Курсовая работа. РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА МАЛОЙ МОЩНОСТИ (курсовая). Задание на курсовой проект
Скачать 299 Kb.
|
ВВЕДЕНИЕ Трансформатор статически электрический аппарат, имеющий две и большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенный для преобразования посредством электромагнитной индукции системы переменного тока одного напряжения в систему переменного тока другого напряжения. Трансформаторы служат для передачи и распределения электроэнергии потребителей. В этом курсовом проекте рассчитывается трансформатор малой мощности, причем все полученные навыки и умения могут пригодиться в последующем. Широкое применение эти трансформаторы находят в аппаратуре общепромышленного назначения (радиоизмерительная, управление разнообразных станков, прокатных станков и т.д.). В связи с электрификацией быта они используются в бытовой радио- и электроаппаратуре (радиоприемник, телевизор, магнитофон и др.), а также для питания электроприборов, для перехода от напряжения 220 В к 110 В и наоборот. В практическом плане трансформаторы малой мощности относительно небольшие размеры, габаритная мощность которых не превышает нескольких киловольтампер. В теоретическом плане эти трансформаторы отличаются от мощных трансформаторов специфическими соотношениями основных магнитных параметров, а проектирование также имеет ряд особенностей, обусловленных существенным отличием конструкций, многообразием режимов работы и предъявляемых требований. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ Рассчитать трансформатор малой мощности с воздушным охлаждением и выполнить чертеж рассчитанного трансформатора на бумаге форматом А3 (297х420). Расчетно-пояснительная записка курсового проекта должна содержать подробный ход расчета, обоснования выбранных параметров, эскизы и сводные данные расчета трансформаторов. Графическая часть проекта должна содержать три проекции, в том числе вид спереди и вид сверху с разрезами на половину, на которых должны быть указаны размеры сердечника, обмоток, межобмоточной изоляции и каркаса катушки. На чертеже необходимо привести электрическую схему трансформатора с указанием номеров выводов для распайки на клеммах, таблицу обмоточных данных с указанием числа витков и марки провода. Чертежи должны быть выполнены в соответствии с ГОСТ 2.423.68 (Правила выполнения электротехнических чертежей и радиотехнических изделий), ГОСТ 2.415.68 (Правила выполнения чертежей изделий с электрическими обмотками), ГОСТ 2.416.68 (условные обозначения сердечников магнитопроводов). Результаты расчета округлять до трех значащих цифр. Расчетное условие и числовые значения величин, необходимых для проектирования трансформатора, приведены в таблице исходных данных. ТАБЛИЦА ИСХОДНЫХ ДАННЫХ
ВЫБОР МАГНИТОПРОВОДА ТРАНСФОРМАТОРА 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: Sp=(S2+S3)=(300+60)=360 В.А. Сердечником магнитопровода, выбранным по величине расчетной мощности Sp 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; Кст – коэффициент заполнения магнитопровода, равный 0,9; Sр – расчетная мощность, равная 360 В.А; – отношение массы стали к массе меди (при расчете на минимум массы =2,0) f – частота, равная 400 Гц; Вст – предварительное значение магнитной индукции в стержне, равное 0,9 Тл; Jср – среднее значение плотности тока в обмотках, равное 2,0 А/мм2. Определяем отношение сечения стержня к площади окна сердечника: =0,444 ; где Кок – коэффициент заполнения окна медью, равный 0,25; Qок –сечение окна магнитопровода, мм. После этого вычисляем размеры окна и сердечника: мм2 Qст = а.b, где b - толщина пакета, выбранная равной 22,4 мм, а – ширина стержня. Так как Qст = 909,977 мм2, то а = 10 мм. Параметры а и b выбираем из ряда стандартных чисел. Qок = h/с, где с – ширина окна сердечника, выбранная равной 1,12 мм, h – высота окна сердечника. Так как Qок = 2252,252 мм2, то h=2,24мм. