Каталог :: Радиоэлектроника

Курсовая: 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 U 3 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 электропитанияƒ400 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 0C

Макс. Температура нагрева трансформатора

tTmax

120 0C

Режим работыдлительный
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 IDnр, cp и наибольшее мгновенное значение обратного напряжения на диоде UDo бр,u,n : IDnр,cp=0,5I0=2,08 A UDo бр,u,n =1,57U0=18,84 U 02. Для выпрямителя B выбирается диод типа КД202А (Inр,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* UDnр,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+UBср); 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(U1I1+m2U2I2+ U3I3); 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 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 SC и площади окна под обмотки S 0 SCS0=( ST100)/(2,22*ƒ*Bm*j*kc*k0); SCS0=( 80,4 *100)/(2,22*400*1,36 *4,6*0,88*0,249)= 6,6 см4 14. Выбираем типоразмер магнитопровода – ШЛ12х16 (SCS0 =6,9см4); a=12 mm; b=16 mm; c=12 mm; h=30 mm; SC=1,92 см 2; 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 q3пр= I3/j; q3пр=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/ q1пр; j1=3,35/0,7238=4,63 A/мм2; j2=I2/ q1пр; 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= PСудH (BmmH )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* j12* * q1пр+1,1(j22*m2* *q2пр+ j32* *q3пр))* 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=PTRT, 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 0C Установившаяся температура нагрева трансформатора не превышает максимально допустимого значения tTmax=1200C 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 δ 0=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: nKвн = U1/(mk*175), для броневого трансформатора число стержней магнитопровода mk=1 nKвн = 24/(1*175)=1 09. Толщина внутренней изоляции катушки ∆Kвн = nKвнmo; ∆Kвн = 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*w1сл/w1; U1mc=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= n1мс1мс; ∆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: ∆2мо=n2момо; ∆2мо=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: U2мс=m2*U2/mk ; U2мс=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; U2мсmax=71B 26. Для вторичной обмотки, работающей на выпрямитель, число слоев межслоевой изоляции между соседними слоями обмотки: n2мс=U/U2мсmax; n2мс =15,3/71=1 27. Для вторичной обмотки, работающей на выпрямитель, толщина межслоевой изоляции соседними слоями обмотки: ∆2мс=n2мс2мс; ∆2мс=1*0,12=0,12 мм 28. Толщина каждой из вторичной обмотки, работающей на выпрямитель, в катушке с учетом межслоевой изоляции: a2=kp(n2сл*d2из+( n2сл -1) ∆2мс) 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: U3мо1=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=n3молмо; ∆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: w3сл=ky*h3/d3из; 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; U3мсmax=57 B 37. Для вторичной обмотки, работающей на выпрямитель, число слоев межслоевой изоляции между соседними слоями обмотки: n3мс=U3мс/U3мсmax; n3мс =36/57=1 38. Для вторичной обмотки, работающей на нагрузку, толщина межобмоточной изоляции, поверх которой наматывается данная обмотка: ∆3мс=n3мс3мс; ∆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: nKнар=2 41. Толщина наружной изоляции катушки: ∆Kар= nKнармо; ∆Kар= 2*0,11=0,22 мм 42. Толщина катушки в радиальном направлении с учетом изоляции на гильзе, межобмоточной изоляций и наружной изоляции катушки: ak=∆Kвн+a1+∆2 мо+a2+∆3мо+a3+∆ Kнар 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.