Розрахунок трансформатора малої потужності

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розрахунок трансформатора малої потужності

Вступ

трансформатор стержневий броньовий

Трансформатори є невід'ємними елементами багатьох електричних пристроїв і застосовуються в різних галузях електроніки, зокрема в галузі енергозабезпечення. З їх допомогою здійснюється перетворення змінного струму. Цей статичний пристрій, перетворює змінний струм однієї напруги в перемінний струм іншої напруги, але такої ж частоти.

Частини трансформатора, які забезпечують процес перетворення енергії, -- магнітопровід й обмотки -- називають його активними частинами. А трансформатори великої потужності до того ж мають систему охолодження.

Частина магнітопровода, на якій розміщені обмотки, називається стержнем, а частина, яка замикає магнітопровід-- сердечником. В залежності від особливостей конструкції та застосування трансформатори поділяють на силові, зварювальні, вимірювальні та спеціальні.

За кількістю фаз трансформатори бувають однофазні та трьохфазні. А за типом магнітопровода трансформатори розподіляються на броньові, стержневі, кільцеві. Сердечники бувають броньові із Ш-подібних пластин (обмотки розміщені на середньому стержні) і стержньові з П-подібних пластин (обмотки розміщені на одному або на двох стержнях порівну).

Для розрахунку маємо слідуючі дані:

Таблиця1 -- Таблиця вихідних даних

№	,ВА	, В	, В	,%	,%	, Гц		Розрахункові умови
142	180	110	6	9	10	50	0,8	Мінімум маси

1. Розрахунок стержневого трансформатора з повітряним охолодженням

Для початку потрібно підібрати конструктивні розміри магнітопровода та марку електротехнічної сталі. Основні номінальні характеристики електротехнічної сталі (питомі втрати і магнітна індукція) обраної мною марки 1212 видно з таблиці 2.

Таблиця 2 -- Таблиця питомих втрат в електротехнічній сталі в залежності від товщини та їх значення магнітної індукції

Марка сталі	Товщина, мм	Питомі втрати, Вт/кг, не більш	Магнітна індукція В, Тл, при
1212	0, 5	3,1	1,5

Підібрані середні значення слідуючі:

ККД:

;

коефіцієнт заповнення сталі:

;

коефіцієнт заповнення вікна:

;

товщина стінки каркаса:

;

щільність струму:

;

Повітряний зазор Дp=0,5 мм

коефіцієнт магнітної індукції:

.

=180*0,9=162 В*А

За допомогою формули

S_P =S₁ =180 знаходжу S_ст*S_ок:

За результатом даного обчислення обираю стрічковий магнітопровід типу ПЛР25х25, конструктивні розміри якого відображені в таблиці 3.

Таблиця 3-- Конструктивні розміри стрічкового магнітопроводу типу ПЛР25х25

Типорозмір магнітопровода	а, мм	b, мм	с, мм	А,мм	Н,мм	h,мм		Масса, г, не більш
ПЛР25х25	25	25	28	78	150	100	25	-

Для того щоб знайти масу магнітопроводу, скористаємося формулою:

Де с=0,0082 г/см³-густина матеріалу,

V-об.єм,

V=2*Н*b*a+c*b(H-h)=2*15*2,5*2,5+2,8*2,5*(15-10)=222,5 см³

m=с*V=0,0082*222,5=1,825 кг

Sct*Soc=a*b*c*h=2,5*2,5*2,8*10=175cм⁴

Далі обчислюю струми в первинній обмотці:

I₁=S₁/U₁=180/110=1,636 A

та вторинній обмотці:

I₂=S₂/U₂=162/6=27 A

Активна потужність трансформатора становить:

За результатами слідуючих обчислень маю ЕРС в первинній і вторинній обмотках:

;

.

