Расчёт трансформатора. Вывод формул

Здесь принимаются все самые невообразимые вопросы... Главное - не стесняйтесь. Поверьте, у нас поначалу вопросы были еще глупее :)
Аватара пользователя
B@R5uk
Собутыльник Кота
Сообщения: 2896
Зарегистрирован: Сб ноя 13, 2010 12:53:25
Откуда: приходит весна?

Расчёт трансформатора. Вывод формул

Сообщение B@R5uk »

Есть куча всяких книжек по методике расчёта трансформатора с кучей формул и так далее. Однако я как-то совсем не встречал объяснения откуда эти формулы берутся. Вот, например, самая важная формула для радиолюбителя, который имеет готовый набор Ш-пластин и корпус для обмотки, а именно формула для числа витков на вольт:

n = 50 см²/В / S

где S — площадь поперечного сечения набора трансформаторных пластин (то бишь произведение среднего лепестка Ш-пластины на толщину набора).

Откуда эти волшебные 50 см²/В берутся?

В универе в курсе общей физики изучаются вопросы магнитостатики и электродинамики, поэтому я понимаю, что это число берётся из того соображения, что железо трансформатора не должно входить в насыщение. В противном случае трансформатору грозят неконтролируемо растущие токи и выгорание обмоток в следствие перегрева. Однако, от общих соображений до конкретных формул путь не близкий.

Вот мои попытки вывести эту формулу. Рассмотрим простую модель с только одной первичной обмоткой:

Изображение

Здесь:
I — ток обмотки
N — число витков обмотки
p — средний периметр магнитопровода
S — площадь сечения магнитопровода
d — ширина эффективного магнитного зазора
B — магнитная индукция в магнитопроводе и в зазоре
H — магнитное поле в магнитопроводе
H' — магнитное поле в зазоре
Так же на картинке не указана величина μ — магнитная проницаемость магнитопровода

Эффективный зазор отражает неидеальность сборки трансформатора: неплотное прилегание Ш- и I-пластин друг к другу в следствие грязи, остатков лака и прочего, а так же наличие вмятин на прилегающих торцах пластин, которые неизбежно появляются при сборке-разборке пакета пластин для перемотки трансформатора.

Эти величины связаны такими формулами:

Изображение

В первой строчке — материальные уравнения для магнитопровода и зазора, а так же граничное условие. Во второй — циркуляция магнитного поля. В третьей — связь энергии магнитного поля с электрическими величинами (индуктивность L, ток I) и с объёмными величинами (размеры, плотности w и w' магнитной энергии в магнитопроводе и зазоре). Ну и в четвёртой строчке — выражения для плотностей энергии магнитного поля. Решая эти уравнения получаем две формулы:

Изображение

Видно, что величина индуктивности обмотки в значительной степени определяется размерами зазора в силу большой магнитной проницаемости железа. Если периметр p порядка 200 мм, а проницаемость μ порядка 2000, то величина p/μ будет порядка 0,1 мм, что сравнимо с возможной величиной d эффективного зазора. Это особенно актуально для малогабаритных трансформаторов с малым периметром p. Но на конечную формулу это, как ни странно, ни капельки не влияет. И вот почему.

Связь между напряжением на обмотке и током в ней выражается дифференциальной формулой:

U = L dI/dt

Если I = Iaмп sin(ω t), то для напряжения получается выражение:

U = L ω Iaмп cos(ω t)

Здесь ω = 2π f — круговая частота, а f — обычная частота в герцах. Получается для амплитуд напряжения и тока:

Uамп = L ω Iaмп

Так же надо учесть, что амплитуда синусоидального напряжения в корень из двух раз больше действующего напряжения:

Uамп = Uдейств √2

Объединяя все эти формулы, получаем следующее:

Изображение

Если пересчитать волшебное число 50 см²/В в индукцию насыщения для частоты 50 Гц, то получится кругленькие 0,9 Тл. Не слишком ли это большой запас? Порывшись в интернетах, можно обнаружить, что индукция насыщения большинства электротехнических сталей попадает в диапазон 1,8...2,0 Тс. Кроме того, в недавно разобранном мной трансформаторе на один вольт приходится 11,4 витков. Учитывая, что размеры сердечника 22 мм на 14 мм, получается, что разработчики этого трансформатора в качестве волшебного коэффициента взяли величину 35 см²/В. Это, конечно, уже ближе, но до 25 см²/В, которые получаются по моей формуле для 1,8 Тл и 50 Гц не дотягивает целых 40%.

