Курсовой расчет Давыдов Д.О. Курсовой проект расчет трансформатора малой мощности тема проекта

• Название: Курсовой проект расчет трансформатора малой мощности тема проекта
• Дата: 08.01.2022
• Размер: 0.56 Mb.
• Имя файла: Курсовой расчет Давыдов Д.О.doc
• Тип: Курсовой проект; #325810
• страница: 1 из 2

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Сибирский государственный университет науки и технологий

имени академика М. Ф. Решетнева»

Институт гражданской авиации и таможенного дела

институт/ факультет/ подразделение

Технической эксплуатации авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов

кафедра/ цикловая комиссия
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
Расчет трансформатора малой мощности

_тема проекта


Руководитель ____________ Р.А. Акзигитов

подпись, дата инициалы, фамилия

Обучающийся ___Давыдов Денис Олегович ____________ ______группы БАПЗ-19-01_________

номер группы, зачетной книжки подпись, дата инициалы, фамилия


Красноярск 2021
Содержание

Введение………………………………………………………….……….….....

1 Теоретическая часть …………….………………………......……….……....

1.1 Авиационные трансформаторы

1.2 Назначение и принцип действия. Устройство трансформатора………

1.3 Режимы работы трансформаторов ……………………………………… 1.4 Потери и коэффициент полезного действия трансформатора

2 Практическая часть …………………………….……..………………...…..

2.1 Расчет трансформатора 2.2 Сводные данные расчета трансформатора

Заключение…………………………...………………………………….…….

Список использованных источников ……………………………………….

Введение
Трансформаторы малой мощности (ТММ) широко используются в современных схемах для электрического питания различных систем автоматики, телемеханики и связи, а также для питания электротехнических устройств: выпрямителей, фильтров, статических преобразователей, стабилизаторов и регуляторов напряжения и тока. Расчёт этих трансформаторов имеет ряд особенностей в отличие от трансформаторов общего назначения. В ряде случаев к ним предъявляются самые жёсткие требования по весовым и габаритным показателям, вместе с тем достаточно остро стоит вопрос экономической эффективности трансформаторов, что связано с большими масштабами их производства.

• 
  связи с тем, что курсовая работа выполняется параллельно с изучением теоретического курса «Трансформаторы и дроссели малой мощности», в практике проектирования выбор основных размеров сердечника осуществляется обычно с использованием нормализованных рядов, но в некоторых случаях использование стандартного сердечника не удовлетворяет каким-либо техническим требованиям, заданным в проекте, поэтому в курсовой работе рассматривается методика расчётного определения размеров сердечника.
  

Задание на курсовое проектирование: Расчет трансформатора малой мощности

Курсовой проект выполняется в печатном виде на листах формата А4 в соответствии с общими требованиями к построению, изложению и оформлению работ обучающихся (СТО7,5.04-2019). Вариант задания выбирается в соответствии с номером по списку в оценочной ведомости студента.

№ варианта	Напряжение первичной обмотки U1,В	Напряжение вторичных обмоток U2/U3,В	Частота тока,f,Гц	Полные мощности вторичных обмоток, S2/S3	Коэффициенты мощности, cosϕ2/cosϕ3	Температура окружающей средыθо, ᵒС	Расчетное условие
5	225	300/18	400	120/50	0,65/0,9	30	Минимум стоимости

1 Теоретическая часть

1.1 Авиационные трансформаторы




Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, преобразующее электрическую энергию переменного тока одного уровня напряжения в электрическую энергию переменного тока другого уровня напряжения при неизменной частоте тока.

В авиации трансформаторы широко используются во вторичных источниках питания переменного и постоянного тока, в дискретных счетно-решающих устройствах, в системах управления и защиты источников электроэнергии. Трансформаторы изготавливаются в большом диапазоне мощностей, различны по назначению и конструкции.

Классификация трансформаторов проводится по различным признакам.

