Электрические машины Курсовая. Проектирование маломощных трансформаторов для устройств железнодорожного транспорта

• Название: Проектирование маломощных трансформаторов для устройств железнодорожного транспорта
• Дата: 10.04.2023
• Размер: 160.45 Kb.
• Имя файла: Электрические машины Курсовая.docx
• Тип: Курсовая; #1050950

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Петербургский государственный университет путей сообщения

Императора Александра I»

(ФГБОУ ВО ПГУПС)
Факультет «Транспортные и энергетические системы»

Кафедра «Автоматика и телемеханика на железных дорогах»
Специальность 23.05.05 «Системы обеспечения движения поездов»

Специализация «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте»


Курсовая работа

по дисциплине «Электрические машины»

на тему: «Проектирование маломощных трансформаторов для устройств железнодорожного транспорта»
Выполнил: Студент 3 курса Карягина Е.Г.

Группы АТ-601-11-З

Проверил: Вешкин В.В.

Санкт-Петербург 2019

Содержание
Введение

1. Задание на расчет трансформатора малой мощности

2. Особенности трансформатора малой мощности с воздушным охлаждением

3. Материалы, применяемые при изготовлении трансформатора малой мощности

4. Конструкция трансформатора малой мощности

5. Расчет однофазного трансформатора малой мощности

5.1 Выбор стали сердечника и определение токов в обмотках трансформатора

5.2 Предварительное значение площади поперечного сечения стержня магнитопровода

5.3 Определение числа витков обмоток трансформатора

5.4 Определение геометрических размеров обмотки. Определение площади окна магнитопровода

5.5 Определение размеров магнитопровода

5.6 Укладка обмоток на стержне магнитопровода

5.7 Определение средней длины витков обмоток

5.8 Определение массы меди обмоток

5.9 Определение потерь в меди обмоток

5.10 Определение массы стали магнитопровода

5.11 Проверка отношения массы стали к массе меди

5.12 Определение потерь в стали магнитопровода

5.13 Проверка отношения потерь в меди к потерям в стали

5.14 Определение тока холостого хода

5.15 Определение активных сопротивлений обмоток

5.16 Активные падения напряжения в обмотках

5.17 Изменение напряжения трансформатора при нагрузке

5.18 Коэффициент полезного действия

Библиографический список источников информации

Введение

трансформатор мощность напряжение нагрузка

В современных устройствах автоматики, телемеханики и связи в различных цепях электропитания элементов схем сигнализации, управления, обмоток реле, радиотехнической аппаратуры для преобразования па-размеров электрической энергии используются трансформаторы малой мощности ТММ. Расчет ТММ имеет ряд особенностей в отличии от расчета обычных силовых трансформаторов общего назначения. Так в ряде случаев к ним предъявляют жѐсткие требования по массогабаритным показателям, экономической и энергетической эффективности, по тепловому воздействию на соседствующее с ним оборудование и собственной тепловой устойчивости. В связи с тем, что расчет ТММ выполняется после самостоятельного изучения студентами теоретического раздела "Трансформаторы", в данном учебном пособии теоретические сведения соответствующего раздела курса "Электрические машины" не приводятся.

1. 
   Задание на расчет ТММ
   

Предлагается произвести расчет однофазного двухобмоточного ТММ, основных размеров его магнитопровода и обмоток, вычисление потерь в них, коэффициента полезного действия и перегрева относительно окружающей среды. Существенной особенностью данного учебного расчета ТММ по сравнению с расчетом трансформаторов большой и средней мощности является применение упрощенных формул и ограничение числа определяемых величин.

Исходные данные для расчета

1. 
   Номинальные мощности вторичных обмоток - S₂=225ВА, S₃ =50, ВА.
   
2. 
   Номинальное напряжение первичной обмотки - U₁ =380В.
   
3. 
   Напряжение вторичных обмоток при нагрузке - U ₂ =400В, U ₃ =20В.
   
