Реферат: Расчет силового трансформатора

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:

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 I_{Dn р, cp} и наибольшее мгновенное значение обратного напряжения на диоде U_{Do бр, u , n} :

I_{Dn р ,cp} =0,5I₀ =2,08 A

U_{Do бр ,u,n} =1,57U₀ =18,84 U

02. Для выпрямителя B выбирается диод типа КД202А

(I_{n р, cp max} =3 A, U_{o бр, u , n max} =50 B)

Для выпрямителя определяем среднее значение прямого напряжения на диоде U_{Dn р, cp =} 0,9 B

03. Среднее значение прямых напряжений на выпрямителе B равно

U_Bcp =2* U_{Dn р, cp} ; U_Bcp ==2*0,9=1,8 B

04. Действующее значение номинального напряжения на фазе обмотки трансформатора, работающего на выпрямителе B:

U₂ =1,11(U₀ +U_{B 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:

k_1/2 =U₁ / U₂ ; k_1/2 =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:

I_1/2 =1,11I₀ /k_1/2 ; I_1/2 =1,11*4,16/1,57=2,94 A

07. Действующее значение номинального тока в первичной обмотке трансформатора:

I₁ = I_1/2 +( U₃ * I₃ )/ U₁ ; I₁ =2,94+(36*0,277)/24=3,35 A

08. Расчетная мощность трансформатора

S_T =0,5(U₁ I₁ +m₂ U₂ I₂ + U₃ I₃ );

S_T =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,

Δ_C =0,1 mm

10. Выбираем ориентировочные величины электромагнитных нагрузок: амплитуды магнитной индукции в магнитопроводе трансформатора B_m =1,34 Тл и действующее значение плотности тока в обмотке j=4,4 A/mm²

11. Определяем значение коэффициента заполнения магнитопровода сталью k_c =0,88

12. Выбирается ориентировочное значение коэффициента заполнения окна магнитопровода медью k₀ =0,249

13. Конструктивный параметр, представляющий собой произведение площади поперечного сечения магнитопровода S_C и площади окна под обмотки S₀

S_C S₀ =( S_T 100)/(2,22*ƒ*B_m *j*k_c *k₀ );

S_C S₀ =( 80,4 *100)/(2,22*400*1,36 *4,6*0,88*0,249)= 6,6 см⁴

14. Выбираем типоразмер магнитопровода – ШЛ12х16 (S_C S₀ =6,9см⁴ ); a=12 mm; b=16 mm; c=12 mm; h=30 mm; S_C =1,92 см² ; S₀ =3,6см² ; l_M =10,4 см; m_c =135 г;

15. Выбираем ориентировочные значения падения напряжения на первичной обмотке, выраженного в процентах от номинального значения U₁ , Δ U_1% =3,5% и падений напряжения во вторичных обмотках, в % от соответствующих номинальных значении U₂ и U₃ равные друг другу Δ U_2,3% =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:

q_1пр = I₁ /j; q_1пр =3,35/4,6=0,7283 мм²

q_2пр = I₂ /j; q_2пр =4,6 /4,6= 1 мм²

q_{3 пр} = I₃ /j; q_{3 пр} =0,277/4,6=0,0602 мм²

19. Выбирается марка обмоточных проводов ПЭВТЛ-1 (t_Tmax до 120⁰ )

20. Габариты провода:

d _1пр =0,96 мм; q_1пр =0,7238 мм² ;d_1из = 1,02 мм;

d _2пр =1,16 мм; q_2пр =1,057 мм² ;d_2из = 1,24 мм;

d _3пр =0,27 мм; q_3пр =0,05726 мм² ;d_3из = 0,31 мм;

21. Действующие значения плотности тока во всех обмотках трансформатора:

j₁ =I₁ / q_{1 пр} ; j₁ =3,35/0,7238=4,63 A/мм² ;

j₂ =I₂ / q_{1 пр} ; j₁ =4,6 /1,057 =4,35 A/мм² ;

j₃ =I₃ / q_1пр ; j₁ =0,277/0,05726 =4,84 A/мм² ;

