8 804 333-65-64Бесплатный звонок по всей России
+7 (4872) 24-13-62
+7 (499) 705-13-98

Основные параметры трансформаторов малой мощности.

21.11.2012

В соответствии с ГОСТ 19294-84 (СТ СЭВ 4133-83) к трансформаторам малой мощности относятся трансформаторымощностью до 5 кВА, питающиеся от сети переменного тока частотой 50 или 60 Гц с номинальным напряжением до 1000 В. Такие трансформаторы широко используются для питания узлов радиоэлектронной аппаратуры различного назначения. За последние десять лет производство трансформаторов малой мощности, продолжая развиваться на созданных в советское время предприятиях, было также освоено и на вновь созданных малых предприятиях. При этом значительно увеличилась гибкость в работе с потребителями трансформаторов, поскольку появилась возможность изготовления изделий по техническому заданию заказчика. Такой возможности не было ранее, и проектировщик аппаратуры вынужден был довольствоваться неким стандартным рядом трансформаторов, приведенным в справочниках. Хотя этот ряд и был достаточно обширен, но он не мог охватить весь спектр потребностей, что вынуждало разработчика использовать трансформаторы с избыточным запасом по мощности и другим параметрам. В настоящее время многие предприятия рассчитывают и изготавливают трансформаторы с характеристиками, необходимыми заказчику.

Для грамотного формулирования технического задания на разработку и производство трансформатора проектировщик должен четко представлять основные параметры трансформаторов, о которых и пойдет речь ниже.

Номинальная мощность трансформатора должна выбираться из следующего ряда (в кВА): 0,010, 0,016, 0,025, 0,040, 0,063, 0,100, 0,160, 0,250, 0,400, 0,630, 1,000, 1,600, 2,500, 4,000. Допускаются также следующие промежуточные значения мощностей (в кВА): 0,012, 0,020, 0,032, 0,050, 0,080, 0,125, 0,200, 0,315, 0,500, 0,800, 1,250, 2,000, 3,150, 5,000. При выборе номинальной мощности трансформатора разработчик должен помнить, что этот параметр находится путем деления суммарной мощности всех вторичных обмоток на коэффициент полезного действия трансформатора. Полученное значение округляется в большую сторону до ближайшего значения из рекомендуемого ряда мощностей.

Коэффициент полезного действия зависит от мощности потерь в стали и меди и для трансформаторов мощностью 0,010 кВА примерно составляет 75…85%, а для трансформаторов мощностью 5 кВА - 96…98%.

Номинальные напряжения обмоток должны выбираться в соответствии с государственными стандартами. Например, ГОСТ 21128-83 устанавливает следующий ряда напряжений в вольтах: 6; 12; 28,5; 42; 115; 230; указанные напряжения могут иметь отклонения в большую или меньшую стороны на 0,5; 1; 2; 3; 5; 10; 15 %. Как правило, производители идут навстречу заказчику и при необходимости изготавливают трансформаторы с напряжениями, отличающимися от гостированного ряда. Номинальные напряжения вторичных обмоток указываются при нагрузке, то есть при номинальных токах обмоток при установившейся температуре.

Напряжение короткого замыкания представляет собой напряжение на первичной обмотке при замкнутых выводах вторичной обмотки и протекании номинального тока во вторичной обмотке. Как правило, этот параметр указывают в процентах от номинального напряжения первичной обмотки и обозначают символами DUкз. Для трансформаторов мощностью 0,010 кВА этот параметр составляет 15…20%, для трансформаторов мощностью 5 кВА - 1,5…2,5%.

Напряжение короткого замыкания показывает величину относительного превышения напряжения на вторичной обмотке на холостом ходу по сравнению с напряжением полностью нагруженной обмотки. Указанный параметр определяется величиной падения напряжения на омическом сопротивлении (то есть сопротивлении постоянному току) первичной и вторичных обмоток трансформатора при номинальной нагрузке.

