Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

Значения вторичных напряжений U₂ = 180 B

U₃ = 6,3 B

Значения нагрузок S₂ = 30 BA

S₃ = 15 BA

cos ц ₂ = 0,7

cos ц ₃ = 0,9

Частота f = 50 Гц

Первичное напряжение U₁ = 380 B

Расчетное условие - минимум стоимости

Температура окружающей среды Q=30°C

Падение напряжения не более U₁₂ = 6% , U₁₃ =6%

трансформатор мощность магнитопровод ток



Введение

Производство электрической энергии на крупных электростанциях с генераторами большой единичной мощности, размещаемых вблизи расположения топливных и гидравлических энергоресурсов, позволяет получать в этих районах необходимые количества электрической энергии при относительно невысокой ее стоимости. Использование дешевой электрической энергии потребителями, которые находятся на значительном расстоянии и рассредоточены по обширной территории страны, требует создания сложных разветвленных электрических сетей.

Силовой трансформатор является одним их важнейших элементов электрической сети. Передача электрической энергии на большие расстояния от места ее производства до места потребления требует в современных сетях многократной трансформации в повышающих и понижающих трансформаторах.

Необходимость распределения энергии между многими мелкими потребителями приводит к значительному увеличению числа отдельных трансформаторов. При этом суммарная мощность трансформаторов в сети на каждой последующей ступени с более низким напряжением в целях более свободного маневрирования энергией выбирается обычно большей, чем мощность предыдущей ступени более высокого напряжения. Вследствие этого общая мощность всех трансформаторов, установленных в сети, превышает общую генераторную мощность.

Следует отметить, что по мере удаления от электростанции единичные мощности трансформаторов уменьшаются, а удельный расход материалов на изготовление трансформатора и потери, отнесенные к единице мощности, а также цена 1 кВт потерь возрастают. Поэтому значительная часть материалов расходуемых на все силовые трансформаторы, вкладывается в наиболее отдаленные части сети. В этих же трансформаторах возникает большая часть потерь энергии, оплачиваемых по наиболее высокой цене.

Уменьшение потерь холостого хода (ХХ) достигается, главным образом, путем все более широкого применения холоднокатаной рулонной электротехнической стали с улучшенными магнитными свойствами - низкими и особо низкими удельными потерями и низкой удельной намагничивающей мощностью. Применение этой стали, обладающей анизотропией магнитных свойств и очень чувствительной к механическим воздействиям при обработке (продольной и поперечной резке рулона на пластины), к толчкам и ударам при транспортировке пластин, к ударам, изгибам и сжатию пластин при сборке магнитной системы и остова сочетается с существенным изменением конструкций магнитных систем, а также с новой прогрессивной технологией заготовки и обработки пластин и сборки магнитной системы и остова.

Трансформатор состоит из магнитной системы и обмоток. Магнитная система (магнитопровод) представляет собой комплект пластин из ферромагнитного материала, например из электротехнической стали, собранных в определенной геометрической форме. Эта система служит для сосредоточения в магнитопроводе магнитного поля трансформатора. Магнитопровод состоит из стержня и ярма.

Обмотка выполнена в форме катушки, содержащей определенное количество витков медного или алюминиевого изолированного провода. В трансформаторе может быть две или несколько не соединенных между собой обмоток.В трехфазном трансформаторе под обмоткой понимают совокупность трех фаз, соединенных в звезду или треугольник.

В двухобмоточном трансформаторе различают обмотку высшего напряжения (ВН) и обмотку низшего напряжения (НН). В трехобмоточном трансформаторе, кроме этих обмоток, имеется еще обмотка среднего напряженияч (СН).

В данном курсовом проекте произведем расчет маломощного трансформатора с воздушным охлаждением.



1. Выбор магнитопровода

1.1 Определение расчетной мощности трансформатора

Расчетная мощность трансформатора определяется следующим образом при условии, что

(S₂ + S₃) < 100 ВА

S_p = (S₂ + S₃)

где з =0,8 - коэффициент полезного действия трансформатора выбирается по табл.2

S_p =

Величина коэффициента полезного действия КПД определяется с учетом расчетной мощности трансформатора.

