2008.4.777.029ПЗ

Лист

Черепанов

Расчет трансформатора РЭА

Пояснительная записка

Лит.

Лист

Листов

Батуев

УГТУ-УПИ

Кафедра ТиСС

Р-307

Н. Контр.

Условные обозначения, символы и сокращения.

U_i – напряжение в i-ых обмотках

I_k- величина тока в i-ых обмотках

∆ U_i – падение напряжения в i-ых обмотках

P_г – габаритная мощность

Введение

Трансформаторы - статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенные для повышения или понижения напряжения, согласования сопротивлений электрических цепей, для разделения цепей источника и нагрузки по постоянному току, а также для изменения состояния электрической цепи относительно земли.

Используемые в РЭА трансформаторы делят на следующие виды:

• Трансформаторы согласования, предназначенные для передачи с наименьшим искажением переменных электрических сигналов и согласования сопротивления источника и сопротивления нагрузки в широком диапазоне частот.

• Импульсные трансформаторы, предназначенные для вырабатывания и передачи коротких импульсов заданной формы с минимальными искажениями.

• Трансформаторы питания, предназначены для преобразования переменного напряжения первичного источника в любые другие напряжения питания.

• Трансформаторы питания делятся на три группы по мощности:

1. Маломощные. до 100 Вт

2. Средней мощности. от 100 до 1000 Вт

3. Повышенной мощности. более 1000 Вт

• По частоте питающей сети:

1. Промышленной частоты: 50 Гц

2. Повышенной частоты: от 400 до 10000 Гц

3. Статических преобразователей: от 10000 до 200000 Гц

• По системе тока – однофазные, трехфазные, шестифазные и т.д.

• По напряжению делятся на две группы :

1. Низковольтные до 1500 В

2. Высоковольтные более 1500 В

• По виду связи между обмотками – на трансформаторы с электромагнитной связью (с изолированными обмотками) и на автотрансформаторы с электромагнитной и электрической связью, т.е. со связанными обмотками;

• По коэффициенту трансформации – на повышающие и понижающие;

• По числу обмоток – на двухобмоточные и многообмоточные;

• По конструкции магнитопровода – на стержневые, броневые и тороидальные;

• По конструкции обмоток – на катушечные, галетные и тороидальные;

• По конструкции всего трансформатора – на открытые и закрытые;

• По назначению – на выпрямительные, накальные, анодно-накальные и т.д.

Параметры трансформаторов питания включают в себя электрические, конструктивные и эксплутационные характеристики. Наиболее важными электрическими характеристиками являются: величина выходного напряжения, КПД, падение напряжения и его стабильность при различных рабочих режимах, мощность.

Различают электромагнитную, полезную, расчетную и типовую мощности.

Электромагнитной мощностью трансформатора называется мощность, передаваемая из первичной обмотки во вторичную электромагнитным путем; она равна проиведению э.д.с. этой обмотки на величину тока нагрузки, т.е.

P_эм = E₂I₂

Полезной, или отдаваемой, мощностью трансформатора называется произведение эффективного напряжения на зажимах вторичной обмотки на величину ее нагрузочного тока

P₂ = U₂I₂

Расчетной мощностью трансформатора называется произведение эффективного тока, протекающего по обмотке, на величину напряжения на ее зажимах. Эта мощность характеризует собой габаритные размеры обмотки, т.к. число витков обмотки определяется напряжением на ее зажимах, а сечение провода – эффективным током. Расчетная мощность первичной обмотки равна произведению напряжения на ее зажимах и тока, потребляемого трансформатором из сети, т.е.

P₁ = U₁I₁

Типовой, или габаритной, мощностью называется мощность, определяющая размеры всего трансформатора. Ее величину определяют по формуле

P_тип = (P₁+P₂)/2,

где P₁ и P₂ – расчетные мощности обмоток трансформатора.

В процессе работы трансформатора в его магнитопроводе и в его обмотках затрачивается некоторая часть подводимой к нему энергии и поэтому мощность, потребляемая трансформатором из сети, всегда больше мощности, отдаваемой нагрузке.

Конструктивные характеристики определяются весом, габаритами, формой, приспособленностью к совместному размещению с другими элементами конструкции радиоэлектронного блока или аппарата, а также приспособленностью к экономически целесообразному процессу изготовления.