4. 
   Частота питающего напряжения задается стандартной - f₁  50Гц.
   

5. 
   Коэффициент мощности нагрузок - cos₂ =0,8, cos₃=0,8.
   
6. 
   Класс изоляции - А (нагревостойкость-105 ⁰С).
   
7. 
   Режим работы – продолжительный.
   
8. 
   Максимальная температура окружающей среды - t_B  40 ⁰С.
   
9. 
   Охлаждение трансформатора - воздушное.
   
10. 
    Дополнительное требование: расчет произвести на минимум стоимости.
    

2. 
   Особенности трансформаторов малой мощности (ТММ) с воздушным охлаждением
   

Малые габариты и относительно благоприятные условия охлаждения ТММ позволяют обходиться без вентиляционных каналов в сердечнике и обмотках.

• 
  связи с небольшими напряжениями обмоток (обычно менее 1000 В) толщина изоляции между обмотками делается малой. Это обуславливает небольшие потоки реверсирования. Поэтому в ТММ с воздушным охлаждением для частоты сети 50 Гц реактивная составляющая напряжения короткого замыкания в несколько раз меньше активной составляющей и в данном расчете ей пренебрегаем.
  

Маломощные трансформаторы обычно применяются для питания автономной нагрузки и поэтому на параллельную работу не включаются. Поэтому напряжение короткого замыкания в данном случае не является одной из исходных величин для расчета (как это имеет место в мощных трансформаторах), а определяется в конце расчета для уточнения величины напряжения на вторичных обмотках при нагрузке.

Ток холостого хода ТММ велик и достигает 40-50% от номинального значения тока первичной обмотки при номинальной нагрузке вторичных обмоток.

Это объясняется значительным влиянием повышенного сопротивления стыков пластин магнитопровода при относительно малом пути магнитного потока по стали (по сравнению с мощными трансформаторами).

3. 
   Материалы, применяемые при изготовлении ТММ
   

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 холоднокатаные электротехнические стали разных марок и толщин.

Магнитные свойства горячекатаных сталей практически одинакова во всех направлениях проката. Поэтому из горячекатаных сталей выполняются пластинчатые магнитопроводы. При расчете трансформатора на минимум стоимости следует выбирать горячекатаные стали. С учетом наибольшего практического применения при курсовом проектировании ТММ рекомендуются следующие марки сталей:

1. 
   при частоте 50 Гц для пластинчатых магнитопроводов- горячекатаная сталь марки 1512 с толщиной листов 0,35 мм;
   

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

1. ПЭЛ- провод эмалированный лакостойкий, предназначен для работы при температуре до 105 0С. По стоимости - относительно дешевый, применяется в трансформаторах, которые рассчитываются на минимум стоимости. Недостаток провода - малая механическая прочность его изоляции.

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 0С (класс изоляции А, указанный в задании на курсовой проект) относятся отдельные материалы на основе хлопчатобумажной и шелковой тканей или на основе целлюлозы, не пропитанные лил пропитанные лаками.

В качестве материалов, используемых для межслойной и междуобмоточной изоляции, применяются бумаги, пропитанные изоляционным компаундом: кабельная марки К-12, телефонная КТН; конденсаторная КОН - 1; пропиточная марок ЭПИ -50 и ЭПИ -63Б. Из тканевых материалов используются лакоткани марок: ЛХ1, ЛХ2, ЛШ1, ЛШ2. Материалом для каркасов катушек служит: для сборных - текстолит, гетинакс, электрокартон; для прессованных и литых - пресс - порошки.

