а также для дросселей чаще всего применяют провода с эмалевой изоля-Щ1ей марок ПЭЛ и ПЭВ. Провод марки ПЭЛ более дешевый, чем ПЭВ, однако у его изоляции худшее сцепление с металлом. Кроме того, ПЭЛ допускает эксплуатацию при температуре до 105°С, а ПЭВ - до 125°С. Поэтому в ответственной аппаратуре, работающей в сложных климатических условиях, применяют провод ПЭВ.

Провод марки ПЭВ выпускают двух типов: ПЭВ-1 - с однослойной изоляцией и ПЭВ-2 - с двухслойной. Провод ПЭВ-1 применяют при напряжениях меньше 500 В, а ПЭВ-2 - при напряжениях больше 500 В' (ПЭТВ-2 используют и при более низких напряжениях, когда хотят обеспечить более надежную работу трансформатора). При более высоких температурах можно использовать провод ПЭТВ (теплостойкость 155°Q.

Обмоточные провода (см. приложение 4) изготовляют диаметром от 0,03 мм, однако следует избегать применения проводов диаметром меньше 0,06 мм, так как они имеют небольшую механическую прочность и более подвержены окислению и электрохимической коррозии.

Типы обмоток. Укладка провода на катушку осуществляется двумя способами: беспорядочно (внавал) и правильными рядами, виток к витку (рядовая намотка). В последнем случае между рядами намотки часто укладывают изоляционные прокладки.

Важной характеристикой обмотки является коэффициент заполнения к который показывает, какая часть площади окна магнитопровода занята медью (для трансформаторов к^ =0,2-=-0,3).

Обмотка внавал дает лучший коэффициент заполнения, однако применяется редко, так как при хаотическом расположении витков возможно появление больших напряжений между соседними витками, что ведет к пробою изоляции провода и коротким замыканиям.

В ответственной аппаратуре применяют рядовую обмотку. При использовании гильзы обмотка не должна доходить до края, так как в противном случае возможно спадание провода и замыкание его на магнитопровод. Для низкочастотных и силовых трансформаторов на рабочие напряжения до 500 В ширину концевой изоляции h (см. рис. 8.6, в) делают 1,5-2,5 мм. Кроме того, у каждой последующей обмотки ширину желательно уменьшать по отношению к предыдущей на 0,5-1 мм, так как это снижает опасность сползания крайних витков.

При использовании каркасов со щечками ширина обмотки может быть равна расстоянию между щечками ha прокладки должны иметь ширину больше, чем К. По краям прокладок делают просечки (см. рис. 8.6, б). Такие прокладки предохраняют ближайшие к щечкам витки от проваливания в предьщущие ряды, что устраняет опасность пробоя между витками.

Для прокладок применяют конденсаторную, намоточную или кабельную бумагу. Толщина бумаги тем больше, чем больше диаметр провода. Снаружи обмотку обертывают несколькими слоями кабельной бумаги.

Определение размеров катушки и проверка возможности ее размещения ия.ма ит©р| авде. Шт известны размеры магнитопровода, размеры

каркаса, диаметры проводо1в в изоляции и число витков обмоток, то можно рассчитать размещение обмоток.

1. Определим длину обмотки: для каркаса со щечками h равна расстоянию между щечками; при использовании гильзы

= li, - 2h 3 . (8.2)

2. Число витков в слое для каждой обмотки

W, =hj (й„з ку), (8.3)

где - диаметр провода в изоляции для рассчитываемой обмотки, ку - коэффициент, учитывающий неплотность укладки провода (ку =

= 1,15--1,04).

3. Число слоев каждой обмотки

Пе = wfWc , (8.4)

где W - число витков рассчитываемой обмотки.

Полученное, значение округляют до ближайшего большего целого числа.

4. Радиальная толщина каждой обмотки

а = Исй'из + (Ис - 1) Ар , (8.5)

где Ар - толщина междурядной изоляции для рассчитываемой обмотки.

