,83-0,85, per diametro da 0,1 a 0,56 mm è pari a 0,92-0,93, e sopra è pari a 0,95. È inoltre necessario tenere conto del coefficiente di rigonfiamento di Kraz dovuto alla tensione insufficiente del filo. Quindi, per un filo con un diametro fino a 0,5 mm Kraz = 1,05...1,07 e superiore a 0,5 mm Kraz = 1,1...1,12.

Calcolo del trasformatore

Determinare la potenza complessiva del trasformatore per gli avvolgimenti con un punto medio

dove Kvi è un coefficiente che tiene conto del tipo di raddrizzatore (0,71 per raddrizzamento ad onda intera, 1 per circuiti raddrizzatori a ponte e con raddoppio di tensione); n è il numero di avvolgimenti secondari del trasformatore; Rn.tr - potenza totale degli avvolgimenti secondari; htr dipende da Rn.tr. (Fig. 6, dove 1 - anello; 2 - asta e circuito magnetico armato)

dove Ui, Ii sono la tensione e la corrente degli avvolgimenti secondari.

Se avvolgimenti senza punto medio

Рg=0,5 Рn.tr(1+1/htr)

Per un circuito raddrizzatore a semionda

Рg=0,5 Рn.tr(1+Q.i);

Sq.i=(1-I²d)^1/2,

dove Id è il rapporto tra la corrente media nel carico e la corrente effettiva dell'avvolgimento.

Dopo aver trovato Pr, determinare il prodotto della finestra centrale, occupata dagli avvolgimenti, e l'area della sezione trasversale dell'acciaio:

ScSok=[Rg(1+htr)10²/4KfsBJKsKokhtr]

dove Kf è il coefficiente di forma della curva di tensione (1,11 per la forma sinusoidale); Il coefficiente Kc di riempimento del nucleo con acciaio è 0,8-95 (un valore inferiore corrisponde a un foglio o nastro di acciaio elettrico più sottile).

Autore: O.G. Rashitov

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