При частоте 50 Гц и расчетной мощности S_p =50-150 BA КПД лежит в пределах з = 0,8-0,9

Таким образом, учитывая S_p =50,625 ВА, выбираем з = 0,8.

1.2 Выбор конструкции магнитопровода

Выбираем конструкцию магнитопровода по величине расчетной мощности, частоте и максимальному напряжению.

При мощностях от 30 до 100 ВА рекомендуется изготавливать также броневые трансформаторы при использовании как пластинчатых, так и ленточных магнитопроводов.

На основании рекомендаций табл.4 и 5 принимаем броневой пластинчатый трансформатор с пластинчатой конструкцией сердечника серии Ш.

1.3 Выбор материала сердечника

Для уменьшения потерь на вихревые токи снижают толщину стали, но ее уменьшение при данной частоте целесообразно только до определенных пределов, после чего рост потерь на гистерезис превышает уменьшение потерь на вихревые токи.

Рекомендуется применять для пластинчатых конструкций горячекатаные стали Э42, Э43 толщиной листа D = 0,35 мм при 50 Гц

1.4 Выбор параметров магнитопровода

По найденной величине Sр для данной конструкции магнитопровода из табл. 3-6 находим ориентировочные значения

максимальной индукции : Вст = 1,33-1,35 Т .

плотности тока: jср = 2,4-2 А/мм2 .

коэффициента заполнения окна: kок =0,3-0,32.

и коэффициента заполнения магнитопровода : kст = 0,9.

1.5 Определение произведение сечения сердечника на площадь окна

где расчетная мощность трансформатора, ВА;

частота Гц;

магнитная индукция Тл;

плотность тока А/мм;

коэффициент заполнения окна медью;

коэффициент заполнения магнитопровода.

1.6 Определяем отношение сечения стержня к площади окна сердечника К_Qp

Определяем отношение

где отношение массы стали к массе меди;

С₁=0,7 для броневых трансформаторов.

Найдем пределы изменения величины



1.7 Выбор типоразмера магнитопровода

Зная произведение и предел изменения из справочника «Малогабаритные магнитопроводы и сердечники» Сидоров И. Н. Радио и связь 1989г[1]. выбираем стандартный магнитопровод Ш 2032, у которого значение произведения наиболее близкое к требуемому, а значение лежит в требуемых пределах.

Выбираем ( 0,72? 0,9 ? 1,08 ), а произведение Q_стQ_ок=64,48 см⁴

Для выбранного сердечника выписываем:

Типоразмер магнитопровода	Размеры, мм
	a	b	c	h	l	L	Qст cмІ
Ш 20х32х50	10	32	20	50	20	80	6.4

Зная размеры сердечника уточним значения С₁ и по формулам:

где отношение массы стали к массе меди (см. прим. к табл. 1);

удельные плотности меди и стали;

средняя длина витка всех обмоток;

длина средней магнитной линии

Определим длину средней магнитной линии :

Определим среднюю длину витков :

Выбранное значение лежит в требуемых пределах, ( 0,78? 0,9 ? 1,17 ), то есть выполняется условие .



2. Определение числа витков обмоток

2.1 Определение падения напряжения

При расчете при заданном падении напряжения производятся следующие вычисления:

Значения ЭДС находим по формулам:

;

;

.

Для оценки порядка расположения обмоток предварительно определяем их токи:



2.2 Определение электродвижущей силы на виток

Определяем ЭДС одного витка и число витков каждой из обмоток трансформатора на основе следующих формул:

2.3 Число витков обмоток

определены по в п.2.1.

Так как число витков обмотки низшего напряжения получилось дробным, округляем его до целого числа и производим перерасчет чисел витков других обмоток и магнитной индукции по формулам:



3. Определение потерь в стали и намагничивающего тока

3.1 Определение потери в стали

Для данного сердечника из стали Э42 потери в стали определяются по формуле:

где- масса стали;

-удельные потери, величина которых в сердечнике зависит от магнитной индукции, марки стали, толщины листа, частоты сети и типа сердечника. Определяется из таб 2.2 [1]

Таким образом,

3.2 Определение активной составляющей намагничивающего тока

3.3 Реактивная составляющая намагничивающего тока

Для стержневых трансформаторов значение определяется по формуле:

для этого вычисляем намагничивающую мощность в стали для броневых сердечников из сталей марок Э42, Э44 и Э340

Q = qст*Gст,

где qст -- удельная намагничивающая мощность, ВА/кг;

Gст -- масса стали, кг.

