Двухкатушечного (б) и тороидального (в) трансформаторов питания
частичную механическую защиту обмоток. Благодаря этим достоинствам броневые трансформаторы получили широкое применение. Одним из основных недостатков БТ является наличие относительно больших полей рассеяния и, как следствие, дополнительные проблемы с обеспечением электромагнитной совместимости ТП с другими радиокомпонентами электронной аппаратуры.
В ТП стержневого типа (СТ) обмотка располагается на двух стержнях. Это несколько усложняет конструкцию, но уменьшает толщину намотки и снижает расход обмоточного провода. При этом снижаются активные потери в обмотках (уменьшается активное сопротивление) и увеличивается поверхность охлаждения катушек, что способствует снижению температуры перегрева в обмотках. Кроме того, стержневые ТП при симметричном распределении обмоток по катушкам имеют существенно меньшие, чем у броневых ТП, внешние поля рассеяния. Это обусловлено взаимной компенсацией внешних магнитных полей катушками.
В тороидальных трансформаторах (ТТ) используются кольцевые неразрезные сердечники, а обмотки распределяются равномерно по периметру сердечника, что позволяет наиболее полно использовать свойства магнитного материала, иметь очень слабое внешнее магнитное поле и существенно уменьшить ток холостого хода. Тороидальные ТП имеют преимущества перед броневыми и стержневыми в области повышенных и высоких частот питающего напряжения (от 400 Гц и выше). Причем, чем выше частота, тем существеннее преимущество ТТ, а в области высоких частот (свыше 10 кГц) их преимущество подавляющее. Однако, тороидальные ТП отличаются наиболее сложной технологией изготовления. В частности, весьма затруднена намотка обмоток, требующая специального оборудования. Но при повышении частоты, при прочих равных условиях, обратно пропорционально уменьшается число витков обмоток, а, следовательно, облегчается намотка обмоток. Поэтому ТТ нашли преимущественное применение в спецтехнике при повышенной частоте питающего напряжения, особенно в тех случаях, когда требуется плоская конструкция. А в аппаратуре, питающейся от промышленных источников (50 Гц), предпочтение отдается БТ и СТ.
При выборе конкурентных типов конструкций ТП следует учитывать, прежде всего, конкретные ограничения по ТЭП, величину габаритной мощности и частоту питающей сети.
Исследования, проведенные в [4, глава 11], для типовых условий показали, что при малых мощностях (РГ £ (25-40) В×А) наименьшие массогабаритные показатели, при прочих равных условиях, имеют броневые и троидальные ТП, а в области больших мощностей (РГ ³ (150-250) В×А) предпочтение отдается стержневым конструкциям. Следует обратить внимание на то, что исследования проводились для типовых условий, то есть условия эксплуатации нормальные, падение напряжения U = 10 % или перегрев обмоток tm = 50 K, частота питающей сети 50 или 400 Гц. Но, как показал опыт, указанные значения граничных мощностей наиболее близки лишь применительно к ТП промышленной частоты (50 Гц), а при увеличении частоты питающего напряжения эти границы существенно сдвигаются в область более высоких мощностей. В широком диапазоне средних мощностей, учитывая дискретность типовых рядов сердечников, оптимальной по массогабаритным показателям может оказаться любая конструкция ТП.
Если ТП должен иметь наименьшую стоимость, то на передний план выдвигается стоимость основных материалов и технологичность конструкции ТП. Учитывая, что обмоточные провода, особенно медные, существенно дороже материалов сердечника, то для ТП низкой и повышенной частоты (до нескольких килогерц), в которых используются сердечники из электротехнических сталей, предпочтение следует отдавать СТ. Вторыми по этому показателю идут БТ. С точки зрения технологичности изготовления БТ предпочтительнее СТ. Таким образом, при оптимизации по стоимости БТ и СТ можно считать равнопредпочтительными. Самыми нетехнологичными являются тороидальные трансформаторы, что оказывается определяющим и исключает их из ряда предпочтительных конструкций.
Наиболее оптимальными по габаритному объему являются броневые конструкции, вторыми в этом ряду стоят СТ, а наибольший удельный объем, при прочих равных условиях, имеют тороидальные ТП.
На основании анализа результатов исследований Р.Х.Бальяна [4] и собственного опыта составлены ряды предпочтительных конструкций однофазных ТП в зависимости от частоты питающего напряжения, габаритной мощности и оптимизируемого технико-экономического показателя, которые представлены в таблице 2.1. При этом необходимо подчеркнуть, что наиболее предпочтительными в этих рядах являются первые конструкции ТП.
Приведенное выше разделение ТП на предпочтительные конструкции по различным признакам весьма условное и помогает лишь ограничить число конкурентных конструкций. Из проведенного выше анализа по выбору конкурентных конструкций ТП можно сформулировать следующие обобщенные рекомендации:
· для ТП промышленной частоты при оптимизации как по стоимости, так и по массогабаритным показателям нет смысла рассматривать тороидальные конструкции;
· для ТП повышенной частоты (до 1 кГц) при оптимизации по массогабаритным показателям, при малых мощностях можно ограничиться броневыми и тороидальными, при больших мощностях – стержневыми и тороидальными конструкциями, а в области средних мощностей следует рассматривать все типы конструкций – БТ, ТТ, и СТ;
· при проектировании ТП повышенной частоты (свыше 1 кГц) следует отдать предпочтение тороидальным и стержневым конструкциям, а при высоких частотах (свыше 10 кГц) – только тороидальным.
Следует также иметь в виду, что стержневые ТП с одной катушкой использовать не рекомендуется, так как по массогабаритным и техническим показателям они хуже всех перечисленных выше конструкций.
Более подробные сведения о конструкциях унифицированных ТП приведены в работах [2, раздел 2] и [3, раздел 1], а вопросы выбора оптимальных конструкций ТП подробно рассмотрены в работе [4, раздел 11].