Расчет трансформатора
Расчет эквивалентной схемы замещения трансформатора, учитывающей различные распределенные параметры реального трансформатора, и по математической модели проанализированы искажения, вносимые индуктивностями рассеяния, собственными ёмкостями обмоток.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 20.12.2012 |
| Размер файла | 1,7 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Введение
Среди разнообразных электротехнических устройств трансформаторы по широте распространения и универсальности применения занимают одно из первых мест. Трансформаторы входят в состав большинства электротехнических аппаратов и приборов. Их применяют в схемах источников питания радиоэлектронной аппаратуры различного назначения, в схемах электробытовых приборов, на силовых подстанциях коммунальных, промышленных тяговых сетей.
Однако применение трансформаторов не ограничивается этими областями. Трансформаторы широко используют в усилителях и генераторах низкой (звуковой) частоты в качестве межкаскадных и выходных трансформаторов, а также в цепях высокочастотных контуров приемно-усилительных устройств. Специальные импульсные трансформаторы применяют в различных импульсных схемах современной радиоаппаратуры. Трансформаторы, работающие в особом режиме, используют в схемах транзисторных преобразователей напряжения (инверторов), которые служат для преобразования постоянного напряжения в переменное.
Источники вторичного питания радиоэлектронной аппаратуры за последние годы существенно изменились. Это вызвано непрерывным стремлением уменьшить их массу и габариты, повысить КПД за счет применения наиболее рациональных схем, использование высокочастотного преобразования энергии постоянного тока, экономичных импульсных методов регулирования, интегральных микросхем. Повысились также требования к питающим напряжениям. Номинальные значения напряжений теперь составляют единицы и десятки вольт при токах нагрузки в десятки и даже сотни ампер. Это привело к созданию разнообразных структурных схем построения источников вторичного электропитания, каждая из которых находит применение в конкретных условиях.
Мощность, габаритные размеры масса различных трансформаторов варьируется в очень широких пределах. Мощность, отдаваемая трансформатором в нагрузку, может лежать в пределах от единиц ватт до тысяч киловатт. Соответственно, габаритные размеры могут быть в пределах от долей сантиметра до нескольких метров, а масса от единиц граммов до десятков тонн.
В зависимости от областей применения трансформаторы можно разделить на следующие основные группы:
силовые трансформаторы вторичного электропитания (трансформаторы малой и большой мощности);
трансформаторы для инверторов;
трансформаторы низкой (звуковой) частоты;
высокочастотные трансформаторы;
импульсные трансформаторы.
Требования, предъявляемые к трансформаторам различных групп, существенно отличаются друг от друга. Например, одним из основных показателей трансформаторов электропитания являются КПД для трансформаторов большой мощности и превышение температуры для трансформаторов малой мощности, для трансформаторов низкой частоты важным параметром является частотная характеристика; для оценки высокочастотных трансформаторов используется значение их добротности; импульсные трансформаторы характеризуются степенью искажения трансформированного импульса; трансформаторы для преобразования напряжения (инверторов) должны иметь магнитопровод из материала малыми удельными потерями и с прямоугольной петлей перемагничивания.
Понятие оптимальности трансформатора малой мощности обычно определяется в зависимости от назначения этого трансформатора и характеризуется выгодными технико-экономическими показателями. Под технико-экономическими показателями трансформатора понимается масса, объем или стоимость его, приходящейся на единицу мощности, а также характеристика его качества.
Разнообразие требований, предъявляемых к трансформаторам отдельных групп, естественно, приводит к значительным различиям в методах их расчета и конструирования. Поэтому для каждой группы трансформаторов имеется своя специализированная литература.
В данном курсовом проекте рассмотрены расчет и конструирование несинусоидального трансформатора малой мощности.
Задание
Спроектировать согласующий трансформатор со следующими параметрами:
|
Амплитуда напряжения первичной обмотки |
||
|
Амплитуда напряжения вторичной обмотки |
||
|
Мощность |
||
|
Перегрев |
||
|
Максимальная температура |
||
|
Половина периода входного напряжения |
||
|
Длительность импульса входного напряжения |
||
|
Рабочая частота |
Временная зависимость представлена на рис. 1.