Собственно мой вопрос в том, является ли это таким запасом прочности, или же я чего-то не учёл в вышеприведённых расчётах?
Вложения
Formulae_3.gif
(810 байт) 1270 скачиваний
Formulae_2.gif
(501 байт) 1453 скачивания
Formulae_1.gif
(1017 байт) 1431 скачивание
Transformer.gif
(2.38 КБ) 1469 скачиваний
HochReiter
Друг Кота
Сообщения: 3208
Зарегистрирован: Пт ноя 02, 2018 16:14:36

Re: Расчёт трансформатора. Вывод формул

Сообщение HochReiter »

Первое, что бросилось в глаза:
B@R5uk писал(а): Рассмотрим простую модель с только одной первичной обмоткой

Связь между напряжением на обмотке и током в ней выражается дифференциальной формулой:

U = L dI/dt
У трансформатора есть вторая обмотка, она внесёт поправку в эту формулу.
Нет ничего практичнее хорошей теории
Аватара пользователя
B@R5uk
Собутыльник Кота
Сообщения: 2896
Зарегистрирован: Сб ноя 13, 2010 12:53:25
Откуда: приходит весна?

Re: Расчёт трансформатора. Вывод формул

Сообщение B@R5uk »

Вышеприведённый расчёт выполнен для холостого хода, разумеется. HochReiter, вы хотите сказать, что магнитное поле в трансформаторе под нагрузкой будет больше, а не меньше, чем на холостом ходу?
Аватара пользователя
musor
Друг Кота
Сообщения: 39197
Зарегистрирован: Сб сен 13, 2014 16:27:32
Откуда: СпиртоГонск созвездия Омега

Re: Расчёт трансформатора. Вывод формул

Сообщение musor »

страно или вы не те книжки читаете ил....
вобщем в курсе электрических машин все формулы расчеты вывеены в наше время любой студнт делал курсовую по ЭМ по расчету или транса или мотора или генератора..
ZМудрость(Опыт и выдержка) приходит с годами.
Все Ваши беды и проблемы, от недостатка знаний.
Умный и у дурака научится, а дураку и ..
Алберт Ейнштейн не поможет и ВВП не спасет.и МЧС опаздает
HochReiter
Друг Кота
Сообщения: 3208
Зарегистрирован: Пт ноя 02, 2018 16:14:36

Re: Расчёт трансформатора. Вывод формул

Сообщение HochReiter »

[uquote="B@R5uk",url="/forum/viewtopic.php?p=3517248#p3517248"]HochReiter, вы хотите сказать, что магнитное поле в трансформаторе под нагрузкой будет больше, а не меньше, чем на холостом ходу?[/uquote] Нет, я хотел сказать, что в формуле надо заменить L1 на L12 :) Виноват, погорячился, не успел подумать.
Нет ничего практичнее хорошей теории
Zhenya
Открыл глаза
Сообщения: 59
Зарегистрирован: Пт май 11, 2018 11:48:44

Re: Расчёт трансформатора. Вывод формул

Сообщение Zhenya »

[uquote="B@R5uk",url="/forum/viewtopic.php?p=3517168#p3517168"]Откуда эти волшебные 50 см²/В берутся?
... я как-то совсем не встречал объяснения откуда эти формулы берутся[/uquote]А вот когда я 50 лет назад делал трансформатор описанный в книжке "Электрические и паровые двигатели", то там этот коэфиициент был 60 см²/В
Железо там вырезалось из консервных банок и уже там для школьников объяснялось, что если у кого есть трансформаторное железо, например Э320, то коэффициент в этой эмпирической формуле можно взять 50. :))
СпойлерЭмпирическая формула — формула, определенная из опытных (эмпирических) данных.
А когда учился в школе, то я по эмпирической формуле всемирного тяготения
Изображение
Что увидел в учебнике по физике, пытался разгадать тайну гравитации. :))
Вы примерно тоже этим же занялись.
Аватара пользователя
mickbell
Друг Кота
Сообщения: 16376
Зарегистрирован: Пт мар 30, 2012 05:17:29
Откуда: Екатеринбург

Re: Расчёт трансформатора. Вывод формул

Сообщение mickbell »

Этот коэффициент (из разной литературы времён СССР) бывал разным, мне попадались его значения от 40 до 60. Значение, как я тогда отметил, зависело от назначения трансформатора: скажем, для магнитофонов оно больше, дабы получался меньший заход в насыщение.
И хрюкотали зелюки,
Как мюмзики в мове.