22. Удельные потери мощности в магнитопроводе трансформатора

P_Суд = P_{Суд H} (B_m /В_mH )² ; P_Суд =15,4 Вт/кг

23. P_c =P_Суд *m_c *10^-3 ; P_c =15,4*135*10^-3 =2,08 Вт

24. Потери мощности в обмотках

P_M =ρ(0,9* j₁ ² ** q_{1 пр} +1,1(j₂ ² *m₂ **q_{2 пр} + j₃ ² * *q_{3 пр} ))* l_M (1+α(t_Tmax -20))*10^-2 ;

P_M =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

P_T =P_C +P_M ; P_T =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:

∆t_T =P_T R_T , где R_T тепловое сопротивление трансформатора.

∆t_T =4,74*9,40=44,56 град/Вт

02. Установившаяся температура нагрева трансформатора:

t_T =t₀ +∆t_T ; t_T =30+44,56=74,56 ⁰ C

Установившаяся температура нагрева трансформатора не превышает максимально допустимого значения t_Tmax =120⁰ C

3. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА.

01. Выбирается бескаркасная намотка обмоток трансформатора (на гильзу.)

02. Ширина внутреннего прямоугольного отверстия изолирующей гильзы:

α_r =α+2δ_p , где δ_p величина радиального зазора между гильзой и несущим катушку стержнем магнитопровода.

α_r =12+2*1=14 мм

03. Толщина гильзы в радиальном направлении выбирается ∆_r =1 мм

05. Габаритная высота гильзы H_r =h-2δ₀ , где δ₀ =0,5 мм величина осевого зазора между щечкой каркаса или торцевой поверхностью гильзы и ярмом магнитопровода.

H_r =30-1=29 мм

06. Составляется план размещения обмоток в окне магнитопровода.

07. В качестве электроизоляционного материала применяем пропиточную бумагу ИЭП-63Б, β_мо =0,11 мм

08. Чисто слоев изоляционного материала:

n_{K вн} = U₁ /(m_k *175), для броневого трансформатора число стержней магнитопровода m_k =1

n_{K вн} = 24/(1*175)=1

09. Толщина внутренней изоляции катушки

∆_{K вн} = n_{K вн} *β_mo ;

∆_{K вн} = 1*0,11=0,11 мм

10. Высота слоя первичной обмотки

h₁ =H_r -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

w_1сл =k_y *h₁ /d_1из , где k_y =0,9 – усредненное значение коэффициента укладки

w_1сл =0,9*26/1,02=22

12. Число слоев первичной обмотки в катушке

n_1сл = w₁ /(m_k *w_1сл );

n_1сл =57/(1*22)=3

13. Определяем максимальное действующие значение между соседними слоями первичной обмоткой:

U_1mc =2*U₁ *w_{1 сл} /w₁ ;

U_{1 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; β_1мс =0,12 мм;

U_{1мс max} =71 B

15. Число слоев межслоевой изоляции между соседними слоями первичной обмотки:

n_1мс =U_1мс / U_{1мс max} ;

n_1мс =18,5 / 71=1

16. Толщина межслоевой изоляции между соседними слоями первичной обмотки:

∆_1мс = n_1мс *β_1мс ;

∆_1мс =1*0,12 =0,12 мм

17. Толщина первичной обмотки в катушке с учетом межслоевой изоляции:

a₁ =k_p [n_1сл * d_1из +( n_1сл -1) ∆_1мс ], где k_p =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:

U_2мо =max(U₁ /m_k ;m₂₁ *U₂₁ /m_k )=24 В;

19. Число слоев межобмоточной изоляции, поверх которой наматывается данная обмотка:

n_2мо =2, т.е. межобмоточная изоляция выполняется в два слоя

20. Толщина межобмоточной изоляции, поверх которой наматывается данная обмотка:

∆_{2 мо} =n_{2 мо} *β _мо ;

