Расчет силового трансформатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

"НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Расчетно-пояснительная записка к курсовой работе

Расчет силового трансформатора

Исполнитель

Студент, группы 1Б83

Д.Н. Коржеманов

Руководитель, преподаватель

В. М. Мартемьянов

Томск -2012



Содержание

Введение

1. Принцип работы трансформатора и материалы, применяемые при его изготовлении

2. Расчет трансформатора

2.1 Выбор магнитопровода

2.2 Расчет обмоток

2.3 Расчет полного тока первичной обмотки

2.4 Выбор обмоточных проводов

2.5 Проверка размещения обмоток в окне магнитопровода

2.6 Расчет тока и напряжения холостого хода

2.7 Определение суммарных потерь в меди

2.8 Определение суммарных потерь в стали

2.9 Определение температуры перегрева и КПД трансформатора

3. Описание конструкции и метода изготовления трансформатора

Заключение

Список литературы



Введение

Статические электромагнитные устройства, используемые для преобразования электрической энергии и ее передачи из одних цепей в другие, называются трансформаторами. С помощью трансформаторов можно преобразовывать основные параметры электрической энергии в цепях переменного тока: напряжение, силу тока и форму кривой. [2]

Трансформаторы малой мощности имеют обширную классификацию. Наиболее широкое применение находят силовые трансформаторы. Они являются неотъемлемой частью схем многих элементов автоматики. Требования к таким трансформаторам определяются в основном их назначением. При массовом выпуске прежде всего учитываются удельные массогабаритные показатели, надежность и стоимость.

Стремление максимально использовать возможности магнитного материала выбором высоких значений магнитной индукции позволяет снизить массу, габариты и стоимость трансформатора. Под надежностью трансформатора понимается его способность безотказно работать с неизменными техническими характеристиками в течение заданного времени и при определенных условиях эксплуатации. В настоящей курсовой работе необходимо рассчитать понижающий тороидальный силовой трансформатор малой мощности с требованием минимальных массогабаритных характеристик. В данной работе содержится три раздела: в первом разделе приводится принцип работы трансформатора и материалы, применяемые при его изготовлении; во втором разделе необходимо рассчитать силовой трансформатор (выбрать магнитопровод, рассчитать обмотки и выбрать марку обмоточных проводов, определить окончательные размеры и вес трансформатора, рассчитать потери в меди и стали, определить температуру перегрева и КПД трансформатора; в третьем - описать конструкцию и метод изготовления трансформатора.



1. Принцип работы трансформатора и материалы применяемые при его изготовлении

Трансформатор - это статическое электромагнитное устройство, которое служит для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения. По роду питающего переменного напряжения силовые трансформаторы малой мощности могут быть одно- и трехфазными. Диапазон мощностей этих трансформаторов находится в пределах от единиц до нескольких сотен вольт-ампер, а напряжений - от единиц до нескольких тысяч вольт. Принципиальное устройство однофазного трансформатора представлено на рисунке 1.1. Как показывает рисунок, трансформатор состоит из двух основных частей: замкнутой магнитной цепи, собираемой из электротехнической стали и называемой сердечником 1 трансформатора, и двух или более отдельных обмоток 2, располагаемых на этом сердечнике.

Рисунок 1.1. Принципиальное устройство однофазного трансформатора.

Принцип действия трансформатора заключается в следующем (см. рис. 1.1). При подведении из сети к его обмотке с числом витков переменного напряжения по ней будет протекать соответствующий ток , который создаст в сердечнике переменное магнитное поле. Силовые линии этого поля пронизывают как первую обмотку с числом витков , так и вторую с числом витков . Ввиду этого в обмотках, по закону электромагнитной индукции, индуцируются соответствующие ЭДС: в первой обмотке - ЭДС самоиндукции , а во второй - ЭДС взаимоиндукции Первую обмотку трансформатора, включаемую в питающую цепь, условно называют первичной, а вторую обмотку, от которой получают электрическую энергию переменного тока, - вторичной. Передатчиком энергии переменного тока из первичной цепи трансформатора во вторичную является магнитное поле в сердечнике, сцепляющееся с обмотками. Если первичная и вторичная обмотка с числами витков пронизываются общим переменным магнитным потоком Ф (Вб), то, по закону электромагнитной индукции, мгновенные значения первичной и вторичной ЭДС этих обмоток:

