Импульсный трансформатор

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и образования Украины

Национальный аэрокосмический университет

им. Н.Е. Жуковского «ХАИ»

Кафедра производства РЭС

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Элементная база ЭА»

Импульсный трансформатор

Выполнила студентка 534 группы

Ковальчук А.Ю.

Проверил доцент кафедры 502

Долженков Н.В.

Харьков 2007



Задание №205

На курсовое проектирование

По курсу ЭБ ЭА

Студент 534 группы Ковальчук А.Ю.

Тема проекта: Импульсный трансформатор

Исходные данные: Мощность в импульсе, кВт - 13

Напряжение U₁, В (входное) - 600

Напряжение U₂, В (выходное) - 1800

Сопротивление источника, Ом - 30

Длительность импульса, мкс - 1,8

Частота следования импульса, Гц - 650

Коэффициент искажения плоской части вершины импульса - 0,4



РЕФЕРАТ

В многочисленных устройствах радиотехники, в автоматике, установках связи, летательных аппаратах получили малые силовые однофазные и трехфазные трансформаторы и автотрансформаторы в диапазоне мощностей от единиц до нескольких сотен вольт-ампер и специальные пиковые и импульсные трансформаторы малой мощности.

Импульсный трансформатор - это специальный тип трансформатора, который служит для формирования и трансформации кратковременных импульсов напряжения приблизительно прямоугольной формы длительностью порядка 1-2 мк/сек и меньше, периодически повторяющихся с частотой примерно 500-20000 Гц и более. Основным требованием, предъявляемым к ИТ, является наименьшее искажение подводимого на его вход импульса. Эти трансформаторы находят широкое применение в технике радиолокации, телевидения и импульсной радиосвязи. При помощи их в этих областях техники осуществляется повышение амплитуды импульса напряжения, согласование полных сопротивлений источника напряжения и нагрузки, изменение полярности импульса и межкаскадная связь в усилителях.



ВВЕДЕНИЕ

Электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназначенные для изменения параметров переменного напряжения и токов - трансформатор. Трансформатор состоит из ферромагнитного магнитопровода (сердечника) и расположенных на ней обмоток.

Импульсный трансформатор, служит для трансформации кратковременных импульсов напряжения приблизительно прямоугольной формы длительностью порядка 1-2 мк/сек и меньше, периодически повторяющихся с частотой примерно 500-20000 Гц и более. Иногда, частота следования импульсов может быть выше указанной. Эти трансформаторы применяются в технике радиолокации, телевидения и импульсной радиосвязи. При помощи их осуществляется повышение амплитуды импульса напряжения, согласование полных сопротивлений источника напряжения и нагрузки, изменение полярности импульса и межкаскадная связь в усилителях. Основное требование - минимальное искажение формы импульса нагрузки. Импульсные трансформаторы делятся на низковольтные и высоковольтные. Низковольтные трансформаторы генерируют импульсы с крутыми фронтами и большой скважностью. По возможности они должны иметь малые размеры (габариты), поэтому для магнитопроводов в них используют ленточные стали малой толщины с высокой магнитной проницаемостью, иногда применяют феррит. Чаще всего импульсные трансформаторы применяются в блокинг-генераторах. Высоковольтные трансформаторы рассчитываются на напряжение от 1000 до 20000 В. Используются в радиолокационных индикаторах, измерительных приборах с электронно-лучевыми трубками, в устройствах развертки телевизионных приемников.



1. Обзор аналогичных конструкций

Основным требованием, предъявляемым к импульсным трансформаторам, является минимальное искажение подводимого на вход импульса. Искажение формы этих импульсов обуславливается возникновением в трансформаторах паразитных емкостей, индуктивности рассеивания, а также конечной величины рассеивания индуктивности намагничивания. Кроме того, при передаче коротких импульсов скорость изменения магнитного поля в магнитоприводе ИТ велика, появляются сильные вихревые токи и как следствие - искажение формы импульса.

Чтобы провести анализ переходных процессов в импульсных трансформаторах необходима схема замещения трансформатора, учитывающая как паразитные индуктивности, так и емкости обмоток (см.рис. 1.1.).

Рисунок 1.1 Схема замещения импульсного трансформатора

В схеме использованы обозначения: е_и - Э.Д.С. источника питания; R_и - активное сопротивление источника питания; С₁ - суммарная емкость первичной обмотки трансформатора и источника питания; r₁ - активное сопротивление первичной обмотки; L_s - индуктивность рассеяния обмоток; L₁- индуктивность намагничивания трансформатора; С₂ - суммарная емкость вторичной обмотки и нагрузки, приведенная к первичной; r₂ - активное сопротивление вторичной обмотки, приведенное к первичной; R_н - активное сопротивление нагрузки, приведенное к числу витков первичной обмотки трансформатора.

