Расчет трансформатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

Принцип действия трансформатора

Параметры трансформатора

Магнитные материалы, применяемые при изготовлении трансформаторов

Расчётная часть

Описание конструкции и метода изготовления трансформатора

Заключение

Литература



Введение

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. Это свойство трансформатора, позволило занять достойную нишу в различных отраслях деятельности человека.

Широкое использование электроэнергии и развитие энергетической отрасли было бы невозможным без трансформаторов. Трансформаторы являются самым широко-используемым оборудованием в электрических сетях. Большинство электроэнергии поступает от точки генерации к месту потребления на высоких напряжениях и уже на месте трансформаторы преобразуют электроэнергию на нужный уровень. А современная энергетика благодаря трансформаторостроению в электротехнической промышленности в значительной степени получает своё дальнейшее развитие.

В радиотехнической и электронной аппаратуре широко применяются электро-магнитные элементы типа трансформаторов и дросселей. Обычно трансформаторы и дроссели применяются в схемах электрического питания радиотехнических устройств: выпрямителях, фильтрах, статических преобразователях, стабилизаторах и регуляторах напряжения и тока.

Существует множество видов трансформаторов, которые являются как общими для разных отраслей, так и специальными. Трансформаторы, как неотъемлемая часть производства, используются не только в энергетической промышленности, а также в строительстве, транспорте, специальных видах промышленного производства и т.д. Силовые трансформаторы являются главной частью схем многих элементов автоматики (электронная аппаратура, магнитные усилители, индуктивные датчики и т.д.).

Рост потребления энергии сопровождается требованием экономичности энергоснабжения, повышения его качества и надежности. Одним из основных требований является снижение потерь электроэнергии экономически оправданными средствами - проблема, над которой работают производители трансформаторов и энергетики всего мира.

Основными тенденциями развития трансформаторостроения являются:

разработка и применение новых высокоэффективных материалов (главным образом электротехнической стали и изоляции);

повышение надежности и экономической эффективности, особенно больших силовых трансформаторов (мощностью более 100 МВ·А в единице);

продление срока службы трансформаторов

создание управляемых шунтирующих реакторов;

создание трансформаторов с использование высокотемпературной сверхпроводимости;

снижение уровней изоляции.

трансформатор конструкция изготовление магнитный



Принцип действия трансформатора

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Оно заключается в том, что в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, охватываемого этим контуром, возникает электрический ток, получивший название индукционный. В трансформаторе на так называемую первичную обмотку подают напряжение от внешнего источника, переменный ток, протекая по ней, создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе, в результате электромагнитной индукции переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и первичной, электродвижущую силу индукции.

Параметры трансформатора

Главным параметром трансформатора является его мощность. Различают электромагнитную, полезную, расчётную и типовую мощности трансформатора.

Электромагнитная мощность трансформатора - мощность, передаваемая из первичной обмотки во вторичную электромагнитным путем; она равна произведению действующих значений ЭДС этой обмотки на величину тока нагрузки, т.е.

Полезная или отдаваемая мощность трансформатора - произведение действующего напряжения на зажимах вторичной обмотки на величину ее нагрузочного тока, т.е.

Расчётная мощность характеризует собой габаритные размеры обмотки, так как число витков обмотки определяется напряжением на её зажимах, а сечение провода - действующим током, определяется как:

Типовая или габаритная мощность - мощность, определяющая размеры трансформатора. Ее величину находят по формуле:

Основными характеристиками трансформатора являются:

Номинальное первичное напряжение трансформатора - напряжение, которое, необходимо подвести к его первичной обмотке, чтобы на зажимах разомкнутой вторичной обмотки получить вторичное номинальное напряжение.

Номинальное вторичное напряжение - напряжение, которое устанавливается на зажимах вторичной обмотки при холостом ходе трансформатора (вторичная обмотка разомкнута) при подведении к первичной обмотке номинального первичного напряжения.

Номинальный первичный ток -- ток, проходящий по первичной обмотке, при котором предусмотрена продолжительная работа трансформатора (указывается в паспортной таблице трансформатора).

Номинальный вторичный ток, также можно найти в паспорте трансформатора, и проходит он по вторичной обмотке.

Номинальный коэффициент трансформации -- величина, выражающая масштабирующую характеристику трансформатора относительно какого-нибудь параметра электрической цепи (напряжения, тока, сопротивления и т. д.).

