La transformatoro de malalta frekventeco — A. M. KUGUSHEV. — En la chi sube presata artikolo oni donas la ciferojn, laü kiuj oni povas elkalkuli kaj konetrui iun ajn transformatoron do malalta frekventeco, renkontata en la praktiko de radio-amatoro [рог rektigilo, рог inkandesko de katodaj lampoj k. t. p.]. Prozentitaj grafikoj obligas efektivigi la taskon ech al nesufiche preparita radio-amatoro.
В настоящей статье А. М. Кугушева приводятся данные, по которым возможно расчитать любой трансформатор низкой частоты, встречающийся в практике радиолюбителя (трансформатор для выпрямителей, для накала катодных ламп и т. п.).
Помещая эту статью, редакция считает полезным предупредить малоподготовленного любителя, что большое количество встречающихся в статье формул вовсе не делают ее недоступной, так как приведенные автором графики дают полную возможность избежать сложных вычислений.
Имеющийся в конце статьи пример научит читателя, как нужно пользоваться указанными графиками.
Редакция
Пусть имеются два проводника, свернутых в катушки (см. рис. 1). Если приключить катушку I к сети переменного тока, то вокруг этой катушки возникнет переменное магнитное поле, которое будет меняться, следуя за изменениями тока. Употребляемый в городских сетях ток изменяется по закону синусоиды, т.-е. графически, его можно изобразить так, как указано на рис. 2. Поэтому и магнитные силовые линии будут, таким образом, менять свое значение и направление, переходя при этом через нуль, и благодаря этому пронизывать 2-ую катушку.
По закону электромагнитной индукции в этой катушке должна возникнуть электродвижущая сила, при чем величина ее будет зависеть от количества витков ее и силовых линий, пересекающих ее, а это последнее — от напряжения, подведенного к 1-ой катушке, и от числа витков той же катушки.
В случае, когда все магнитное поле, возбуждаемое 1-ой катушкой, пронизывает 2-ую катушку, можно написать следующее соотношение:
| ЕII = | v2 | · Е1. |
| v1 |
(v1 и v2 число витков первичной и вторичной обмотки. Е1 и ЕII — подводимое и получаемое напряжение).
Отсюда видно, что при помощи такого устройства возможно просто изменить напряжение сети — это и есть назначение трансформатора. В мощности мы, конечно, не выигрываем, а, наоборот, несколько теряем из-за потерь в самом трансформаторе.
Трансформатор, у которого ЕII больше Е1 называется повышающим, и наоборот — понижающим, если ЕII меньше Е1.
Катушка, к которой подводится ток извне, называется первичной, другая же — вторичной.
Из рис. 1 видно, что далеко не все силовые линии проходят через 2-ую катушку, а потому ЕII будет значительно меньше. Для того, чтобы избежать этого в технических трансформаторах низкой частоты, обе катушки одеваются на один общий железный сердечник, располагая их возможно теснее друг к другу. Наличие железного сердечника в трансформаторе вызывает некоторую потерю энергии на гистерезис и токи Фуко. Конструкции таких трансформаторов приведены на рис. 3. При таком устройстве практически можно считать, что магнитная утечка отсутствует, т.-е. все магнитное поле первичной катушки пронизывает вторичную.
Пока вторичная катушка не замкнута на какой-либо приемник электрической энергии, по первичной обмотке течет сравнительно малый холостой ток 1). Этот ток идет на создание нужного магнитного потока и на потери в железу. Элементы трансформатора при расчете выбираются так, чтобы холостой ток был не больше нескольких %% от тока при нагрузке. Когда вторичную обмотку замкнем, по ней пойдет определенный ток и ток в первичной обмотке "автоматически" возрастет. Оба тока, на основании законов электромагнитной индукции, будут итти в противоположные стороны, поэтому увеличение первичного тока следует себе представлять за счет размагничивающего действия вторичного тока. При полной нагрузке у хорошего трансформатора
| J2 ≈ | v1 | · J1. |
| v2 |
Для изготовления сердечника следует всегда стремиться брать хорошее специальное железо и обязательно из тонких (0,5—0,3 мм.) листов, изолированных друг от друга папиросной бумагой. Подробные указания об изготовлении сердечника имеются в № 4 журнала "Радиолюбитель" за 1925 г. Следует лишь еще указать, что для трансформаторов, начиная с 20—30 ватт, нет необходимости резать железо в Г-образную форму, а вполне можно ограничиться составлением сердечника из прямых полосок (рис. 4), собирая их также в перекрышку.