5. Полная радиальная толщина обмотки

ао =Аз Ч-А,-l-l,l(i:a-l-EA -1-А„), (8.6)

где Аз - зазор между каркасом и магнитопроводом; А^ - толщина стенки каркаса; X а - сумма радиальных толщин всех обмоток; Е Ам - сумма толщин междуобмоточной изоляции; А„ - толщина наружной изоляции.

Коэффициент 1,1 в формуле (8.6) учитывает разбухание катушки при намотке. Значение ао, рассчитанное по формуле (8.6), должно бьггь меньше, чем ширина окна выбранного магнитопровода.

Расчет сопротивления обмотки. Сопротивление провода обмотки находим по формуле

г = р^, (8.7)

где р - удельное сопротивление провода (для меди р = 0,0175 (Ом мм)/м; / - длина провода обмотки, м; d -диаметр провода, мм. Длину провода обмотки рассчитываем по формуле

/ = w/ . (8.8)

Здесь w - число витков обмотки; - федняя длина витка, мм.

Для точного определения длины провода необходимо знать среднюю длину витка каждой обмотки. Однако достаточная для практики точность достигается при подстановке в формулу (8.8) средней длины витка всех обмоток / , значения которой для каждого типоразмера сердечника приведены в справочниках.

При этом рас-считакное по фор;у!>ле (8.7) сопротйЕление для нгокпит;

ч

>

Рис. 8.7. Крепление броневого ленточного сердечника:

1 - сердечник; 2 - катушка; 3 - лента; 4 - скоба

обмоток (расположенных ближе к магнитопроводу) на 10-15% больше, а для наружных - на 10-15% меньше истинного.

Крепление элементов конструкции. После сборки катушки с магнитопроводом необходимо закрепить его отдельные части, чтобы при последующих технологических операциях и эксплуатации не происходило их взаимное перемещение. В противном случае из-за появления или изменения зазора будет меняться магнитная проницаемость, что у силовых трансформаторов приведет к увеличению тока холостого хода, а у низкочастотных-к изменению индуктивности первичной обмотки. Если магнитопровод состоит из ленточных С-образных сердечников, то их жесткое крепление может быть выполнено, как показано на рис. 8.7.

Если магнитопровод состоит из штампованных пластин, то для его крепления можно применять стальные накладки, которые присоединяют к магнктопроводу с двух сторон сквозными шпильками (рис. 8.8, а). Эти же накладки *служат для крепления трансформатора в аппарате. Для дешевых трансформаторов, используемых в неответственной аппаратуре, применяют обжимку магнитопровода в металлической скобе, как показано на рис. 8.8, б.

Герметизация трансформаторов. При эксплуатации ряда категорий аппаратуры трансформаторы и дроссели работают в воздухе с повышенной влажностью, что может вызвать преждевременный пробой изоляции из-за ухудшения изоляционных свойств материалов. Кроме того, из-за постоянного воздействия влаги интенсивно протекают процессы электрохимической коррозии проводов, в результате чего может произойти их полное разрушение.

Для защиты трансформаторов и дросселей от действия влаги применяют пропитку катушки изоляционными лаками и компаундами. В результате пропитки происходит уменьшение температуры нагрева провода, так как пропиточный материал заполняет воздушные промежутки между витками катушки, что улучшает ее теплопроводность и способствует более интенсив-

Рис. 8.8. Крепление сердечника из штампованных пластин:

о - шпильками; б - обжимной скобой; I - угольники; 2 - магнитопровод; 3 - катушка; 4 - винт; 5 - скоба

ному отводу теплоты к поверхности трансформатора. Однако лаки и компаунды, применяемые для пропитки, не должны разрушать изоляцию проводов. Чтобы пропиточный материал хорошо заполнял самые малые отверстия, он должен обладать хорошей проникающей способностью.