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ВИТКОВ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРАПри расчете трансформатора на минимум массы первой обычно наматывается сетевая обмотка, а затем вторичные – в порядке возрастания диаметра провода. Для оценки порядка расположения обмоток предварительно определяем токи: А ; А; А; а так как при одинаковой плотности тока диаметр провода будет пропорционален току в соответствующей обмотке, то расположение обмоток выбирается по схеме 2-1-3. Выбрав расположение обмоток, определяем ЭДС по формулам: Е1=U1(1-U1.10-2)=127(1-0,02.10-2)=299,94 В; Е2=U2(1+U2.10-2)=500(0,02+0,5.10-2)=500 В; Е3=U3(1+U3.10-2)=24(1+0,03.10-2)=24,007В. где U1=0,02%, U2=0,02%, U3=0,03% – падение напряжения на обмотках трансформатора в процентах от номинальных значений напряжений соответствующих обмоток трансформатора. Определяем ЭДС одного витка и число витков каждой из обмоток трансформатора на основе следующих формул: ЕIв=4,44.f.Bcт.Qcт.Кст.10-6= 4,44.400.0,9. 909,977.0,91.10-61,324, В ; ; где ЕIв – ЭДС одного витка, В; WI1, WI2, WI3 – число витков соответствующих обмоток трансформатора. Приняв Кст=0,91, а Вст=0,9 Тл, Округлим число витков обмотки напряжения U3 до 18 и перерасчитаем ЭДС витка, величину индукции в стержне и число витков в других обмотках: EB= Тл; W1= W2= где Ев, Вс, W1, W2, W3 – действительные значения ЭДС одного витка, магнитной индукции в стержне и числа витков в обмотках трансформатора. РАСЧЕТ ПОТЕРИ В СТАЛИ И ТОКА НАМАГНИЧИВАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА Потери в стали сердечника трансформатора определяем по формуле: Рст=руд.Gст =16,8.1,569=26,355,Вт; руд=Кр.рi=1,4.12=16,8 Вт/кг; где руд – удельные потери в сердечнике, Вт/кг; Gст – масса стали, кг; Кр – коэффициент увеличения потерь в сердечнике, равный 1,4; рi – удельные потери в материале, Вт/кг. Величина удельных потерь в материале рi зависит от магнитной индукции Вст, марки стали, толщины листа, частоты сети и в данном случае равна 12 Вт/кг; откуда руд = 16,8 Вт/кг. Масса стали трансформатора, определяется выражением: Gст=YстVст=YстLстQстКст=0,0000078.242,876.909,977.0,91=1,569, кг; где Yст = 7,8 . 10-6 – удельный вес стали, кг/мм3; Lст – длина средней магнитной линии в сердечнике трансформатора (мм), определяемая по формуле: Lст = 2.(h + c + a../2) = 2.(64,085 + 18,68 + 24,63./2) = 242,876 мм Рст = Pуд.Gст= 16,8.1,569=26,355, Вт. Активная составляющая тока холостого хода и намагничивающая мощность трансформатора определяется выражением: Ioa= A. Для трансформаторов, сердечники которых выполнены из стали марки 3415, реактивная составляющая намагничивающего тока трансформатора определяется по формуле: ,А где Нс – напряженность поля в стали, равная 4,2 А/см; э – величина эквивалентного воздушного зазора в стыках сердечника трансформатора, равная 0,002 см. Ток в первичной обмотке трансформатора при номинальной нагрузке I1 = А, где I1а и I1р – активная и реактивная составляющие тока первичной обмотки трансформатора, которые определяются выражениями: I1a = Iоа + I’2а + I’3а ; I1p = Iop +I’2p + I’3p , где I’2а, I’3а,I’2p, I’3p – приведенные