Напряжения холостого хода вторичных обмоток - это значения напряжений при номинальном напряжении первичной обмотки ненагруженного трансформатора. Эти напряжения превышают номинальные напряжения на величину напряжения короткого замыкания. Обычно этот параметр производитель не указывает в паспорте на трансформатор, но во избежание недоразумений покупатель трансформатора должен себе четко представлять, что при отсутствии нагрузки напряжения вторичных обмоток всегда несколько больше их номинальных значений.

Ток холостого хода - это ток первичной обмотки ненагруженного трансформатора при номинальном напряжении. Ток холостого хода состоит из двух составляющих: активной и реактивной. Активная составляющая определяется потерями в стали на вихревые токи, реактивная - магнитным потоком рассеяния. Величина тока холостого хода может лежать в диапазоне от 1 мА (для трансформаторов мощностью 0,010 кВА) до 1 А (для трансформаторов мощностью 5 кВА). Наименьшие значения этого параметра имеют тороидальные трансформаторы, у которых реактивная составляющая тока в несколько раз меньше активной и ею можно пренебречь. Так, для трансформаторов мощностью 5 кВА значение тока холостого хода не превышает 200 мА.

Ток переходного процесса включения (пусковой ток) - это максимальное (импульсное) значение тока, которое может протекать через первичную обмотку трансформатора в момент подключения трансформатора к питающей сети. Этот параметр ГОСТом не нормируется и о нем крайне редко упоминается в литературе по трансформаторам. Тем не менее, для разработчика аппаратуры знание этого параметра имеет большое значение. Величина пускового тока может в десятки раз превышать величину номинального тока и для трансформатора мощностью 5 кВА может достигать 2000…3000 А. Величина пускового тока для мощных трансформаторов зависит от мгновенного значения напряжения в момент включения, омического сопротивления первичной обмотки (оно может составлять менее 0,1 Ом) и внутреннего сопротивления питающей сети (зачастую оно превышает сопротивление первичной обмотки). Разработчик должен предусматривать меры для ограничения пускового тока трансформатора соответствующими схемотехническими решениями. Можно рекомендовать следующие меры: включение последовательно с первичной обмоткой ограничительного резистора, замыкаемого через 0,1…0,2 с контактами реле; включение последовательно с первичной обмоткой терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления; включение и выключение трансформатора в определенной фазе питающего напряжения (например, при переходе напряжения через максимум своего значения). Если же применение схемотехнических решений затруднительно или экономически неоправданно, следует использовать автоматические выключатели с большим запасом по току. Рекомендуется применять автоматы защиты с характеристиками отключения «D» (стандарт IEC/МЭК 898) и «К» (стандарт ДИН ВДЕ 0660). Автоматы с такими характеристиками разработаны специально для активно-индуктивной нагрузки (электродвигатели, трансформаторы), характеризующейся высокой кратностью номинального значения тока (то есть отношением пускового тока к номинальному значению). Для автоматов с характеристикой «D» кратность равна около 15, а для автоматов с характеристикой «К» - около 10. В любом случае проблема пускового тока - это проблема разработчика аппаратуры, а не производителя трансформаторов, поскольку производитель трансформаторов на величину этого параметра никак повлиять не может.

Превышение температуры (температура перегрева) - это разница между температурой трансформатора и температурой окружающей среды (обычно принимается 25°С) при работе трансформатора на номинальную нагрузку. При этом температура трансформатора равна сумме температур перегрева и окружающей среды. Как правило, производитель трансформаторов определяет в технических условиях (ТУ) допустимую температуру перегрева 50…60°С, а предельную температуру окружающей среды - 55°С. Предельная температура трансформатора определяется классом нагревостойкости по ГОСТ 8865- 70: А - 105°С, Е - 120°С, В - 130°С, F - 155°С. Большинство трансформаторов широкого применения имеет класс В. Следует заметить, что температура перегрева определяется в условиях свободной конвекции воздуха вокруг трансформатора, при этом трансформатор не должен быть установлен в корпусе. Проектировщик, разрабатывая изделие, должен учитывать иные источники тепла, имеющиеся в одном корпусе с трансформатором, и если температура трансформатора может превысить предельное значение, принять меры к принудительному отводу тепла (например, путем использования вентилятора). Необходимо также помнить, что номинальные напряжения вторичных обмоток трансформатора указываются для установившегося значения температуры перегрева: если температура трансформатора равна 25°С (так называемое холодное состояние трансформатора), то номинальные напряжения вторичных обмоток примерно на 20 % больше, чем при увеличении температуры трансформатора на 50°С.