На каждый РКН
Найдётся VPN.
Аватара пользователя
B@R5uk
Собутыльник Кота
Сообщения: 2896
Зарегистрирован: Сб ноя 13, 2010 12:53:25
Откуда: приходит весна?

Re: Расчёт трансформатора. Вывод формул

Сообщение B@R5uk »

musor, а не могли бы вы по-подробнее на счёт книг? Год, автор, название. Было б здорово сразу ссылку на сундук, но и без неё я тоже смогу поискать.

Добавлено after 7 minutes 21 second:
[uquote="mickbell",url="/forum/viewtopic.php?p=3517352#p3517352"]Значение, как я тогда отметил, зависело от назначения трансформатора: скажем, для магнитофонов оно больше, дабы получался меньший заход в насыщение.[/uquote]Так вот меня и интересует: что, как и почему. Я, однако, начинаю подозревать, что коэффициент скорее должен зависеть (как верно заметил HochReiter) от типа нагрузки: активная нагрузка типа нитей накаливания ламп — это одно, в то время, как выпрямительный блок питания для усилителя мощности — это совсем другое. Во втором случае ток во вторичке представляет собой короткие пики значительной амплитуды, что, возможно, потребует увеличить коэффициент по сравнению с простой активной нагрузкой. Ни первый, ни второй случай я ещё не считал, поэтому не уверен на все 100. В то же время, меня весьма интересует что будет происходить с токами и полями, если трансформатор таки будет слегка заходить в насыщение. Здесь я даже не знаю, какие формулы/модели/приближения применять.
Аватара пользователя
mickbell
Друг Кота
Сообщения: 16376
Зарегистрирован: Пт мар 30, 2012 05:17:29
Откуда: Екатеринбург

Re: Расчёт трансформатора. Вывод формул

Сообщение mickbell »

Ну почему для магнитофонов коэффициент должен быть больше, чем, скажем, для питания какой-нибудь лампочки, и что будет, если его уменьшить - это объяснимо. Во-первых, при заходе в глубокое насыщение появляются импульсы тока первичной обмотки. Во-вторых, имеет место "выпячивание" магнитного поля из сердечника из-за падения его магнитной проницаемости в насыщении. То и другое неблагоприятно сказывается на уровне фона, хватаемого ГВ и УВ магнитофона. Что тут можно считать формулами, я не очень представляю себе.
И хрюкотали зелюки,
Как мюмзики в мове.

На каждый РКН
Найдётся VPN.
HochReiter
Друг Кота
Сообщения: 3208
Зарегистрирован: Пт ноя 02, 2018 16:14:36

Re: Расчёт трансформатора. Вывод формул

Сообщение HochReiter »

B@R5uk писал(а):Я, однако, начинаю подозревать, что коэффициент скорее должен зависеть (как верно заметил HochReiter) от типа нагрузки:
В радиолюбительской формуле коэффициент мощности никак не учитывается. В статье "Расчёт сетевого трансформатора сетевого источника питания" из "Радио" 2004 NN4,5 приводится формула без вывода: E=4.44*f*B*S*k*10^-4, где k - коэффициент заполнения, примерно равен единице. Совпадает с Вашим результатом. Я тоже пришёл к тем же цифрам:
E=dФ/dt = 2*Pi*Bm*cos(2*Pi*f*t)*S

В той же статье из "Радио": "Рекомендуемые значения магнитной индукции приведены в табл.4. Откуда взяты данные табл.4 и почему они зависят от габаритной мощности трансформатора и толщины ленты, я не в курсе, но там меньше 1.8-2.0 Тл - 1.0-1б6 Тл. Если учесть древность радиолюбительской формулы и PF выпрямителя с ёмкостью на выходе, то 50 - разумный коэффициент.
Нет ничего практичнее хорошей теории
12943
Друг Кота
Сообщения: 3702
Зарегистрирован: Чт окт 20, 2016 13:51:03

