Известно, что сетевой трансформатор­ может стать основной причиной неудовлетворительной работы радиолюбительского аппарата. Во время работы он гудит, создает магнитные наводки, особенно нежела­тельные в звуковоспроизводящей и другой аппаратуре, где имеются уси­лители НЧ с большим коэффициен­том усиления. Опыт показывает, что напряжение наводки часто несинусои­дально  оно содержит богатый спектр частот, кратных основной часто­те 50 Гц. Поэтому установка в ап­паратуру защитных фильтров на эту частоту для борьбы с фоном обычно неэффективна. Мало что дает, да к то­му же и практически трудно выпол­нимо, магнитное экранирование трансформатора, поскольку на столь низкой частоте экранирующая коробка должна иметь значительную толщину стенок.

Так что же  по-прежнему отно­сится к этому, как к неизбежному злу или попытаться найти его корень? Попробуем разобраться в физике происходящих явлений.

При подключении к сети даже ненагруженного трансформатора в его первичной обмотке будет протекать некоторый ток холостого хода Iхх, ко­торый создаст в магнитопроводе  магнитное поле. В соответствии с зако­ном электромагнитной индукции М. Фарадея оно наведет в первичной об­мотке ЭДС самоиндукции Е1, пропор­циональную числу ее ВИТКОВ W1 и ско­рости изменения магнитного потока Ф:

 

Е1=W1           (1)

 

ЭДС  самоиндукции почти равна приложенному к первичной обмотке напряжению сети Uс и компенси­рует его. Если бы не было компен­сации, через обмотку протекал бы очень большой ток, поскольку ее активное сопротивление обычно неве­лико. Магнитный поток Ф  равен произ­ведению магнитной индукции В на пло­щадь S поперечного сечения магнитопровода трансформатора.

 

Ф=В*S                            (2)

 

Магнитная индукция В зависит от магнитной проницаемости µ мате­риала магнптопровода и напряжен­ности поля Н:

 

В= µ µ 0Н.                         (3)

 

а напряженность поля связана с то­ком 1хх в обмотке:

напряженность-поля

 

В последних формулах µ 0 маг­нитная константа, равная 4 π 10 7 Г/м и имеющая смысл магнитной прони­цаемости вакуума, а l — средняя длина магнитной силовой линии в магнитопроводе.

 

Из приведенных формул следует. ЧТ.0 напряжение на первичной обмотке пропорционально скорости изменения магнитной индукции:

 

а ток в обмотке пропорционален напряженности магнитного поля Н. Если напряжение сети синусиодально Uc=E1=Um*cosωt  то синусоидальной должна быть и величина.

 

dB/dt

 

Тогда и магнитная индукция В должна изменяться по синусоидальному закону, но со сдвигом фазы на 900:

 

В = Вм*

 

Этого нельзя сказать об изменении напряженности магнитного поля Н, поскольку зависимость В(Н) для фер­ромагнитных материалов, в том числе и для трансформаторной стали, не­линейна (см. рис.1).

 

явления-гистерезисарис.1

 

Для этой зави­симости характерны явления гистерезиса и насыщения. Явление насыще­ния особенно важное для рассматри­ваемых процессов, состоит в том, что при достижении определенной напряженности магнитного поля Ннас индукция в магнитопроводе практи­чески перестает увеличиваться. Физи­чески это объясняется тем, что при Ннас все микроскопические намагничен­ные области материала магнптопровода (домены) уже повернулись вдоль линий магнитного поля и дальнейшее усиление поля не может увеличить намагниченности. Магнитная прони­цаемость материала при этом умень­шается от нескольких тысяч при слабом поле до единицы в сильном. При Н>Ннас формула (3) приобрета­ет вид:

В=  µ 0*Н                          (5)

 т. е. как при отсутствии магнито­провода!

 

Найдем форму тока в первичной обмотке трансформатора, пользуясь кривой намагничивания (рис. 1). При  большом числе витков обмотки для создания ЭДС самоиндукции Е1. рав­ной напряжению сети Uc, требуется лишь небольшое изменение магнит­ного потока (1), и максимальная индукция Вm в магнитопроводе также невелика (рис. 2 а; для упрощения петля гистерезиса не показана). Напря­женность поля Н, а следовательно, и ток Iхх в первичной обмотке (4) невелики и носят синусоидальный характер. Ток сдвинут по фазе от­носительно напряжения на 900 т. е. является реактивным током.