(1.1)

Отношение первичной ЭДС к вторичной называют коэффициентом трансформации трансформатора:

(1.2)

Трансформатор, у которого называют повышающим, при обратном соотношении ЭДС - понижающим.

Трансформаторы малой мощности находят широкое применение в современных устройствах автоматики, работающих в различных условиях. В связи с этим к конструкции трансформаторов малой мощности предъявляют следующие требования: механическая прочность, нагревостойкость, влагостойкость, электрическая прочность, надежность и технологичность.

Для изготовления магнитопроводов применяют электротехнические стали, пермаллои и ферриты. Пермаллой -- прецизионный сплав с магнитно-мягкими свойствами, состоящий из железа и никеля (45-82 % Ni). Сплав обладает высокой магнитной проницаемостью, малой коэрцитивной силой, почти нулевой магнитострикцией и значительным магниторезистивным эффектом. Благодаря низкой магнитострикции сплав применяется в прецизионных магнито-механических устройствах и других устройствах, где требуется стабильность размеров в меняющемся магнитном поле. Недостатки пермаллоя: для обеспечения наилучших свойств необходимо использование защитного кожуха, дороговизна, низкое значение индукции B_max. Ферриты используют в трансформаторах, работающих на больших частотах. В остальных случаях применяют электротехническую сталь. По сравнению с конструкционными сталями, она имеет более высокую магнитную проницаемость и низкие удельные потери. Это обусловлено более высоким удельным электрическим сопротивлением. Для уменьшения потерь на вихревые токи сердечники трансформаторов либо шихтуются, либо навиваются из ленты электротехнической стали. Листовая электротехническая сталь изготавливается методами горячей и холодной прокатки, а ленточная - только методом холодной прокатки. В настоящее время почти всегда используется холоднокатаная анизотропная электротехническая сталь.

Надежность трансформатора зависит от выбора электроизоляционных материалов. Изоляция обмоток подразделяется на корпусную, слоевую, межобмоточную и наружную. Слоевую изоляцию прокладывают при намотке либо через каждый слой, либо через несколько слоев. В качестве изоляции используют материалы толщиной в сотые доли миллиметра -- бумаги, тканевые материалы, синтетические пленки (лавсан, фторопласт). Выбор материала определяется рабочей температурой, условиями пропитки, требуемой надежностью, его толщина -- диаметрами проводов. Межобмоточная изоляция принципиально выполняется так же, как слоевая, но укладывается обычно в несколько слоев, число которых зависит от испытательного напряжения между обмотками. Наружная изоляция служит для защиты трансформатора от механических и других воздействий внешней среды, в частности от повышенной влажности. Наиболее радикальное решение этой проблемы -- герметизация трансформатора в кожухе. Применяют также заливку трансформаторов термореактивным компаундом. И то и другое значительно увеличивает габариты и вес трансформаторов.

Обмоточные провода представляют собой проволоку круглого или прямоугольного сечения, покрытую изоляцией, которая предохраняет от замыкания расположенные рядом витки обмотки. Для изготовления обмоток трансформаторов применяется в основном медь, обладающая хорошей электропроводимостью, достаточной стойкостью к коррозии, прочностью и пластичностью, также медь хорошо паяется и сваривается.



