Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 55
МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) Курсовой проект
по предмету:
“Электротехника”.
Тема:
“Расчет силового трансформатора
”
Студент: Чубаков А.С. Группа: ВАИ-6-00 Преподаватель: Плотников С.Б. МОСКВА 2002 ВВЕДЕНИЕ.
Трансформатор – устройство, предназначенное для изменения величины переменного напряжения, - является практически обязательным структурным элементом источника вторичного электропитания. При наличии первичного источника, вырабатывающего переменное напряжение, трансформатор достаточно часто включается в источник вторичного электропитания в качестве входного элемента. В этом случае трансформатор называется силовым, и его функциональное назначение заключается в преобразовании входной системы переменного напряжения (однофазной или трехфазной) в одну или несколько других систем переменных напряжений, используемых для питания соответствующих потребителей постоянного и переменного тока. В системах питания электронной аппаратуры применяют силовые трансформаторы малой мощности ( не более 4 кВ-А для однофазных и 5 кВ-А для трехфазных систем переменного тока). Они в большинстве случаев работают при низких напряжениях на обмотках (до 1кВ), синусоидальной или близкой к синусоидальной форме преобразуемого напряжения и частоте, равной 50 Гц (частота промышленной сети). Электронная аппаратура, как правило, требует наличия постоянного напряжения питания одного или нескольких уровней. Поэтому в источниках вторичного электропитания силовой трансформатор работает совместно с одним или несколькими выпрямителями – устройствами, преобразующими системы переменных напряжений в постоянные по полярности и пульсирующие по величине (выпрямленные) напряжения. Выпрямители могут быть регулируемыми и нерегулируемыми. Первые реализуются на базе управляемых полупроводниковых вентилей – тиристоров, вторые – на базе неуправляемых вентилей – диодов. Нерегулируемые выпрямители не обеспечивают стабилизацию выходных напряжений. При колебаниях напряжения источника электропитания, а также при изменении тока в любой из нагрузок, получающих питание от силового трансформатора, величина напряжения, снимаемого с нерегулируемого выпрямителя, изменяется. Вместе с тем, нерегулируемы выпрямители широко применяются в системах питания электронной аппаратуры в случаях, когда отсутствуют жесткие требования со стороны соответствующих потребителей постоянного тока, или, если такие требования есть, когда предусмотрено включение стабилизаторов постоянного напряжения в цепи питания потребителей. В данной курсовой работе представлен расчет однофазного низковольтного силового трансформатора малой мощности как структурного элемента источника вторичного электропитания, работающего в длительном режиме. Трансформатор имеет ряд обмоток. Первичная обмотка с числом витков w1
подключена к источнику электропитания, вырабатывающему переменное синусоидальное напряжение U1
и частотой 400 Гц. С двух групп вторичных обмоток с числами витков w2
и w3
снимаются переменные напряжения соответственно U2
и U3
той же частоты. Вторичная обмотка с числом витков w2
через соответствующий нерегулируемый выпрямитель В и выпрямленное напряжение U0
, снабжает электроэнергией нагрузку H3
, имеющую чисто активный характер, требующую питание постоянным током. Однофазная вторичная обмотка с числом витков w3
подключена непосредственно к нагрузке H3
, получающей питание переменным током, частота которого совпадает с частотой источника. На рис. схемы протекают следующие токи: i1
– переменный ток, потребляемый первичной обмоткой трансформатора; i2
- переменный ток в фазе вторичной обмотки с числом витков w2
; i0
– постоянный по направлению и пульсирующий по величине (выпрямленный) ток, питающий нагрузку H3
; i3
– переменный ток, протекающий во вторичной обмотке с числом витков w3
и нагрузке H3
. Возможное наличие реактивных элементов в цепи нагрузки H3
учитывается коэффициентом мощности cosφ3
, равным отношению активной составляющей мощности к полной мощности, потребляемой нагрузкой. Начальные данные: Напряжение источника электропитания U1
24 B Частота напряжения источника электропитания ƒ 400 Гц Схема выпрямителя B в цепи питания Однофазная мостовая Напряжение на нагрузке H2
U0
12 В Ток в нагрузке H2
I0
4,16 A Характер нагрузок H2
Активный Напряжение на нагрузке H3
U3
36 В Ток в нагрузке H3
I3
0,277 A Коэффициент мощности нагрузки H3
cosφ3
0,35 Температура окружающей среды t0
30 0
C Макс. Температура нагрева трансформатора tTmax
120 0
C Режим работы длительный
1. РАСЧЕТ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСЧЕТ ТРАНСОРМАТОРА.