Номинальный коэффициент мощности -- величина, характеризующая потреби-теля электрического тока по наличию в нагрузке реактивной составляющей. Коэффициент показывает, насколько сдвигается по фазе переменный ток, протекающий через нагрузку, относительно приложенного к ней напряжения.

Коэффициентом полезного действия трансформатора называют отношение отдаваемой мощности к мощности :

Характеристики, которые определяют «поведение» трансформатора и его возможность длительной эксплуатации:

Напряжение короткого замыкания - величина относительного превышения напряжения на вторичной обмотке на холостом ходу по сравнению с напряжением полностью нагруженной обмотки. Указанный параметр определяется величиной падения напряжения на омическом сопротивлении (то есть сопротивлении постоянному току) первичной и вторичных обмоток трансформатора при номинальной нагрузке.

Напряжения холостого хода вторичных обмоток - это значения напряжений при номинальном напряжении первичной обмотки ненагруженного трансформатора. Эти напряжения превышают номинальные напряжения на величину напряжения короткого замыкания (т.е., при отсутствии нагрузки, напряжения вторичных обмоток всегда несколь-ко больше их номинальных значений.

Ток холостого хода - ток первичной обмотки ненагруженного трансформатора при номинальном напряжении. Ток холостого хода состоит из двух составляющих: активной и реактивной. Активная составляющая определяется потерями в стали на вихревые токи, реактивная - магнитным потоком рассеяния. Величина тока холостого хода может лежать в диапазоне от 1 мА (для трансформаторов мощностью 0,010 кВА) до 1 А (для трансформаторов мощностью 5 кВА). Наименьшие значения этого параметра имеют тороидальные трансформаторы, у которых реактивная составляющая тока в несколько раз меньше активной и ею можно пренебречь. Так, для трансформаторов мощностью 5 кВА значение тока холостого хода не превышает 200 мА.

Ток переходного процесса включения (пусковой ток) - это максимальное (импульсное) значение тока, которое может протекать через первичную обмотку трансформатора в момент подключения трансформатора к питающей сети. Этот параметр ГОСТом не нормируется, тем не менее этот параметр имеет большое значение. Величина пускового тока может в десятки раз превышать величину номинального тока и для трансформатора мощностью 5 кВА может достигать 2000…3000 А. Величина пускового тока для мощных трансформаторов зависит от мгновенного значения напряжения в момент включения, омического сопротивления первичной обмотки (оно может составлять менее 0,1 Ом) и внутреннего сопротивления питающей сети (зачастую оно превышает сопротивление первичной обмотки).

Испытательное напряжение рабочей частоты. Параметр характеризует электрическую прочность трансформатора - его способность без пробоя выдерживать напряжения, превышающие номинальное рабочее напряжение. Испытательное напряжение нормируется между выводами первичной и вторичной обмоток (значение параметра - 3500 В) и между выводами обмоток и токопроводящими частями устройства ( значение параметра - 1750 В).

Магнитные материалы, применяемые при изготовлении трансформаторов

Основным элементом конструкции трансформаторов и дросселей являются магнитопровод. Назначение магнитопровода заключается в том, чтобы создать замкнутый путь для магнитного потока, обладающий возможно меньшим магнитным сопротивлением.

К магнитным материалам относится применяемая для изготовления магнитной системы (магнитопроводов) трансформаторов электротехническая сталь.

Электротехническая сталь представляет собой сплав железа и углерода с небольшим количеством кремния (0,8-4,8%). Кремний увеличивает магнитную проницаемость стали в слабых магнитных полях и повышает ее электрическое сопротивление, вследствие чего уменьшаются потери на вихревые токи.

Электротехническую сталь изготовляют прокаткой стального слитка в горячем или холодном состоянии, поэтому различают горячекатаную и холоднокатаную (текстуро-ванную) электротехнические стали.

Благодаря преобладающему размещению кристаллов железа в одном направлении и последующему отжигу холоднокатаной стали в атмосфере водорода сталь имеет высокие магнитные свойства в случае, когда направление магнитного потока совпадает с направлением прокатки.

В горячекатаной стали предельно допустимая индукция для трансформаторов составляет 1,45--1,5 Тл, а в холоднокатаной допускается повышение индукции до 1,7 Тл, что позволяет значительно снизить массу и габариты трансформаторов.

Преимущественное применение получили лучшие марки холоднокатаной стали 3414 и 3415 толщиной 0,3 и 0,35 мм, содержание кремния 2,8--3,8%.