4. 
   Конструкция трансформаторов малой мощности
   

Основными элементами конструкций ТММ являются магнитопровод и катушки с обмотками. Пластинчатые магнитопроводы собираются из отдельных штампованных пластин, изолированных друг от друга оксидной пленкой или слоем изоляционного лака. По конструктивному исполнению магнитопровод имеет тип: броневой. Основные размеры магнитопроводов, наиболее распространенных на практике, представлены на рис. 1. Броневые пластинчатые магнитопроводы чаще всего собираются из Ш - образных пластин и прямоугольных перекрышек (рис.1 а). Для уменьшения магнитного сопротивления сборка осуществляется со сквозными пластинами.

Катушки трансформатора представляют собой совокупность обмоток и систем изоляции, обеспечивающую их нормальное функционирование в заданных условиях окружающей среды. Изоляционная система катушек включает в себя следующие элементы: изоляцию обмоточных проводов, изоляцию обмоток от магнитопровода, межслоевую изоляцию, внешнюю изоляцию.

Изоляция обмоток от магнитопровода, осуществляется при помощи каркаса, который может быть клееным, прессованным или сборным. Клееный выполняется из электрокартона, сборный - из твердых изоляционных материалов (гетинакса или текстолита), прессованный - из пластмассы.



Рис. 1 Основные размеры сердечников трансформатора: а) броневой пластинчатый
Броневой тип трансформатора пластинчатый имеет одну катушку (рис.2). Его достоинства - более высокий коэффициент заполнения окна сердечника обмоточным проводом, частичная защита обмотки ярмом сердечника от механических повреждений.

Конструктивное оформление ТММ броневого типа представлено на рис. 2

Для уменьшения воздушного зазора в стыках и уровня шума магнитопроводы стягиваются шпильками посредством специальных накладок, которые одновременно используются и для крепления трансформатора к шасси. Вместо накладок можно использовать штампованные крышки; последние также являются и кожухом ТММ, защищая его от механических повреждений.

При малых размерах магнитопровода для стяжки железа иногда используют обойму специальной формы, в которую запрессовывают собранный трансформатор; обойма имеет ушки для крепления к шасси.

5. 
   Расчет однофазного трансформатора малой мощности
   

Рис. 2 Конструкция броневого пластинчатого трансформатора

1. 
   Выбор стали сердечника и определение токов в обмоток трансформаторов
   

• 
  рассматриваемом примере с расчетным условием - минимум массы, выбираем броневой ленточный магнитопровод из холоднокатаной стали марки 3412 с толщиной ленты 0,35 мм.
  

Ток первичной обмотки,

где I_1a и I_{1 p} - активная и реактивная составляющие тока I₁ первичной обмотки, определяемые по формулам



Напряжение U₁, мощности S₂, S₃ и cos₂, cos₃ вторичных обмоток даны в задании на проектирование. Величина КПД ( η ) определяется ориентировочно по рис. 3 в зависимости от суммарной полной мощности обмоток  S, ВА.
S  S₂  S₃.
Значение КПД ( ) подставляется в уравнение в условных единицах.

Суммарная полная мощность, ВА:
S  S₂  S₃  225  50  275 ВА
По графику рис. 3 находится  0,9.



рис. 3 Зависимость КПД (η) от суммарной полной мощности обмоток ∑S.
Активная составляющая тока первичной обмотки, А

Реактивная составляющая тока первичной обмотки, А

где - предварительная величина намагничивающего тока, принимаемая при броневых пластинчатых магнитопроводах (0,3 0,5) I_la.

В данном примере = 0,3 • I_la= 0,3 • 0,643= 0,193 А.

Значения sin определяется по формуле по соответствующим значениям cos ₂и cos ₃.

Ток первичной обмотки, А



Токи вторичных обмоток, А

2. 
   Предварительное значение площади поперечного сечения стержня магнитопровода
   

В данном примере при ∑S= 275 ВА принято ∆' = 2,3 А/мм².
0,7
Поперечное сечение стержня сердечника без учета изоляций листов, см².

где С=0,7 - постоянный коэффициент магнитопроводов броневого типа; полная потребляемая мощность трансформатора
ВА;
В данном примере расчета на минимум стоимости принято: 𝜶= 2,3.

