Расчет трансформатора малой мощности курсовая работа. Расчет т.м.м.. Задание на курсовой проект
 Скачать 65.62 Kb.
|
|
Содержание
Введение В различной радиотехнической и электронной аппаратуре находят широкое применение электромагнитные элементы типа трансформаторов и дросселей. Наиболее широко трансформаторы и дроссели применяются в схемах электрического питания радиотехнических устройств: выпрямителях, фильтрах, статических преобразователях, стабилизаторах и регуляторах напряжения и тока. В связи с этим вопросам расчета, конструирования и изготовления маломощных трансформаторов и дросселей питания, занимающим основное место в общем балансе электромагнитных элементов, уделяется большое внимание. Курсовой проект ставит целью разработку конструкции маломощного трансформатора питания, обеспечивающую автоматизированное производство и сборку. 1. Задание на курсовой проект В данном курсовом проекте необходимо рассчитать и сконструировать маломощный трансформатор питания по данным, указанным в таблице 1. Электрическая схема трансформатора представлена на рисунке 1. Проектируемый трансформатор является маломощным трансформатором питания общего назначения, многообмоточным – имеет три вторичные обмотки, однофазный, низковольтный. Частота тока, при которой работает трансформатор – f = 400 Гц. Режим работы – продолжительный.  U2 U1 U3 U4 Рисунок 1 – Схема электрическая Таблица 1 – Данные для расчета
2. Поиск и обоснование наилучшего варианта замысла конструкции. Исходными величинами для расчета трансформатора служат напряжение и частота питающей сети, а также токи и напряжения вторичных обмоток. В результате расчета должен быть определен типоразмер сердечника, данные обмоток(т.е. число витков, марки и диаметры проводов), а также электрические и эксплутационные параметры трансформатора (к.п.д., ток холостого хода, температура перегрева обмоток). 2.1. Определяем суммарную мощность вторичных обмоток:  (1) 2.2. Выбор магнитопровода: Осуществлять выбор магнитопровода необходимо исходя из требований технического задания. Для малых мощностей (от единицы до нескольких десятков вольт - ампер) при напряжениях, не превышающих 1000 В, и частоте сети 50 и 400 Гц следует использовать броневые трансформаторы при использовании, как пластинчатых, так и ленточных магнитопроводов. Лишь незначительно уступая стержневым трансформаторам по удельной мощности на единицу веса и объема, броневые трансформаторы, имеющие одну катушку, значительно технологичнее их в изготовлении и проще по конструкции. Поскольку условием эксплуатации проектируемого в нашем случае трансформатора является частота питающей сети 400 Гц, то рационально будет использовать ленточный сердечник (ЛС). На данной частоте, с точки зрения наименьших электрических потерь, выгодно использовать тонкие ленты, что недопустимо при изготовлении шихтованных сердечников, поскольку технология их производства включает операцию штамповки пластин, которые при малой толщине заготовки просто невыгодно и даже невозможно качественно штамповать. Также производство магнитопроводов данного типа весьма технологично, отходы материалов минимальны, трудоёмкость изготовления ленточных магнитопроводов значительно снижается по сравнению с шихтованными магнитопроводами, что уменьшает стоимость трансформатора. Кроме того процесс производства ленточных магнитопроводов можно автоматизировать, что в условиях массового производства приведёт к значительной экономии средств, затраченных на данный технологический процесс, что, в свою очередь, также повлечёт за собой снижение стоимости выпускаемых трансформаторов. Исходя из этого, учитывая суммарную мощность вторичных обмоток, из справочных данных выбираем ленточный манитопровод из холоднокатаной стали Э340; толщина ленты 0.15 мм (стр.65;[1]). 