На практике применяют большое количество пропиточных материалов, например лак АФ17 (на основе алкидно-фенольной смолы), лак 100АСФ (на основе алкидно-стирольной, глифталевой и фенолсилико-новой смол), компа.унд Д1 на эпоксидной основе и др. Тонкая пленка лака, образующаяся при высыхании, не способна надежно защищать катушку от длительного воздействия повышенной влажности.

Трансформаторы и дроссели, которые предназначены для работы в жестких климатических условиях, после сборки дополнительно покрывают влагозащитным слоем эмали толщиной от нескольких десятых до единщ миллиметров. Материалы, применяемые для такой поверхностной защиты, должны создавать монолитный слой, обладающий хорошей влагозащитой, а также должны иметь надежное сцепление с катушкой и магнитопроводом. При воздействии повышенной температуры эти материалы не должны разрушаться. Широко применяются для поверхностной защиты трансформатор эмали на основе эпоксидных смол с наполнителями (например, ОЭП 4171).

§ 8.5. ОСНОВНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ПАРАМЕТРОВ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Схема простейшего двухобмоточного трансформатора изображена на рис. 8.9. Обмотка 1 предназначена для подключения к источнику энергии и называется первичной. К обмотке подключается нагрузка, ее называют вторичной обмоткой.

Режим работы трансформатора, при котором первичная обмотка подключена к источнику энергии, а вторичная разомкнута (нагрузка не подключена), называют режимом холостого хода. При этом режиме через первичную обмотку проходит ток /о, создающий в сердечнике магнитный поток Фо.

Ток холостого хода /о состоит из: а) реактивной составляющей /ор, значение которой определяется напряжением сети Ui и индуктивным сопротивлением первичной обмотки х^ = (uLi,

б) активной составляющей /оа, значение которой зависит от потерь

в сердечнике магнитопровода на вихревые токи и перемагничивание. Ток холостого хода

/о = Voa + /ор (8.9)

Магнитный поток Фо, замыкаясь через магнитопровод, пронизывает первичную и вторичную обмотки, в результате чего в них индуктируются э.д.с:

El = 4,44fmScBm 10 ;

Ez = 4,44fw2ScBm 10 , трансформатора

(8.10) Риа 8.9. Схема двухобмоточного

где El и Е2 - значения индуктированных напряжений. В;/-частота подведенного к первичной обмотке напряжения, Гц; wi и wz - число витков первичной и вторичной обмоток; В„, - амплитуда индукции в сердечнике, Тл; - поперечное сечение магнитопровода, см.

Если к вторичной обмотке подключить нагрузку R , то через обмотку пойдет ток /2 и появится поток Фг, направленный навстречу потоку Фо и ослабляющий его. При этом должна уменьшиться э.д.с. Ej, направленная навстречу приложенному напряжению Ui. В результате ток, проходящий через первичную обмотку, увеличится до значения Jj, а поток -до такого значения Ф], при котором разность Ф1-Фг будет незначительно меньше Фо.

Магнитный поток в магнитопроводе и индукция в режиме холостого хода несколько больше, чем при работе под нагрузкой. Указанное различие получается потому, что при работе под нагрузкой увеличивается падение напряжения на обмотках, что приводит к уменьшению магнитного потока и индукции.

Индукция при работе трансформатора в режиме холостого хода может быть найдена по формуле

Воп, = В„,{1+Аиг/Ш), (8.11)

где В„ -амплитудное значение индукции при работе трансформатора под нагрузкой; Atli - падение напряжения на первичной обмотке трансформатора, выраженное в процентах.