01. По соотношению величин напряжений и токов в трансформаторе и выпрямителе рассчитаем среднее значение прямого тока через диод IDn
р,
cp
и наибольшее мгновенное значение обратного напряжения на диоде UDo
бр,
u
,
n
: IDn
р
,cp
=0,5I0
=2,08 A UDo
бр
,u,n
=1,57U0
=18,84 U 02. Для выпрямителя B выбирается диод типа КД202А (In
р,
cp
max
=3 A, Uo
бр,
u
,
n
max
=50 B) Для выпрямителя определяем среднее значение прямого напряжения на диоде UDn
р,
cp
=
0,9 B 03. Среднее значение прямых напряжений на выпрямителе B равно UBcp
=2* UDn
р,
cp
; UBcp
==2*0,9=1,8 B 04. Действующее значение номинального напряжения на фазе обмотки трансформатора, работающего на выпрямителе B: U2
=1,11(U0
+UB
ср
); U2
=1,11(12+1,8)=15,3 B и номинальный ток в нем: I2
=1,11I0
; I2
=1,11*4,16=4,6 A 05. Коэффициент трансформации, характеризующий взаимно-индуктивную связь между первичной обмоткой и фазой вторичной обмотки, на выпрямителе B: k1/2
=U1
/ U2
; k1/2
=24/15,3=1,57 06. Действующее значение номинального тока в первичной обмотке, обусловленное передачей мощности от источника электропитания в цепи нагрузки вторичной обмотки, на выпрямителе B: I1/2
=1,11I0
/k1/2
; I1/2
=1,11*4,16/1,57=2,94 A 07. Действующее значение номинального тока в первичной обмотке трансформатора: I1
= I1/2
+( U3
* I3
)/ U1
; I1
=2,94+(36*0,277)/24=3,35 A 08. Расчетная мощность трансформатора ST
=0,5(U1
I1
+m2
U2
I2
+ U3
I3
); ST
=0,5(24*3,35 +15,3 *4,6 +36*0,277)=80,4 B*A 09. Выбирается броневой ленточный магнитопровод из стали марки 3422, ΔC
=0,1 mm 10. Выбираем ориентировочные величины электромагнитных нагрузок: амплитуды магнитной индукции в магнитопроводе трансформатора Bm
=1,34 Тл и действующее значение плотности тока в обмотке j=4,4 A/mm2
11. Определяем значение коэффициента заполнения магнитопровода сталью kc
=0,88 12. Выбирается ориентировочное значение коэффициента заполнения окна магнитопровода медью k0
=0,249 13. Конструктивный параметр, представляющий собой произведение площади поперечного сечения магнитопровода SC
и площади окна под обмотки S0
SC
S0
=( ST
100)/(2,22*ƒ*Bm
*j*kc
*k0
); SC
S0
=( 80,4 *100)/(2,22*400*1,36 *4,6*0,88*0,249)= 6,6 см4
14. Выбираем типоразмер магнитопровода – ШЛ12х16 (SC
S0
=6,9см4
); a=12 mm; b=16 mm; c=12 mm; h=30 mm; SC
=1,92 см2
; S0
=3,6см2
; lM
=10,4 см; mc
=135 г; 15. Выбираем ориентировочные значения падения напряжения на первичной обмотке, выраженного в процентах от номинального значения U1
, Δ U1%