2.3. Находим ориентировочные величины: Одним из основных параметров трансформатора является магнитная индукция. Значение магнитной индукции влияет на величину потерь на гистерезис, а следовательно и на величину потерь в стали сердечника и К.П.Д. трансформатора. По найденной величине суммарной мощности вторичных обмоток для данной конструкции магнитопровода находим ориентировочные значения: - магнитная индукция Вмакс = 1,4 Тл; табл.5.1[1] - плотность тока δ = 5 А/мм2; табл.5.2[1] - коэффициент заполнения окна kок = 0,22; табл.5.3[1] - коэффициент заполнения магнитопровода kст = 0,9. табл.5.4[1] 2.4. По формуле (5-2)[1]находим произведение сечения стали магнитопровода на площадь его окна:  , (2) .2.5. Из табл.П2-2 выбираем магнитопровод ШЛ 12*16:  , , 2.6. По формуле (5-6) [1] и кривой рис.5-2[1] определяем потери в стали для индукции Вмакс = 1,4 Тл:  (3) Величина удельных потерь зависит от выбранного значения магнитной индукции, марки стали, ее толщины и частоты сети. 2.7. Находим активную составляющую тока холостого хода по формуле (1-59) [1] при максимальном напряжении питающей сети:  (4) 2.8. Находим полную намагничивающую мощность по формуле (1-62) [1] и кривой рис.5-3[1]( Вмакс = 1,4 Тл):  (5)где  - намагничивающая мощность, т.е. мощность. необходимая для создания в магнитопроводе трансформатора заданного значения магнитной индукции. Намагничивающая мощность складывается из мощности, необходимой для создания магнитной индукции в стали и в воздушных зазорах магнитопровода. При проектировании небольших трансформаторов намагничивающую мощность обычно не разделяют, а определяют ее при помощи экспериментальных зависимостей между индукцией и удельной намагничивающей мощностью всего магнитопровода в целом. 2.9. По формуле (1-61а) [1] находим реактивную составляющую тока холостого хода:  (6) 2.10. Находим абсолютное и относительное значения тока холостого хода: по формуле (1-64)[1]:  (7) по формуле (5-7) [1]:  , (8)где η = 0,9 и cosφ = 0,89 из табл.5-5[1] в зависимости от мощности, отдаваемой трансформатором:  . при U1=115 В, что допустимо.2.11. По формулам (5-8) - (5-11) [1] и табл.5-6[1] находим числа витков обмоток: Расчет обмоток заключается в определении по заданным величинам тока и напряжения чисел витков и сечении проводов каждой обмотки.  , (9) , (10)Все величины, входящие в правые части уравнений (9) и (10). известны. за исключением э.д.с.  и  .Для выполнения практических расчетов удобно выразить э.д.с. каждой обмотки через напряжение на ее зажимах. Если обозначить величины падения напряжения в обмотках, выраженные в процентах от номинального значения  и  , то э.д.с. обмоток могут быть найдены из выражений: , (11) , (12)Конкретные значения величин и зависят от многих факторов - от конфигурации магнитопроводов, их геометрии, величины рабочего напряжения, перегрева, частоты сети и мощности трансформатора. ,  ,   . Таблица 2 – Число витков обмоток
2.12. По формулам (2-3) [1], (5-12) [1] и табл.5-2 [1] находим ориентировочные величины плотности тока и сечения проводов обмоток: Рекомендуемые значения плотностей тока. обеспечивающих превышение температуры, равное 50 0С, приведены в табл.5-2. однако эти данные используются лишь для предварительного определения сечений и диаметров проводов. Окончательно эти величины могут быть определенны только после выполнения конструктивного и теплового расчета обмоток.  , (13) ,  ,  ,  , 2.13. Выбираем стандартные сечения и диаметры проводов марки ПЭВ-2 из табл.