Обмотка трансформатора производится предварительно на картонных гильзах, проклеенных шеллаком, которые при сборке одеваются на стержни сердечника.
Заданием для расчета трансформатора является: вторичное напряжение Е2, вторичная сила тока J2, на которую будет нагружаться трансформатор, и первичное напряжение Е1. Мощность трансформатора определяется произведением [Е2·J2] вольт-ампер.
Кроме того, необходимо задаться некоторыми величинами в зависимости от свойств употребляемых материалов — железа и меди. Этими основными величинами являются: 1) магнитная индукция "B", т.-е. число силовых линий, приходящихся на 1 кв. см. сечения железного сердечника и 2) плотность тока в амперах на 1 кв. мм сечения медного провода.
Так как на выбор этих величин влияет очень много факторов, поэтому, не вдаваясь в подробные рассуждения, ниже приводится в окончательном виде ряд формул и график, по которым можно рассчитать трансформатор для 50 пер/сек тока, встречающийся в практике радиолюбителя, мощностью в пределах до 5000 вольт-ампер.
Этп указания относятся к случаю стержневого типа трансформатора (см. рис. 3-А) с цилиндрическими катушками. Первичная обмотка находится внутри вторичной. Материал для сердечника предполагается обычное кровельное 6-фунтовое железо.
Расчет ведется следующим порядком. Определив полезную мощность трансформатора
| W2 = E2 J2 | вольт-ампер | ......... | 1. |
находим по графике рис. 6 величину WII.
Далее определяются размеры сердечника (рис. 5).
Поперечное сечение
| Q = 1,15 √ W2 | кв. см. 2) | ......... | 2. | ||
| a1 = √ Q | см.; | a2 = 1,1 √ Q | см | ......... | 3. |
| l1 = 2,68 √ Q | или | l1 = 2,88 4√ W; | l2 ≈ a | ......... | 4. |
Для определения числа витков предварительно надо найти следующие величины:
1) падение напряжения во 2-ой обмотке:
| e2 = 0,175 | WII¾ | вольт....... 5 |
| J2 |
2) то же в 1-ой обмотке:
| e1 = | E1 | вольт....... 5' |
| 7,25 WII¾ + 4,15 |
Теперь легко определить число витков:
| v1 = 75 | E1 | ........ 6 | |
| Q | |||
| v2 = 75 | EII | ||
| Q |
В этих формулах величины E1 и EII, называемые электродвижущими силами, соответственно равны:
| E1 = E1 — e1 | ........ 6' |
| EII = E2 + e2 |
Отношение EII к E1, называемое коэффициентом трансформации, как нетрудно видеть из уравнения 6-го, равно отношению соответственных витков, т.-е.
| K = | EII | = | v2 |
| E1 | v1 |
У повышающего трансформатора K > 1, а у понижающего, наоборот, K < 1.
Сила тока, потребляемая первичной обмоткой:
| J1 = | W2 + 0,573 WII¾ | ..... 5'' a |
| E1 |
или приблизительно (верно до 200 вольт-ампер)
| J1 = 1,16 | W2 | ..... 5'' b |
| E1 |
Для определения диаметра проводов (без изоляции) служат следующие формулы:
| в первичной обмотке d1 = 0,8 √ J1 | ........ 7 |
| во вторичной обмотке d2 = 0,8 √ J2 |
Проводник рекомендуется брать марки ПБД или для очень малых диаметров (меньше 0,2 мм) — ПШД и ПШО. Если диаметр провода получается более 5 мм, то в целях упрощения работы по намотке полезно заменить круглый провод лентой; сечение ее определяется соотношением 7'
| q1 = | J1 | ........ 7' | |
| 2 | |||
| q2 = | J2 | ||
| 2 |
Толщина стенок гильз берется в зависимости от напряжений, действующих в обмотках трансформатора, и от величины (мощности) трансформатора; чем оба фактора больше, тем толще и гильзы.
