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
|
| Макс. Температура нагрева трансформатора |
tTmax
|
120 0
|
| 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
;
=
57
17. Число витков на выпрямителе B:
;
=
36
Число витков на вторичной обмотке подключенной непосредственно к нагрузке H3
:
;
=
85
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 м
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
** q1
пр
+1,1(j2
2
*m2
**q2
пр
+ j3
2
* *q3
пр
))* lM
(1+α(tTmax
-20))*10-2
;
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
;
=92,8%
27.
=81,4%
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.