П1-1[1]: Sпр1=0.1886 мм2; dпр1=0,49 мм; dиз1=0,55 мм; gпр1=1,68 г/м; Sпр2=0.07548 мм2; dпр2=0,31 мм; dиз2=0,36 мм; gпр2=0,671 г/м; Sпр3=0.04155 мм2; dпр3=0,23 мм; dиз3=0,28 мм; gпр3=0,369 г/м; Sпр4=0.01131 мм2; dпр4=0,12 мм; dиз4=0,15 мм; gпр4=0,101 г/м. 2.14. Находим фактические плотности тока в проводах:     2.15. По формуле (2-1) [1] и графику рис.2-25 определяем испытательные напряжения обмоток: Испытательным напряжением называется напряжение между обмотками или напряжение между обмоткой и сердечником, которое обмотки должны выдерживать в течении заданного промежутка времени без повреждений изоляции. Испытательное напряжение зависит от величины рабочего напряжения или потенциала обмотки, требуемого запаса электрической прочности изоляции, а также от влажности и давления окружающего воздуха. Для трансформаторов напряжением до 1000 В величины испытательных напряжений в нормальных условиях, выраженные в амплитудных значениях, могут быть найдены по графику рис.2-25 в зависимости от заданных значений рабочего напряжения, выраженных в амплитудных значениях.  (14) ;   ;   ;   ;  2.16. По формуле (2-4) [1]определяем допустимую осевую длину обмотки на гильзе:  (15)   Обычно длину гильзы берут на 1 мм короче высоты окна. 2.17. По формулам (2-6), (2-7) [1] и графику рис.2-27[1] находим число витков в одном слое и число слоев каждой обмотки:  , (16)где  - коэффициент укладки провода в осевом направлении, определяемый по данным рис.2.27[1]Зная число витков в одном слое, находим число слоев каждой из обмоток:  , (17)        2.18. Выбираем изоляционные расстояния по рекомендациям (стр.101-102;[1]):     В качестве междуслоевой изоляции первичной обмотки выбираем пропиточную бумагу ЭИП-50 толщиной 0.09 мм; для вторичных обмоток - телефонную бумагу КТН толщиной 0.05 мм. 2.19. По графикам 2-29 - 2-31[1] определяем величины коэффициентов: первая обмотка: kу2=1,062 ;kмс=1,075 ;kмо=1,225; вторая обмотка: kу2=1,082 ;kмс=1,087 ;kмо=1,3; третья обмотка: kу2=1,095 ;kмс=1,11 ;kмо=1,35; четвертая обмотка: kу2=1,142 ;kмс=1,175 ;kмо=1,49. 2.20. Находим радиальные размеры каждой обмотки по формуле (2-8) [1]:  (N-1) (18)(при  0,5мм). При  0,5мм во втором члене выражения следует вместо (N-1) подставлять  . = 1,062*6*0,55+1,075*(6-1)*0,09=3,99 мм; = 1,082*4*0,36+1,087*( )*0,05=1,59 мм; = 1,095*6*0,28+1,11*( )*0,05=1,92 мм; = 1,142*6*0,15+1,175*( )*0,05=1,15 мм.2.21. По графику рис.2-28[1] определяем kв=1,06 , при b/a = 16/12 = 1.33; принимаем kмо=1,7. 2.22. Определяем радиальный размер катушки по формуле (2-9) [1]: a=  , (19)где  - зазор между гильзой и сердечником.a = 0,5+(1+3,99+1,225*0,24+1,59+1,3*0,24+1,92+1,35*0,24+1,15+1,49*0,24+1,7*0,24)*1,06= =11,43 мм 2.23. Зазор между катушкой и сердечником равен 12 - 11,43 = 0,57 мм, что допустимо. 2.24. Определяем потери в меди обмоток: а) по формулам (2-10)-(2-15) [1] находим среднюю длину витка каждой обмотки:  (20) , (21) , (22) (23) (24) . (25) = 15,12 мм; = 19,12 мм; ; ; =  0,102 м; =  0,116 м; =  0,128 м;б) находим массу меди каждой обмотки:  , (26)    в) находим потери в каждой обмотке по формуле (5-14) [1]; предельно допустимая температура провода ПЭВ-2  0C: ; (27)где m = 2.65, табл 5-7[1].  = 2,65*5,252*37* = 2,7 Вт; = 2,65*5,292*11,4* =0,85 Вт; = 2,65*4,812*20,1* =1,23 Вт; = 2,65*5,312*10,3* =0,77 Вт;г) находим суммарные потери в меди катушки по формуле (5-13) [1]:  ; (28) 2.25. Определяем тепловое сопротивление по данным табл.3-1[1] (магнитопровод ШЛ12*16):  ;   2.26. Определяем величину теплового потока катушки - сердечник по формуле (3-54) [1]:  ; (29) = 2,1 Вт.2.27. Определяем тепловое сопротивление катушки от максимально нагретой области до гильзы по формуле (3-51) [1]: x=  ; (30)x=  = 0.31 0C/Вт.2.28. В соответствии с п.4 методики теплового расчета (п.3-7) [1] определяем величину теплового потока от сердечника к катушке по формуле (3-60) [1], так как x  0. ; (31) = 1,49 Вт.2.29. Так как  положителен, то величину максимального превышения температуры катушки определяем по формуле (3-61) [1]: ; (32) = 73 0C.2.30. Определяем средний перепад температуры в катушке по формуле (3-62) [1]:  ; (33) 0C. 2.31. Определяем среднеобъемное превышение температуры катушки по формуле (3-58) [1]:  ; (34)где   0C. 2.32. Определяем максимальную и среднюю температуру проводов обмотки:  0C; 0C.