Напряжение, подводимое к первичной обмотке и снимаемое с нагруженной вторичной обмотки, отличается от наведенных в них э.д.с. на значение падения напряжения на обмотках. Падение напряжения в ряде случаев можно не учитывать, тогда

1/, £, = 4,44fwiScB -10-;

[/2 = £2 = 4,44/-W25,5 10- -

Из этой формулы следует, что

[/,/[/2 Wl/W2 = и. (8.13)

Было указано, что реактивная составляющая тока первичной обмотки зависит от напряжения сети и индуктивного сопротивления первичной обмотки. Индуктивность катушки с ферромагнитным сердечником, у которой практически весь поток замыкается через сердечник, может быть найдена по формуле

где L1 - индуктивность первичной обмотки, Гн; р - магнитная проницаемость сердечника; W] - число витков первичной обмотки; Sc - площадь поперечного сечения сердечника, см; - средняя длина магнитной силовой линии, см.

Реактивный ток первичной обмотки

и. и. 104

Р С0Л1 271/- 1,256цwfc -

Подставив в эту формулу значение Ui из формулы (8.12), имеем

где к - числовой коэффициент, получающийся в результате подстановки уравнения (8.12) в (8.15).

Магнитная проницаемость материала

(8.17)

поэтому kB fii также является функцией индукции:

feB /H = V(5 ). (8.18)

Подставляя выражение из формуль] (8.18) в формулу (8.16), получаем

/.pw, c = Ф (5 ), (8.19)

где /pW]/4-напряженность магнитного поля, необходимая для создания в сердечниках индукции В^, выраженная в ампервитках на сантиметр.

Зависимость aw от В^ Для различных материалов и размеров сердечника можно найти в справочниках.

Если по этим зависимостям найдено значение aw, то реактивную составляющую тока первичной обмотки можно вычислить по формуле

/р = awljwi , (8.20)

где 4 следует выражать в сантиметрах, тогда /р получится в амперах.

Если в формулу (8.20) подставить значение напряженности магнитного поля, найденное при индукции Вот холостого хода, то получим реактивную составляющую тока /ор первичной обмотки при работе трансформатора без нагрузки.

Соответственно, если использовать в качестве исходной индукции Вт, то получим реактивную составляющую тока /р трансформатора под нагрузкой.

В § 8.3 было показано, что удельные потери в стали Р^д зависят от значения индукции В^. Если известна масса магнитопровода, то может быть найдено значение активных потерь в стали магнитопровода:

Рс = Рс.удСс. (8.21)

Подставив в эту формулу значение Рс.уд , соответствующее В^ или Воп, получим значения потерь в стали при работе трансформатора под нагрузкой и при холостом ходе.

Активная составляющая тока холостого хода

/оа =Pc/C/i (8.22)

В эту формулу следует подставить Рс, найденное по формуле (8.21), при индукции Вот- Полное значение тока холостого хода можно найти по формуле (8.9).

При прохождении тока по обмоткам трансформатора часть подведенной к нему мощности рассеивается в виде теплоты в проводе обмоток. Если известно сопротивление обмотки, то рассеиваемая в ней мощность может быть определена по формуле

Рм =/р п , (8.23)

где /- ток, проходящий через обмотку. А; / - длина провода обмотки, м; s -поперечное сечение провода обмотки, мм; р - удельное сопротивление провода, (Ом мм)/м.

Числитель и знаменатель формулы (8.23) умножим на Ум (ум - плотность материала провода). Учтем, что плотность тока

J = 5 , (8.24)

масса меди обмотки

G = /5 у„. (8.25) После несложных преобразований получаем

P = -JG. (8.26)

При работе трансформатора провод может быть нагрет до температуры порядка 100°С, что сказывается на его удельном сопротивлении р. Поэтому формула (8.26) для трансформатора, имеющего обмотки из медного провода, может быть записана в следующем виде:

P 2,6/G , (8.27)

где Р„-потери в^ меди обмотки, Вт; J - плотность тока, Al Gi, - масса меди обмотки, кг.