Величина удельной намагничивающей мощности qст зависит от значения магнитной индукции в сердечнике Bс марки стали, толщины листа, конструкции магнитопровода и его геометрических размеров, а также от частоты сети. Она определяется по кривым, приведенным на рис. 5.

Рис. 5. Удельная намагничивающая мощность для броневых сердечников из сталей: 1 -- Э42, толщина 0,35 мм; 50 Гц; 2 -- Э44, толщина 0,2 мм, 400 Гц; 3 -- Э340, толщина 0,15 мм, 400 Гц

Q = qст*Gст=9*0,8=7,2

=

3.4 Ток первичной обмотки при номинальной нагрузке

,

где ;

приведенные значения активной и реактивной составляющих токов вторичных обмоток.

Таким образом

3.5 Ток холостого хода

3.6 Относительное значение холостого хода

3.7 Оценка результатов выбора магнитной индукции

Так как величина относительного тока холостого хода при частоте 50Гц лежит в установленных пределах 0,10,2, то выбор магнитопровода на этой стадии расчета считаем оконченным.

3.8 Коэффициент мощности



4. Электрический и конструктивный расчет обмоток

4.1 Выбор плотностей тока в обмотках

Плотность тока в обмотках оказывает существенное влияние на работу трансформатора. Выбор этого параметра при расположении 2-1-3 следующий:

4.2 Ориентировочные значения сечения проводов

Определяем предварительные значения сечений проводов и обмоток и приводим к ближайшему стандартному значению:

мм²;

мм²;

мм²

где ;

4.3 Выбор стандартного сечения и диаметра провода

По таблице прил. П1 [3] выбираем стандартные сечения и диаметры проводов и выписываем необходимые справочные данные q_пр, d_пр, d_изпр, g_пр, и заносим их в таблицу 9.

Выбор марки провода определяется величиной рабочего напряжения обмотки и предельно допустимой температурой провода. Так как напряжения в обмотках до 500В и токи до нескольких ампер применяем провод марки ПЭВ-1.

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:

Таблица 9

Номер обмотки	Марка провода	Номинальное сечение, qпр (мм2)	Номинальный диаметр провода по меди dпр (мм)	Наибольший наружный диаметр dизпр (мм)	Сопротивление постоянному току, gпр (ом/м)
1 I	ПЭВ-1	0,0661	0,29	0,33	5,53
2 II	ПЭВ-1	0,0855	0,33	0,37	3,43
3III	ПЭВ-1	1,327	1,32	1,38	0,012

Провода во всех обмотках будут марки ПЭВ-1.



4.4 Определение амплитудного значения рабочих напряжений

(ампл)

(ампл)

(ампл)

Определяем испытательные напряжения обмоток по кривой рис.10 [6].

(ампл), (ампл), (ампл),

4.5 Определение изоляционного расстояния

Для обеспечения надежной работы обмоток необходимо выбирать изоляционные расстояния так, чтобы во время работы в нормальных условиях и при испытании повышенным напряжением катушка трансформатора не повреждалась. Под изоляционными расстояниями понимаются (рис. 4.1):

- расстояния от крайнего витка обмотки до сердечника (h_из1, h_из2, h_из3);

- расстояние от первого слоя первичной обмотки до сердечника через сплошную изоляцию гильзы или каркаса (h_{из ос});

- расстояние между соседними слоями двух обмоток через сплошную междуобмоточную изоляцию (h_{из мо});

- толщина внешней (наружной) изоляции поверх последней обмотки (h_{из н}).

Экспериментальные данные показывают, что при напряжениях обмоток до 500 В допустимые величины h_{из 1}, h_{из 2} и h_{из 3} для большинства изоляционных материалов, применяемых в трансформаторах малой мощности, должны быть не менее 2 мм (при намотке на гильзу) как по условиям электрической прочности концевой изоляции, так и для того, чтобы избежать западания крайних витков соседних слоев обмотки.