Далі обчислюємо ЕРС одного витка:

Sct=a*b=2,5*2,5=6,25 cм²

Е_1vit=4.44*f*B_м*S_ст*10^-4*К_ст=4.44*50*2,121*6,25*10^-4*0,9=0,265 В

Кількість витків в первинній і вторинній обмотках становить:

W₁=E₁/E_1vit =100,1/0,265=378

W₂=E₂/E_1vit =6,6/0,265=25

Bираховую площу перерізу:

g₁= I₁/j*1,15=1,636/2,63*1,15=0,541 мм²;

g₂= I₂/j*0,85=27/2,63*0,85=12,078 мм²

Мінімальний діаметр проводів первинної та вторинної обмоток становить:

Отримані значення діаметрів проводів підведу до їх номінальних значень та для кожної обмотки трансформатора визначаю відповідну марку провода, діаметр, масу 1 метра довжини:

Таблиця 4

Обмотка	Номінальний діаметр проводу по міді, мм	Маса одного метра мідного провода, г	Марка провода	Найбільший зовнішній діаметр проводу, мм
1	dn1=0,83	4,81	ПСДК	dp1=1,10
2	dn2=4,10	117	ПСДК	dp2=4,47

Вираховую справжню щільність струму в первинній і вторинній обмотках. За результатами обрахунків маю:

j₁=I₁*4/р*dn₁²=1636*4/ р*0,83²=3,024 A

j₂ =I₂*4/р*dn₂²=27*4/ р*4,10²=2,045 A

Кількість витків в одному шарі:

N₁= (h*10-2*hk-2*Дp)/dp₁=(10*10-2*3-2*0,5)/1,10=85

N₂=( h*10-2*hk-2*Дp)/dp₂=(10*10-2*3-2*0,5)/4,47=21

Кількість шарів

K₁= W₁/ 2*N₁ = 378/2*85=3

K₂= W₂/2* N₂ = 25/2*21=1

Далі рахую товщину первинної

б₁= dp_1* K₁+( K₁-1)* bmc₁+ 2*bmo=1,10*3+(3-1)*0,09+2*0,4=4,28 мм

і вторинної обмоток

б₂= dp_2* K₂+( K₂-1)* bmc₂+ bvn=4,47*1+(1-1)*0,4+0,4=4,87 мм

де bmc₁=0,09 мм- міжшарова ізоляція в первинній обмотці,

bmc₂=0,4 мм- міжшарова ізоляція в вторинній обмотці,

bmo= bmc₁=0,4 мм- між оболонкова ізоляція,

bvn= bmc₂=0,4 мм- зовнішня ізоляція.

Отже зазор між обмотками становить :

Д= c*10-2*( hk+Дp+б1+б2)=2,8*10-2(3+0,5+5,51+3,59)=2,8 мм

Середня лінія витка первинної обмотки дорівнює:

Lcp₁=(20*a+20*b+4*Дp+2*б₁+4*hk)/1000=(20*2,5+20*2,5+4*0,5+2*4,28+4*3)/1000=0,123 м

Середня лінія витка вторинної обмотки дорівнює:

Lcp₂=(20*a+20*b+4*Дp+2*б₂+4*б₁+4*hk)/1000=(20*2,5+20*2,5+4*0,5+2*4,87+4*4,28+4*3)/1000=0,141 м

Наступним кроком рахуємо вагу міді трансформатора:

Gm₁= Lcp₁*W₁*m₁/1000=0,123*378*4,81/1000=0,223кг;

Gm₂= Lcp₂*W₂*m₂/1000=0,141*25*117/1000=0,412 кг;

та загальну вагу міді:

Gm= Gm₁ + Gm₂=0,223+0,412=0,635 кг

Підставляю отримані вище значення у формулу й обчислюю втрати потужності в обмотках:

;

А втрати потужності в сталі маю такими(Pyd=3,1 Вт, з таблички 2):

Gct=m

Pct=Pyd*Gct=3,1*1,825=5,656

Відомо,що при частоті 50 Гц відношення втрат у міді до втрат у сталі повинно бути в межах від 1.2 до 2.5. Отже:

Pm/ Pct=9,967/5,656=1,762

А при розрахунку мінімуму маси відношення маси сталі до маси міді повинно лежати в межах від 2 до 3. Тому:

Gct/ Gm=1,825/0,635=2,874

ККД буде слідуючим:

з1=P₂*100/(P₂+Pm+Pct)=129,6*100/(129,6+9,967+5,656)=89,242

Наступний крок -- визначення опору проводів:

- питомий опір міді

2. Розрахунок броньового трансформатора з повітряним охолодженням

Спочатку обираю конструктивні розміри магнітопровода і марку електротехнічної сталі -- 1512. Основні номінальні характеристики відображені в таблиці 5.

