Расчет автотрансформатора, или
как повысить напряжение сети?
ИСТОЧНИК: Журнал "Радио" № 3 1946 г.
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=1.5x100( 1-60÷120V )=150x0.5=75
Возьмем сердечник силового трансформатора от радиоприемника 6Н-1. Этот сердечник радиолюбителю, повидимому, легче достать, чем какой-нибудь другой.
Сечение стержня:
S=3.2x3.8=12.16 cm²
Площадь окна:
F=4.8x1.6=8.68 cm²
Произведение:
SF=12.16x7.68=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÷(11000x12.16)=3.96
Округляя, примем n0 = 4. Следовательно, вся обмотка должна состоять из:
n= U2 n0=120x4= 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.
|
Похожие материалы