Полное поперечное сечение стержня магнитопровода с учетом междулистовой изоляции

Коэффициент заполнения магнитопровода в зависимости от выбранной конструкции магнитопровода. При броневом пластинчатом магнитопроводе = 0,9.

3. 
   Определение числа витков обмоток трансформатора
   

С учетом требования минимума массы трансформатора и уменьшения потоков рассеивания обмотки на стержне располагаем следующим образом (рис.4)


Рис. 4 Расположение обмоток в окне трансформатора
вторичная обмотка (2), имеющая меньший ток нагрузки - непосредственно на стержне;

вторичная обмотка (3) - снаружи катушки;

первичная обмотка (1) - между вторичными обмотками. Действующее значение ЭДС обмоток:

первичной

Вторичных




Для принятой конструкции магнитопровода трансформатора при ∑S= 275 ВА принимаются = 3%, = 6%, = 6%.

Предварительное значение числа витков обмоток: первичной

Вторичных



Число вольт на один виток любой обмотки, В/виток,

4. 
   Определение геометрических размеров обмотки. Определение площади окна магнитопровода.
   

А/мм², = 0,8 ' = 0,8 • 2,3 =1,84 А/мм²,

• 1,1 = 2,53 А/мм².
Предварительное значение поперечных сечений проводников обмотки, мм²,





Стандартные сечения голых проводников, мм²,

= 0,3739 мм²; q₂= 0,3019 мм²; q= 0,9852 мм².

Диаметры проводов, мм,

Уточненные плотности тока в обмотках из стандартного провода,

А/мм²,





при ∑S=275 принято

Предварительное значение площади окна магнитопровода


5.5 Определение размеров магнитопровода
На рис 1 а представлен эскиз пластинчатого магнитопровода броневого типа.

Основные размеры сердечников, мм:

a - ширина стержня;

в- толщина пакета;

с- ширина окна;

h - высота окна;

- ширина ярма;

- длина средней силовой магнитной линии.

Форма окна сердечника ТММ оказывает значительное влияние на величину намагничивающего тока, расход стали и меди. Излишняя высота окна сердечника повышает намагничивающий ток, увеличивает расход стали и соответственно массу трансформатора.

Размеры выбранного сердечника пластинчатого магнитопровода должны удовлетворять следующим требованиям:

а) площадь поперечного сечения стержня, см^2
QCвыбр = ^а• ^в≈^QCрасч.
При этом идеальный вариант в = а, допустимо отклонение в доa = (1 ÷2,5)а.

Сечение стержня квадратной формы в= а обеспечивает минимальный расход меди обмоток, снижение потерь в обмотках и общей стоимости трансформатора.

б) площадь окна должна быть достаточной для размещения обмоток, т.е. h • c≥Q'_ok, где h - высота окна, c - ширина окна (размеры a, в, с, h- по рис.1а и 1б).

Максимальное значение aможет быть при выборе стержня квадратного сечения когда aи в равны.

Если предварительно принять условие в' = а', то тогда
а' в'=а' а'= а'²=Q'С расч
Из этого условия следует, что = , определив ориентировочное значение а, как равное производят выбор магнитопровода из нормализованного ряда (табл.2÷3 приложение) с учетом достаточности размеров окна из условия h c≥ _ок, но не более h c =1,2

В пластинчатых сердечниках можно отступать при нормализованных значениях ширины стержня а от нормализованного значения толщины пакета с соблюдением условий и в≥ Значения h и c должны соответствовать нормализованным. В этом случае будет использован не нормализованный магнитопровод, а только стандартные пластины для его сборки.