значения активной и реактивной составляющей токов вторичных обмоток трансформатора и определяются по формулам: II2a= II3a= II2p= II3p= А; А; Ток холостого хода трансформатора Io = А Так как величина относительного тока холостого хода Io/I1 = 0,13 при частоте 400 Гц лежит в требуемых пределах (0,1-0,2), то выбор магнитопровода на этой стадии расчета окончен. Коэффициент мощности трансформатора определяется выражением РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРА Плотность тока в обмотках оказывает существенное влияние на работу трансформатора. Выбор этого параметра при расположении 2-1-3 следующий: J1 =J3= 0,85.Jср =0,85.2,8=2,38А/мм2; J 2=Jср = 2,8 А/мм2; Определяем предварительные значения сечений проводов и обмоток и приводим к ближайшему стандартному значению: мм2; мм2; мм2 q1 = 0,8495мм2; q2 =0,3217 мм2; q3 =1,4314 мм2. По выбранным сечениям проводов уточняем плотности тока в обмотках , А/мм2; , A/мм2; , A/мм2 ; и определяем диаметры проводов, диаметры проводов с изоляцией и массы 1 м провода: d1 = 0,64 мм; d1u = 0,69 мм; g1 = 2,66 г; d2 = 1,04 мм; d2u = 1,12 мм; g2 = 7,55 г; d3 = 1,35 мм; d3u = 1,43 мм; g3 = 12,7 г; Провода во всех обмотках будут марки ПЭЛ. На следующем этапе проектирования определяем толщину обмоток трансформатора и размещение их в окне сердечника. При намотке на каркасе высоту обмотки определяем по формуле: ho = (h – 1) - 2=(64,085-1)-2.1,5=60,085,мм; где hо – высота обмотки, мм; = 1,5–3,0 мм – толщина щечки каркаса. При = 1,5 мм, Тогда число витков в одном слое для различных обмоток: ; ; ; где ку1 = 1,04, ку2 = 1,045, ку3 = 1,06 – коэффициенты укладки соответствующих обмоток в осевом направлении. Округлив число витков в меньшую сторону, получим, что: Wc1 = 83; Wc2 = 51; Wc3 = 39. Число слоев в обмотках трансформатора определим по формуле и округлим до ближайшего целого числа: Nc1= ; Nc2= ; Nc2= ; Между слоями обмотки укладываем междуслоевую изоляцию, толщина которой зависит от диаметра провода с изоляцией и величины рабочего напряжения. Междуслоевая изоляция, укладываемая между слоями первых двух обмоток, будет выполнена из кабельной бумаги К-12 толщиной 0,11 мм. Изоляцию между отдельными обмотками выбираем по наибольшему напряжению обмоток. Так как напряжение U2 (большее) меньше 1000 В, междуобмоточную изоляцию принимаем за 0,3 мм, применяя в качестве такой изоляции 6 слоев телефонной бумаги КТН. Толщину наружной изоляции принимаем в зависимости от рабочего напряжения последней обмотки (U3 = 24 В) и выполняем из двух слоев кабельной ленты К-12 общей толщиной 0,22. Теперь рассчитаем радиальную толщину каждой из обмоток с учетом проводникового и междуосевого изоляционного материала: i = Kpi . Nci . diu + (Nci – 1) . Yi где: i – номер соответствующей обмотки; i – радиальная толщина i-ой обмотки, мм Nсi – число слоев i-ой обмотки; diu – диаметр провода с изоляцией i-ой обмотки, мм; Yi – толщина междуосевой изоляции i-ой обмотки, мм. 1 =1,05.1.0,69+(1-1).0,89=0,725мм; 2 =1,055.4.1,12+(4-1).0,11=5,056мм; 3 =1,06.1.1,43+(1-1). 0,11=1,51мм. Зная толщину обмоток, представим эскиз расположения этих обмоток на основе которого определим радиальные размеры катушки трансформатора. При чередовании обмоток 2-1-3 полный радиальный размер катушки трансформатора определяем по формуле aг = (о + 1 + 12 + 2 + 23 + 3 + Кни . ни) . Кв, где о =1,5мм – толщина, 1,2,3 – радиальные размеры обомоток, мм; 12,23 – толщина изоляции между обмотками, мм; Кни–коэффициент неплотности наружной изоляции; ни - толщина наружной изоляции, мм; Кв – коэффициент выпучивания наружной обмотки, выполненной на каркасе. аг = (1,5+0,725+5,056+1,516+0,2+0,546+1,7.0,16) . 