=3,5% и падений напряжения во вторичных обмотках, в % от соответствующих номинальных значении U2
и U3
равные друг другу Δ U2,3%
=4,4% 16. Число витков 17. Число витков на выпрямителе B: Число витков на вторичной обмотке подключенной непосредственно к нагрузке H3
: 18. Площади поперечных сечений обмоточных проводов без изоляции для всех обмоток трансформатора рассчитываются по формулам: q1пр
= I1
/j; q1пр
=3,35/4,6=0,7283 мм2
q2пр
= I2
/j; q2пр
=4,6 /4,6= 1 мм2
q3
пр
= I3
/j; q3
пр
=0,277/4,6=0,0602 мм2
19. Выбирается марка обмоточных проводов ПЭВТЛ-1 (tTmax
до 1200
) 20. Габариты провода: d 1пр
=0,96 мм; q1пр
=0,7238 мм2
;d1из
= 1,02 мм; d 2пр
=1,16 мм; q2пр
=1,057 мм2
;d2из
= 1,24 мм; d 3пр
=0,27 мм; q3пр
=0,05726 мм2
;d3из
= 0,31 мм; 21. Действующие значения плотности тока во всех обмотках трансформатора: j1
=I1
/ q1
пр
; j1
=3,35/0,7238=4,63 A/мм2
; j2
=I2
/ q1
пр
; j1
=4,6 /1,057 =4,35 A/мм2
; j3
=I3
/ q1пр
; j1
=0,277/0,05726 =4,84 A/мм2
; 22. Удельные потери мощности в магнитопроводе трансформатора PСуд
= PСуд
H
(Bm
/ВmH
)2
; PСуд
=15,4 Вт/кг 23. Pc
=PСуд
*mc
*10-3
; Pc
=15,4*135*10-3
=2,08 Вт 24. Потери мощности в обмотках PM
=ρ(0,9* j1
2
* PM
=0,0175(0,9* 4,63 2
*57* 0,7238+1,1(4,35 2
*0,135*36*1,057+ 4,84 2
* 85*0,0602))* 10,4 (1+0,00411(120-20))*10-2
=2,66 Вт 25. Суммарные потери мощности в трансформаторе PT
=PC
+PM
; PT
=2,08+2,66=4,74 Вт 26. КПД трансформатора 27. 2. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА.
01. Превышение температуры трансформатора над темпер. окружающей среды: ∆tT
=PT
RT
, где RT
тепловое сопротивление трансформатора. ∆tT
=4,74*9,40=44,56 град/Вт 02. Установившаяся температура нагрева трансформатора: tT
=t0
+∆tT
; tT
=30+44,56=74,56 0
C Установившаяся температура нагрева трансформатора не превышает максимально допустимого значения tTmax
=1200
C 3. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА.
01. Выбирается бескаркасная намотка обмоток трансформатора (на гильзу.)
02. Ширина внутреннего прямоугольного отверстия изолирующей гильзы: αr
=α+2δp
, где δp
величина радиального зазора между гильзой и несущим катушку стержнем магнитопровода. αr
=12+2*1=14 мм 03. Толщина гильзы в радиальном направлении выбирается ∆r
=1 мм 05. Габаритная высота гильзы Hr
=h-2δ0
, где δ0
=0,5 мм величина осевого зазора между щечкой каркаса или торцевой поверхностью гильзы и ярмом магнитопровода. Hr
=30-1=29 мм 06. Составляется план размещения обмоток в окне магнитопровода.
