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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Leistungstransformatoren für eine Frequenz von 50 Hz. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Netzteile Leistungstransformatoren sind Teil einer Vielzahl von Schaltkreisen zur Stabilisierung und Nichtstabilisierung von Stromversorgungen für die Sekundärstromversorgung von Haushalts- und Amateurelektronikgeräten, die über ein Wechselstromnetz betrieben werden. Ein Transformator ist ein statisches elektromagnetisches Gerät. Mithilfe eines Transformators wird elektrische Wechselstromenergie mit einem Parameter in elektrische Energie mit anderen Parametern umgewandelt. So ist es mit Hilfe eines Transformators möglich, Spannung und Strom zu senken und zu erhöhen sowie die Ausgangsstromversorgungskanäle elektrisch vom Netz und voneinander zu isolieren. Die Funktionsweise eines Transformators basiert auf der Wechselwirkung des elektromagnetischen Feldes der Primärwicklung des Transformators mit den Sekundärwicklungen. Die Primärwicklung (Netz) ist an das Wechselstromnetz U1 mit einer Stromfrequenz von 50 Hz bzw. 400 bis 5000 Hz angeschlossen, an die Sekundärwicklungen sind elektrische Energieverbraucher (Last) angeschlossen. Abbildung 1,a zeigt ein vereinfachtes Diagramm des Transformators und Abbildung 1,b zeigt seinen Anschlussplan. Die Transformatorwicklungen sind auf einem gemeinsamen Magnetkern angeordnet, der (zur besseren magnetischen Kopplung) aus ferromagnetischem Material besteht.
Der Magnetfluss Fo ist entlang des Magnetkreises geschlossen und induziert EMF E1 und E2 in der Primär- bzw. Sekundärwicklung. Unter Berücksichtigung des Spannungsabfalls am aktiven Widerstand r1 der Primär- und r2 der Sekundärwicklungen E1=U1 - r1I1 und E2=U2+r2I2. Ein Teil des magnetischen Flusses wird jedoch geschlossen und in die Luft abgeleitet, den sogenannten Fras, der nur auf die Windungen der Primärwicklung wirkt. Sie versuchen, diesen Fras zu reduzieren und so den Wirkungsgrad des Transformators zu erhöhen. Dies ist die Betriebsart des Transformators bei Nennlast. Es gibt auch Leerlauf- und Kurzschlussmodus. Das Hauptelement des Transformators ist somit der Magnetkreis (Kern). Für den Kern von Transformatoren mit einer Frequenz von 50 Hz werden hauptsächlich spezielle Elektro-Warmstahlsorten 1511, 3412 verwendet. Stahl dieser Qualitäten wird in Form von Blechen mit einer Dicke von 0,35 und 0,5 mm hergestellt. Es werden auch kaltgewalzte Stahlsorten 3411 und 3412 verwendet. Es wird in Form von Blechen mit einer Dicke von 0,35 hergestellt; 0,5 mm und in Form von Bändern mit einer Dicke von 0,28; 0,3; 0,35; 0,5 mm. Kaltgewalzte Stähle haben eine größere magnetische Induktion als warmgewalzte Stähle, daher bestehen Transformatoren aus kaltgewalztem Stahl lei werden mit kleineren Abmessungen und Gewicht bei gleicher Leistung erhalten. Für Transformatoren, die mit einer Frequenz von 50 Hz arbeiten, wird Elektroband mit einer Dicke von 0,15 bis 0,5 mm verwendet, bei Frequenzen von 400 bis 5000 Hz wird Stahl mit einer Dicke von 0,05 bis 0,08 mm verwendet. Abhängig von den Anforderungen an den Transformator (Leistung, Kosten, spezifische Eigenschaften) wird ein Platten- oder Streifenmagnetkreis verwendet. Die wichtigsten Typen und Größen von Transformatorplatten sind in Abb. 2 dargestellt, wobei: a - E-förmig; b – W-förmige Platten verschiedener Typen: W – mit h>2,5...3l1; Shu – mit mäßiger Basis und h>3l1; Sha – mit h>l1; Шб - с h l1; e – U-förmige Platten: Pn – mit h>l1 und Pu – mit h>1l1.