Если известно падение напряжения At/ на обмотке, то потери в меди следует определять по формуле

Р„ = /ди. (8.28)

Полный ток первичной обмотки при работе вторичной на нагрузку также может быть представлен в виде двух составляющих - активной и реактивной:

/1 = у/Ри +IT. (8.29)

Реактивную составляющую /р можно найти по формуле (8.20). Активная составляющая тока первичной обмотки слагается из двух частей: определяемой токами вторичных обмоток, и Ги, возникающей за счет потерь в меди и стали:

/la = /5а + /Ia ; (8.30)

/la=/2-+/3-g- + ... -H/ -g, (8.31)

где /г, /з,/ - токи вторичных обмоток; С/2, С^з, ... U -напряжения вторичных обмоток;

/i, Jo+P + - +P - - (8.32)

где - потери в стали при работе трансформатора под нагрузкой [см. формулу (8.28)].

Значение Р„ может быть найдено по одной из приведенных формул.

§ 8.6. РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРОВ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Связь между основными электрическими характеристиками и размерами магинтопров да. Рассмотрим, от каких факторов зависят размеры магнитопровода трансформатора. Сначала это сделаем для сердечника, имеющего одну (первичную) обмотку.

Из формулы (8.14) следует, что между размерами трансформатора и индуктивностью его обмотки L существует определенная взаимосвязь: при заданной магнитной проницаемости р, для того чтобы получить большое значение L, следует применить сердечник с большим значением или с большой площадью окна so, что позволит разместить на сердечнике обмотку с большим числом витков w. Таким образом, чем больше L , тем больше должны быть размеры сердечника.

Рассмотрим, как связаны размеры сердечника с сопротивлением обмотки г:

Здесь / - длина провода обмотки трансформатора; / - средняя длина витка; w - число витков; s - площадь поперечного сечения проводника; р - удельное сопротивление провода обмотки.

После умножения числителя и знаменателя формулы (8.33) на w получим

= Р- = Р^ -.(8.34)

где s = s w - суммарное сечение меди обмотки.

Значение Sm должно быть меньше, чем площадь окна магнитопро- вода So, так как часть площади окна занимают каркас катушки, изоляция проводов, а также междуслойная, междуобмоточная и наружная изоляции.

Обозначим s /so = (коэффициент заполнения окна медью). Тогда

= Р^- (8.35)

Чтобы получить катушку с малым сопротивлением при неизменной индуктивности, необходимо увеличить площадь окна $ , что позволит увеличить площадь поперечного сечения провода. Таким образом, чем меньше сопротивление катушки, тем больше должны быть габариты трансформатора.

Из сказанного можно сделать вывод о том, что размеры трансформатора являются функцией отношения L/r; чем больше L/г, тем больше должны быть размеры трансформатора.

Введем обозначение

L/r = т. (8.36)

Размерность т - секунда и поэтому данную величину назьшают постоянной времени трансформатора.

Найдем, от каких факторов зависит значение т. Для этого в формулу (8.36) подставим значения L и г из формул (8.14) и (8.35):

L l,256ti5cw зркк 1,256 Hco ,0

- Г ~ \т,- ~ 10 pc/m -

В радиоаппаратуре используют трансформаторы с обмоткой из медного провода, имеющего объемное удельное сопротивление

р = 1,75 10Омсм .

При использовании рассмотренных изоляционных материалов для маломощных трансформаторов значение коэффициента заполнения окна медью /с„ составляет 0,2-0,3.

Подставляя значение р и /с„ в формулу (8.37), получаем

т (1,432,15) - 10- 4г- (8-38)

Эта формула устанавливает связь между индуктивностью и сопротивлением обмотки трансформатора, с одной стороны, и его габаритами и магнитной проницаемостью примененного материала - с другой.

Из формулы (8.38) следует, что

т/ц = (1,432,15) \0-s,sJUL. (8.39)

Введем обозначение

т/р = А. (8.40)

Величину А, зависящую только от размеров сердечника, называют конструктивной постоянной трансформатора. При расчете трансформатора L иг заданы. Методы выбора марки материала изложены далее. Таким образом, по формуле (8.40) может быть вычислена конструктивная постоянная А.