При наличии первичной и одной вторичной обмоток, трансформатор называют двух обмоточным (к первичным обмоткам напряжение подводится, со вторичных - снимается). Если вторичных обмоток две или больше, то трансформатор называют многообмоточным.

По числу фаз трансформаторы подразделяют на однофазные и трехфазные.

По назначению трансформаторы подразделяют на силовые и специальные.

К силовым относятся трансформаторы, которые используются в качестве вторичных источников питания. Они, как правило, понижают напряжение, подводимое от генератора (первичного источника), например: трехфазное 208 В – трехфазное 37 В.

К специальным относят трансформаторы преобразователи фаз, трансформаторы выпрямительных блоков, измерительные и импульсные трансформаторы.

Все типы трансформаторов, независимо от классификации, имеют общие основные элементы: магнитопровод и обмотки.

Магнитопроводы авиационных трансформаторов изготавливают из электротехнической стали, обычно легированной кремнием. Добавка кремния приводит к росту удельного электрического сопротивления и, следовательно, к снижению потерь на вихревые токи. Кроме того, легирование кремнием способствует повышению магнитной проницаемости.

Листы стали для уменьшения потерь на вихревые токи делают тонкими (0,35 мм и меньше) и изолируют друг от друга лаком (в теплостойком варианте – кремнийорганическим).

Для магнитопроводов используются, как правило, стали марок 1521, 1572 и 3413, 3421.

Первые – горячекатаные изотропные, с содержанием кремния до 4,8%; вторые – холоднокатаные анизотропные, с содержанием кремния до 3,8%, позволяющие повысить индукцию до 1,7– 1,8 Тл.

Часть магнитопровода 1, вокруг которой расположены обмотки   и   , называется сердечником или (стержнем), а часть 2, соединяющая сердечники – ярмом (рисунок 1).

 

Рисунок 1 - Схемы броневого (а) и стержневого (б) однофазных трансформаторов: где 1 – стержень; 2 – ярмо

По конструкции магнитопроводы трансформаторов разделяются на броневые и стержневые. Броневой магнитопровод (рисунок 1а) закрывает (бронирует) обмотки   и   ярмами. Сердечник 1 такого трансформатора имеет сечение большее, чем ярмо 2, так как магнитный поток в ярме почти в два раза меньше, чем в сердечнике.

Броневыми, как правило, делают однофазные трансформаторы малой мощности. Однофазные трансформаторы большой мощности выполняют стержневыми (рисунок 1б). На каждом сердечнике 1 располагают по половине первичной   и вторичной   обмоток.

Трехфазные трансформаторы делают стержневыми. На каждом из стержней укладывается первичная и вторичная обмотки одной какой-либо фазы. При этом катушки обмоток высокого напряжения ВН (рисунок 2) для безопасности располагаются ближе к сердечнику, а низшего НН – снаружи.

Для трансформатора с рабочей температурой не более   чаще применяются провода марок ПЭВ и ПЭТВ, а с рабочей температурой   и выше - используются провода с кремний - органической изоляцией, например, ПСОТ или ПЭТКСОТ. Авиационные силовые трансформаторы делаются в большинстве случаев с естественным охлаждением (сухие).

По способу соединения стержней с ярмами магнитопроводы делятся на стыковые, шихтованные и навитые. В стыковых конструкциях (рисунок 3) части магнитопровода собираются отдельно и крепятся друг с другом стяжными шпильками. В месте стыков ставятся изоляционные прокладки, которые устраняют замыкания листов стали стержней и ярем, что увеличивает магнитное сопротивление и ток холостого хода. Поэтому стыковые магнитопроводы применяются редко, хотя их сборка менее трудоемка.



Рисунок – Магнитопровод трансформатора стыковой

В шихтованных магнитопроводах стержни и ярма не являются отдельными элементами. Пластины магнитопровода в этом случае выполняются Ш-образными или П-образными и при сборке переплетаются (шихтуются) в смежных слоях. Шихтованный магнитопровод нашел широкое применение в однофазных и трехфазных авиационных трансформаторах малой и средней мощности. Они трудоемки в сборке, но имеют меньшие потери и ток холостого хода.
1.2. Назначение и принцип действия. Устройство трансформатора
Трансформаторы предназначены для преобразования уровня напряжения переменного тока при неизменной частоте. Простей­ший трансформатор состоит из двух обмоток, имеющих между со­бой связь посредством магнитного потока.