So werden Transformatoren je nach Ausführung des Magnetkreises in Plattenpanzertransformatoren (W-förmig) und Plattentransformatoren (U-förmig) unterteilt. Sie sind in Abb. 3 dargestellt.
Magnetkerne für Leistungstransformatoren werden nur überlappend (überlappend) montiert. Bandkerne werden auch für Transformatoren verwendet. Solche Transformatoren haben ein wesentlich kleineres Streufeld, d.h. verursachen weniger Störungen an umgebenden Schaltkreiselementen und Teilen des zu erstellenden Geräts. Dadurch können sie neben den Funktionseinheiten hochsensibler Funkgeräte platziert werden. Der Kern eines W-förmigen Transformators wird mit dem Namen des Typs und Zahlen bezeichnet, die die Breite des Mittelstabs l (Abb. 3, a) oder der Seitenstäbe (Abb. 3, b) und die Dicke B bestimmen der Magnetkern. Strukturparameter des Magnetkerns Mindeststabquerschnittsfläche Sc=B(l-∆l), wobei B die Dicke des Satzes ist; l - Breite einstellen; ∆l - Grenzabweichung. Minimal eingestellte Fensterfläche Sok = l1(h-∆h), wobei l1 die Breite des Wählfensters ist; h-Fensterhöhe; ∆h-Grenzabweichung. Für Magnetkerne ШI, ШШ, ШП (Abb. 4, a-g)
Die durchschnittliche Länge der magnetischen Linie des Kraftfeldes des Kerns Iср=h-1[h+2l1+1,18(H-h) + 0,4I/H-I Für den Magnetkreis SHU (Abb. 4, e) lav=2(h+l1)+1,57l. Für den Magnetkreis PN, PU (Abb. 4, e) lcp=2(h+1)+1,57(Hh); lо=2l+2В+2,5l1+8δк, wobei lо die durchschnittliche Länge des elektrischen Stromleiters des Kerns ist; δk ist der Gesamtwert aus Spalt und Dicke des Transformatorrahmens (innerhalb von 0,55–1,5 mm). Um die Herstellung zu erleichtern, werden Magnetbandkerne geteilt hergestellt. Die Verbindung wird gut poliert und bei der Montage gut angezogen, damit kein Verlust des Magnetflusses auftritt und der Transformator nicht brummt. Durchgehende Bandmagnetkerne haben eine um 20-30 % höhere magnetische Induktion, d. h. magnetische Verluste haben. Das Wickeln solcher Transformatoren ist jedoch viel schwieriger. Das Wickeln von Dauertransformatoren erfolgt auf Spezialmaschinen oder zu Hause mit einem Shuttle. Bandkerne von Transformatoren werden in Stabkerne (Abb. 5, a), Panzerkerne (Abb. 5, b) und Ringkerne (Abb. 5, c) unterteilt, wobei a die Dicke der Wicklung ist; b - Bandbreite; c - Fensterbreite; h - Fensterhöhe; R – Innenradius (von 5 bis 2 mm, abhängig von der Dicke des Bandes). Stabstrukturen sind unterteilt in PL – U-förmiges Band; PLM – U-förmiges Band mit reduziertem Verhältnis von Fensterbreite zu Wickeldicke (c/a <1); PLR – U-förmiges Band mit Geometrieabmessungen mit den niedrigsten Transformatorkosten.