В рассматриваемом примере исходными данными для выбора сердечника являются выбранный ранее броневой пластинчатый тип магнитопровода и рассчитанные предварительные значения = 17,059 см² и = 15,5 см². Возможное максимальное значение
= = √17,059 = 4,13 см= 41,3 мм.
Площадь окна Q^*Cнорм, соответствующая нормализованным размерам h=80 мм и с =32мм будет равна Q ок норм = h н -c н= 80 - 32 = 2560 мм² н =25,6 см², что значительно превышает = 15,5 см².

Выбранный сердечник из нормализованного ряда имеет площадь сечения стержня Qснорм = а н в н • = 3,2 • 5,5 = 17,6 см², превышающую требуемую расчетную = 17,059 см².

Откоректированные значения чисел витков обмоток:
w₁=w΄₁

w₂=w΄₂

w₃=w΄₃
Откорректированная площадь окна
Q΄_{ок.корр}= см²
Площадь окна с учетом возможной неполноты заполнения слоев обмотки.

6. 
   Укладка обмоток на стержне магнитопровода
   

При намотке на каркасе осевую длину обмотки находят по формуле h_o6= (h -1) - 2 _из, мм,

где _из- толщина каркаса, обычно равная 1÷3 мм, определяется требованиями его механической прочности.

В примере принимаем _из= 2мм, тогда
h_o6= (h -1) - 2 _из= (80 -1) - 2 • 2 = 75 мм.

Далее находим число витков в одном слое каждой обмотки:

мотки, определяемый по табл. 1.

где - коэффициент укладки провода для соответствующей обмотки, определяемой по Табл.1





Зная число витков в одном слое, находим число слоев каждой из обмоток:

Эти числа необходимо округлить до большего целого числа.








Определим





Выбрав междуслоевую изоляцию, находим радиальные размеры обмоток:





Определим





При более высоких рабочих напряжениях применяем формулу

где .

По табл.5.7 находим величину испытательного напряжения


= К_в ) + мм,

Где Кв = 1,05 -1,2 - коэффициент выпучивания, учитывающий разбухание катушки при намотке и пропитке;

2 - 5 мм - расстояние от катушки до ярма магнитопровода;

₀ = _из - толщина изоляции при намотке на каркас.

Катушка размещается в окне магнитопровода, если с’≤с.

Приняты: толщина каркаса = 2 мм, расстояние от катушки до ярма магнитопровода ε₃ = 2 мм, Междуобмоточная изоляция = 0,24 мм (по табл. 1 по наибольшему испытательному напряжению = 1600В и dи= (0,4÷1,0) мм принято три слоя бумаги К-08 толщиной 0,08 мм), аналогично = 0,36мм (по табл.3 по наибольшему испытательному напряжению = 1550 В и = (1 ÷1,5) мм, принято три слоя бумаги К-12 толщиной 0,12 мм).

Необходимая ширина окна магнитопровода для размещения катушки.
= К_в ) + мм

= 1,2(2 +7,1+ 0,24 +6,7+ 0,36 + 8,3+ 0,12) + 2 = 31,81 мм.
с’ = 31,81 мм <с = 32 мм. Катушка размещается в окне выбранного сердечника магнитопровода.

6. 
   Определение средней длины витков обмоток
   

В данном примере


см

см.

6. 
   Определение массы меди обмоток
   

Общая масса меди обмоток трансформатора:

6. 
   Определение потерь в меди обмоток
   

Суммарные потери в меди обмоток





Суммарные потери в меди обмоток
Рм= Рм1+Рм2 +Рм3 =9,15+3,77+1,76 =14,7 Вт.

6. 
   Определение массы стали магнитопровода
   

При пластинчатом магнитопроводе масса стержня
кг
Масса ярма


где = 7,8 г/см³ - удельная масса стали;

- длина ярма, см (см.рис.1 в)

=3,2+2*(3,2+1,6)=12,8 cm

Qя=b*αβ= 5,5*1,6=8,8 см

Масса магнитопровода
кг

6. 
   Проверка отношения массы стали к массе меди
   

По полученным значениям Gи Gнеобходимо определить величину Она должна находиться в пределах, которые рекомендованы в начале расчета.
,12.