2. Расчет трансформатора

2.1 Выбор магнитопровода

Тороидальный магнитопровод будет обладать наилучшими магнитными характеристиками при ленточной намотке. Поэтому для сердечника трансформатора будем использовать ленту толщиной 0.35 мм из электротехнической стали 3411 обладающей низкими удельными потерями, повышенной магнитной проницаемостью, позволяющей повысить индукцию в магнитной системе до В=1.35 Тл. Такое повышение индукции дает возможность уменьшить массу стали, сделать магнитную систему более компактной и уменьшить вследствие этого массу металла обмоток, а также получить трансформатор с меньшими потерями и током холостого хода и меньшими потерями короткого замыкания. В настоящее время для магнитных систем силовых трансформаторов применяется почти исключительно холоднокатаная рулонная сталь с толщиной 0.35 мм, имеющая удельные потери на 25-30% ниже, чем сталь тех же марок с толщиной 0.5 мм [7]. Низкие удельные потери при этом являются решающим экономическим фактором. Сталь 341, старое название которой Э310 является холоднокатаной анизотропной с ребровой структурой, с содержанием кремния от 2.8 до 3.8 % и удельными потерями 1.32 Вт/кг при указанной толщине и максимальной индукции 1.35 Тл на частоте 50 Гц. Легирование кремнием повышает удельное электрическое сопротивление, снижает потери на вихревые токи, увеличивает магнитную проницаемость, уменьшает коэрцитивную силу и потери на гистерезис [3].

Определим мощность, отдаваемую трансформатором в нагрузку:

(2.1)



Определим размеры магнитопровода, необходимые для получения от трансформатора заданной мощности [1]:

(2.2)

где площадь окна магнитопровода, см²;

площадь сечения магнитопровода, см²;

коэффициент полезного действия трансформатора, найден по графику (рис. 2.1), в зависимости от мощности отдаваемой трансформатором в нагрузку;

Рисунок 2.1. Зависимость КПД от мощности трансформатора. [1]

частота питающей цепи;

значение допустимой индукции в магнитопроводе выбираем из графика кривой намагничивания стали 3411 (рис. 2.2);



Рисунок 2.2. Зависимость магнитной индукции от напряженности поля в кольцевом сердечнике из стали 3411 толщиной 0.35 мм (50 Гц) (кривая 1).

плотность тока, выбираем из рекомендуемого диапазона значений [2];

коэффициент заполнения сечения магнитопровода сталью для ленточных магнитовоподов при толщине 0.35 мм [2];

коэффициент заполнения намоточного окна медью определяем по графику (рис. 2.3) в зависимости от мощности отдаваемой трансформатором в нагрузку

Рисунок 2.3. Зависимость от мощности тороидального трансформатора. [1]



По найденному значению выбираем магнитопровод ОЛ 45/69-25 [2] (рис. 2.4), с характеристиками приведенными в таблице 2.1.

Рисунок 2.4. Тороидальный ленточный магнитопровод типа ОЛ.

Таблица 2.1

Магнитопровод	Размеры, мм	Справочные данные
	d	a	B	D	,см2	,см	,см4	,кг	,см2
ОЛ 45/69-25	45	12	25	69	3	17.9	41	0.349	13.9

2.2 Расчет обмоток

Вычислим ЭДС одного витка [1]:

(2.3)

где ² -- сечение магнитопровода выбираем из таблицы 2.1.

Определим число витков первичной обмотки [1]:

(2.4)



где ЭДС первичной обмотки, В;

Рисунок 2.5. Зависимость от мощности тороидального трансформатора.

напряжение питающей цепи

падение напряжения на обмотках определяем по графику (рис. 2.5)

Произведем уточнение значения ЭДС одного витка [1]:

трансформатор магнитопровод ток обмотка

(2.5)

Вычислим число витков вторичной обмотки по формуле [1]:

(2.6)

где ЭДС вторичной обмотки;

напряжение вторичной обмотки.