На основании проведенного расчета видно, что принятые в расчете провода марки ПЭВ-2 с предельно допустимой температурой +120 0C могут быть использованы в данном трансформаторе без снижении срока службы примерно. Превышение максимально допустимой температуры на 3 0C, копенсируем пропиткой витков трансформатора, что приведет к более хорошей теплоотдаче и тем самым снизит максимальный перегрев. Также для сохранения срока службы порядка 20 лет, как это обычно принято, можно перейти на больший типоразмер магнитопровода с соответствующим снижение магнитной индукции и плотности тока или применить в трансформаторе провода марки ПЭТВ, допускающего длительную работу при температуре +130 0C. Выбираем первый вариант, пропитка витков магнитопровода для защиты от влаги и улучшение теплоотдачи, за счет заполнения пустот. 2.33. Расчет сопротивления обмотки. Определяем сопротивления обмоток при температуре +20 0C по формуле (5-15) [2]: r = ρ  ; (35)где ρ - удельное сопротивление провода (для меди ρ=0.0175  ).l = ω*  r1 =  = 2,04 Ом;r2 =  = 4,71 Ом;r3 =  = 24,5 Ом;r4 =  = 157,5 Ом;Задаемся максимальной температурой обмотки +120 0C; превышение температуры над нормальной Δt = 120 - 20 = 100 0C. Вычисляем сопротивление обмоток при температуре +120 0C  ;      2.34. Определим фактическое падение напряжения на обмотках:  ; (36)        Полученные значения напряжений примерно равны тем величинам, которыми задавались при расчете из табл.5-6[1]. 2.35. Определяем к.п.д. трансформатора по формуле (5-37)[1]: η =  .3. Поиск наилучшего варианта компоновки проектируемого трансформатора. Трансформатор состоит из одной или нескольких индуктивных катушек с обмотками, которые надеваются на сердечник из магнитного материала, а также элементов, служащих для скрепления частей сердечника и закрепления трансформатора в аппарате. Магнитопровод. Назначение магнитопровода заключается в том ,чтобы создать замкнутый путь для магнитного потока, обладающий возможно меньшим магнитным сопротивление. Поэтому магнитопроводы трансформаторов и дросселей различных типов необходимо изготавливать из материалов. обладающих высокой магнитной проницаемостью в сильных переменных магнитных полях. Эти материалы должны иметь малые потери на вихревые токи и перемагничивание с тем, чтобы обеспечить допустимый нагрев сердечника при достаточно больших значениях магнитно индукции. Желательно также, чтобы материалы, предназначенные для изготовления магнитопроводов трансформаторов и дросселей. были дешевыми и не требовали сложной механической и термической обработки. Все перечисленные ранее требования трудно совместиммы один с другим и не могут быть полностью реализованы в одном материале; поэтому на практике применяется большое количество разнообразных магнитных материалов, и окончательный выбор может быть сделан путем всестороннего их сравнения. Для ленточных магнитопроводов широко применяется холоднокатаная рулонная текстурованная сталь, изготавливаемая в соответствии с ГОСТ 9925-61. В зависимости от частоты питающей сети холоднокатаные ленточные стали, применяемые для изготовления магнитопроводов трансформаторов и дросселей малой мощности. могут быть разделены на две группы: стали для магнитопроводов на частоту 50 Гц (Э310, Э320, Э330 толщиной 0.5 и 0.35 мм и Э330А толщиной 0.35 мм) и стали для магнитопроводов на частоту 400 Гц (Э340, Э350, Э360, Э360А толщиной 0.10 и 0.15 мм). Из горячекатаных сталей наименьшим удельными