С помощью формулы (8.39) выбирают такие размеры магнитопровода, при которых можно получить трансформатор с заданными значениями L и г. При этом в большинстве случаев конструктору не приходится самому подбирать значения s, So, 1с, /м, так как в каталогах типовых магнитопроводов для каждого типоразмера приводится значение конструктивной постоянной у1, вычисленное по формуле (8.39). Магнитопровод следует выбирать так, чтобы его конструктивная постоянная была больше или равна значению А, вычисленному по формуле (8.40) (см. приложение 3).

До сих пор рассматривалась зависимость размеров магнитопровода от L и г для трансформатора, имеющего одну обмотку. Если трансформатор имеет несколько обмоток, то в указанные формулы следует подставить

т = т1 + т2 + ... + т„, (8.41)

где

т] =Li/ri; Т2= Lz/rz; т„ = L /г„ .

В частном случае для двухобмоточного трансформатора, включенного в усилитель, работающий в режиме класса А, та = Т]:

T = 2L,/r, . (8.42)

Для двухобмоточного трансформатора включенного в усилитель, работающий в режиме класса В, тг = 0,707 Т]:

т= 1,707L i/ri. (8.43)

Приведенные данные позволяют подобрать размеры сердечника, на котором можно разместить обмотку с заданными значениями L и г. Однако существуют и другие факторы, влияющие на размеры сердечника.

В § 8.3 указывалось, что зависимость между напряженностью поля и индукЩ1ей в материале сердечника не является линейной. Поэтому при прохождении через первичную обмотку тока, изменяющегося по синусоидальному закону, индукция в сердечнике меняется по закону, отличному от синусоидального. В соответствии с формулой (8.10) по такому же (не синусоидальному) закону меняется э.д.с, наведенная во вторичной обмотке. Таким образом, трансформатор вносит нелинейные искажения в трансформируемый сигнал.

Чем больше значение индукции, тем больше нелинейность кривой намагничивания на участке от до В^. Нелинейные искажения тем больше, чем больше максимальная индукция в сердечнике. Если трансформатор работает в такой схеме, где нелинейные искажения оказывают сильное влияние на характеристики схемы, то следует ограничивать индукцию. Данные по рекомендуемым значениям индукции для разных материалов можно найти в [16].

В ряде случаев может оказаться, что при размере магнитопровода, найденном на основании конструктивной постоянной А, невозможно получить требуемое значение индукции. В этом случае приходится брать следующий, больший размер магнитопровода.

Определение магнитной проницаемости сердечника. Для расчета трансформатора низкой частоты необходимо знать магнитную проницаемость сердечника. Как указывалось, магнитная проницаемость зависит от материала сердечника, постоянного и переменного полей, зазора в сердечнике и других факторов.

При определении магнитной проницаемости следует учитывать, что значение одного из основных параметров трансформатора - индуктивности первичной обмотки [см. формулу (8.14)] - должно быть не менее найденного в результате расчета трансформатора. Поэтому в формулу следует подставлять то минимальное значение магнитной проницаемости \i, которое может получиться при любых возможных значениях постоянного и переменного магнитных полей. При иных обстоятельствах магнитная проницаемость может быть только больше, чем принятая при расчете, что приведет к возрастанию индуктивности первичной обмотки и уменьшению частотных искажений усилительного каскада в области низких частот.

В соответствии со сказанным при выборе значения магнитной проницаемости (т для подстановки в расчетные формулы следует руковод-. ствоваться следующими соображениями.

В отсутствие постоянного подмагничивания, если трансформатор в схеме должен работать при сколь угодно малом уровне входного сигнала, при расчете следует ориентироваться на начальную магнитную проницаемость ц„. Если задан минимальньш уровень сигнала, при котором будет работать трансформатор, по формуле (8.12) нужно опреде-