Расчет маломощного трансформатора с воздушным охлаждение

МИНЕСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО  ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

САМАРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ  АКАДЕМИЯ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

 

 

 

Кафедра теоретических основ электротехники,

автоматики и электроники

 

 

 

 

 

 

Курсовая на Расчет маломощного трансформатора

с воздушным охлаждением

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент 592 группы

                           Лазарева Т.В

                           Проверил:

         Буштрук Т. Н.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Самара  2012

 

Аннотация

Настоящая работа посвящена изучению маломощного трансформатора. В работе рассмотрена область применения трансформатора и его технологические характеристики и размеры.

Курсовая работа состоит  из введения 22 глав. Работа изложена на 39 страницах печатного текста. Содержит  7 таблиц, 8 иллюстраций и один листА3.

 

С О Д Е Р Ж А Н И Е

 

                  Аннотация…………………………………………………………………………………………2                

                   Введение…………………………………………………………………………………………...4

                  Исходные данные………………………………………………………………………………….5

1. Выбор стали для сердечника  и определение токов в обмотках  трансформатора…………....6

2. Выбор конструкции магнитопровода…………………………………………………………..8

3. Предварительное значение  индукции…………………………………………………………9

4. Предварительное значение  плотности тока в обмотках  МТ…………………………………10

5. Предварительное значение  площади 

поперечного сечения стержня  магнитопровода…………………………………………………11

6. Определение числа витков  обмоток трансформатора………………………………………..12

8. Площадь окна сердечника  трансформатора…………………………………………………..14

9. Выбор сердечника трансформатора……………………………………………………………15

10. Укладка обмоток на стержне и проверка размеров окна выбранного сердечника………..17

11. Масса меди обмоток  трансформатора………………………………………………………..22

12. Потери в меди в  обмотках МТ………………………………………………………………..23

13. Масса стали сердечника  трансформатора……………………………………………………24

14 Потери в стали сердечника  трансформатора…………………………………………………25

15 Определение тока холостого  хода МТ………………………………………………………..26

16 Проверка результатов  расчета МТ по коэффициенту a, b и току I_μ………………………..27

17 Коэффициент полезного  действия МТ………………………………………………………..28

18.Активные падения напряжения  и сопротивления обмоток МТ……………………………..29

19. Индуктивные падения  напряжения и сопротивления обмоток  трансформатора………….30

20 Полные сопротивления  и напряжения короткого замыкания.  Изменение напряжения при нагрузке…………………………………………………………………………………………….31

21. Проверка трансформатора на нагревание……………………………………………………35

22 Сводные данные расчета  МТ…………………………………………………………………..36

Библиографический список ………………………………………………………………………37

Приложение

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В современных системах автоматики, телемеханики и связи широко используют маломощные трансформаторы. Маломощные трансформаторы, как правило, выполняют многообмоточными (3÷4 обмотки). Они работают при частотах 50, 200, 400, 500 Гц и выше. Относительно благоприятные условия охлаждения маломощного трансформатора с воздушным охлаждением позволяют обходиться без вентиляционных каналов в сердечнике и обмотках.  Существуют различные маломощные трансформаторы: силовые, измерительные, пиковые, импульсные и другие. В настоящих указаниях рассмотрены силовые однофазные маломощные трансформаторы с воздушным охлаждением, получившие наибольшее распространение.

Расчет маломощного трансформатора  имеет ряд особенностей в отличие  от расчета обычных силовых трансформаторов  общего назначения. В ряде случаев  к ним предъявляют самые жесткие  требования по массовым и габаритным показателям. В то же время, особенно для маломощных трансформаторов  общепромышленного и бытового назначения, все острее встают вопросы экономической  эффективности, что связано с  большими масштабами их производства.