Panzerstrukturen werden in ShL – Sh-förmiges Band unterteilt; ShLM – W-förmiges Band mit reduziertem Verhältnis von Fensterbreite zu Wickeldicke; ShLO – Sh-förmiges Band mit einem erhöhten Verhältnis der Breite des Bandes zur Dicke der Wicklung (b/a>3); ShLR – Sh-förmige Bandtransformatoren mit der Geometrie des kostengünstigsten Transformators. Wir wählen einen Kern für einen Transformator aus, um die niedrigsten Kosten, das geringste Volumen und das niedrigste Gewicht zu erzielen: PL-Typ – für Niederspannungstransformatoren mit einer Leistung von mehr als 500 VA; Typ PLM – für Niederspannungstransformatoren mit einer Leistung von mehr als 100 VA und wenn das kleinste Verlustfeld erforderlich ist; Typ ShLM – für eine Leistung von 100 VA und mit begrenztem Spannungsabfall an den Wicklungen. Ideal ist natürlich ein Transformator mit Streifenringkern. Es hat einen sehr geringen Streufluss, einen geringen magnetischen Widerstand und eine geringe Empfindlichkeit gegenüber externen Magnetfeldern. Der Transformator verfügt über drei Betriebsarten: Leerlauf, Nennlast und Kurzschluss. Im H.H.-Modus Ix fließt durch die Primärwicklung w1 (Abb. 1) und erzeugt den Hauptmagnetfluss Fx im Kern. Die vom Transformator gelieferte Nutzleistung ist Null. Die Wirkleistung wird aus dem Netz bezogen, die nur durch Verluste (abhängig vom Kernmaterial) im Transformatorkern selbst bestimmt wird. Ix hat zudem einen Blindanteil, was zu einer Verschlechterung des Leistungsfaktors cosϕ des Versorgungsnetzes führt. Dieser Modus ist für den Transformator ungefährlich. Der Kurzschlussbetrieb (Kurzschluss oder Unterlast im Sekundärkreis) ist gefährlich und kann zu Schäden (Erhitzung und sogar Entzündung) des Transformators führen. Im Nennlastbetrieb ist die Spannung an der Sekundärwicklung ein komplexer Wert und hängt vom Wert und der Art des Lastwiderstands ab. Die Wicklungen von Transformatoren in Panzer- und Stabbauweise werden üblicherweise auf Rahmen ausgeführt, es werden aber auch rahmenlose (Hülsen-)Wicklungen verwendet. Die Wicklungen von Ringkernen werden auf Ringrahmen oder auf einem mit einer Art Isolierung umwickelten Magnetkreis hergestellt. Rahmen werden aus Elektrokarton, Kunststoff oder einfach nur Karton hergestellt. Es empfiehlt sich, die Rahmen mit speziellen Lacken oder feuchtigkeitsbeständigen Mitteln zu imprägnieren. Die Wicklungen werden übereinander oder nebeneinander platziert. Kleinleistungstransformatoren werden normalerweise auf Platten- oder Bandkernen in gepanzerter Bauweise hergestellt. Die Wicklungen werden in diesem Fall auf den Mittelstab gelegt. Bei der Herstellung von Mittel- und Hochleistungstransformatoren ist es besser, Magnetkerne mit Stabstruktur zu verwenden. Die Wicklungen werden auf den Rahmen zweier Seitenstangen platziert. Die Netzwicklung (Primärwicklung) wird üblicherweise zuerst auf den Rahmen gewickelt. Als nächstes werden die Sekundärwicklungen gewickelt. Es empfiehlt sich, zwischen Primär- und Sekundärwicklung einen elektrostatischen Schirm anzubringen. Es besteht entweder aus isoliertem Draht in einer Lage oder mit einer offenen Folienwindung. Ein Ende einer solchen elektrostatischen Abschirmung ist mit dem Chassis oder dem gemeinsamen Kabel des Geräts verbunden, was es ermöglicht, Störungen und Störungen zu reduzieren, die vom Netzwerk durch die Windungs- und Wicklungskapazitäten dringen und umgekehrt. Dies ist in der heutigen Zeit von großer Bedeutung, da in unserer Realität meist viele verschiedene Funk- und Elektrogeräte im Einsatz sind, die das Stromversorgungsnetz stören. Vor allem Schaltnetzteile moderner Funkgeräte erzeugen viele Störungen. Beim Wickeln von Transformatoren auf einen „Ring“ müssen die Wicklungen gleichmäßig um den Umfang des Kerns verteilt sein. Wicklungen mit Mittelpunkt