2.3 Расчет полного тока первичной обмотки

Определим ток холостого хода при магнитной индукции

по формуле [1]:

(2.7)

где средняя длина магнитной силовой линии, берем из таблицы 2.1;

напряженность магнитного поля, определяем по кривой намагничивания (рис. 2.2)

Вычислим ток намагничивания магнитопровода при нагрузке [1]:

; (2.8)

где ток, вызванный потерями в магнитопроводе;

удельные потери в магнитопроводе [2] масса магнитопровода, берем из таблицы 2.1.

Рассчитаем полный ток первичной обмотки [1]:

(2.9)

где ток в первичной обмотке без учета потерь в магнитопроводе и тока намагничивания при работе на активную нагрузку, равный



(2.10)

2.4 Выбор обмоточных проводов

Определим диаметры обмоточных проводов для первичной и вторичной обмоток.

(2.11)

.

Выбираем для обмоток провод ПЭТ-155 изолированный лаком на полиэфиримидной основе, имеющий температурный индекс 155. Пробивное напряжение от 700 до 3000 В. Геометрические данные для провода ПЭТ-155 приведены в таблице 2.2. [4]

Таблица 2.2

Обмотка	Номинальный диаметр проволоки по меди, мм	Расчетное сечение, мм2	Диаметр провода с изоляцией, мм
Первичная	0.3	0.070	0.352
Вторичная	1.7	2.268	1.81

Уточним величины плотности тока в обмотках [1]:

(2.12)



2.5 Проверка размещения обмоток в окне магнитопровода

Прежде чем приступить к конструктивному расчету обмоток, введем следующие обозначения (рис. 2.6) [2]:

- наружный и внутренний диаметры магнитопровода;

то же после изолирования магнитопровода;

то же после укладки первичной обмотки;

то же после укладки поверх первичной обмотки междуслоевой изоляции;

то же после укладки вторичной обмотки;

то же после после укладки поверх вторичной обмотки наружной изоляции.

Рисунок 2.6. Размеры, необходимые для расчета обмоток трансформатора

Изоляцию сердечника выполним одним слоем при помощи микаленты марки ЛМС-1, рабочая температура которой до 130 °С и средняя электрическая прочность 20 кВ/мм, толщиной 0.1 мм с половинным перекрытием. [2, 4]

Определим наружный () и внутренний () диаметры магнитопровода после его изолирования по следующим формулам [2]:



(2.13)

(2.14)

где толщина изоляции по наружной образующей кольцевого сердечника, так как намотка микаленты осуществляется с половинным перекрытием;

толщина микаленты применяемой для изоляции магнитопровода

коэффициент перекрытия изоляционной ленты [1];

толщины изоляции по наружному и внутреннему диаметрам сердечника. По расчетам получаем, что

Рассчитаем наружный () и внутренний () диаметры после укладки первичной обмотки [2]:

(2.15)

(2.16)

где диаметр изолированного провода первичной обмотки, выбираем из таблицы 2.2;

коэффициент укладки первичной обмотки;

, радиальная толщина первичной обмотки по наружному и внутреннему диаметрам, по расчетам, ,

, числа слоев намотки по наружному и внутреннему диаметрам, определяются по следующим формулам [2]:

(2.17)

(2.18)

Величины равны:

(2.19)

(2.20)

(2.21)

(2.22)

(2.23)

Межобмоточную изоляцию выполним из лакоткани ЛХМ-105 толщиной 0.15 мм с половинным перекрытием ленты, характеристики выбранной изоляции приведены в таблице 2.3 [8].

Таблица 2.3 Характеристики лакоткани ЛХМ-105.



Диаметры тороида после укладки междуслоевой изоляции равны [2]:

(2.24)

(2.25)

- толщины изоляции между первичной и вторичной обмотками по наружному и внутреннему диаметрам.