Возникают различные и  противоречивые требования при проектировании маломощных трансформаторов: минимальные  масса и стоимость при удовлетворительных эксплуатационных характеристиках, заданное значение падения напряжения и температура  нагрева, достаточно высокий коэффициент  полезного действия (КПД). Так, увеличение магнитной индукции В в сердечнике и плотности тока j в обмотках обеспечивают уменьшение габаритов и массы трансформатора. Однако при увеличении индукции растут потери в сердечнике и ток холостого хода, а с увеличением j растут потери в обмотках и потери напряжения. Вызванный увеличением потерь рост температуры нагрева сердечника и обмоток допустим лишь до некоторого предела, определяемого теплостойкостью и сроком службы электроизоляционных материалов. Здесь следует отметить, что силовые маломощные трансформаторы обычно выполняют встроенными в различные устройства, что создает для них повышенную температуру окружающей среды.

Использование значений рабочих  частот в широком диапазоне, специфика  конструкции, выполнение требования соблюдения заданного перегрева и т. п. вызывают определенные трудности в методике расчета данных трансформаторов.

Так же используется в вагонах с отоплением от контактной сети, эксплуатируемых на железных дорогах нашей страны. Питание  нагревательных приборов осуществляется от подвагонной высоковольтной магистрали, которая подключается через электровоз к контактной сети постоянного тока напряжением 3000 В или переменного однофазного тока напряжением 25000 В. При питании переменным током на электровозе устанавливается понижающий трансформатор.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исходные данные для расчета:

1. Номинальные мощности  вторичных обмоток – S₂ =225ВА, S₃ =50 ВА.

2. Номинальное напряжение  первичной обмотки – U₁  =220В.

3. Напряжения вторичных  обмоток при нагрузке – U₂ =400В, U₃ =36 В.

4. Частота питающего напряжения  – f =380 Гц.

5. Коэффициенты мощности  нагрузок – cosφ₂ =0,9, cosφ₃ =0,8.

6. Класс изоляции –  А (нагревостойкость 105 °С).

7. Режим работа – продолжительный.

8. Максимальная температура  окружающей среды, θ₀=40 ºС.

9. Дополнительные требования  – минимум массы. 

 

1. Выбор стали  для магнитопровода и определение токов в обмотках трансформатора

          Выбирая сталь для сердечника, следует учитывать, что при уменьшении толщины листов возрастает стоимость трансформатора, но наряду с этим уменьшаются удельные потери. Марку стали сердечника и толщину его листов выбирают в зависимости от частоты питающей сети и условий проектирования (минимум массы или минимум стоимости). На минимум массы – холоднокатаные. При частоте 400 Гц для ленточных магнитопроводов – холоднокатаная сталь марки 3404 (Э340) с толщиной ленты 0,2 мм.

                  Ток первичной обмотки определяют  по формуле

,

где I_1a и I_1р – активная и реактивная составляющие тока I₁ первичной обмотки

,    .

Напряжение U₁, мощности S₂, S₃ и коэффициенты мощности вторичных обмоток даны в задании на проектирование. Значение КПД определяют ориентировочно по рис. 1 в зависимости от суммарной (полной) мощности вторичных обмоток ΣS, ВА, (ΣS = S₂ + S₃) и подставляют в уравнение тока в относительных единицах.

При f = 400 Гц – (10÷25) % от I_1a. В последующем расчете значение I_μ уточняют, после чего определяют окончательное значение тока I₁.

Рис. 1. Зависимость КПД  от суммарной мощности вторичных  обмоток

При ΣS = 250 + 50=300, КПД=95%

 

 

 

 

 

 

 

 

sinφ₂ =

sinφ₃₌=0,6

Токи вторичных обмоток  определяют как

;   .

      .

 

2. Выбор конструкции  магнитопровода

 

Для трансформаторов с  максимальным напряжением до 1000 В при частотах 50 Гц и 400 Гц можно использовать следующие рекомендации.

      При ΣS > 100 ВА применяют и броневые, и стержневые сердечники. Более выгодными являются стержневые с двумя катушками и ленточными разъемными сердечниками, поскольку они имеют большую поверхность охлаждения по сравнению с броневыми и меньшую среднюю длину витка. Окончательное решение о выборе конструкции магнитопровода в данном случае зависит от условия расчета – минимума стоимости или массы. При минимуме стоимости целесообразно выбрать броневой пластинчатый, а при минимуме массы – броневой или лучше стержневой ленточный   . Выбираем броневой ленточный.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Предварительное  значение индукции

 

          Выбор амплитудного значения  магнитной индукции в стержне B¢_c зависит от материала, толщины листа, частоты питающего напряжения, суммарной мощности (не более двух) вторичных обмоток. Значение B¢_c в стали маломощного трансформатора ограничивается допускаемым значением тока намагничивания.