Нагрузкой трансформатора является нелинейное сопротивление, имеющее приблизительно активный характер, как, например, магнетронный генератор, ламповый генератор, цепь сетки генераторной лампы, или в некоторых случаях чисто активное сопротивление. Нелинейный характер сопротивления нагрузки за время действия импульса напряжения сравнительно мало влияет на переходные процессы в трансформаторе, поэтому данное сопротивление практически можно принимать активным, равным некоторому постоянному среднему значению R_н. Ввиду такого характера нагрузки отдаваемая импульсным трансформатором мощность обычно измеряется в ваттах или киловаттах.

По конструкции сердечников импульсные трансформаторы бывают стержневого и броневого типов.

Особенностью конструкции трансформаторов является компактность их сердечника и обмоток для обеспечения возможно меньших значений индуктивности рассеяния и распределенной емкости. В связи с этим при очень малых мощностях в импульсе нередко приходится применять неразрезные тороидальные сердечники.

Сердечники изготовлены из листовой горячетканной электротехнической стали марки Э44 и холоднокатаная сталь марок Э310 и Э340 толщиной листа 0,10ч0,20 мм. Применяются также специальные магнитные сплавы той же или меньшей толщины, как, например, пермаллой разных марок и т.д. Эти материалы выпускаются, как в листах, так и в виде ленты. Они обладают повышенными магнитными качествами в направлении прокатки, поэтому сердечники импульсных трансформаторов часто изготавливаются из длинной ленты навитого типа по пути магнитного потока.

Прошкообразная окись кремния или магния служит в качестве изоляции между листами сердечника трансформатора. Из-за малой толщины листов коэффициент заполнения поперечного сечения сердечника сталью в импульсных трансформаторах несколько меньше, чем в обычных, и составляет величину k_з=0,80ч0,90.

Для сердечников малых импульсных трансформаторов, предназначенных для преобразования импульсов длительностью менее микросекунды при больших частотах их следования, применяют магнитный материал - феррит. По своим магнитным свойствам ферриты относятся к низкокоэрцитивным магнитным материалам. Благодаря высокому удельному электросопротивлению ферритов потери на вихревые токи в них в переменных полях при больших частотах получаются небольшими. Ферриты имеют мелкозернистую структуру, обладают значительной твердостью и поэтому плохо обрабатываются обычным режущим инструментом. Их обработка возможна только с помощью абразивов.

В целях уменьшения индуктивности рассеивания обмотки малых импульсных трансформаторов выполняются обычно одно- или двухслойными цилиндрического типа.

2. Расчетная часть

Средняя мощность и токи трансформатора

Среднюю отдаваемую мощность импульсного трансформатора определяем следующим образом:

P_ср=ѓ_nф_uP₂ , (2.1)

где P₂=13000 Вт - заданная мощность вторичной обмотки; ѓ_n=650 Гц - заданная частота следования импульсов; ф_u=1.8?10^-6 сек - заданная длительность импульсов.

Подставив значения в формулу (2.1), получим:



P_ср= 650?1,8?10^-6?13?10³ = 15,21 Вт.

Токи первичной и вторичной обмоток в импульсе:

где U₁= 600 В, U₂ = 1800 В - заданные напряжения в импульсе.

Эффективные, или действующие значения токов первичной и вторичной обмоток импульсного трансформатора определяются из условия, что потери в этих обмотках при прохождении через них коротких прямоугольных импульсов тока обуславливаются не только омическими сопротивлениями обмоток, но также явлением поверхностного эффекта в проводах и явлением токов обмотки в них. С учетом этих явлений действующие значения первичного и вторичного токов импульсного трансформатора можно представить так:

I_эф=I₁vѓ_пф_иk_н k_п1 (2.2)

I_эф=I₂vѓ_пф_иk_н k_п2 (2.3)

где ѓ_п - заданная частота следования импульсов, Гц; ф_и - заданная длительность импульса, сек; k_н = 2,4 - коэффициент, учитывающий ток наводки в проводах обмоток при прямоугольном импульсе токов; k_п1 и k_п2 - коэффициенты поверхностного эффекта в голых медных проводах кругового сечения, которые предварительно принимаем следующими: k_п1= 1,4 и k_п2= 1,1

Подставив значения в формулы (2.2) и (2.3), получим:

I_1эф=21,67·v650·1,8·10^-62,4·1,4=1,36 А

I_2эф=7,2·v650·1,8·10^-62,4·1,1=0,4 А



Тип трансформатора

Выбираем сердечник трансформатора стержневого типа с однослойной первичной и двухслойной вторичной обмотками цилиндрического типа, расположенным на одном стержне.