Диаметры трансформатора после укладки вторичной обмотки равны:

(2.26)

(2.27)

где диаметр изолированного провода вторичной обмотки, выбираем из таблицы 2.2;

коэффициент укладки вторичной обмотки;

, радиальная толщина вторичной обмотки по наружному и внутреннему диаметрам по расчетам равна ,

Формулы для расчета и аналогичны формулам (2.17) и (2.18) при подстановке в них вместо - .

Таким образом, получаем

Наружную изоляцию трансформатора выполним из лакоткани ЛХМ-105 толщиной 0.15 мм в три слоя с половинным перекрытием, тогда наружный и внутренний диаметры магнитопровода после укладки наружной изоляции равны [2]:

(2.28)

где т.к. лакоткань наматываем в 3 слоя.

После намотки и изоляции трансформатора пропитаем его покровным лаком МЛ-92. Лак МЛ-92 быстро сохнет в толще обмоток, влагостоек и дешев. [6]

Определим среднюю длину витка первичной обмотки [2]:

; (2.30)

где

высота магнитопровода, берем из таблицы 2.1.

Определим среднюю длину витка вторичной обмотки [2]:

(2.31)



2.6 Расчет тока и напряжения холостого хода

Вычислим индукцию в среднем стержне магнитопровода при холостом ходе трансформатора [1]:

(2.32)

Вычислим напряжение холостого хода вторичной обмотки [1]:

(2.33)

2.7 Определение суммарных потерь в меди

Суммарные потери в меди катушки вычислим по формуле [1]:

(2.34)

где , омическое сопротивление обмоток, определяется по формуле [1]:

; (2.35)

где удельное сопротивление медного обмоточного провода;

длина провода обмоток, определяемая как:



(2.36)

сечение провода по меди, выбираем из таблицы 2.3.

Длина провода первичной обмотки по формуле (2.36) равна:

Омическое сопротивление первичной обмотки по формуле (2.35) равно:

Длина провода вторичной обмотки по формуле (2.36) равна:

.

Омическое сопротивление вторичной обмотки по формуле (2.35) равно:

2.8 Определение суммарных потерь в стали

Суммарные потери в стали магнитопровода вычислим по формуле [1]:

. (2.37)



2.9 Определение температуры перегрева и КПД трансформатора

Вычислим суммарный вес меди провода по формуле [1]:

(2.38)

где плотность меди.

Подсчитаем вес изоляции [1]:

(2.39)

где ;

коэффициент изоляции для тороида.

Определим общий вес трансформатора [1]:

(2.40)

Вычислим теплоемкость трансформатора [1]:

(2.41)

где удельная теплоемкость изоляционных материалов трансформатора для пропитанных катушек.

Определим тепловую постоянную времени трансформатора [1]:



(2.42)

где поверхность охлаждения трансформатора, рассчитаем по формуле:

(2.43)

Где внешний диаметр трансформатора; (2.44)

коэффициент выпучивания, .

внутренний диаметр трансформатора; (2.45)

высота трансформатора. (2.46)

Найдем температуру перегрева трансформатора [1]:

(2.47)

Определим КПД трансформатора [1]:

(2.48)



3. Описание конструкции и метода изготовления трансформатора

Рассмотрим поэтапно последовательность изготовления трансформатора. Первоначально готовятся сборочные единицы.

Сердечник с обмотками поз. 1 состоит из кольцевого магнитопровода и двух обмоток, расположенных по всей длине магнитопровода, полностью закрывая его.

Магнитопровод изготовлен из электротехнической стали 3411 методом ленточной намотки. Изоляция обмоток от магнитопровода осуществляется одним слоем микаленты ЛМС-1 ГОСТ 4268-75 толщиной 0.1 мм с половинным перекрытием.

Первичная обмотка, представляющая собой провод ПЭТ-155 диаметра 0.352 мм, длиной м, с числом витков = 2543, укладывается по наружному диаметру в 4 слоя, а по внутреннему диаметру в 8 слоев. Межобмоточная изоляция выполняется из лакоткани ЛХМ-105 ГОСТ 2214-78 толщиной 0.15 мм с половинным перекрытием ленты. Межобмоточная изоляция служит для обеспечения необходимой электрической прочности между отдельными обмотками.