           При проектировании трансформатора  на минимум массы следует помнить, что увеличение индукции несущественно уменьшает массу трансформатора, значительно сильнее сказывается на уменьшении массы повышение плотности тока в обмотках.

Предварительное амплитудное значение магнитной индукции B¢_c в стержне МТ выбирают по табл. 1.

Таблица 1

Амплитудное значение магнитной  индукции

Тип магнитопровода	Материал магнитопровода и его толщина, мм	Частота, Гц	Амплитудное значение индукции B¢c, Тл, в зависимости от суммарной мощности ΣS вторичных обмоток
			15 ÷ 50	50 ÷ 150	150 ÷ 300
Броневой   Пластинчатый	1512 (Э42) 0,35	50	1,30	1,30 ÷ 1,35	1,35
	1521 (Э44) 0,2	400	1,20	1,20 ÷ 1,15	1,15 ÷ 1,00
Броневой или стержневой Ленточный	3412 (Э320) 0,35	50	1,65	1,60 ÷ 1,55	1,55 ÷ 1,50
	3404 (Э340) 0,2	400	1,40	1,40 ÷ 1,30	1,30 ÷ 1,25

 

Тип магнитопровода ленточный, материал магнитопровода 3404 (Э340) толщина 0,2 мм, частота 400Гц, суммарной мощности ΣS вторичных обмоток 275, Амплитудное значение индукции B¢_c в промежутке от  1,30 ÷ 1,25, берем B¢_c =1,30Тл

 

 

4. Предварительное  значение плотности тока в  обмотках МТ

 

Допускаемая величина плотности  тока в проводах обмоток трансформатора в значительной мере определяет его  массу и стоимость. Чем выше плотность тока в обмотках, тем меньше масса их материала и соответственно стоимость трансформатора. С другой стороны с увеличением плотности тока возрастают потери в обмотках и нагрев трансформатора.

Чем меньше номинальная мощность трансформатора, тем лучше условия  охлаждения его, а следовательно, и выше допускаемая плотность тока в обмотках.

В МТ мощностью до 100 ВА допускаемая  плотность тока  в проводах медных обмоток может составлять j = 4,5÷3,5 А/мм²; при мощности выше 100 ВА – j = 3,5÷ 2,5 А/мм². Плотность тока j в обмотках из алюминиевого провода при прочих равных условиях принимают в 1,4÷1,6 раз меньше значений j для медных обмоток.

Выбранное значение плотности  тока в проводах обмоток принимают  за среднее значение j_ср.

В случае расположения обмоток  в порядке 2 – 1 – 3, следует принять: j₁ = j₂ = j_ср,  j₃ = 0,925j_ср. j₁ = j₂ =4,  j₃ = 0,925*4=3,7

При таком распределении  плотности тока в проводах обмоток  получают большую стабильность выходных напряжений трансформатора при изменении  нагрузки и больший КПД.

Предварительное значение плотности  тока в обмотках МТ выбирают по табл. 2.

 

Таблица 2

Предварительное значение плотности  тока в обмотках

Конструкция магнитопровода	Материал сердечника и  его толщина, мм	Частота, Гц	В зависимости от суммарной  мощности ΣS, ВА, плотность тока jср, А/мм2
			15 ÷ 20	50 ÷ 150	150 ÷ 300
Броневая Пластинчатая	1512 0,35	50	3,0 ÷ 2,4	2,4 ÷ 2,0	2,0 ÷ 1,7
	1521 0,20	400	5,5 ÷ 5,0	5,0 ÷ 4,0	4,0 ÷ 2,8
Броневая или стержневая ленточная	3412 0,35	50	3,5 ÷ 2,7	2,7 ÷ 2,4	2,4 ÷ 2,3
	3404 0,20	400	6,5 ÷ 6,0	6,0 ÷ 4,0	4,0 ÷ 2,7