потерями обладают стали марок Э343А(50 Гц) и Э44(400 Гц). а их холоднокатаных - стали марок Э330А(50 Гц) и Э340 (400 Гц). В нашем случаи был выбран ленточный магнитопровод броневого типа из холоднокатаной стали марки Э340 толщиной 0.15 мм. Доя получения минимального немагнитного зазора в магнитопроводе торцы сердечников после установки в катушку склеивают ферромагнитной пастой. Если зазор необходим, то в месте стыка двух сердечников устанавливают прокладки из бумаги или картона необходимой величины. Каркас катушки. Основание. на котором размещен и закреплен провод обмотки трансформатора, называется каркасом. По конструкции каркасы могут быть разделены на две основные группы: со щечками и без щечек - гильзы. Каркасы со щечками изготавливают прессовкой или сборными из листовых изоляционных материалов. Гильзы делают из тонкого картона или кабельной бумаги навивкой нескольких слоев на оправке и склейкой их. Для вывода концов обмотки в щечках каркаса делают отверстия и крепят контакты. Размеры отверстия в каркасе следует брать на 0.4 - 1 мм больше, чем размеры соответствующей части магнитопровода, которое входит в это отверстие. Толщина стенок каркаса в зависимости от его размеров и используемых материалов составляет обычно от 0.7 до 1.5 мм. В нашем случае был выбран каркас - гильза, т.к. трансформаторы, в которых каркасы катушек выполнены в виде гильз, обладают лучшими технологическими характеристиками. поскольку гильзы значительно проще каркасов со щечками и процесс изготовления гильзы лучше поддается механизации. Кроме того, при использовании гильз можно на хорошо отрегулированных станках производить намотку сразу большего числа катушек, что также резко снижает затраты на производство. Обмотки. При производстве трансформаторов радиотехнической аппаратуры используется в основном медный изолированный провод, т.к. медь имеет наименьшее удельное сопротивление по сравнению с другими проводниковыми материалами. Наиболее распространены медные провода с эмалевой изоляцией ПЭЛ, ПЭВ-1, ПЭВ-2, ПЭВЛТ-1, ПЭВЛТ-2, ПЭТВ, ПНЭТ. Максимальная рабочая температура для них составляет: +105 0С - ПЭЛ, ПЭВ-1, ПЭВ-2; +120 0С - ПЭВЛТ-1, ПЭВЛТ-2; +130 0С - ПЭТВ; +220 0С - ПНЭТ. Минимальная рабочая температура - минус 60 0С. Укладка провода на катушку осуществляется двумя способами: беспорядочно (внавал) и правильными рядами, виток к витку (рядовая намотка). При расчете выбрана рядовая намотка проводом ПЭВ-2 для избежания поялвения больших напряжений между соседними витками, пробоя изоляции провода и короткого замыкания, что может иметь место при намотке внавал. Крепление элементов конструкции. После сборки катушки с магнитопроводом, необходимо закрепить его отдельные части, чтобы при последующих технологических операциях и эксплуатации не происходило их взаимное перемещение. В противном случаи из - за появления или изменения зазора будет меняться магнитная проницаемость, что приведет к увеличению тока холостого хода. Магнитопровод скрепляем специальной обоймой, с отверстиями для крепления в аппаратуре. Герметизация трансформатора. Для защиты трансформатора от действий влаги, применяют пропитку катушки изоляционными лаками и компаундами. В результате пропитки происходит уменьшение температуры перегрева провода, т.к. пропиточный материал заполняет воздушные промежутки между витками катушки, что улучшает ее теплопроводность и способствует более интенсивному отводу теплоты к поверхности трансформатора. Лаки и компаунды, применяемые для пропитки должны обладать хорошей проникающей способностью и не разрушать изоляцию проводов. Для пропитки трансформатора используем современный кремнийорганический пропиточно-заливочный электроизоляционный компаунд "Эластин" ТУ 2513-024-07550073-05 [3]; предназначенный для: -пропитки и заливки низко- и высоковольтных многослойных моточных изделий с сечением провода от 10 мкм, в т.