Обе обмотки— первичная W1 и вторичная W2 располагаются на стальном сердеч­нике из магнито-мягкой стали. Вторичных обмоток может быть две и больше, рассчитанных на различные напряжения.

В зависимости от форм магнитопровода трансформаторы делят­ся на стержневые, броневые и тороидальные. Ярмо служит для увеличения магнитной проводимости на пути основного потока. У броневого трансформатора сердечник имеет два симметричных ярма 2, сечение которых в два раза меньше стержня 1. Благодаря этому магнитный поток стержня делится на две равные части.

Сердечник тороидального транс — _0 форматора выполнен в виде кольца. Мапштопровод трансформаторов набирается из тонких штампован­ных стальных листов (толщиной 0,35—0,1 мм) с целью уменьшения вихревых токов

Принцип действия трансформа­торов основан на явлении электро­магнитной индукции. Рассмотрим его на примере простейшего двухобмоточиого трансформатора. При подключении первичной обмотки W1 к источнику перемен­ного тока с напряжением VI по ней потечет ток И.

Этот ток создает м. д. с. и переменный магнитный поток в сердечнике тран­сформатора. Переменный магнитный поток наводит в обмотках трансформатора э. д. с. el и е2, которые будут равны: где Ф — мгновенное значение магнитного потока в веберах; W1 и W2 — число витков первичной и вторичной обмоток.

При замыкании вторичной обмотки на нагрузку ZH в ней поте­чет ток І2, который создает м. д. с. и магнитный поток в сердечни­ке. Следовательно, в режиме нагрузки магнитный поток Ф сердеч­ника является результатом действия суммарной м. д. с., создавае­мой первичной и вторичной обмотками.

Из закона сохранения энергии, пренебрегая потерями энергии в трансформаторе, следует, что мощности первичной и вторичной обмоток равны.

Обычно при определении коэффициента к берут отношение большего числа витков к меньшему, чтобы он был всегда больше единицы.По назначению трансформаторы делятся на силовые, измери­тельные и специальные. Силовые трансформаторы служат для питания электропрнбор — ных, осветительных, электротермических и других устройств. Чаще всего они являются понижающими трансформаторами. Например, в авиационном оборудовании силовые трансформаторы преобразу­ют напряжения 200 или 115 в частоты 400 гц в напряжения 36 или 28 в той же частоты. Мощность данных трансформаторов от 50 до 6000 ва, а к. п. д. 0,92—0,98.

К измерительным трансформаторам относятся трансформаторы тока и напряжения. Они применяются в установках переменного тока для включения контрольно-измерительных приборов и реле. Измерительные трансформаторы должны иметь постоянный коэф­фициент трансформации при всех режимах работы и постоянный сдвиг по фазе (180°) между векторами вторичного тока (напря­жения) и первичного тока (напряжения).

Специальные трансформаторы находят применение в системах автоматического регулирования. Например, в схемах угольных ре­гуляторов напряжения используются стабилизирующие трансфор­маторы. В высокочастотных цепях радиоустройств (/>10 000 гц) применяются специальные воздушные трансформаторы.

В зависимости от числа фаз трансформаторы могут быть одно­фазные (рассмотрены ранее) и трехфазные.

Авиационные трехфазные трансформаторы изготовляются трех — стержневымн, на которых расположены три первичные (по числу фаз) и три вторичные обмотки.

Обмотки высокого и низкого на­пряжения обычно соединяются в звезду. При этом нулевые точки обмоток высокого напряжения изолируются или соединяются с корпусом самолета. На рис. приведены схема соединения обмо­ток трехфазного трансформатора звездой (а) и векторные диа­граммы фазных и линейных напряжений (б).