 

Положение резко изменится, если уменьшится число витков w, первичной обмотки (и соответственно всех ос­тальных). Для создания той же ЭДС самоиндукции Е, требуется уже значи­тельно более глубокое изменение маг­нитного потока, а следовательно, долж­на увеличиться и максимальная ин­дукция Вт в магнитопроводе. как пока­зано па рис. 2, б. Но она прак­тически не может превзойти индукцию насыщения Внас . Магнитная проницае­мость стали на пиках тока спадает до единицы (3), (5), поэтому увели­чение индукции В может происходить лишь за счет значительного увеличе­ния напряженности поля Н, а следо­вательно, тока в первичной обмотке. Ток приобретает характер коротких импульсов с большой амплитудой. Амплитудное значение тока может до­стигать нескольких ампер даже у транс­форматора средней мощности, тогда как эффективное значение тока оста­ется приемлемым

Более того, из-за резкого уменьшения магнитной проницаемости магнитопровода уже не будет в состоянии локализовать внутри себя все магнит­ные силовые линии, и они будут импульсами «выплескиваться» наружу. При этом резко возрастает интенсив­ность поля рассеяния трансформатора. Теперь становится объяснимым и широ­кий частотный спектр напряжения наводок он тем шире, чем короче и круче импульсы тока, иными сло­вами, чем глубже уход в область насыщения материала магнитопровода.

Что же касается гудения и вибрации трансформатора, то они обус­ловлены, главным образом, двумя причинами. Первая — это взаимо­действие между намагниченными пла­стинами магнитопровода, тем большее, чем более магнитный поток в нем. Вторая — взаимодействие поля тока, текущего но обмоткам, а также токов Фуко, наводимых в пластинах, с маг­нитным полем. Как известно, сила, действующая на провод с током, на­ходящийся в магнитном ноле, пропор­циональна произведению тока на маг­нитную индукцию. Очевидно, что все ме­ханические силы резко возрастают в случае, когда увеличиваются и ток и напряженность поля, т е в случае, соответствующем рис 2 б.

Еще одна причина гудения трансфор­матора — явление магнитострикции, состоящее в изменении линейных раз­меров магнитопровода при намагничи­вании. Оно очень невелико (10-4 …10-6 и при отсутствии постоянного подмагннчивания происходит с удвоенной частотой переменного магнитного ноля (100 Гц). Магнитострикционный эф­фект пропорционален квадрату магнитной индукции и поэтому также резко уменьшается с ее уменьшением.

Итак, одна и та же причина недостаточное число витков обмоток трансформатора — приводит к чрезмер­ному увеличению магнитного поля магнитопровода и, как следствие, к опи­санным выше вредным последствиям: увеличению тока холостого хода, поля рассеяния и внутренних механиче­ских нагрузок в элементах трансфор­матора, причем все эти явления приоб­ретают импульсный характер. Кроме этого, из-за увеличения реактивного тока в первичной обмотке и потерь на гистерезис и вихревые токи в маг нитопроводе увеличивается нагревание трансформатора.

Может быть положение изменяется, когда трансформатор нагружают? Ока­зывается. нет. ЭДС. наводимые в обмот­ках, по-прежнему определяются форму­лой (I). а следовательно, и магнит­ный поток в магнитопроводе должен оставаться практически прежним. Ак­тивные токи обмоток направлены так, что взаимно компенсируют магнитные поля. Если напряжение на вторичной обмотке в W1/W11    раз меньше, чем на

первичной, то и ток в ней при номи­нальной нагрузке во столько же раз больше и произведение I1W1, опреде­ляющее напряженность магнитного по­ля от тока II равно произведению IIIWII— Следовательно, активный ток в обмотках, если не учитывать потери, мало изменяет обший магнитный поток магнитопровода

Пики тока Іхх в первичной обмотке, показанные на рис. 2, б. также не сглаживаются при нагрузке трансфор­матора, поскольку активный ток сдви­нут по фазе на 90° относительно реактивного, пики которого совпадают с моментами перехода активного тока через нуль. Суммарный ток приоб­ретает вид несимметричных пилообраз­ных импульсов с крутым фронтом

