Радиоэлектроника

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.


смотреть на рефераты похожие на "Расчет силового трансформатора"