Эксплуатационными характеристиками трансформатора являются долговечность и надежность.

1. Анализ технического задания

• Суммарная мощность вторичных обмоток:

= U₂I₂ + U₃I₃ = 24*3 + 9*0,1 = 72,9 (Вт), (1.1)

• Габаритная мощность трансформатора:

, (1.2)

где  = 0,84 [11,4] – коэффициент полезного действия.

P_г = 72,9*(1 + 1/0,84)/2 = 79,843 (Вт)

Для P_II равное от одного до десятков ВА (в нашем случае 72,9 Вт), при частоте питающей сети 50 Гц выбираем броневой магнитопровод, это выгодно при критерии проектирования «минимальная стоимость».

Сталь для магнитопровода - горячекатанная, термически обработанная сталь марки 1511 в виде листов толщиной 0,5 мм, исходя из рекомендаций [13,4].

Магнитопровод – тип ШЛМ, применяемый в низковольтных трансформаторах наименьшей стомости на частоте 50 Гц.

Конструктивный коэффициент, т.е. произведение сечения стали магнитопровода (S_ст) на площадь его окна (S_ок) определяет требуемый типоразмер магнитопровода:

Находим параметры выбранного магнитопровода по таблицам [19,4].

Магнитная индукция: В = 1,1 Тл;

(1.3)

Плотность тока:  = 3,2 А/мм², [24,4].

К_м = 0,31 – коэффициент заполнения окна магнитопровода медью [150,5].

К_ст = 0,93 – коэффициент заполнения сердечника сталью [150,5].

К
_ф = 1,11 – коэффициент формы.

Из таблицы [78.8] выбираем магнитопровод ШЛМ 32х25

Геометрические размеры магнитопровода (табл. 2.3 [3]):

2. Электрический расчет

• Расчет действующей ЭДС одного витка [1]:

е = 4К_фfВS_с К_с10^-4 (2.1)

е = 41,11501,19,720,9310^-4 = 0,182 В.

(2.2)

U₁=U_1*0,065=220_*0,065=14,300 В

U₂=U_2*0,065=24_*0,065=1,560 В

U₃=U_3*0,065=9_*0,065=0,585 В

Действующее ЭДС первичной обмотки:

E₁=U₁*(1+ U₁/100), (2.3)

Е₁ = 220*(1-14,300/100) = 188,540 В;

Число витков первичной обмотки:

W₁=E₁/e (2.4)

W₁=188,540/0,182 = 1038 витков

Действующее значение ЭДС i-ых обмоток (2, 3 обмотки):

Е_i = U_i(1+U_i/100) (2.5)

Е₂ = 24*(1 + 1,560/100) = 24,374 В;

Е₃ = 9*(1 + 0,585/100) = 9,053 В;

• Число витков вторичных обмоток по формуле:

W_i = Е_i/e

W₂ = 24,374/0,182 = 134 витков;

W₃ = 9,053 /0,182 = 50 витков;

Определение составляющих и полного тока первичной обмотки.

• Активная составляющая равна сумме токов нагрузки, пересчитанных в первичную обмотку:

(2.6)

I₁^I = 3*24/220+0,1*9/220 = 0,331A

• Активная составляющая, обусловленная потерями в магнитопроводе:

(2.7)

где G_ст –масса магнитопровода, известная из справочника, G_ст = 1080 гр,

_ст – удельные потери в стали=1,55 Вт/кг

I_ст = 1,08*1,55/220 = 0,008 А.

Активный ток:

I_акт = I^I₁ +I_ст (2.8)

I = 0,331+0,008= 0,339A

• Реактивная составляющая:

(2.9)

где Н_- напряженность магнитного поля магнитопровода, Н_=1000

l_с- средняя длина магнитной силовой линии, l_с=0,197 м

I_р = 1000*0,197/1038= 0,190A.

• Полный ток первичной обмотки:

(2.10)

• Ток холостого хода:

(2.11)

• Проверка

(2.12)

• Выбор обмоточных проводов

(2.13)

• диаметр без изоляции

• Выбор марки провода

По критерию стоимоти выбираем провод марки ПЭЛ, имеющего наименьшую стомость.