С целью закрепления витков обмоток и предотвращения их сползания свободное пространство между крайними витками и краем гильзы заполняют теми же материалами, которые применяются для междуобмоточной и междуслоевой изоляцией.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.4.1 Изоляционные расстояния при размещении обмоток на гильзе

Исходя из этого, расстояния от крайнего витка обмотки до сердечника при намотке на гильзу будут h_{из 1} = 2 мм, h_{из 2} = 4 мм, h_{из 3} = 6 мм.

Обычно длину гильзы берут на 1мм короче высоты окна магнитопровода. Тогда при намотке на гильзе осевая длина каждой обмотки будет

где длина концевой изоляции обмотки, мм;

длина каркаса, h₁=h-1=50-1=49 мм

берем равную 2 мм, , .

Толщину гильзы принимаем равной 1 мм, а толщину каркаса - 2 мм. Поверх гильзы наматывают изоляционную бумагу, обеспечивающую лучшую укладку провода и усиливающую изоляцию.

Для этой цели применяют кабельную бумагу К-12 (толщиной 0,12 мм) в 2 слоя при величине рабочего напряжения первичной обмотки от 250 до 500 В. Таким образом, расстояние от первого слоя первичной обмотки до сердечника через сплошную изоляцию гильзы будет

Толщина междуслоевой изоляции зависит от диаметра провода и величины рабочего напряжения обмотки и выбирается по табл.9 [6]. Для 1 и 2 обмотки с d_1пр = 0,29 и d_2пр = 0,33 мм используем телефонную бумагу КТН толщиной 0,05 мм в один слой, а для 3 обмотки с d_{3 пр} = 1,32 используем два слоя бумаги ЭИП-63Б или кабельной бумаги К-12 толщиной 2* 0.11 и 2*0,12 мм.

Толщина междуобмоточной изоляции определяется в зависимости от величины испытательного напряжения обмотки с наибольшим напряжением. При U_исп до 1000 В рекомендуется применять три слоя бумаги ЭИП-63Б или два слоя бумаги К-12; при U_исп до 1600 В - соответственно четыре слоя ЭИП-63Б или три слоя К-12; при U_исп до 2200 В - пять слоев ЭИП-63Б или четыре слоя К-12; при U_исп до 2700 В - шесть слоев ЭИП-63Б или пять слоев К-12; при U_исп до 3500 В - восемь слоев ЭИП-63Б или шесть слоев К-12.

Таким образом, определим толщину междуобмоточной изоляции, используя кабельную бумагу К-12

Количество слоев наружной изоляции выбирается в соответствии с рабочим напряжением последней обмотки. При Uр < 500 В наружную изоляцию выполняют из двух слоев бумаги ЭИП-63Б или К-12 и одного слоя батистовой ленты толщиной 0,16 мм.

4.6 Число витков в одном слое

Число витков в одном слое каждой обмотки находим по формуле:

,

где коэффициент укладки провода в осевом направлении, определяется по кривой на рис. 12 [6].

и определены ранее.

;;

Полученные результаты округляем до ближайшего меньшего целого числа:

,,

4.7 Определение числа слоев

Число витков в одном слое определяем из выражения:

Под величиной понимают для стержневых двухкатушечных трансформаторов - половинное число витков обмотки.

Количество округляется до ближайшего большего целого числа. Таким образом:

;;



4.8 Определение радиального размера каждой обмотки

Радиальный размер каждой обмотки при диаметре провода с изоляцией больше 0,5 мм вычисляется по формуле:

При диаметре провода с изоляцией меньше 0,5 мм по формуле:

коэффициент укладки в радиальном направлении, определяется по кривой на рис. 13 [6].

коэффициент неплотности межслоевой изоляции, определяется по кривым на рис.14 [6].

;;

;;

4.9 Определение полного радиального размера катушки

Для чередования обмоток 2, 1, 3 полный радиальный размер катушки определяется из выражения:

гдезазор между каркасом и сердечником, равный 0,5 мм;

толщина гильзы (каркаса) с учетом дополнительной изоляции поверх каркаса, мм

радиальные размеры обмоток, мм

толщина наружной изоляции, мм;

толщина межоболочной изоляции, мм;

коэффициент неплотности межоболочной изоляции, определяется по рис.15 [6].