Материал сердечника - горячетканная листовая электротехническая сталь по ГОСТу 802-58 марки Э44, толщина которой определяется ниже. Охлаждение трансформатора воздушное.

Выбор приращения индукции и толщины материала сердечника

Принимаем, что приращение индукции за импульс ?В_с= 0,2 Тл и затем по кривой, изображенной на рис. 39 (Ермолин Н.П.) находим ?Н=2 А/см. Магнитную проницаемость материала найдем по формуле (2.4).

(2.4)

Подставив значения получим, что

Далее примем Т_вх?1/3ф_и=0,3 мксек, тогда толщину листов сердечника найдем из формулы:

(2.5)

Подставив значения получим:

где p_с=0,5·10^-4 Ом·см²/см - удельное электрическое сопротивление материала сердечника.

Размеры сердечника трансформатора

Поперечное сечение стержня сердечника определим по формуле (2.6)



(2.6)

Подставив значения получим:

Средняя длина магнитопривода вычисляется по формуле (2.7)

(2.7)

Подставив значения получим:

где ш=0,2

Размеры поперечного сечения стержня рассчитаем по формулам (2.8), (2.9)

(2.8)

(2.9)

К_з=0,85 - коэффициент заполнения сталью сечения стержня, Я=1,5

Подставив значения получим:

Число витков первичной и вторичной обмоток

Число витков первичной и вторичной обмоток определяем по формулам (2.10), (2.11) соответственно

(2.10)

(2.11)

Подставив значения получим:

В/виток

Сечение и диаметр проводов обмоток

Предварительные значения поперечных сечений проводов первичной и вторичной обмоток рассчитываем по формулам (2.12), (2.13) соответственно:

g₁=I_1эф / j₁ (2.12)

g₂=I_2эф / j₂ (2.13)

где j₁, j₂ - плотности тока в проводах первичной и вторичной обмоток соответственно. Принимаем j₁ = 3 А/мм², j₂ = 2.5 А/мм².

Подставив значения получим:

g₁= 1.36 / 3 = 0.45

g₂= 0.4 / 2.5 = 0.16

Окончательные значения сечений и диаметров проводов обмоток по ГОСТу 6324-52 (Примечание 1)

g₁=0.43 мм², d₁/d_1и = 0,74 / 0,96 мм

Марка провода ПБД

g₂ = 0.173 мм², d₂ / d_2и = 0,47 / 0,58мм

Марка провода ПЭЛШО.

Укладка обмоток на сердечнике

При размещении обмоток на одном стержне

l₁ = W₁d_1u (2.14)

Подставив значения получим

l₁ = 30·0.096 = 2.784 cм

Высота окна сердечника трансформатора

H = l₁+2е₁ (2.15)

где е₁ = 0,22 см - расстояние от обмотки до ярма

Подставив значения получим:

Н = 2,784 + 2·0,22 = 3,224 см

Число витков вторичной обмотке в одном слое рассчитаем по формуле (2.16)

n₂ = W/m₂ (2.16)

Подставив значения получим:

n₂ = 90/2 = 45

Толщину вторичной обмотки рассчитаем по формуле (2.17)

д₂ = m₂d_2u (2.17)

Подставив значения получим: д₂ = 2·0.058 = 0.116 см

Диаметр изолированного провода вторичной обмотки рассчитаем по формуле (2.18)



d_2u = l₁/n₂ (2.18)

Подставив значения получим:

d_2u = 27.84/45 = 0.58 мм

Так как значение d_2u совпало с тем, что в п.6, то дальнейшего уточнения не требуется.

Ширина окна сердечника трансформатора при размещении обмоток на одном стержне

С = е₀+д₂+д₁+е'₂ (2.19)

Подставив значения получим:

C = 0.2+0.09+0.116+0.4=0.806 см

Отношение k=Н/С=3,224/0,806=4 - находится в допустимых пределах.

Длину ярма найдем по формуле (2.20)

L_я = С + 2а_с (2.20)

Подставив значения в формулу (2.20) получим:

L_я = 0,806 + 2·1,22 = 3,246 см

Окончательная длина магнитопровода сердечника определяется из формулы (2.21)

L = 2(H + L_я) (2.21)

импульсный трансформатор магнитный индукция

Подставив значения, получим: L = 2(3,224 + 3,246) = 12,94 см

Средняя длина витков обмоток трансформатора

Среднюю длину витков для первичной обмотки вычисляем из формулы (2.22)



lw₁ = 2(a_c + b_c + 4е₀ + 2д₁) (2.22)

Подставив значения получим:

lw₁ = 2(1.22 + 1.83 + 4·0.2 + 2·0.116) = 8.164 cм

Среднюю длину витков для вторичной обмотки вычисляем из формулы (2.23)

lw₁ = 2(a_c + b_c + 4(е₀ + д₁) + 2д₂ (2.23)