1=9,069 мм Так как зазор между катушкой и сердечником с–2аг (для ленточных трансформаторов) лежит в пределах от 0,5 до 1 мм, то катушка нормально укладывается в окне выбранного сердечника. Определим среднюю величину витка обмоток броневого трансформатора при расположении прямоугольных катушек в порядке 2-1-3: Lw1=2(a+b+4(0+1+12)+21)=2(24,63+37+4(1,5+5,056+02)+2.0,725=180мм Lw2=2(a+b+40+22)=2(24,63+37+4.1,5+2.5,056)=155,мм; Lw3=2(a+b+4(0+2+12+1+13)+23=2(24,63+37+4(1,5+5,056+0,2+0,2)+2.1=191,мм; Массу меди каждой из обмоток находим из выражения: GМi = Lwi . Wi . gi . 10-6, кг, где Lwi, Wi, gi – соответственно средняя длина витка (мм), число витков и масса 1 м провода I-ой обмотки трансформатора. GМ1=180.225.2,86.10-6=0,116,кг; GМ2=155.375.7,55.10-6=0,439,кг; GМ3=191.18.12,7.10-6=0,044,кг; Общую массу меди обмоток трансформатора находим суммированием масс отдельных обмоток: GМ=GМ1+GМ2+GМ3= 0,116+0,439+0,044=0,598,кг; Так как отношение массы стали к массе меди, равное 2,622, лежит в рекомендуемых пределах (2-3 для минимума массы), то расчет можно продолжать дальше. Находим потери в каждой из обмоток трансформатора по формуле: Рмi = mj2i GMi, где m – коэффициент, зависящий от температуры нагрева провода(m=2,65 при1050С). Рм1=2,65.2,7742.0,116=2,362,Вт; Рм2=2,65.2,4872.7,55=7,192,Вт; Рм3 = 2,65.2,3292.12,7=0,627,Вт; Тогда потери в катушках трансформатора равны сумме потерь в отдельных обмотках: РМ=Рм1+Рм2+Рм3=2,362+7,192+0,627=10,181,Вт; Т. к. соотношение потерь в меди к потерям в стали, равное 0,386 лежит в рекомендуемых пределах (0,35 – 1,5 при частоте 400 Гц), то расчет продолжаем дальше. ПРОВЕРКА ТРАНСФОРМАТОРА НА НАГРЕВАНИЕ В трансформаторах, питающихся от сети 50-400 Гц, максимально нагретая область, как правило, находится внутри катушки, а между сердечником и обмотками имеется достаточный тепловой обмен. Превышение температуры этой области трансформатора над температурой окружающей среды можно определить по упрощенной формуле: Qmax = + Q= ОС, где Рм – суммарные потери в меди обмоток, Вт; Рст – суммарные потери в стали сердечника, Вт; Q = 5ОС – перепад температуры от внутренних слоев обмоток к наружным; = 13.10-4 Вт/(см2.град) – удельный коэффициент теплопередачи; Sсер = 2.с.(2.а+b)+2..а.(а+b)=2.1,8(2.3+3,7)+2.3,14.2,4(3+3,7)=127,562см2 Sсер -открытая поверхность сердечника трансформатора; Sобм = 2h(2а+h+3с)+2сIo=2.6,4(2.3+3.1,8 )+2.1,8.1,6188,402,см2 Тогда максимальные температуры обмотки равна: Qmax = Qmax + Qо=54,487+50=104,487OC; где Qо= 50ОС – температура окружающей среды. ПАДЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ И КПД ТРАНСФОРМАТОРА Активные сопротивления обмоток трансформатора: r1= = Ом; r2= Ом; r3= = Ом, где r1, r2, r3 – активные сопротивления обмоток трансформатора, ом; РМ1, РМ2, РМ3 – потери в меди соответствующих обмоток трансформатора, Вт. Сопротивления вторичных обмоток, приведенные к первичной r’2 = r2( )2 = ,Ом; r’3 = r3( )2 = Ом; где r’2 и r'3 – приведенные сопротивления вторичных обмоток трансформатора, ом. Относительные индуктивные сопротивления рассеяния обмоток , где f – частота, Гц; W1 – число витков первичной обмотки трансформатора; I1 – номинальный ток первичной обмотки, А; ЕВ – ЭДС одного витка, В; hо – высота обмотки, мм; SPi - - площадь канала рассеяния i-ой обмотки трансформатора определим выражениями: мм2 мм2 мм2 где LW1, LW2, LW3 – средние длины