По критерию наименьшей стоимости выбираем провод марки ПЭЛ, имеющего следующие характеристики:

3. Конструктивный расчет

3.1.Расчет параметров обмоток трансформатора.

Рассчитываем высоту обмоток h_oб по формуле:

, (3.1) где _щ -толщина щеки = 2,5 мм.

, (3.2)

Вычисляем число витков в слое N_слi по формуле:

, (3.3) где - коэффициент укладки,

[2,336],

[2, 336],

[2, 336].

=103,

=36,

=195.

Учитывая, что выбран магнитопровод броневого типа, подсчитаем число слоев n_сл по формуле:

(3.4) =11,

=4,

=1.

3.2.Выбор межслоевой и межобмоточной изоляций.

Для исключения замыканий, а также для более ровной укладки применяется межслоевая изоляция.

В качестве межслоевой изоляции для обмоток используем кабельную бумагу, 1 слой, толщиной 0,12 мм, исходя из диаметра провода.

Для межобмоточной изоляции используем кабельную бумагу в два слоя, общей толщиной 240мкм.

3.3.Расчет радиальных размеров обмоток и катушки.

Вычислим радиальные размеры каждой обмотки А_обi по формуле:

, (3.5) где _ми – толщина межслоевой изоляции, мм.

.

Расcчитаем радиальный размер всей катушки по формуле:

, (3.6)

где k_в– коэффициент вспучивания,

k_в =1,1 [2,336],

_МОБi – толщина межобмоточной изоляции, мм,

h_изН – толщина наружной изоляции, мм,

h_изН = 240 мкм,

N- число обмоток.

.

3.4.Проверка размещения катушек в сердечнике.

Условием правильности расчета является: зазор между катушками трансформатора должен быть не менее 1 мм и не более 5 мм.

Вычислим зазор между катушками  по формуле:

=с-A_k (3.7)

мм

Проверка подтвердила правильность выполненных расчетов.

3.5.Расчет массы трансформатора.

Массу трансформатора рассчитываем по формуле:

, (3.8)

где G_СТ – масса магнитопровода (см. выше);

G_М – масса медных проводов;

Коэффициентом 1,1 учитывается наличие в трансформаторе гильзы, изоляции и других конструкционных элементов.

, (3.9)

где m_мioб- масса меди обмоточного провода, г, рассчитывается по формуле:

, (3.10)

где l_0срi -средняя длина витка каждой обмотки, мм, вычисляется по формуле:

, (3.11)

где

для первичной обмотки

для вторичных обмоток (3.12) Производим расчет по формулам:

,

m_м=0,207+0,239+0,333= 0,450 кг,

m=1,15(1,08+ 0,45)= 1,683 г.

3.6.Коррекция числа витков в обмотках.

Рассчитаем сопротивление обмоток постоянному току по формуле:

(3.13) ,

Вычислим падение напряжения на каждой обмотке по формуле: (3.14)

Рассчитаем новые значения ЭДС в каждой обмотке по формулам :

,

Рассчитаем новое число витков в каждой обмотке по формуле :

, , .

Проверим по формуле, не изменится ли число слоев каждой обмотки:

Число слоев осталось прежним, коррекция размеров трансформатора не требуется.

3.7.Расчет температурного режима трансформатора

Для расчета перегрева катушки трансформатора при частоте тока 50 Гц будем пользоваться эмпирической формулой

, (3.15) где R_T – тепловое сопротивление трансформатора, ⁰С/Вт,

R_T=12,500 ⁰С/Вт [4, 107],

R_TMB– тепловое сопротивление границы магнитопровод-воздух, ⁰С/Вт,

R_TMB=3 ⁰С/Вт [4, стр.107],

P_C- потери в стали, Вт, рассчитываем по формуле:

P_C= P_ст.удG_ст, (3.16) P_м - суммарные потери в меди во всех обмотках, вычисляем по формуле

, (3.17) где P_мi - потери в меди в обмотке, Вт, вычисляем по формуле

Производим расчет по формулам (3.15-3.17):

Вт,

P_M=6,76+4,97+0,66= 11,796 Вт,

,

Расчитаем температуру трансформатора t_т-ра при температуре окружающей среды t_ср =+40 ⁰С по формуле:

t_т-ра=t_ср+

t_т-ра=40+39,42=79,42⁰С.

