Уменьшение магнитного поля трансформатора

УМЕНЬШЕНИЕ ПОЛЯ РАССЕЯНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

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 I_хх, 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:

ЭДС самоиндукции почти равна приложенному к первичной обмотке напряжению сети U_с 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.

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

а напряженность поля связана с то­ком 1_хх в обмотке:

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 U_c=E₁=U_m*cosωt то синусоидальной должна быть и величина.

Тогда и магнитная индукция В должна изменяться по синусоидальному закону, но со сдвигом фазы на 90 0 :

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).

рис.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 Н_нас индукция в магнитопроводе практи­чески перестает увеличиваться. Физи­чески это объясняется тем, что при Н_нас 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>Н_нас формула (3) приобрета­ет вид:

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 U_c, требуется лишь небольшое изменение магнит­ного потока (1), и максимальная индукция В_m в магнитопроводе также невелика (рис. 2 а; для упрощения петля гистерезиса не показана). Напря­женность поля Н, а следовательно, и ток I_хх в первичной обмотке (4) невелики и носят синусоидальный характер. Ток сдвинут по фазе от­носительно напряжения на 90 0 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 В_т в магнитопроводе. как пока­зано па рис. 2, б. Но она прак­тически не может превзойти индукцию насыщения В_нас . 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 I_I равно произведению I_IIW_II— Следовательно, активный ток в обмотках, если не учитывать потери, мало изменяет обший магнитный поток магнитопровода

Пики тока І_хх 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

(где S — в см 2 ), 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.

Источник

Уменьшить помехи от трансформатора

Уменьшить помехи от трансформатора

Уменьшить помехи от трансформатора выполненного на тороидальном сердечнике — такое очень часто приходится слышать даже от профессиональных разработчиков, а также о неизбежных помехах либо наводках электрической сети оказывающих негативное влияние на сигнальные тракты электронной аппаратуры и в частности усилителей мощности. Можно с уверенностью говорить, что вопрос подавления электромагнитных помех волнует не только опытных создателей аудио-оборудования высокой точности воспроизведения звука, но и многочисленную армию простых радиолюбителей. В этой статье будет освещен только один вариант существенно уменьшающий общую составляющую магнитного поля, исходящего от трансформатора за границы своих габаритных размеров. Методов подавления наводок напряжения питания существует довольно много, по некоторым пробежимся совсем коротко только в конце — это так сказать для памяти.

Эффективный способ установки двух торов

Эта идея как уменьшить помехи от трансформатора не нова и была опубликована где-то в сети Интернет. Поэтому все весьма просто — если два идентичных тороидальных трансформатора, рассчитанных на приблизительно одинаковую нагрузку, установить их вертикально большей площадью друг к другу и соединить обмотки так, чтобы образованное каждым трансформатором магнитное поле находилось бы в противофазе к полю другого тора — магнитные поля образованные обоими трансформаторами в немалой степени компенсируют один другого. Вот таким не хитрым способом можно существенно уменьшить степень помех, элементарно изменив немного компоновку силового блока.

Из всего сказанного следует вопрос — где взять два идентичных трансформатора? Бывает и очень часто, для обеспечения питающим напряжением усилителя мощности необходимы два одинаковых трансформатора, это бывает в случае эффективной компоновки элементов внутри корпуса с учетом габаритов, также бывает необходим такой вариант, чтобы развязать между собой каналы и так далее. Также как один из часто практикуемых способов создания блока питания, особенно при конструировании нового аппарата — это использование по одной вторичной обмотки каждого трансформатора, вследствие чего получаем двуполяное напряжение питание для устройства.

Вот на фото ниже показан наглядны пример установки двух торов в моноблоках, мощностью по 150 Вт каждый. Правда это было очень давно.

Проверка подключенных тороидальных трансформаторов на предмет нахождения в противофазе

Для такой проверки необходимо на два транса сразу намотать поверх обмотки несколько проверочных витков провода, в случае правильного соединения первичных обмоток на дополнительной проверочной шине напряжение отсутствует. И для уверенности можно еще проверить другим способом: изменить фазу первичной обмотки одного из двух торов, при этом на дополнительных витках будет присутствовать некое напряжение.

Чтобы уменьшить помехи от трансформатора вот такое конструктивное исполнение позволяет добиться того, даже если нет идеальной симметрии, что магнитные помехи будут в значительной степени уменьшены.

Незначительные мелочи тоже играют важную роль

Исходя из того, что возможно придется иметь дело не симметричными торами не в коим случае нельзя замыкать накоротко «нулевой» виток и всегда на будущее, помнить это правило. Опять же может возникнуть вопрос — как он там вообще появился этот нулевой виток? Такому явлению способствует как правило шпилька крепления пары трансформаторов. Эта шпилька естественно одним концом может касаться шасси и поэтому создается закороченный виток.

Шайбы-изоляторы на одном из концов шпильки крепления трансформаторов

Избежать такого нюанса можно только с помощью разрыва цепи, а именно один конец шпильки изолировать от корпуса через изолятор, например: под гайку шпильки положить шайбу текстолитовую, а на саму шпильку, там где она вставляется в отверстие уголка из алюминия надеть подходящий кембрик.

Источник