07. В качестве электроизоляционного материала применяем пропиточную бумагу ИЭП-63Б, βмо
=0,11 мм 08. Чисто слоев изоляционного материала: nK
вн
= U1
/(mk
*175), для броневого трансформатора число стержней магнитопровода mk
=1 nK
вн
= 24/(1*175)=1 09. Толщина внутренней изоляции катушки ∆K
вн
= nK
вн
*βmo
; ∆K
вн
= 1*0,11=0,11 мм 10. Высота слоя первичной обмотки h1
=Hr
-2∆h1
, где ∆h1
=1,5 – толщина концевой изоляции первичной обмотки. h1
=29-2*1,5=26 мм 11. Число витков в одном слое первичной обмотки w1сл
=ky
*h1
/d1из
, где ky
=0,9 – усредненное значение коэффициента укладки w1сл
=0,9*26/1,02=22 12. Число слоев первичной обмотки в катушке n1сл
= w1
/(mk
*w1сл
); n1сл
=57/(1*22)=3 13. Определяем максимальное действующие значение между соседними слоями первичной обмоткой: U1mc
=2*U1
*w1
сл
/w1
; U1
mc
=2*24*22/57=18,5 B 14. В качестве материала для выполнения межслоевой изоляции в первичной обмотке выбирается кабельная бумага марки К-120; β1мс
=0,12 мм; U1мс
max
=71 B 15. Число слоев межслоевой изоляции между соседними слоями первичной обмотки: n1мс
=U1мс
/ U1мс
max
; n1мс
=18,5 / 71=1 16. Толщина межслоевой изоляции между соседними слоями первичной обмотки: ∆1мс
= n1мс
*β1мс
; ∆1мс
=1*0,12 =0,12 мм 17. Толщина первичной обмотки в катушке с учетом межслоевой изоляции: a1
=kp
[n1сл
* d1из
+( n1сл
-1) ∆1мс
], где kp
=1,15 – усредненное значение разбухания; a1
=1,15 [3* 1,02+( 3-1) *0,12]= 3,79 мм 18. Напряжение, определяющее толщину межобмоточной изоляции между данной обмоткой и предыдущей: U2мо
=max(U1
/mk
;m21
*U21
/mk
)=24 В; 19. Число слоев межобмоточной изоляции, поверх которой наматывается данная обмотка: n2мо
=2, т.е. межобмоточная изоляция выполняется в два слоя 20. Толщина межобмоточной изоляции, поверх которой наматывается данная обмотка: ∆2
мо
=n2
мо
*β мо
; ∆2
мо
=2*0,11=0,22 мм 21. Высота слоя обмотки, работающей на выпрямителе B: h2
=h1
-2∆h2,3
, где ∆h2,3
=0,25 мм - приращение толщины концевой изоляции каждой из вторичной обмоток по отношению к концевой изоляции предыдущей обмотки: h2
=26-2*0,25=25,5 мм 22. Для вторичной обмотки, работающей на выпрямитель, число витков одом слое обмотки: w2сл
=ky
*h2
/d2из
; w2сл
=0,9*25,5/1,24=18 23. Число слоев вторичных обмоток, работающих на выпрямитель, в катушке: n2сл
=m2
*w2
/(mk
*w2сл
); n2сл
=1*36/(1*18)=2 24. Максимальное действующее напряжение между соседними слоями: U2
мс
=m2
*U2
/mk
; U2
мс
=1*15,3/1=15,3 В 25. Для вторичной обмотки, работающей на выпрямитель, выбираем электроизоляционный материал: кабельная бумага марки К-120; β2мс
=0,12 мм; U2мс
max
=71B 26. Для вторичной обмотки, работающей на выпрямитель, число слоев межслоевой изоляции между соседними слоями обмотки: n2мс
=U2м
/U2мс
max
; n2мс
=15,3/71=1 27. Для вторичной обмотки, работающей на выпрямитель, толщина межслоевой изоляции соседними слоями обмотки: ∆2
мс
=n2
мс
*β2
мс
; ∆2
мс