Среднюю длину витка для обеих обмоток вычислим по формуле (2.24)

lw = (lw₁ + lw₂)/2 (2.24)

Подставив значения получим:

lw = (8,164 + 8,988)/2 = 8,576 см

Масса меди и активное сопротивление обмоток

Массу меди первичной и вторичной обмоток определим по формулам (2.25) и (2.26) соответственно

G_к1 = 8,9·10³W₁g₁lw₁10^-5 (2.25)

G_к2 = 8,9·10³W₂g₂lw₂10^-5 (2.26)

Подставив значения получим:

G_к1 = 8.9·29·0.43·8.164·10^-5 = 0.0090 кг

G_к2 = 8,9·90·0,173·8,988·10^-5 = 0,013 кг

Складывая массы меди первичной и вторичной обмоток находим



G_к = G_к1+G_к2 = 0,009 + 0,013 = 0,022 кг

Активные сопротивления первичной и вторичной обмоток найдем из формул (2.27) и (2.28) соответственно

(2.27)

(2.28)

Подставив значения получим:

Потери в обмотках

Находим средние потери в обмотках. Они зависят от действующих значений токов и определяются по формулам (2.29) и (2.30) соответственно

P_к1 = I²_1эфr₁ (2.29)

P_к2 = I²_2эфr₂ (2.30)

Общие потери вычислим по формуле:

P_к = P_к1 + P_к2

Подставив значения получим:

P_к1 = 1,36²·0,1178 = 0,217 Вт

P_к1 = 0,4²·1,0007 = 0,160 Вт

P_к = 0,217 + 0,160 = 0,377 Вт



Масса материала сердечника трансформатора

Массу сердечника определим по формуле

G_c = 7.6·10^3·l·S_c (2.31)

Подставив значения получим:

G_c = 7.6·1.89·12.94·10^-3 = 0.185 кг

Магнитные потери в сердечнике

Средние потери на вихревые токи в материале сердечника импульсного трансформатора можно определить из формулы (2.32)

(2.32)

Подставив значения получим:

Среднюю мощность намагничивания материала сердечника найдем по формуле (2.33)

(2.33)

Подставив значения получим:

Где индуктивность первичной обмотки L₁ найдем по формуле (2.34)



(2.34)

Подставив значения получим:

Коэффициент полезного действия трансформатора

При передаче импульсов энергия, затрачиваемая за это время на намагничивание сердечника является энергией потерь, поэтому КПД трансформатора определяется следующим образом:

(2.35)

Подставив значения получим:

Намагничивающий ток трансформатора

Намагничивающий ток трансформатора состоит из действительного намагничивающего тока, компенсирующего влияние размагничивающего действия вихревых токов в сердечнике трансформатора. Их сумма называется током кажущегося намагничивания, который определяется с помощью соотношения

(2.36)

Подставив значения получим:



Проверяем коэффициент искажения плоской части импульса

(2.37)

Подставив значения получим:

Параметры трансформатора и проверка искажения импульса напряжения

Эквивалентное активное сопротивление контуров вихревых токов в материале сердечника трансформатора, приведенное к числу витков первичной обмотки

(2.38)

Подставив значения получим:

Активное сопротивление упрощенной схемы замещения трансформатора (см.рис.1.2) найдем по формуле:

r'₂ =(W₁/W₂)² (2.39)

Подставив значения получим:

r'₂ = (29/90)² = 0.10389 Oм

r₁ = 0.1178



R₁ = R_u+ r₁

Подставив значения получим:

R₁ = 30 + 0.1178 = 30.1178 Oм



Заключение

В данной курсовой работе мы занимались разработкой импульсного трансформатора. При разработке мы выбрали трансформатор стержневого типа с однослойной первичной и двухслойной вторичной обмотками цилиндрического типа, расположенным на одном стержне. Охлаждение трансформатора воздушное.

При проектировании мы стремились к выполнению главного требования, уменьшения искажения формы импульсов, для этого стремились к уменьшению числа витков W₁ = 29, W₂ = 90 и уменьшению размеров сердечника.

Проверили трансформатор на нагревание и = 6,3єC

Так же определили коэффициент полезного действия з ? 84,75%, его сравнительно большое значение говорит о том, что в трансформаторе малая энергия потерь.



СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ермолин Н.П. Расчет трансформаторов малой мощности. "Энергия", Л., 1969.

2. Вдовин С.С. Проектирование импульсных трансформаторов.

3. Фирсов В.В., Долженков Н.В. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы. Учебное пособие по курсовому проектированию.

Размещено на Allbest.ru