Рис. 1
1. Выбор материала
Магнитные материалы в основном определяют массогабаритные и энергетические характеристики трансформаторов малой мощности (ТММ). Высокая индукция насыщения и малые удельные потери в материале магнитопровода позволяют выполнить ТММ с меньшими габаритами и массой, а также с более высоким КПД
Частота:
Наибольшее применение для ТММ на частотах от 50 Гц до 10кГц находят электролитические стали 3422, 3423, 3424, 3425 с толщиной ленты 0,05-0,08 мм. Выбираем материал сталь 3425 с толщиной ленты 0,05 мм с параметрами: ; ; ; А=486 ; kр =1.6.
2. Определение объема магнитопровода
Определим критическую частоту работы трансформатора:
Так как f<fкр, то в выражение для определения объема магнитопровода подставляем f.
Определяем объем магнитопровода Vм:
принимаем km=0.25, тогда:
3. Выбор магнитопровода
Ввиду того, что у торроидальных магнитопроводов наилучшие параметры по сравнению с другими типами магнитопроводов, выбираем магнитопровод марки ОЛ 25/40-25 с следующими параметрами:
площадь окна ;
произведение ;
сечение ;
объем магнитопровода Vм=19.176см2;
средняя линия lср=10.2 см
Коэффициент трансформации:
.
Действующие значения напряжений
Рис. 2. Разложение в ряд Фурье
Используя программу OrCad, смоделируем входное напряжение трансформатора и определим его спектральный состав. Разложение входного сигнала в ряд Фурье представлено на рис. 2
- амплитуда первой гармоники входного напряжения
- действующее значение входного напряжения
Определение оптимальной магнитной индукции.
,
где - мощность трансформатора, соответствующая первой гармонике напряжения.
,
- приведенное сопротивление нагрузки
Число витков.
Потери мощности в магнитопроводе.
Мощность потерь в магнитопроводе:
Вт.
В·с/см2,
Где г=2·104 1 / Ом·см, t0=0.707·tи.
Минимум мощности потерь в трансформаторе имеет место, когда PM=Pоб. иB - постоянная времени установления вихревых токов.
Определим иB:
.
Магнитная проницаемость материала ма определяется по значению Нт, которое, в свою очередь, находится для В·с/см2; 1.31/80=0.016 Гн/м=1.6·10-4 Гн/см.
Т. о., с=4 мкс(t0>иB).
Плотность тока.
Во вторичной обмотке плотность тока может быть больше, поэтому берем плотность для первичной обмотки:
Выбор проводов.
, где
Из-за того, что диаметр провода в первичной и вторичной обмотке довольно большой и мотать его будет на такой сердечник не так технологично, для первичной обмотки возьмём провод в 12 раз меньшей площади, намотает им 12 секций обмоток с рассчитанным количеством витков, а потом эти секции соединим параллельно. Для вторичной обмотки выполним 14 секций.
Выбираем провод ПЭЛ по ГОСТ 26615-85, тип 1:
|
номинальный диаметр медной проволоки, мм |
площадь поперечного сечения, мм2 |
максимальный наружный диаметр, мм |
минимальное пробивное напряжение, В |
|
|
0.53 |
0.221 |
0.579 |
2500 |
|
|
1.2 |
1.131 |
1.325 |
3. Распределение проводов по окну.
Найдем число витков, которые могут поместиться на магнитопроводе в один ряд.
а) первичная обмотка:
Рис. 3
Для этого найдем длину окружности радиуса , проходящую через центры поперечного сечения витков:
Число витков:
Следовательно, первичная обмотка укладывается в два слоя по 6 секций.
Таким образом, 14 секций вторичной обмотки укладываются в один слой поверх двух слоев первичной обмотки.
Определение добавочных потерь.
Коэффициент добавочных потерь:
,
где n=I, II, III
-действующее значение n-ой гармоники тока.
Считая, что напряжение в первичной обмотке трансформатора передается без искажений, можно найти ток следующим образом:
, .
Разлагаем в ряд Фурье напряжение:
,
где m - число слоев обмотки;
n - число эквивалентных проводов прямоугольного сечения.
Так как в трансформаторе мы используем многожильные провода, поэтому произведем расчет коэффициентов n1p и n2p, учитывающих использование таких проводов в качестве обмотки:
В нашем случае ;
- диаметр жилы реального провода без изоляции.