ч. на пермаллоевых и ферритовых сердечниках: -корпусной и бескорпусной заливки функциональных блоков радио и электрон-ных приборов с плотным монтажом, содержащим тензочувствительные элементы. Компаунд устойчив к влаге, радиации, озону, хлору, окислам серы и азота, ре-монтопригоден. Обладающий характеристиками: Интервал рабочих температур, °С -80...+300 Условная прочность при разрыве, МПа 0.8 - 1.0 Относительное удлинение , % 80 - 100 Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом•см 1•1015 Электрическая прочность, кВ/мм 15 4. Разработка конструкции трансформатора питания малой мощности. В результате проведенных расчетов был получен трансформатор питания следующей конструкции: Тип трансформатора - броневой, в качестве сердечника используется ленточный магнитопровод из холоднокатаной стали марки Э340 толщиной 0.15 мм типа ШЛ 12*16 ГОСТ 22050-76. Каркас катушки - гильза,с посадочными размерами 12,4*16,4*29 изготавливают из картона ЭВТ 0.4 ГОСТ2824-86 навивкой на оправе и склейкой в два слоя. Склеивать гильзу клеем БФ - 4 ГОСТ 12172 - 74. На гильзу производиться рядовая намотка проводом ПЭВ-2 ГОСТ 26615 - 85 в следующем порядке: 1. Первой наматываем 268 витков первичной обмотки проводом ПЭВ-2, диаметром - 0,49 мм ГОСТ 7262-78; между рядами в качестве изоляции укладывается один слой пропиточной бумаги ЭИП-50 толщиной 0.09 мм ГОСТ 3441-88, поверх обмотки  ГОСТ 23436-83.2. Затем наматываем 795 витков обмотки проводом ПЭВ-2 диаметром 0,12 мм ГОСТ 7262-78; между рядами в качестве изоляции укладывается один слой телефонной бумаги КТН толщиной 0.05 мм ГОСТ 3553-87, поверх обмоток - ГОСТ 23436-83.3. Следующим наматываем 199 витков проводом ПЭВ-2 диаметром 0,31 мм ГОСТ 7262-78; между рядами в качестве изоляции укладывается один слой телефонной бумаги КТН толщиной 0.05 мм ГОСТ 3553-87, поверх обмоток - ГОСТ 23436-83.4. Последним наматывается 496 витков обмотки, проводом ПЭВ-2 диаметром 0,23 мм ГОСТ 7262-78; между рядами в качестве изоляции укладывается один слой телефонной бумаги КТН толщиной 0.05 мм ГОСТ 3553-87, поверх обмоток - ГОСТ 23436-83.После намотки, катушку следует пропитать Эластином ТУ 2513-024-07550073-05. Затем в катушку вставляется сердечник и его торцы склеиваются ферромагнитной пастой. Состав пасты: эпоксидная смола ЭД-5 -18.5 весовых частей, карбонильное железо Р-4 - 77.0 в.ч., малеиновый ангидрид - 4.5 в.ч. После сборки сердечник трансформатора обживают специальной обоймой толщиной 1 мм изготовленной из конструкционной стали 10 кп ГОСТ 16523 - 76 и с нанесенным покрытием Ц6хр ГОСТ 9.301-86, с отверстиями для крепления в аппаратуре. 5. Список используемой литературы. 1. И.И.Белопольский, Е.И.Каретникова, Л.Г.Пикалова - Расчет трансформаторов и дросселей малой мощности, М.1973 г. 2. Р.Х.Бальян - Трансформаторы для радиоэлектроники, М.1971 г. 3. ТУ 2513-024-07550073-05 http://ckbrm.ru/index.php?products=25 ГОСТ 22050-76 Магнитопроводы ленточные. Типы и основные размеры ГОСТ 2824-86 Картон электроизоляционный. Технические условия. ГОСТ 12172-74 Клеи фенолополивинилацетальные. Технические условия ГОСТ 26615-85 Провода обмоточные с эмалевой изоляцией. Общие технические условия ГОСТ 7262-78 Провода медные, изолированные лаком ВЛ-931. Технические условия ГОСТ 3441-88 Бумага электроизоляционная пропиточная. Технические условия. ГОСТ 23436-83 Бумага кабельная для изоляции силовых кабелей на напряжение до 35 кВ включительно. Технические условия ГОСТ 3553-87 Бумага телефонная. Технические условия ГОСТ 9.301-86 Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Общие требования | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||