Таблиця 5 -- Основні номінальні характеристики даної електротехнічної сталі

Марка сталі	Товщина, мм	Питомі втрати, Вт/кг, не більш	Магнітна індукція В, Тл, при
1512	0,5	3,1	1,29

Підбираю такі середні значення:

коефіцієнт корисної дії:

;

коефіцієнт заповнення сталі:

;

коефіцієнт заповнення вікна :

;

товщина стінки каркаса:

;

щільність струму:

;

коефіцієнт магнітної індукції:

За допомогою формули, зазначеної нижче знаходжу співвідношення S_ст*S_ок:

S_P =S₁ =180

Виходячи з отриманого значення обираю броньовий магнітопровід стрічкового типу ШЛ 25х40.

Таблиця 6 -- Конструктивні розміри броньового стрічкового трансформатора типу ШЛ 25х40

Тип магнітопровода	а, мм	b, мм	с, мм	h,мм		Маса, г, не більше
ШЛ 25х40	25	40	25	6,25	12,5	1470

Sct*Soc=a*b*c*h=2,5*4*2,5*6,25=156,25 cм⁴

Далі обчислюю струми в первинній обмотці:

I₁=S₁/U₁=180/110=1,636 A

та вторинній обмотці:

I₂=S₂/U₂=162/6=27 A

Активна потужність трансформатора становить:

За результатами слідуючих обчислень маю ЕРС в первинній і вторинній обмотках:

;

.

За наведеною нижче формулою визначаю ЕДС одного витка:

Sct=a*b=2,5*4=10cм²

Е_1vit=4.44*f*B_м*S_ст*10^-4*К_ст=4.44*50*1,824*10*10^-4*0,96=0,389 В

Кількість витків в обох обмотках слідуюча :

W₁=E₁/E_1vit =100,1/0,389=258

W₂=E₂/E_1vit =6,6/0,389=17

Наступний крок -- обрахунок площі перерізу і діаметра проводів обмоток. Маємо: g₁= I₁/j*1,15=1,636/2,79*1,15=0,51 мм²;

g₂= I₂/j*0,85=27/2,79*0,85=11,385 мм²

Отримані значення діаметрів проводів підведу до їх номінальних значень та для кожної обмотки трансформатора визначаю відповідну марку провода, діаметр, масу 1 метра довжини:

Таблиця 7

Обмотка	Номінальний діаметр проводу по міді, мм	Маса одного метра мідного провода, г	Марка провода	Найбільший зовнішній діаметр проводу, мм
1	dn1=0,83	4,81	ПСДК	dp1=1,10
2	dn2=4,10	117	ПСДК	dp2=4,47

Реальна щільність струму в обмотках:

j₁=I₁*4/р*dn₁²=1,636*4/ р*0,83²=3,024 A

j₂ =I₂*4/р*dn₂²=27*4/ р*4,10²=2,045 A

Визначаємо кількість витків в одному шарі:

N₁= (h*10-2*hk-2*Дp)/dp₁=(6,25*10-2*3-2*0,5)/1,10=51

N₂=( h*10-2*hk-2*Дp)/dp₂=(6,25*10-2*3-2*0,5)/4,47=13

Кількість шарів

K₁= W₁/ N₁ = 258/51=6

K₂= W₂/ N₂ = 17/13=2

Далі рахую товщину первинної

б₁= dp_1* K₁+( K₁-1)* bmc₁+ 2*bmo=1,10*6+(6-1)*0,09+2*0,24=7,53 мм

і вторинної обмоток

б₂= dp_2* K₂+( K₂-1)* bmc₂+ bvn=4,47*2+(2-1)*0,24+0,24=9,42мм

де bmc₁=0,09 мм- міжшарова ізоляція в первинній обмотці,

bmc₂=0,24 мм- міжшарова ізоляція в вторинній обмотці,

bmo= bmc₁=0,24 мм- між оболонкова ізоляція,

bvn= bmc₂=0,24 мм- зовнішня ізоляція.