;
;
Коэффициент заполнения по меди.
;
;
;
.
Потери в проводах обмотки.
;
;
мОм;
Вт.
;
мОм;
Вт.
Вт;
Суммарные потери.
Вт.
КПД трансформатора.
.
Индуктивность рассеяния.
, где:
N=26 - общее число секций первичной и вторичной обмоток;
А - средняя толщина намотки секции (в направлении, перпендикулярном средней линии магнитопровода):
,
где и -средняя толщина секций;
мм.;
l-расстояние между соседними секциями, измеренными вдоль средней линии секции:
см;
см-радиус средней силовой линии магнитного поля магнитопровода.
см;
мкГн.
мкГн.
Расчет собственных емкостей обмоток.
Выбор изоляции.
В торроидальных ТММ обмотки укладываются на изолированный и магнитопровод. Изоляционные материалы обеспечивают электрическую изоляцию в ТММ и защиту их от внешних воздействий. Для межслоевой, межобмоточной и наружной изоляции наиболее используется бумага и пленка, а для пропитки и заливки - различные лаки и компаунды.
Для пропитки и заливки ТММ при температуре до в основном применяется лак ФЛ-98.
Расчет тепловых режимов.
.
- сопротивление обмотки при наличии распределенного источника тепла. Здесь:
- реальная толщина обмотки;
h - длина средней линии обмоток;
, см,
, см - эквивалентная длина обмотки, которая учитывает увеличение теплоотдачи за счет наличия торцевых поверхностей.
Вт/см·?С - коэффициент теплопроводности для пропитанной обмотки;
см - периметр среднего витка обмотки.
?C/Вт;
- сопротивление обмотки без источника тепла.
?C/Вт;
Вт/см·?С - коэффициент теплоотдачи для случая расположения элемента в свободном воздушном пространстве при нормальных условиях.
, сопротивление для границы поверхность обмотки - окружающая среда.
Найдем, поверхность охлаждения обмотки :
?C/Вт
Рис. 4
В этом режиме тепловой поток, создаваемый потерями в обмотке, рассеивается в окружающую среду только через поверхность обмотки. Тепловой поток, обусловленный потерями в магнитопроводе, может идти двумя путями: одна его часть проходит через поверхность магнитопровода, а часть - через обмотку.
В нашем случае обмотка занимает всю поверхность магнитопровода, поэтому получаем перегрев:
.
?С.
Расчет перегрева поверхности и среднего перегрева обмотки.
?С.
=73.4?С.
Расчет показывает, что перегрев поверхности трансформатора не превышает допустимый в соответствии с заданием 80 ?С.
4. Расчет схемы замещения трансформатора
пФ
мкГн.
мкГн.
мОм.
мОм.
Ом.
- сопротивление, учитывающее активные потери в магнитопроводе.
- мощность потерь в магнитопроводе;
- индуктивность намагничивающего контура, где
- магнитная проницаемость материала;
- площадь сечения магнитопровода;
- число витков обмотки;
- длина средней линии магнитопровода;
Найдем материала, для чего возьмем из справочника значение и напряженность в точке вблизи середины рабочей части характеристики:
Рис. 5. Кривые намагничивания стали 3425
Линеаризуем характеристику по этой точке и началу координат. Тогда средняя проницаемость определится по формуле:
.
=2.83 мГн
Рис. 6. Схема замещения трансформатора
5. Моделирование трансформатора в среде OrCAD
Рис. 7. Эквивалентная модель трансформатора в OrCAD
Рис. 8. Входное и выходное напряжение при частоте 1 кГц
Заключение
В данном курсовом проекте в качестве основной величины, определяющий размеры трансформатора выбран объем магнитопровода. Анализ электромагнитных процессов в магнитопроводе и в обмотках позволил учесть различные факторы, влияющие на расчет трансформатора с помощью коэффициентов, числовые значения которых можно определить: коэффициент, учитывающий потери в магнитопроводе (А); коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления провода вследствие поверхностного эффекта (kдоб).
В ходе курсового проектирования определено оптимальное значение магнитной индукции. Из этого найдено и другой важный параметр - плотность тока в проводах обмоток. Плотность тока в обмотках (соответственно и выбор сечения провода) правильнее рассчитывать исходя из минимума мощности потерь в обмотках. Однако, так как процессы в трансформаторе взаимосвязаны, выбор сечений проводов нельзя проводить без расчета всего трансформатора.