Применение рулонной электротехнической стали позволило широко внедрить автоматизацию изготовления пластин магнитопроводов на полуавтоматических и автоматических линиях продольного и поперечного раскроя стали. Применение рулонной электротехнической холоднокатаной стали с электроизоляционным термостойким покрытием в ряде случаев позволяет отказаться от дополнительной изолировки пластин, учитывая, что покрытие жаростойкое двустороннее, сплошное, механически прочное и маслостойкое, не отслаивающееся при резке (штамповке).

Кроме стали, для изготовления магнитопроводов применяют пермаллои и ферриты.

Пермаллой -- прецизионный сплав с магнитно-мягкими свойствами, состоящий из железа и никеля (45-82 % Ni). Сплав обладает высокой магнитной проницаемостью, малой коэрцитивной силой, почти нулевой магнитострикцией и значительным магниторезистивным эффектом. Благодаря низкой магнитострикции сплав применяется в прецизионных магнито-механических устройствах и других устройствах, где требуется стабильность размеров в меняющемся магнитном поле.

Недостатки пермаллоя: для обеспечения наилучших свойств необходимо использование защитного кожуха, дороговизна, низкое значение индукции Bmax.

Ферриты используют в трансформаторах, работающих на больших частотах. В остальных случаях применяют электротехническую сталь.

Расчётная часть

1. Определим мощность, отдаваемую трансформатором в нагрузку:

2. В качестве материала сердечника выберем сталь 3412 (старое наименование Э23) толщиной 0,35мм, как обладающую высокими магнитными свойствами.

Выбираем ленточный магнитопровод, потому что он эффективнее использует магнитные свойства сердечника трансформатора, чем пластинчатый. Кроме того, изготовление ленточного сердечника проще и дешевле, чем изготовление пластинчатого сердечника.

3. Находим исходные величины, для данной марки стали [1]:

Индукцию по табл. 9 [5]:

Плотность тока из табл. 3 [5]:

Коэффициент заполнения окна из табл. 5-3 [1]:

Коэффициент заполнения магнитопровода из табл 5-4[1]:

4. По формуле (5-2) (1) находим:

5. Из табл. П2-2 выбираем ленточный магнитопровод ШЛМ 20х25, у которого:

* поскольку в таблице указана масса магнитопровода для ленты толшиной 0,15 мм, произведем расчет массы для ленты толщиной 0,35мм, используя формулу в сноске к табл. П2-2 и табл.5-4, где найдем коэффициент заполнения сталью (k=0.93)

Габаритные размеры:

h=36,0мм;

a=20,0мм;

c=12,0мм;

C=65,0мм;

H=56,5мм;

B=25,0мм;

6. По формуле (5-6) [1] и таблице 9 [5] определяем потери в стали для индукции

7. Находим активную составляющую тока холостого хода по формуле (1-59) [1] при максимальном напряжении питающей сети ():

8. Находим полную намагничивающую мощность по таблице 8-11 [2,3]

() для стали 3412 (Э23):

9. По формуле (1-61а)(1) находим реактивную составляющую тока холостого хода:

10. Находим абсолютное и относительное значение тока холостого хода по формуле (1-64) :

Также определим значение номинального тока в первичной обмотке по формуле (5-7), где значения кпд и коэффициент мощности выбираем с учетом исходных данных в табл. 5-5 ( и :

Определяем величину реактивной составляющей тока холостого хода



:

11. По исходным и расчетным данным, по формулам (5-8) (5-11) и табл. 5-6 находим количество витков в обмотках трансформатора:

Для первичной обмотки принимаем падение напряжения 13%

E1 =U1 (1-?U1 % •10-2)= 220(1-0.13) = 191,4 В

Для расчета количества витков во вторичной обмотки, учитывая малую мощность трансформатора и величину напряжения вторичной обмотки принимаем падение напряжения 20%

E2 =U2 (1+?U2 % •10-2)= 12(1+0.2) = 14,4 В

12. Определим значения сечения проводов обеих обмоток по формуле (5-12), принимая значение плотности тока из п.3 ( в первичной обмотки 2,5 А (по условию), во вторичной обмотке 0,216А (из п.10):

13. Выбираем стандартные сечения и диаметры проводов серии "1-UEW" [4] со средним покрытием:

290,2860,0642268,50,0390,3380,602181,0240,82420,950,0621,127,54

14. С учетом введенных поправок по выбранным стандартным сечениям обмоточного провода определим фактические плотности тока в проводах:

Как видим, фактические плотности тока в проводах не сильно расходятся с теоретическими данными.