∆_{2 мо} =2*0,11=0,22 мм

21. Высота слоя обмотки, работающей на выпрямителе B:

h₂ =h₁ -2∆h_2,3 , где ∆h_2,3 =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:

w_2сл =k_y *h₂ /d_2из ;

w_2сл =0,9*25,5/1,24=18

23. Число слоев вторичных обмоток, работающих на выпрямитель, в катушке:

n_2сл =m₂ *w₂ /(m_k *w_2сл );

n_2сл =1*36/(1*18)=2

24. Максимальное действующее напряжение между соседними слоями:

U_{2 мс} =m₂ *U₂ /m_k ;

U_{2 мс} =1*15,3/1=15,3 В

25. Для вторичной обмотки, работающей на выпрямитель, выбираем электроизоляционный материал: кабельная бумага марки К-120;

β_2мс =0,12 мм; U_{2мс max} =71B

26. Для вторичной обмотки, работающей на выпрямитель, число слоев межслоевой изоляции между соседними слоями обмотки:

n_2мс =U_2м /U_{2мс max} ;

n_2мс =15,3/71=1

27. Для вторичной обмотки, работающей на выпрямитель, толщина межслоевой изоляции соседними слоями обмотки:

∆_{2 мс} =n_{2 мс} *β_{2 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 =k_p (n_{2 сл} *d_{2 из} +( n_{2 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:

U_{3 мо 1} =max(m_2z *U_2z /m_k ;U₃ /m_k );

U_3мо1 =36 В

30. Для вторичной обмотки, работающей непосредственно на нагрузку, определяем число слоев межобмоточной изоляции, поверх которой наматывается данная обмотка:

n_3мо =2

31. Для вторичной обмотки, работающей на нагрузку, толщина межобмоточной изоляции, поверх которой наматывается данная обмотка:

∆_3мо =n_3мол *β_мо ;

∆_3мо =2*0,11=0,22 мм

32. Для каждой вторичной обмотки, работающей на нагрузку, определяется высота слоя обмотки:

h₃ =h₁ -2(Z+ξ)∆h_2,3

h₃ =26-2(1+1)0,25=25 мм

33. Для каждой вторичной обмотки, работающей на нагрузку, число витков в одном слое обмотки:

w_{3 сл} =k_y *h₃ /d_{3 из} ;

w_3сл =0,9*25/0,31=72

34. Число слоев вторичной, работающей на нагрузку, в катушке

n_3сл = w₃ /(m_k *w_3сл );

n_3сл = 85/(1*72)=2

35. Для каждой из вторичной обмотки, работающей на нагрузку, определяется максимальное действующее напряжение между соседними слоями:

U_3мс =U₃ /m_k ;

U_3мс= 36/1=36 В

36. Для вторичной обмотки, работающей на нагрузку, выбираем электроизоляционный материал: телефонная бумага КТ-50, его толщина

β_3мс =0,05 мм; U_{3мс max} =57 B

37. Для вторичной обмотки, работающей на выпрямитель, число слоев межслоевой изоляции между соседними слоями обмотки:

n_3мс =U_3мс /U_{3мс max} ;

n_3мс =36/57=1

38. Для вторичной обмотки, работающей на нагрузку, толщина межобмоточной изоляции, поверх которой наматывается данная обмотка:

∆_3мс =n_3мс *β_3мс ;

∆_3мс =1*0,05=0,05 мм

39. Толщина каждой из вторичной обмотки, работающей на выпрямитель, в катушке с учетом межслоевой изоляции:

a₃ =k_p (n_3сл *d_3из +( n_3сл -1) ∆_3мс )

a₃ =1,15(2*0,31+(2-1) 0,05)= 0,77 мм

40. Число слоев изоляционного материала наружной изоляции катушки:

n_{K нар} =2

41. Толщина наружной изоляции катушки:

∆_{K ар} = n_{K нар} *β_мо ;

∆_{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:

a_k =∆_{K вн} +a₁ +∆_{2 мо} +a₂ +∆_{3 мо} +a₃ +∆_{K нар} a_k= 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-( δ_p +∆_r +a_k );

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.