=1*0,12=0,12 мм 28. Толщина каждой из вторичной обмотки, работающей на выпрямитель, в катушке с учетом межслоевой изоляции: a2
=kp
(n2
сл
*d2
из
+( n2
сл
-1) ∆2
мс
) a2
=1,15(2*1,24 +(2-1) 0,12)= 2,99 мм 29. Для вторичной обмотки, подключенной непосредственно к нагрузке H3
, находится напряжение, определяющее толщину межобмоточной изоляции между данной обмоткой и предыдущей: U3
мо
1
=max(m2z
*U2z
/mk
;U3
/mk
); U3мо1
=36 В 30. Для вторичной обмотки, работающей непосредственно на нагрузку, определяем число слоев межобмоточной изоляции, поверх которой наматывается данная обмотка: n3мо
=2 31. Для вторичной обмотки, работающей на нагрузку, толщина межобмоточной изоляции, поверх которой наматывается данная обмотка: ∆3мо
=n3мол
*βмо
; ∆3мо
=2*0,11=0,22 мм 32. Для каждой вторичной обмотки, работающей на нагрузку, определяется высота слоя обмотки: h3
=h1
-2(Z+ξ)∆h2,3
h3
=26-2(1+1)0,25=25 мм 33. Для каждой вторичной обмотки, работающей на нагрузку, число витков в одном слое обмотки: w3
сл
=ky
*h3
/d3
из
; w3сл
=0,9*25/0,31=72 34. Число слоев вторичной, работающей на нагрузку, в катушке n3сл
= w3
/(mk
*w3сл
); n3сл
= 85/(1*72)=2 35. Для каждой из вторичной обмотки, работающей на нагрузку, определяется максимальное действующее напряжение между соседними слоями: U3мс
=U3
/mk
; U3мс=
36/1=36 В 36. Для вторичной обмотки, работающей на нагрузку, выбираем электроизоляционный материал: телефонная бумага КТ-50, его толщина β3мс
=0,05 мм; U3мс
max
=57 B 37. Для вторичной обмотки, работающей на выпрямитель, число слоев межслоевой изоляции между соседними слоями обмотки: n3мс
=U3мс
/U3мс
max
; n3мс
=36/57=1 38. Для вторичной обмотки, работающей на нагрузку, толщина межобмоточной изоляции, поверх которой наматывается данная обмотка: ∆3мс
=n3мс
*β3мс
; ∆3мс
=1*0,05=0,05 мм 39. Толщина каждой из вторичной обмотки, работающей на выпрямитель, в катушке с учетом межслоевой изоляции: a3
=kp
(n3сл
*d3из
+( n3сл
-1) ∆3мс
) a3
=1,15(2*0,31+(2-1) 0,05)= 0,77 мм 40. Число слоев изоляционного материала наружной изоляции катушки: nK
нар
=2 41. Толщина наружной изоляции катушки: ∆K
ар
= nK
нар
*βмо
; ∆K
ар
= 2*0,11=0,22 мм 42. Толщина катушки в радиальном направлении с учетом изоляции на гильзе, межобмоточной изоляций и наружной изоляции катушки: ak
=∆K
вн
+a1
+∆2
мо
+a2
+∆3
мо
+a3
+∆K
нар
ak=
0,11+3,79+0,22+2,99+0,22+0,77+0,22=8,32 мм 43. Ширина свободного промежутка в окне магнитопровода: зазор между наружной боковой поверхностью катушки и боковым стержнем магнитопровода: δ=c-( δp
+∆r
+ak
); δ=12-(1+1+8,32)= 1,68 мм Вывод: обмотка трансформатора нормально укладываются в окне магнитопровода, следовательно расчет трансформатора можно считать завершенным. 5. ЛИТЕРАТУРА
:
1. Курс лекций по электротехники Плотникова С.Б. 2. Петропольская Н.В., Ковалев С.Н., Цыпкин В.Н., Однофазные силовые трансформаторы в системах электропитания электронной аппаратуры. МИРЭА, Москва 1996 г. 3. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М., Высшая школа, 1978 г. |