15. Определяем испытательные напряжения обмоток нашего трансформатора по формуле (2-1) и графику рис.2-25 [1]:

16. Зная геометрию обмоточного провода и железа переходим к расчету гильзы.

Принимаем длину гильзы на 1 мм короче высоты окна ( по 0,5 мм на сторону, т.е. расстояние от крайнего витка обмотки до сердечника):

;

По формуле (2-4) определяем допустимую осевую длину обмотки на гильзе:

Длина концевой изоляции 1 и 2 обмоток -

17. Находим число витков в одном слое и число слоёв каждой обмотки по формулам (2-6), (2-7) и графику рис.2-27:

18. Переходим к определению радиальных размеров катушки на гильзе:



Толщину гильзы принимаем

Поверх гильзы укладываем 2 слоя кабельной бумаги К-80 (ГОСТ 3441-88) (толщина слоя 0,08 мм) В качестве межслоевой изоляции для первичной обмотки также выбираем кабельную бумагу К-80 1 слой через два слоя обмотки. В качестве межобмоточной изоляции выбираем 3 слоя кабельной бумаги К-80 (ГОСТ 3441-88) (толщина слоя 0,08 мм). В качестве межслоевой изоляции для вторичной обмотки также выбираем кабельную бумагу К-80 (ГОСТ 3441-88) 1 слой через каждый слой обмотки. В качестве наружной изоляции выбираем кабельную бумагу К-80 (ГОСТ 3441-88) 3 слоя

19. По графикам рис.2-29 2-31 определяем величины коэффициентов:

Первая обмотка:

Вторая обмотка:

Коэффициент неплотности намотки наружной изоляции примем

20. Находим радиальные размеры каждой обмотки по формуле (2-8):



21. По графику рис.2-28 определяем

22. Определяем радиальный размер катушки по формуле (2-9):

23. Зазор между катушкой и сердечником равен

что вполне допустимо;

24. Определим потери в меди обмоток:

а) по формулам (2-10) (2-15) находим среднюю длину витка каждой обмотки:

мм

б) находим массу меди каждой обмотки:

в) находим потери в каждой обмотке по формуле (5-14). Предельно допустимая температура провода проводов серии "UEW" 2,84 (табл 5-7) плотность тока берем из п.14 нашего расчета:

г) находим суммарные потери в меди катушки по формуле (5-13):

25. Выпишем тепловые сопротивления по данным табл.3-1 для магнитопровода ШЛ 20х25 (магнитопроводы ШЛМ отличаются от ШЛ меньшей стороной с и высотой окна h при неизменном произведении а х b, т.е. только геометрическими параметрами, поэтому можно воспользоваться данными для нашего магнитопровода ШЛМ 20х25)

26. Определим величину теплового потока катушки-сердечника по формуле (3-54):

27. Определяем тепловое сопротивление катушки от максимально нагретой области до гильзы по формуле (3-51):

28. Полученное значение х < 0 , поэтому согласно п.4 Методики теплового расчета трансформатора (стр147) [1] определяем тепловой поток катушка-сердечник по формуле (3-60)

29. Найденное по этой формуле значение оказалось больше 0, значит максимальное превышение температуры определится по следующей формуле:

30. Определим средний перепад температур в катушке по формуле (3-62):

31. Определяем среднеобъёмное превышение температуры катушки по формуле (3-58):

= 28,49-(0,5•5,39) =25,80С

=0,5 •5,390С

32. Определяем максимальные и средние температуры проводов обмотки

33. Переходим к определениям активных сопротивлений обмоток по формуле (5-15) для расчета принимая удельное сопротивление меди:

34. Определяем полное активное сопротивление пары обмоток трансформатора, приведенные к его первичной обмотке, по формуле (5-16):

35. Определяем индуктивные сопротивления 1 и 2 пар обмоток трансформатора, используя данные расчета из п.п 16,20

По формуле (5-23):;

По формуле (5-24):;

По формуле (5-28):;

По формуле (5-27): ;

По формуле (5-33):

По формуле (5-34):

По формуле (5-22):

36. Определяем относительное значение активной и индуктивной составляющих падения по формулам (1-51) (1-54):

37. Определяем К.П.Д трансформатора по формуле (5-37):



38. Определяем полное падение в трансформаторе по формуле (1-58 б) при :

Описание конструкции и метода изготовления трансформатора

Рассмотрим поэтапно последовательность изготовления трансформатора. Первоначально готовятся сборочные единицы.