Re: Расчёт трансформатора. Вывод формул

Сообщение 12943 »

Единственный способ избавиться от чужих эмпирических коэффициентов и "рекомендуемых значений индукции", это способ пробной обмотки, т.е. получение собственного значения индукции, исходя из собственных требований к трансформатору - минимальный шум или максимальная мощность или другое (причём всё это применительно к сердечнику, который в руках).
Сейчас буду перематывать кольцо, там 4,5 вит/Вольт, молчит как рыба, на вертушку наводок не было.
Eltex
Нашел транзистор. Понюхал.
Сообщения: 199
Зарегистрирован: Вт авг 21, 2018 11:55:45

Re: Расчёт трансформатора. Вывод формул

Сообщение Eltex »

B@R5uk писал(а):поэтому я понимаю, что это число берётся из того соображения, что железо трансформатора не должно входить в насыщение. В противном случае трансформатору грозят неконтролируемо растущие токи и выгорание обмоток в следствие перегрева.
Доводить сердечник до полного насыщения, просто энергетически невыгодно, растут затраты на перемагничивание без эффекта усиления.
Никаких некотролируемых токов нет, просто увеличьте сопротивление вторички и токов не будет.

А зачем вам зазор "d" в магнитопроводе? (Последняя картинка Transformer.gif)
HochReiter
Друг Кота
Сообщения: 3208
Зарегистрирован: Пт ноя 02, 2018 16:14:36

Re: Расчёт трансформатора. Вывод формул

Сообщение HochReiter »

12943 писал(а):Единственный способ избавиться от чужих эмпирических коэффициентов и "рекомендуемых значений индукции", это способ пробной обмотки
Это не только к трансформаторам относится. По любым деталям данные приводятся усреднённые. Если не брать их из даташитов, а замерять, можно получить результаты гораздо более :))
Нет ничего практичнее хорошей теории
Аватара пользователя
mickbell
Друг Кота
Сообщения: 16376
Зарегистрирован: Пт мар 30, 2012 05:17:29
Откуда: Екатеринбург

Re: Расчёт трансформатора. Вывод формул

Сообщение mickbell »

[uquote="Eltex",url="/forum/viewtopic.php?p=3517658#p3517658"]Никаких некотролируемых токов нет, просто увеличьте сопротивление вторички и токов не будет.[/uquote]Да хоть и вообще никакой вторички... При заходе в насыщение форма первичного тока перестаёт быть синусоидальной, на ней появляются пики, и они тем больше, чем глубже заход в насыщение. В идеале - мощные помехи вокруг пересыщенного сердечника и контура первичного тока.
И хрюкотали зелюки,
Как мюмзики в мове.

На каждый РКН
Найдётся VPN.
Eltex
Нашел транзистор. Понюхал.
Сообщения: 199
Зарегистрирован: Вт авг 21, 2018 11:55:45

Re: Расчёт трансформатора. Вывод формул

Сообщение Eltex »

[uquote="mickbell",url="/forum/viewtopic.php?p=3517673#p3517673"][uquote="Eltex",url="/forum/viewtopic.php?p=3517658#p3517658"]Никаких некотролируемых токов нет, просто увеличьте сопротивление вторички и токов не будет.[/uquote]Да хоть и вообще никакой вторички... При заходе в насыщение форма первичного тока перестаёт быть синусоидальной, на ней появляются пики, и они тем больше, чем глубже заход в насыщение. В идеале - мощные помехи вокруг пересыщенного сердечника и контура первичного тока.[/uquote]

Это уже зависит от частоты тока в первичке и размеров сердечника, и т.н. магнитомягкости, чем ниже частота и меньше размер сердечника и выше магнитомягкость, тем меньше описанные вами эффекты.