Предполагая, что гильзы будут сделаны из прессшпана или прошеллаченной бумаги, можно указать следующие примерные данные (см. рис. 5):
| f1 = 0,5—1,0 мм | в зависимости от величины трансформатора. Если E2 > 1000 вольт, то f1 следует увеличивать по 0,7 мм на каждую тысячу вольт. |
|
| f2 = 1—3 мм | Свыше 1000 вольт увеличивать по 2 мм на каждую 1000 вольт. | |
| f3 = 0,5—1,0 мм | Аналогично f1 | принимать во внимание E2 |
| f4= 1—3 мм | Аналогично f2 | |
| f5 = 1 мм | Разделение на секции делается при напряжении в обмотке более 1000 вольт; число секций следует выбирать так, чтобы на каждую секцию приходилось не более 500 вольт. | |
| f6 = 2 мм | Свыше 1000 вольт по 2 мм на каждую следующую 1000 вольт при воздушном зазоре и по 1,5 мм при прокладке из прессшпана. | |
Если приходится строить трансформатор с напряжением более 5000 вольт, то полезно его помещать в деревянный или другой футляр и заливать парафином. По этой же причине иногда между слоев следует класть изоляцию в виде папиросной бумаги и др.
Иногда требуется заранее знать, хотя бы приблизительно, вес железа медного провода, требующегося для данного трансформатора; это можно определить по формуле 8:
| вес железа Рж = 0,082 WII¾ kgr | ........ 8 |
| вес меди Рм = 0,04 WII¾ kgr |
Для облегчения вычислительной работы на рис. 8 приведены графики, позволяющие без знания алгебры извлекать корни 2-й ст. и возводить числа в степень ¾, что приходится делать с величиной WII в приведенных выше формулах.
Здесь не дастся описание устройства деталей трансформаторов, как-то: зажимов, способов скрепления сердечника и т. д.
Из приведенных на рис. 9 фотографий этот вопрос нетрудно разрешить самостоятельно.
Пример. Пусть требуется рассчитать трансформатор для выпрямителя, устроенного по "параллельной" 3) схеме указанной на рис. 7. При этом дано: напряжение выпрямленного тока EM = 1000 вольт, сила выпрямленного тока IM = 0,1 амп., напряжение питающей сети E1 = 120 вольт, падение напряжения в кенотронах e = 100 вольт.
По формулам:
| E2 = 2,22 (EM + e) | ......... | 9 |
| J2 = 0,786 IM | ......... | 9' |
Находим:
По форм. 1.
По графике рис. 6 WII = 201,4 вольт-амп.
Определяем размеры сердечника по форм. 2, 3 и 4, определив предварительно:
Ток в первичной обмотке при полной нагрузке по ф. 5".
| J1 = | 192 + 0,573 · 53,5 | = | 222,7 | = 1,85 амп. | 5) |
| 120 | 120 |
Падения напряжения форм. 5 и 5':
| e2 = 0,175 | 53,5 | ≈ 120 вольт |
| 0,079 |
| e1 = | 120 | = 3,8 вольт |
| 7,25 · 3,77 + 4,15 |
Эл. движущей силы форм. 6’:
Число витков по формуле 6:
| v1= 75 | 116 | = 534 витка |
| 16,3 |
| v2 = 75 | 2560 | ≈ 11800 витков. |
| 16,3 |
По формуле 7 определяем диаметр проводов:
В действительности, при нагрузке этого трансформатора на данный выпрямитель, первичный ток будет не 1,85 амп., а 1,85 : √ 2 = 1,32 амп. 6), поэтому можно взять:
Назначая толщину изоляции в гильзах согласно указаний, приведенных выше, имеем:
f1 = 1 мм ; f2 = 2 мм; f3 = 2 мм; f4 = 4 мм; f5 = 1 мм; f6 ≥ 5 мм.
Этим расчет трансформатора закончен.
В заключение следует рекомендовать следующий порядок изготовления трансформатора: вначале изготавливаются гильзы и обматываются проводом, после этого нарезают железо. Таким образом можно проверить достаточность величины "l2".
1) Трансформатор в этих условиях представляет дроссель. — Авт.
(стр. 413.)
2) √ WII — то же самое, что WII½ и находится из графики рис. 8.
(стр. 414.)
3) Подробные схемы с описанием их для выпрямителей разного рода предполагается дать в следующих статьях. — Авт.
(стр. 414.)
4) WII½ и WII¾ находятся из график рис. 8. Значение WII¼ получим при делении WII¾ на WII½, т. к.
5) Это не значит, что мощность потребляемая равна E1 · J1 = 120 · 1,85 = 222 ватта. См. подробно следующие статьи о выпрямителях.
(стр. 415.)
6) См. ссылку 5.
(стр. 415.)
(стр. 415.)
WII¼ =
WII¾
WII½