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 cos?3, равным отношению активной составляющей
мощности к полной мощности, потребляемой нагрузкой.
Начальные данные:
|Напряжение источника электропитания |U1 |24 B |
|Частота напряжения источника электропитания |f |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 |cos?3 |0,35 |
|Температура окружающей среды |t0 |30 0C |
|Макс. Температура нагрева трансформатора |tTmax |120 0C |
|Режим работы |длительный |
[pic]
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 UDnр,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,
?C=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
SCS0=( ST100)/(2,22*f*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 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, ?
U1%=3,5% и падений напряжения во вторичных обмотках, в % от
соответствующих номинальных значении U2 и U3 равные друг другу ?
U2,3%=4,4%
16. Число витков [pic];
[pic]=57
17. Число витков на выпрямителе B:
[pic];
[pic]=36
Число витков на вторичной обмотке подключенной непосредственно к
нагрузке H3 :
[pic]; [pic]=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 (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=?(0,9* j12*[pic]* q1пр+1,1(j22*m2*[pic]*q2пр+ j32* [pic]*q3пр))* lM
(1+?(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
[pic];
[pic]=92,8%
27. [pic]
[pic]=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.)
[pic]
02. Ширина внутреннего прямоугольного отверстия изолирующей гильзы:
?r =?+2?p, где ?p величина радиального зазора между гильзой и несущим
катушку стержнем магнитопровода.
?r =12+2*1=14 мм
03. Толщина гильзы в радиальном направлении выбирается ?r=1 мм
05. Габаритная высота гильзы Hr=h-2?0, где ?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.
[pic]
07. В качестве электроизоляционного материала применяем пропиточную
бумагу ИЭП-63Б, ?мо=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 = nKвн*?mo;
?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; ?1мс=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*?1мс;
?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=n2мо*? мо;
?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;
?2мс=0,12 мм; U2мсmax=71B
26. Для вторичной обмотки, работающей на выпрямитель, число слоев
межслоевой изоляции между соседними слоями обмотки:
n2мс=U2м/U2мсmax;
n2мс =15,3/71=1
27. Для вторичной обмотки, работающей на выпрямитель, толщина межслоевой
изоляции соседними слоями обмотки:
?2мс=n2мс*?2мс;
?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=n3мол*?мо;
?3мо=2*0,11=0,22 мм
32. Для каждой вторичной обмотки, работающей на нагрузку, определяется
высота слоя обмотки:
h3=h1-2(Z+?)?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
?3мс=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=n3мс*?3мс;
?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= nKнар*?мо;
?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+?2мо+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:
?=c-( ?p+?r+ak);
?=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. |