3.8.Расчет КПД трансформатора.

Вычислим КПД трансформатора  по формуле

Таким образом КПД трансформатора составляет 84%.

Описание конструкции трансформатора

Конструкция трансформатора состоит из магнитопровода, катушки с обмотками и крышки, предназначенные для сборки и крепления трансформатора.

Назначение магнитопровода заключается в том, чтобы создать для магнитного потока замкнутый путь, обладающий возможно меньшим магнитным сопротивлением. Поэтому магнитопроводы трансформаторов необходимо изготовлять из материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью в сильных переменных магнитных полях.

Для изготовления трансформатора мы выбрали горячекатанную электротехническую сталь 1511 толщиной 0.5 мм. Магнитопровод ШЛМ 32х25.

Изоляция обмотки от магнитопроводов осуществляется при помощи каркасов, изготовляемых из негигроскопического материала с хорошей электрической и механической прочностью. Также катушка трансформатора содержит междуслоевую, межобмоточную и внешнюю изоляцию.

Магнитопровод должен быть хорошо скреплен для получения механически прочной конструкции. После сборки стягивается обоймой, которая одновременно используется и для крепления трансформатора к шасси. Обойма должна быть изолирована от магнитопровода бумагой или прессшпаном.

Выводы проводников обмоток припаиваются к лепесткам, расположенным по наружному периметру катушки в торцевых её частях.

В первую очередь изготавливается катушка. Склеивается каркас. Наматывается необходимое кол-во витков провода первичной обмотки. Для исключения межслоевого замыкания, а также для более ровной укладки проводов используется межслоевая изоляция (бумага). Концы бумаги проклеиваются. Затем проклеивается межобмоточная изоляция, нужная для изоляции обмоток.

Дальше операция повторяется

В первую очередь собирается каркас. Магнитопровод собирается в стык из двух сердечников подковообразной формы (С-образные). Для получения возможно меньшего магнитного сопротивления в местах стыка С-образных сердечников их торцевые поверхности подвергаются шлифовке. Затем, после того, как на магнитопровод надета катушка, обе половины склеиваются специальной ферритовой пастой.

Обмотки трансформатора должны быть хорошо изолированны как от магнитопровода, так и друг от друга. Изоляция обмотки от магнитопровода осуществлена при помощи каркаса, изготовленного из электротехнического картона (прессшпана).

Кроме каркаса, предохраняющего обмотки от соприкосновения с магнитопроводом, катушка трансформатора содержит междуслоевую, междуобмоточную и внешнюю изоляцию. Междуслоевая изоляция служит для изоляции отдельных слоев каждой обмотки друг от друга. В качестве такой изоляции мы выбрали один слой кабельной бумаги толщиной 0,12 мм для всех обмоток. Междуобмоточной изоляцией, которая служит для создания изоляции между обмотками, и внешней изоляцией, которая предохраняет обмотку от пробоя на корпус и на соседние детали, а также от внешних повреждений, избрали два слоя той же бумаги: кабельной, с толщиной 0,12 мм.

Выводы обмоток припаиваются к лепесткам , которые размещаются на щечке каркаса. Вывод 1 припаивается к лепестку 1 и т.д.

Для получения механически прочной конструкции и для крепления трансформатора к основанию используется кожух.

Катушка трансформатора пропитывается лаком.

По окончании сборки трансформатор маркируется.

Заключение

В результате выполнения задания был спроектирован и рассчитан броневой трансформатор питания РЭА, с техническими характеристиками, приведенными в табл.2.

Разработанная конструкция трансформатора соответствует предложенному техническому заданию на проектирование.

Таблица 2

Провод марки ПЭЛ – провод с покрытием лаком на маслянной основе, служит для работы при температуре до 105С, имеет критерий наименьшей стоимости.

Список использованной литературы

1. Вересов Г. П. Электропитание бытовой РЭА. М.,1983.

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

3. Сидоров И.Н., Скорняков С.В.. Трансформаторы бытовой РЭА. М.: Радио и связь, 1994. – 367с.

4. Каретников К.А.. Расчет трансформаторов и дросселей. М..:, 1973. – 272с.