Отже, зазор між обмоткой та магнітопроводом становить :

Д= c*10- ( hk+2*Дp+б1+б2)=2,5*10-(3+2*0,5+7,53+9,42)=4,05 мм

Середня лінія витка первинної обмотки дорівнює:

Lcp₁=(20*a+20*b+4*Дp+2*б₁+4*hk)/1000=(20*2,5+20*4+4*0,5+2*7,53+4*3)/1000=0,159 м

Середня лінія витка вторинної обмотки дорівнює:

Lcp₂=(20*a+20*b+4*Дp+2*б₂+4*б₁+4*hk)/1000=(20*2,5+20*4+4*0,5+2*9,42+4*7,53+4*3)/1000=0,193 м

Наступним кроком рахуємо вагу міді трансформатора:

Gm₁= Lcp₁*W₁*m₁/1000=0,159*258*4,81/1000=0,197 кг;

Gm₂= Lcp₂*W₂*m₂/1000=0,193*17*117/1000=0,384 кг;

та загальну вагу міді:

Gm= Gm₁ + Gm₂=0,197+0,384=0,581 кг

Підставляю отримані вище значення у формулу й обчислюю втрати потужності в обмотках:

;

А втрати потужності в сталі маю такими(Pyd=3,1):

Gct=m

Pct=Pyd*Gct=3,1*1,470=4,557 Вт

Відомо,що при частоті 50 Гц відношення втрат у міді до втрат у сталі повинно бути в межах від 1.2 до 2.5. Отже:

Pm/ Pct=9,039/4,557=1,983

А при розрахунку мінімуму маси відношення маси сталі до маси міді повинно лежати в межах від 2 до 3. Тому:

Gct/ Gm=1,470/0,581=2,529

ККД буде слідуючим:

з1=P₂*100/(P₂+Pm+Pct)=129,6*100/(129,6+9,039+4,557)=90,506

Наступний крок -- визначення опору проводів:

- питомий опір міді

Результати розрахунку стержньового і броньового трансформатора заношу до таблиці 8.

Таблиця 8 -- Результати розрахунку

№	Дані розрахунку	Тип магнітопроводу
		Броньовий	Стержневий стрічковий
1		180	180
2		162	162
3		1,29	1,5
4		1,636	1,636
5		27	27
6		258	378
7		17	25
8		0,806	0,83
9		3,807	3,921
10		0,581	0,635
11		1,470	1,825
12		9,039	9,967
13		4,557	5,656
14		1,983	1,762
15		2,529	2,874
16		90,506	89,242
17		1,289	1,456
18		0,004	0,005

Висновок

Стержневий і броньовий -- основні види трансформаторів, що експлуатуються на залізниці. Тому в цій курсовій роботі були здійснені розрахунки цих трансформаторів. Мета даної роботи -- освоїти методику оптимального проектування однофазних трансформаторів, тобто вибирати основні електричні і конструктивні параметри трансформатора: марку сталі сердечника, тип магнітопровода, магнітну індукцію, конструкцію. За даними розрахунків були накреслені дві проекції трансформатора із поздовжнім й поперечним перерізами, на яких вказані основні розміри сердечника обмоток, між обмотувальної ізоляції і каркасу котушок.

Використана література

1. Методические указания № 1011.

2. Бабаев М.М., Кустов Г.М., Светличный В.И. Методические указания к выполнению курсового проекта по электрическим машинам для студентов специальности «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте». - Часть 1: Расчет трансформаторов рельсовых цепей магистральных железных дорог. - Харьков, 1987.

3. Токарев Б.Ф. Электрические машины: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1990.-624 с.: ил. ISBN 5-283-00595-Х

4. Конспект лекцій.

Размещено на Allbest.ru