витков, соответствующих обмоток трансформатора, мм; 12, 23 - толщина межобмоточной изоляции, мм L12 = 0,5 (LW1 + LW2) = 0,5(180+155) = 167,5 мм L23 = 0,5 (LW2 + LW3) = 0,5(155 + 191) = 173 мм. ; ; Падение напряжения на обмотках трансформаторов в относительных единицах: Ua1* = = ; Ua2* = Ua3* = Up1* = X1* = 0,9.10-6; Up2* = X2* = 1,32.10-5; Up3* = X3* = 0,1.10-6 ; U1* = U2* = U3* = Полные падения напряжения на вторичных обмотках трансформатора в относительных единицах: U12* = Uа1*Cos1 + Up1*Sin1 + (Uа2*Cos2 + Up2*Sin2)=0,35 U13* = Uа1*Cos1 + Up1*Sin1 + (Uа3*Cos3 + Up3*Sin3) = 0,046 где Cos1, Соs2, Соs3 – коэффициенты мощности соответствующих обмоток трансформатора. Действительные напряжения на вторичных обмотках трансформатора В, В. Определяем коэффициент полезного действия трансформатора при номинальной нагрузке: , где Р2 = S2 Cos2 = 360 Вт и Р3 = S3 Cos3 = 56 Вт – активные мощности во вторичных обмотках трансформатора. КПД трансформатора достигает максимального значения при равенстве потерь в меди и стали в соответствии с выражением: Рст = Кн2 . Рм, где Кн – коэффициент нагрузки трансформатора. Значение коэффициента нагрузки КПД трансформатора принимает максимальное значение 1,685 ( для оптимально спроектированных трансформаторов коэффициент нагрузки принимает значение 0,816-1 при частоте 400 Гц). ТОК ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА При включении трансформатора в сеть переменного напряжения возникает большой всплеск тока, который необходимо учитывать при выборе защитной аппаратуры и определяется выражением: А, где Lст – длина средней магнитной линии сердечника, равная 157,861 мм; Квкл – коэффициент включения, определяемый при различных значениях отношения , где =0,038 Гн Тогда = 0,004. Квкл 0,015 =188,940,А; Кратность тока включений определяем по формуле: с учетом которого выбираются предохранители в первичной обмотке трансформатора. ВЫВОДЫ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРА И СВОДНЫЕ ДАННЫЕ Выводные концы и отводы в трансформаторе выполним монтажным проводом сечением 0,2 мм2 проводом марки МГШДЛ. По результатам расчета трансформатора составим таблицу обмоточных данных, в которой укажем параметры всех обмоток трансформатора:
Завершим проект сводными данными, где приводятся основные расчетные показатели трансформатора:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Брускин Д.Э., Зохорович В. С., Хвостов В. С. Электрические машины и механизмы. – М.6 Высшая школа, 1990. – 527 с. Боровой С. Н., Лапин А. В., Тюрморезов В. Е., Чупятов И. Н., Электрические машины и источники электропитания. –М.: Транспорт, 1966. – 325 с. Электрические машины малой мощности (под ред. Д. А. Завалишина – М.: Госэнергоиздат. 1963. – 267 с. Юферов Ф. м. Электрические машины автоматических устройств. – М.: Высшая школа, 1988 – 475 с. Хрущев В. В. Электрические машины систем автоматики. Л.: - высшая школа, 1985. – 363 с. Ермолин Н. П. Расчет трансформаторов малой мощности. –М. Энергия, 1969. – 223 с. Белопольский И.И., Каретникова Е. И., Пикалова Л. Г. Расчет трансформаторов и дроссалей малой мощности. М.: Энергия. 1973. – 286 с. Сазанский В.И. Расчет трансформаторов малой мощности. Методическое пособие. –Хабаровск: Хабиижт, 1992. – 26 с. ГОСТ 2.105-95 ЕСКД. Общие требования к текстовым документам ДВГАЛС. – Хабаровск.1996. Тихомиров П. М. Расчет трансформаторов. М.: Энергия, 1986. – 527 с. Электротехнический справочник. Т.3, ч.1. М.: Энергия, 1966 – 625 с. Электротехнический справочник. Т.1. М.: Энергия, 1974 – 743 с |