В общем виде трансформатор представляет собой две обмотки расположенных на общем магнитопроводе. Обмотки выполняются из медного или алюминиевого провода в эмалевой изоляции, а магнитопровод изготовлен из тонких изолированных лаком пластин электротехнической стали, для уменьшения потерь электроэнергии на вихревые токи (так называемые токи Фуко).

Та обмотка, которая подключается к источнику питания, называется первичной обмоткой, а обмотка, к которой подключается нагрузка — соответственно вторичной. Если с вторичной обмотки (W2) трансформатора снимается напряжение (U2) ниже, чем напряжение (U1) которое подаётся на первичную обмотку (W1), то такой трансформатор считается понижающим, а если выше — повышающим.



Рис. Схема общего устройства трансформатора

Металлическая часть, на которой располагается электрическая обмотка (катушка), т.е. которая находится в ее центре, называется сердечником, в трансформаторах этот сердечник имеет замкнутое исполнение и является общим для всех обмоток трансформатора, такой сердечник называется магнитопроводом.

Как уже было сказано выше принцип работы трансформаторов основан на законе электромагнитной индукции, для понимания того как это работает, представим самый простой трансформатор, аналогичный тому который представлен на рисунке 2, т.е. у нас есть магнитопровод на котором,

располагаются 2 обмотки, представим, что первая обмотка состоит всего из одного витка, а вторая — из двух.

Магнитные материалы. К магнитным материалам, используемым для изготовления магнитопроводов ТММ, предъявляются следующие требования: высокая магнитная проницаемость, малые потери на вихревые токи и перемагничивание, малая себестоимость. Для изготовления сердечников ТММ в диапазоне от единиц до нескольких сотен вольт-ампер в качестве магнитного материала широко используются горяче- и холодно-катаные электротехнические стали разных марок и толщин.

Магнитные свойства горячекатаных сталей практически одинаковы во всех направлениях проката. Холоднокатаные стали обладают меньшими удельными потерями и значительно лучшими электромагнитными характеристиками вдоль направления проката по сравнению с горячекатаными. Поэтому из горячекатаных сталей выполняются пластинчатые магнитопроводы, а из холоднокатаных – ленточные. При расчёте трансформатора на минимум стоимости следует выбирать горячекатаные стали, а на минимум массы – холоднокатаные.

С учётом наибольшего практического применения при курсовом проектировании ТММ рекомендуются следующие марки сталей:

при частоте 50 Гц для пластинчатых магнитопроводов – горяче-катаная сталь марки 1512 или 1521 с толщиной листов 0,35 мм;

при частоте 400 Гц для пластинчатых магнитопроводов – горяче-катаная сталь марки 1512 или 1521 с толщиной листов 0,2 мм;

при частоте 50 Гц для ленточных магнитопроводов – холоднока-таная сталь марки 3411 или 3412 с толщиной ленты 0,35 мм;

при частоте 400 Гц для ленточных магнитопроводов – холоднока-таная сталь марки 3411 или 3412 с толщиной ленты 0,2 мм.

Обмоточные провода. При изготовлении обмоток используются обмоточные провода широкой номенклатуры, в качестве материала проволоки берётся в основном медь, имеющая малое удельное сопротивление. Для расчёта ТММ рекомендуются следующие марки проводов:

ПЭЛ – провод эмалированный лакостойкий, предназначен для работы при температуре до 105 °С. По стоимости – относительно дешёвый, применяется в трансформаторах, которые рассчитываются на минимум стоимости. Недостаток провода – малая механическая прочность его изоляции.





ПЭВ-1 – провод, изолированный высокопрочной эмалью (ванифлекс) в один слой. Применяется при напряжениях до 500 В, удовлетворяет повышенным требованиям надёжности, рабочая температура до 105 °С. Рекомендуется для трансформаторов наименьшей массы.

ПЭВ-2 – аналогичный провод, но с изоляцией в два слоя. Применяется при требованиях большой надёжности и при напряжениях обмоток свыше 500 В.