werden am besten mit zwei Drähten gleichzeitig gewickelt. Als nächstes verbinden Sie den Anfang einer Wicklung mit dem Ende der anderen, um den Mittelpunkt zu erhalten. Dadurch ergibt sich eine gute Symmetrie der Wicklung. Die gewickelten Wicklungen müssen voneinander isoliert sein. Dies geschieht mit Kabelpapier, lackiertem Stoff, Fluorkunststoffband, einfachem Papier usw. Bei der Herstellung von Hochspannungswicklungen müssen diese alle 2-3 Schichten isoliert werden. Für diese Zwecke eignet sich eine Polyethylenterephthalatfolie mit einer Dicke von bis zu 59 Mikrometern sehr gut. Die Wicklungen von Haushaltstransformatoren sind mit kupfer- (selten Aluminium-) isolierten runden (selten rechteckigen) Drähten gewickelt. Hierfür sind Runddrähte mit hochfester (Viniflex-)Isolierung wie PEV-1, PEV-2 sehr gut geeignet. PEL-Draht (Isolierung mit Öl-Harz-Lack) wird derzeit seltener verwendet. Die Drahtqualitäten PEV-1 und PEV-2 sind in Durchmessern von 0,03 bis 2,5 mm erhältlich. Die Durchbruchspannung dieser Drähte beträgt je nach Durchmesser 600 bis 2500 V. Es werden auch Drähte mit erhöhter Hitzebeständigkeit wie PET und PETV verwendet. Der Füllgrad des Kernfensters mit Kupfer wird durch den Fensterfüllkoeffizienten Kok = Sm/Sok bestimmt. Dies ist das Verhältnis zur Gesamtfläche Schattieren Sie den Querschnitt der Kupferdrahtwicklungen auf den Bereich des Kernfensters. Für Haushaltsgeräte wird der Cola-Wert in den Berechnungen wie folgt angenommen: Dies gilt für PEL-, PEV-, PET-, PETV-Wicklungsdrähte mit rundem Querschnitt. Bei der Bestimmung der Heiztemperatur eines Transformators müssen die Stromdichte in den Wicklungen J und die wärmeabstrahlende Oberfläche der Transformatorwicklungen berücksichtigt werden. Erforderlicher Drahtdurchmesser für Wickelwicklungen (ohne Isolation): dm = 1,13 (I/J)1/2, wobei I der effektive Strom in der Wicklung ist; J ist die gegebene Stromdichte. Beim Wickeln von Windungen von Windung zu Windung ist es nie möglich, die Windungen fest aneinander anzupassen, daher muss der Verlegekoeffizient von Cook berücksichtigt werden. Für Drähte mit einem Durchmesser von 0,05 bis 0,1 mm beträgt er 0,83 bis 0,85, für einen Durchmesser von 0,1 bis 0,56 mm beträgt er 0,92 bis 0,93 und darüber beträgt er 0,95. Es ist auch notwendig, den Quellkoeffizienten von Kraz aufgrund unzureichender Drahtspannung zu berücksichtigen. Für einen Draht mit einem Durchmesser von bis zu 0,5 mm gilt also Kraz = 1,05...1,07 und über 0,5 mm gilt Kraz = 1,1...1,12. Berechnung des Transformators Bestimmen Sie die Gesamtleistung des Transformators für Wicklungen mit Mittelpunkt
wobei Kvi ein Koeffizient ist, der den Typ des Gleichrichters berücksichtigt (0,71 für Vollweggleichrichtung, 1 für Brückengleichrichterschaltungen und mit Spannungsverdopplung); n ist die Anzahl der Sekundärwicklungen des Transformators; Rn.tr – Gesamtleistung der Sekundärwicklungen; htr hängt von Rn.tr ab. (Abb. 6, wo 1 - Ring; 2 - Stab und gepanzerter Magnetkreis)
wobei Ui, Ii die Spannung und der Strom der Sekundärwicklungen sind.
Bei Wicklungen ohne Mittelpunkt Рg=0,5 Рn.tr(1+1/htr) Für eine Einweggleichrichterschaltung Рg=0,5 Рn.tr(1+Q.i); Sq.i=(1-I2d)1/2, wobei Id das Verhältnis des durchschnittlichen Stroms in der Last zum effektiven Strom der Wicklung ist. Nachdem Sie Pr gefunden haben, bestimmen Sie das Produkt aus dem Kernfenster, das von den Wicklungen eingenommen wird, und der Querschnittsfläche des Stahls: ScSok=[Rg(1+htr)102/4KfsBJKsKokhtr] wobei Kf der Formkoeffizient der Spannungskurve ist (1,11 für die Sinusform); Der Kc-Koeffizient der Füllung des Kerns mit Stahl beträgt 0,8–95 (ein niedrigerer Wert entspricht einem dünneren Blech oder Streifen aus Elektrostahl). Autor: O.G. Rashitov
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