6. 
   Определение потерь в стали магнитопровода
   

При пластинчатых магнитопроводах и частоте 50 Гц определяются

- потери в стержне

- потери в ярме


Где К = 1,1÷ 1,3 - коэффициент, учитывающий увеличение потерь в магнитопроводе вследствие штамповки и наличия стяжных шпилек или болтов для его сборки;

= 1,2 Вт/кг - удельные потери в стали марки 1512 с толщиной ’/50 листа 0,35 при индукции 1,0 Тл и частоте 50 Гц;

и - окончательные значения магнитной индукции в стержне и ярме, Тл.

Эти величины определяются по формулам
=1,45* = 1,45 Тл
определяется, как и в предыдущем случае при пластинчатом магнитопроводе.

Потери в стали

где = 2,8 Вт/кг - удельные потери для магнитопроводов трансформаторов, предназначенных для общего применения. Повышенное значение удельных потерь связано с наличием стыков, величина которых зависит от технологии изготовления.

6. 
   Проверка отношения потерь в меди к потерям в стали
   

Для трансформаторов при частоте 50 Гц это отношение обычно составляет

Полученный результат находится в рекомендуемых пределах (1,25÷2,5).

6. 
   Определение тока холостого хода
   

Намагничивающий ток при пластинчатых магнитопроводах броневого типа находится на основании закона полного тока:
А
= h- длина магнитной силовой линии в стержне, см;

h+ 2c+ a+ а_я = 8+2*3,2+3,2+1,6=12,8 см- длина средней магнитной силовой линии в ярме трансформатора, см;

= 0,004 см - величина эквивалентного воздушного зазора.

Ток холостого хода


Далее определяем значение тока холостого хода в процентах по отношению к номинальному току первичной обмотки:



Которое должно находиться в пределах 30÷50% при частоте 50 Гц. В относительных единицах расчетный ток холостого хода равен 0,25 от , что незначительно отличается от предварительно принятого значения тока и находится в допустимых пределах для ленточных сердечников магнитопровода = (0,1 ÷0,3) .

6. 
   Определение активных сопротивлений обмоток
   

Активные сопротивления обмоток

-первичная

-вторичные

Активные сопротивления пар обмоток



где и -сопротивления вторичных обмоток приведенные к числу витков первичной обмотки.

6. 
   Активные падения напряжения в обмотках
   

В примере расчета:

6. 
   Изменение напряжения трансформатора при нагрузке
   

,58*0.8+3,22*0,8=4,67 %
Действующее значение напряжений на зажимах вторичных обмоток трансформатора при номинальной нагрузке



Отклонение напряжения заданного значения 400В составляет 5 и находится в допустимых пределах.

Отклонение напряжения заданного значения 20В составляет 5 и находится в допустимых пределах.

6. 
   Коэффициент полезного действия
   

Активная полезная мощность ТММ
225*0,8+50*0,8=220 ВТ
Коэффициент полезного действия при номинальной нагрузке вторичных обмоток

Расчетное значение КПД в рассмотренном примере = 90% равно как и в предварительном его значении = 90%.

Библиографический список источников информации
1. Давидчук Г.А., Лебедев А.М. Электрические машины и трансформаторы ч.1, ПГУПС, 2008. 100 с.

2. Кацман М.М. Электрические машины М.: Высш. шк., 2004.

3. Болдырев Г. Л., Мельников В.И., Попов Г.А. Проектирование маломощных трансформаторов для устройств железнодорожного транспорта, ч.3 Л.,ЛИИЖТ, 1988.

4. Ермолин Н.П. Расчет трансформаторов малой мощности, М.: Энергия, 1969. 5. Черномашенцев В.Г., Пацкевич В.А., Типикин С.В. Расчет маломощного трансформатора. Г., БелЛИИЖТ, 1990.