Если диаметр обмоточного провода находится в пределах 0,35…2,0 мм, то выводные концы обмоток выполняются из самого обмоточного провода, если же меньше 0,35 мм или больше 2,0 мм – специальными проводами марок МГШДО (при рабочем напряжении до 127 В), ПТЛ (до 250 В) и МГТФЛ (до 500 В).

Электроизоляционные материалы. Данные материалы в трансформаторах применяются для изоляции токоведущих частей. В зависимости от назначения изоляция бывает межобмоточной, межслоевой, межвитковой и основной (изоляция между катушкой и сердечником).

К изоляции с рабочей температурой до 105 °С (класс изоляции А) относятся отдельные материалы на основе хлопчатобумажной и шёлковой тканей или на основе целлюлозы, не пропитанные или пропитанные лаками.

В качестве материалов, используемых для межслоевой и межобмоточной изоляции, применяются бумаги, пропитанные изоляционным компаундом: кабельная марки К-12, телефонная КТН; конденсаторная КОН-1; пропиточная марок ЭИП-50 и ЭИП-63Б. Из тканевых материалов используются локотками марок ЛХ1, ЛХ2, ЛШ1, ЛШ2.
Материалом для сборных каркасов катушек служит текстолит, гетинакс, электрокар тон, а для прессованных и литых – пресс-порошки К21-22,

К-114-35 и др.


1.3 Режимы работы трансформаторов

Расчет трансформатора начинаем с определения расчетной мощности, которая вычисляется в зависимости от суммарной мощности вторичных обмоток. Так как (S₂+S₃)=360>100 В^.А, расчетную мощность рекомендуется определять по формуле:

S_p=(S₂+S₃)=(300+60)=360 В^.А.

Сердечником магнитопровода, выбранным по величине расчетной мощности S_p для трансформаторов с максимальным напряжением до 1000 В при частоте 400 Гц и расчетном условии на минимум массы, является стержневой ленточный сердечник с двумя катушками серии ПЛ, т.к. у него большая емкость охлаждения и меньшая средняя длина витка. КПД такого трансформатора =0,96

Выбор материала сердечника трансформатора проводим на том основании, что для каждой частоты существует своя минимальная толщина материала. Холоднокатаные текстурованные стали имеют меньшие удельные значения намагничивающей мощности и потерь в стали, если направление магнитного потока в сердечнике совпадает с направлением проката. Эти свойства наиболее полно реализуются в ленточной конструкции сердечника. Основываясь на том, что частота питающего напряжения равна 400 Гц, расчетная мощность равна 360 В^.А, а расчетным условием является минимум массы, выбираем марку стали 3415 и толщину 0,15 мм.

Выбрав конструкцию магнитопровода, определяем поперечное сечение стержня сердечника по формуле:

=1000 мм²,

где С₁ – постоянный коэффициент для стержневых двухкатушечных трансформаторов, равный 0,6; К_ст – коэффициент заполнения магнитопровода, равный 0,9; S_р – расчетная мощность, равная 360 В^.А;  – отношение массы стали к массе меди (при расчете на минимум массы =2,0) f – частота, равная 400 Гц; В_ст – предварительное значение магнитной индукции в стержне, равное 0,9 Тл; J_ср – среднее значение плотности тока в обмотках, равное 2,0 А/мм².

Определяем отношение сечения стержня к площади окна сердечника:

=0,444 ;




где К_ок – коэффициент заполнения окна медью, равный 0,25; Q_ок –сечение окна магнитопровода, мм.

После этого вычисляем размеры окна и сердечника:

мм²

Q_ст = а^.b, где b - толщина пакета, выбранная равной 22,4 мм, а – ширина стержня. Так как Q_ст = 909,977 мм², то а = 10 мм. Параметры а и b выбираем из ряда стандартных чисел.

Q_ок = h/с, где с – ширина окна сердечника, выбранная равной 1,12 мм, h – высота окна сердечника. Так как Q_ок = 2252,252 мм², то h=2,24мм.