Испытательное напряжение рабочей частоты. Этот параметр характеризует электрическую прочность трансформатора, то есть способность без пробоя выдерживать напряжение указанной в ТУ величины. Как правило, производитель обычно нормирует испытательное напряжение между выводами первичной и вторичной обмоток (типовое значение параметра - 3500 В) и между выводами обмоток и токопроводящими частями устройства (типовое значение параметра - 1750 В).

Конструктивные признаки определяются в основном конфигурацией и конструкцией магнитопровода. Конструктивно магнитопроводы трансформаторов подразделяются на броневые, стержневые и тороидальные. Напомним, что магнитопровод броневого трансформатора имеет Ш-образную форму, все обмотки располагаются на среднем стержне, то есть частично охватываются магнитопроводом (бронируются). Магнитопровод стержневого трансформатора выполняется П-образным и имеет два стержня с обмотками. Магнитопровод тороидального трансформатора имеет форму тороида, то есть кольца с прямоугольным сечением. Броневые и стержневые сердеч- ники выполняются шихтованными (из отдельных пластин трансформаторной стали) или витыми ленточными. Тороидальные сердечники изготавливаются только витыми.

Остановимся подробнее на тороидальных трансформаторах, как имеющих ряд существенных преимуществ перед броневыми и стержневыми.

В России тороидальные трансформаторы получили широкое распространение начиная с 60-х годов прошлого века в отечественной оборонной промышленности. Это было связано с необходимостью снижения массогабаритных показателей изделий и уменьшения полей рассеяния в условиях высокой плотности монтажа аппаратуры. В изделиях гражданского назначения тороидальные трансформаторы не полу чили в прошлом веке широкого применения из-за их более высокой стоимости по сравнению с трансформаторами рядовой намотки. Причина лежит в относительной сложности намотки провода на замкнутый магнитопровод. Однако создание станочного оборудования для намотки на тороид и микропроцессорных систем управления станками позволяет в настоящее время трансформаторам данного типа успешно конкурировать по критерию стоимости по сравнению с броневыми и стержневыми трансформаторами.

В тороидальном трансформаторе, как известно, обмотки равномерно распределены по всей длине магнитопровода. Это приводит к снижению массы медного провода и резкому уменьшению полей рассеяния. Круглая форма магнитопровода позволяет снизить его массу при той же габаритной мощности, что для трансформаторов с прямоугольной формой магнитопровода. Расчеты, подтвержденные практикой, позволяют говорить о следующих преимуществах тороидальных трансформаторов перед трансформаторами других типов:

Учет изложенных в статье требований и рекомендаций позволит разработчику аппаратуры правильно подойти к выбору и заказу трансформаторов питания.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 19294-84 (СТ СЭВ 4133-83). Трансформаторы малой мощности общего назначения. Общие технические условия.

2. ГОСТ 21128-83. Системы электроснабжения, сети, источники, преобразователи и приемники электрической энергии. Номинальные напряжения до 1000 В.

3. Каретникова Е.И., Рычина Т.А., Ермаков А.И. Трансформаторы питания и дроссели фильтров для радиоэлектронной аппаратуры. М.: Советское радио, 1973. 180 с.

4. Сидоров И.Н., Скорняков С.В. Трансформаторы бытовой радиоэлектронной аппаратуры: Справочник. - М.: Радио и связь, 1994. 320 с.

5. Котенев С.В., Евсеев А.Н. Расчет теплового режима для трансформатора тороидального типа // Практическая силовая электроника, 2003, ‹10, С. 21-25.