Катушка данного трансформатора бескаркасная (ввиду использования броневого сердечника и малой мощности, трансформатора), намотка производиться на заранее подготовленную гильзу длиной 35мм, изготовленную из кабельной бумаги К-120 (ГОСТ 3441-88) толщиной 0,12 мм. Бумагу наматываем на деревянный брусок (шаблон) прямоугольного сечения 20х25 мм в 7 слоев с пропиткой бакелитовым лаком (ГОСТ 901-71) После высыхания, гильза с шаблоном устанавливается в намоточный станок, по бокам гильзы устанавливаем два листа кабельной бумаги К-120 (торцевая изоляция катушки) и производится намотка 2 слоев кабельной бумаги К-80 (ГОСТ 3441-88 ), толщиной 0,08 мм, по верх ее производится намотка 2 слоев первичной обмотки с пропиткой бакелитовым лаком, укладывается один слой кабельной бумаги, производится намотка следующих 2слоев первичной обмотки проводом "1-UEW" Ш 0,338 мм, пропитывается лаком, и.т.д.

После завершения намотки первичной обмотки, укладывается три слоя бумаги К-80, наматывается первый слой вторичной обмотки проводом "1-UEW" Ш 1,12 мм, смазывается бакелитовым лаком, укладывается 1 слой бумаги К-80, так повторяем для трех слоев вторичной обмотки

После завершения намотки вторичной обмотки, на нее укладываются концы бумаги торцевой изоляции, после чего укладывается 3 слоя кабельной бумаги К-80 (наружная изоляция), край бумаги фиксируется на клей или обвязывается нитью, катушку снимают со станка, бумага пропитывается бакелитовым лаком

После запекания бакелитового лака, вынимается деревянный шаблон и начинается сборка магнитопровода.

Магнитопровод изготовлен из электротехнической стали 3412, который собирается встык из отдельных сердечников подковообразной формы.

После сборки части магнитопровода склеиваются при помощи специальной ферромагнитной пасты (состав пасты: эпоксидная смола ЭД-5 (18,5 массовых частей (м.ч.), карбонильное железо Р-4 ( 77,0 м.ч.), малеиновый ангидрид (4,5 м.ч.).

Трансформатор помещают в кожух и стягивают. Кожух изготавливают из стали Ст3 толщиной 1ч1.8 мм. В основании предусмотрены 4 отверстия диаметром 5 мм для крепления трансформатора к конструкции или плате.

Для защиты трансформатора от воздействия влаги и механических повреждений пропитаем его покровным лаком МЛ-92 ГОСТ 15865-70.



Заключение

В данной курсовой работе описаны этапы проектирования броневого ленточного трансформатора, со следующими характеристиками:

Полезная мощность 30 ВА

Расчетная мощность 47.5 ВА

КПД транчформатора

Напряжение первичной обмотки 220 В

Напряжение вторичной обмотки 12 В

Номинальный ток первичной обмотки 0,21 А

Номинальный ток вторичной обмотки 2 А

Частота сети 50 Гц

Проектирование включило в себя этапы выбора материала для магнитопровода, типоразмера магнитопровода, проводниковой продукции для обмоток трансформатора, а также изоляционные материалы для каркаса катушки. В ходе проектирования произведен необходимый расчет для изготовления трансформатора, составлен чертеж общего вида данного трансформатора, выполнена спецификация на применяемые материалы для его изготовления.



Литература

1. Белопольсикий И.И., Каретникова Е.И. и др. Расчёт трансформаторов и дросселей малой мощности - изд. «Альянс» Москва 2008, - 399 с;

2. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов - изд. «Энергия» Москва 1976 г.

3. Таблица удельной намагничивающей мощности для холоднокатаной стали [Электронный ресурс]. - Режим доступа свободный

http://www.ngpedia.ru/cgi-bin/getimg.exe?usid=320&num=2;

4. Медные обмоточные провода по стандарту AWG (типоразмеры медных обмоточных проводов серии "UEW" [Электронный ресурс]. - Режим доступа свободный

http://www.coretech.com.ua/docs/coretech-copper-wire-AWG-2015.pdf

5. Расчет маломощного трансформатора с воздушным охлаждением. Методические указания. [Электронный ресурс]. - Режим доступа свободный

http://www.studfiles.ru/preview/2892117/page:3/

6. Проблемы современного трансформаторостроения в России. Статья Лизунов С.Д., Лоханин А.К. [Электронный ресурс]. - Режим доступа свободный http://siltrans.ru/articles

Размещено на Allbest.ru