При этом опять же трудно представить откуда возьмутся токи для выгорания (уже первички? и без вторички).
Последний раз редактировалось aen Вс дек 02, 2018 10:48:22, всего редактировалось 1 раз.
Причина: Нарушение Правил форума п. 2.7
12943
Друг Кота
Сообщения: 3702
Зарегистрирован: Чт окт 20, 2016 13:51:03

Re: Расчёт трансформатора. Вывод формул

Сообщение 12943 »

[uquote="Eltex",url="/forum/viewtopic.php?p=3517676#p3517676"]Это уже зависит от частоты тока в первичке и размеров сердечника, и т.н. магнитомягкости, чем ниже частота и меньше размер сердечника и выше магнитомягкость, тем меньше описанные вами эффекты.[/uquote]
Вот это просто чушь.

Ток через единственную обмотку течёт. Его величина=U/6,28*f*L, f - частота, L - индуктивность. Чем меньше индуктивность, тем больше ток.
Когда это станет понятным, можно идти дальше.
Eltex
Нашел транзистор. Понюхал.
Сообщения: 199
Зарегистрирован: Вт авг 21, 2018 11:55:45

Re: Расчёт трансформатора. Вывод формул

Сообщение Eltex »

12943,

Чушь получается, когда вы не поняли о чём сообщение и пишите реактивный закон Ома. :)
Это был ответ на сообщение viewtopic.php?p=3517673 на появление т.н. пиков, когда сердечник не успевает перемагничиваться.

А то, что ток снижается от роста реактивного сопротивления, вы америку не открыли.
IRMADE
Держит паяльник хвостом
Сообщения: 958
Зарегистрирован: Вс июл 13, 2014 09:42:26

Re: Расчёт трансформатора. Вывод формул

Сообщение IRMADE »

[uquote="B@R5uk",url="/forum/viewtopic.php?p=3517168#p3517168"]Есть куча всяких книжек по методике расчёта трансформатора с кучей формул и так далее. Однако я как-то совсем не встречал объяснения откуда эти формулы берутся. Вот, например, самая важная формула для радиолюбителя, который имеет готовый набор Ш-пластин и корпус для обмотки, а именно формула для числа витков на вольт: n = 50 см²/В / S[/uquote]

Чтобы докопаться "до истины" нужно поднять старые источники 1939 - 1947 года. Таких авторов, как Гинкин, Войшвилло, Цыкин. Самая ранняя формула была 40 - 80 / S. Чем лучше сталь (чем тоньше листы), тем меньше берётся число. Для того чтобы определить качество стали, оказавшейся у вас в руках, нужен опыт. Для современного ленточного магнитопровода можно брать 30. У Г.Г.Гинкина написано, что произведение числа витков на сечение сердечника, NS, есть величина постоянная. Приводится много графиков. Стр.772.
12943
Друг Кота
Сообщения: 3702
Зарегистрирован: Чт окт 20, 2016 13:51:03

Re: Расчёт трансформатора. Вывод формул

Сообщение 12943 »

[uquote="Eltex",url="/forum/viewtopic.php?p=3518027#p3518027"]12943,

Чушь получается, когда вы не поняли о чём сообщение и пишите реактивный закон Ома. :)
Это был ответ на сообщение viewtopic.php?p=3517673 на появление т.н. пиков, когда сердечник не успевает перемагничиваться.

А то, что ток снижается от роста реактивного сопротивления, вы америку не открыли.[/uquote]
"Реактивный закон Ома" - щас на стенке напишу, пока не забыл.
Пики вовсе не так называемые, а глазами наблюдаемые.
+ очередная чушь "сердечник не успевает перемагничиваться".

На самом деле пики появляются, когда сердечник намагничивается до насыщения,
а перемагничиваться он будет гораздо позже, когда одна палочка и девять дырочек истребят целое войско, нет не то,
когда индукция снизится до нуля, когда первичная обмотка уже забудет, что в ней были т.н. пики тока, тогда и начнётся "перемагничивание".
Eltex
Нашел транзистор. Понюхал.
Сообщения: 199
Зарегистрирован: Вт авг 21, 2018 11:55:45

Re: Расчёт трансформатора. Вывод формул

Сообщение Eltex »

Реактивный, мнимый, комплексный, всё одно.
Обязательно запишите? чтобы не забывать. ))

И потрудитесь разъяснить...
С какого перепоя при насыщении сердечника возникнут пики тока в первичке и без вторички? :D
Ответить

Вернуться в «Теория»