Вторичная обмотка с = 61 витка, выполненная из ПЭТ-155 длиной 6 м, диаметром 1.81 мм, укладывается по наружному диаметру в 0.5 слоя, а по внутреннему диаметру в 1 слой.

Наружная изоляция трансформатора выполняется из лакоткани ЛХМ-105 ГОСТ 2214-78 толщиной 0.15 мм в три слоя с половинным перекрытием, которое предохраняет обмотку от пробоя на корпус или соседние детали, а также от внешних повреждений. [2]

Для защиты трансформатора от воздействия влаги и механических повреждений пропитаем его покровным лаком МЛ-92 ГОСТ 15865-70.

Магнитопровод с намотанными обмотками стягивают стальными чашкой (поз.2) и основанием (поз.3) при помощи винта (поз.6) ГОСТ 11644-75 и шайбы (поз.4) и гайки (поз.7) ГОСТ 5916-70. Между трансформатором и стальной чашкой накладывается изолирующая и защищающая от повреждений прокладка (поз.5), аналогично и между трансформатором и стальным основанием.

В основании предусмотрены 4 отверстия диаметром 6 мм для крепления конструкции к прибору. Выводы обмоток паять к лепесткам припоем ПОС-40 ГОСТ 21931-76. Выводы маркируются белой краской БМ ТУ29-02-859-78.



Заключение

В курсовой работе был спроектирован однофазный двухобмоточный тороидальный силовой трансформатор со следующими характеристиками:

· напряжение первичной обмотки U₁ = 220 В, частота f = 50 Гц;

· ток первичной обмотки I₁ = 0.24 А;

· напряжение вторичной обмотки U₂ = 5 В;

· ток вторичной обмотки I₂ = 10 А.

Габаритные размеры трансформатора:

· внутренний диаметр d_в = 23 мм;

· наружный диаметр D_н = 80 мм;

· высота H = 41 мм.

Общий вес трансформатора G_тр = 0.665 кг. Коэффициент полезного действия равен з = 86 %. Температура перегрева трансформатора 39 ⁰С, минимальная температура которую может выдержать изоляция обмоток 155 ⁰С, изоляция магнитопровода 130⁰С, это свидетельствует о исправной работе трансформатора при полученной температуре перегрева.

Проектирование включило в себя этапы расчета, необходимые для изготовления конструкции трансформатора. В спроектированном трансформаторе достигнуты хорошие технико-экономические показатели и технологичность конструкции трансформатора, а именно: минимизирована масса и габариты.



Список литературы

1. Д.И. Агейкин, М.А. Балашов и др. Руководство по проектированию элементов и систем автоматики. - М.: Изд. Оборонгиз, 1959.

2. И.И. Белопольский, Л.Г. Пикалова Расчет трансформаторов и дросселей малой мощности. - М. - Л.: Изд. Госэнергоиздат, 1963. - 272 с.

3. Материалы в приборостроении и автоматике. Справочник / Под ред. Ю.М. Пятина. - М.: Изд. Машиностроение, 1982. - 528 с.

4. И.И. Алиев, С.Г. Калганова Электротехнические материалы и изделия. - М.: Изд. Радиософт, 2005.

5. М.Б. Фридлянд Электротехнические материалы для ремонта электрических машин и трансформаторов. - М.: Изд. Энергия, 1971.-96 с.

6. А.А. Мартынов Трансформатор для вторичных источников питания. Учебное пособие. - СПб.: Изд. СПбГУАП, 2001. - 50 с.

7. П.М. Тихомиров Расчет трансформаторов. - М.: Изд. Энергия, 1976. - 544 с.

8. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю.В. Корицкого. - М.: Изд. Энергоатомиздат, 1986. -368 с.

Размещено на Allbest.ru