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.