Для уменьшения габаритных размеров и массы трансформатора увеличивают частоту, на которой он должен работать. Увеличение частоты приводит к повышению затрат на изготовление трансформатора.
Уменьшение объёма трансформатора происходит до некой критической частоты, далее объём трансформатора остается неизменным. В ходе курсового проектирования была определена данная частота.
В конце курсового проектирования рассчитана эквивалентная схема замещения трансформатора, учитывающие различные распределенные параметры реального трансформатора, и затем по математической модели проанализированы искажения, вносимые индуктивностями рассеяния, собственными ёмкостями обмоток и т.д.
Список литературы
трансформатор искажение индуктивность обмотка
Грязнов Н.М. Трансформаторы и дроссели в импульсных устройствах. М.: Радио и связь. 1986 г.
Вдовин С.С. Проектирование импульсных трансформаторов. М.: Энергоатомиздат. 1991.
Ю.Н. Стародубцев. Теория и расчет трансформаторов малой мощности. М.: ИП «РадиоСофт». 2005.
Хныков А.В. Теория и расчет трансформаторов М.: СОЛОН-Пресс. 2004 г.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Определение основных электрических параметров и размеров трансформатора, расчет обмоток, выбор его схемы и конструкции. Параметры короткого замыкания. Тепловой расчет исследуемого трехфазного трансформатора. Окончательный расчет магнитной системы.
курсовая работа [984,2 K], добавлен 29.05.2012Расчет основных электрических величин трансформатора. Определение размеров главной изоляции обмоток. Выбор материала магнитной системы. Расчет обмоток трансформатора. Проверка обмоток трансформатора на механическую прочность при коротком замыкании.
курсовая работа [5,8 M], добавлен 17.06.2012Проект трансформатора, электрические параметры: мощность фазы, значение тока и напряжения; основные размеры. Расчет обмоток; характеристики короткого замыкания; расчет стержня, ярма, веса стали, потерь, тока холостого хода; определение КПД трансформатора.
учебное пособие [576,7 K], добавлен 21.11.2012Определение геометрических параметров трансформатора. Выбор схемы магнитопровода. Расчет обмоток высокого и низкого напряжения, потерь мощности короткого замыкания, тока холостого хода трансформатора, бака и радиаторов. Размещение отводов и вводов.
курсовая работа [926,2 K], добавлен 09.05.2015Расчет основных электрических величин, размеров и обмоток трансформатора. Определение потерь короткого замыкания. Расчет магнитной системы и определение параметров холостого хода. Определение механических сил в обмотках и нагрева обмоток трансформатора.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 19.09.2019Расчет основных электрических величин и изоляционных расстояний, определение размеров трансформатора. Вычисление параметров короткого замыкания, магнитной системы, потерь и тока холостого хода. Тепловой расчет трансформатора, его обмоток и бака.
курсовая работа [4,4 M], добавлен 06.11.2014Габаритная мощность трансформатора. Плотность тока в обмотках трансформатора преобразователя. Броневые ленточные магнитопроводы. Число витков вторичных обмоток. Перегрев сердечника по отношению к окружающей среде. Толщина катушки трансформатора.
контрольная работа [263,4 K], добавлен 26.11.2009Определение основных размеров трансформатора. Рассмотрение параметров короткого замыкания. Выбор типа обмоток трехфазного трансформатора. Определение размеров ярма и сердечника в магнитной системе. Тепловой расчет трансформатора и охладительной системы.
курсовая работа [2,4 M], добавлен 07.05.2019Мощность одной фазы и одного стержня трансформатора. Выбор схемы конструкции и изготовления магнитной системы. Расчет трансформатора и выбор соотношений конструкции обмоток размеров с учетом заданных значений. Определение параметров короткого замыкания.
курсовая работа [202,8 K], добавлен 11.10.2012Методика и основные этапы проведения расчета обмоток заданного трансформатора низких и высоких напряжений. Определение потерь короткого замыкания. Тепловой расчет трансформатора. Определение средних температур обмоток, по нормативам и фактических.
контрольная работа [339,9 K], добавлен 18.04.2014