Устранить перечисленные недостатки очень просто. Чтобы сетевой трансфор­матор не создавал больших наводок, следует после расчета по общеизвест­ной методике увеличить число витков всех обмоток на 15…20%. Число витков на вольт n обычно рассчи­тывают по эмпирической формуле

 n=40…60/S

(где S — в см2), причем для трансформаторной стали низкого ка­чества рекомендуют брать коэффи­циент в числителе в пределах 50…60, а для высококачественной — 40…45. Для устранения описанных нежелатель­ных явлений этот коэффициент в любом случае надо выбирать не менее 60. Разумеется, при этом потребуется боль­ше обмоточного провода и несколько увеличатся потери в нагруженном трансформаторе из-за возрастания ак­тивного сопротивления обмоток с этим приходится примириться

Однако повышенные потери в об­мотках частично компенсируют умень­шение потерь в магнитопроводе.  Это особенно полезно в тех случаях, когда мощность трансформатора не использо­вана полностью, например, в блоке питания мощного усилителя НЧ, по­скольку он редко работает с макси­мальной громкостью. При малом пот­ребляемом токе невелики и потери «в меди» трансформатора. то же время уровень потерь «в стали», не зависящий от нагрузки, снижен увели­чением числа витков или сечения магнитопровода (6).

Изготовленный таким образом транс­форматор не только не будет гудеть и создавать наводок, но и останется холодным в течение большей части времени работы аппарата. Для про­верки этих рекомендаций был изго­товлен трансформатор питания для ма­логабаритного осциллографа. При рас­чете число витков на вольт было опре­делено по формуле п=65/5. Трансфор­матор оказался «тихим» н не создавал наводок даже при размещении его вблизи горловины неэкранированной электронно-лучевой трубки. Спабое гу­дение легко устранить пропиткой разогретого трансформатора горячим парафином.

Трансформаторы заводского изго­товления в некоторых случаях тоже можно модифицировать. Установлено, Например, что переключение обмотки лабораторного автотрансформатора ЛАТР-2 с 220 на 250 В (подача напря­жения сети на крайние выводы обмот­ки) уменьшает ток холостого хода при­мерно в 4 раза.  У некоторых серийных сетевых трансформаторов есть возмож­ность переключить первичную обмотку на большее напряжение, например. 237 или 250В. Если напряжение на вторичных обмотках строго регла­ментировано (например, 6,3В), нужно домотать к ним требуемое число витков. Уменьшенное напряжение повышающей обмотки обычно вполне допустимо.

Хотя непосредственно реактивный ток н не вращает диск электросчет­чика, он оборачивается реальными потерями в проводах обмоток и ли­ниях электропередачи. Если учесть огромное количество эксплуатируемых в быту и промышленности трансформаторов, эти потери могут ока­заться существенными и даже пе­рекрыть эффект от вышеупомянутой экономии. Кроме того, из-за механи­ческой вибрации элементов трансфор­матора разрушается изоляция обмоток н пластин магнитопровода, что сокра­щает срок службы самого трансформа­тора. Это особенно верно для многих типов современных трансформаторов, не пропитываемых изолирующим составом.

В. ПОЛЯКОВ

 

 

 

 

2 комментария к “УМЕНЬШЕНИЕ ПОЛЯ РАССЕЯНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА”

  1. Уважаемый В. ПОЛЯКОВ. если делать индукцию не очень большую в сердечнике трансформатора, то конечно это будит хорошо только в единичных случаях . ПЕРЕРАСХОД МЕДИ в массовом производстве НЕ ИЗБЕЖАТЬ!!!

    • Юрий, ну это понятно, также увеличение сопротивления обмоток приведет к лишним потерям.

Оставить комментарий

Вы можете использовать следующие теги HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

(обязательно)

(обязательно)

What is 12 + 10 ?
Please leave these two fields as-is:
IMPORTANT! To be able to proceed, you need to solve the following simple math (so we know that you are a human) :-)
© 2011 hifisound.com.ua При использовании материалов с данного сайта, обязательна ссылка на сайт HI-FI sound и первоисточник Поддержка предоставлена компанией www.hifiaudio.com.ua