коэффициент выпучивания (учитывается только при выполнении обмотки на гильзе) в радиальном направлении; определяется по рис. 16 [6], в зависимости от диаметра провода наружной обмотки,с учетом отношения .

коэффициент неплотности намотки наружной изоляции, (1,7ч2) принимаем равным ;

4.10 Определение зазора между катушкой и сердечником

Величина этого зазора для стержневых трансформаторов определяется по формуле и должна лежать в пределах от 0,5 до 1 мм.



полученное значение удовлетворяет условию 0,5<0,68<1

4.11 Средняя длина витка обмоток

где и наружные размеры каркаса, мм;0

зазор между каркасом и сердечником, мм;

значения определяем по формулам:

При намотке обмоток в последовательности 2-я, 1-я, 3-я значения определяются по формулам:

4.12 Масса меди каждой обмотки

гдесредняя длина витка, м;

общее число витков обмотки;

масса 1 м провода, г (берется из прил. П. 1, [3]). Общую массу провода катушки находим суммированием масс отдельных обмоток.

Общую массу провода катушки находим суммированием масс отдельных обмоток.

Проверяем значение б:

Так как отношение массы стали к массе меди, равное 2,24, лежит в рекомендуемых пределах 2 ? 2,24 ? 3 (2-3 для минимума стоимости), то расчет можно продолжать дальше.

4.13 Определение потерь в меди

Потери в катушках равны сумме потерь в отдельных обмотках:



Проверяем значение :

Т. к. соотношение потерь в меди к потерям в стали, равное 1,29. Полученное значение в лежит в рекомендуемых пределах (1,25-2,5 при частоте 50 Гц) продолжаем дальше.



5. Определение температуры нагрева трансформтора

Для определения максимального превышения температуры катушки и максимального значения среднеобъемной температуры обмотки можно использовать тепловую схему, изображенную на рис. 5.1.

Рисунок 5.1. Расчетная тепловая схема трансформатора при расположении максимально нагретой области: внутри катушки (тепловой поток направлен от катушки к сердечнику).

На этом рисунке приняты следующие обозначения:

тепловой поток, мощность которого равна электрическим потерям в обмотке (потерям в меди);

тепловой поток, мощность которого равна магнитным потерям в стали сердечника;

тепловые потоки в ветвях схемы замещения:

тепловое сопротивление катушки собственному потоку потерь;

тепловое сопротивление катушки для потока, идущего от максимально нагретой области до гильзы, величина которого зависит от проходящего через него потока;

тепловое сопротивление гильзы;

тепловые сопротивления граничных слоев: поверхность катушки -- среда и поверхность сердечника -- среда соответственно.

Так как на практике тепловые сопротивления сердечника собственному и проходящему тепловым потокам значительно меньше 0, то они в расчете не учитываются.

Тепловой поток (), создаваемый катушкой, распадается на две составляющие и проходит в окружающую среду по двум путям: одна составляющая () идет только через часть катушки, преодолевая сопротивления и R°, другая составляющая () проходит через другую часть катушки, гильзу, далее через сердечник и преодолевает при этом сопротивления .

5.1 Определение тепловые сопротивление

Определяем по табл. 10 и 11 [6] для выбранного магнитопровода тепловые сопротивления элементов схемы замещения и .

Типоразмер магнитопровода
Ш 20Ч32	1,6	1,3	6,0	4,2

5.2 Определение величины теплового потока между катушкой и сердечником

где потери в меди, Вт;

потери с стали, Вт.

5.3 Определение теплового сопротивления катушки от максимально нагретой области до гильзы

Определяем по формуле:

5.4 Определение максимального превышения температуры катушки и среднее превышение температуры обмотки

Если 0 < X < Rm , в нашем случаи 0<0.189<1.3 ( максимально нагретая область находиться в нутрии катушки) то максимальное превышение температуры катушки следует определять по формуле:

а среднее объемное превышение температуры обмотки по формуле:



где : - перепад температуры в обмотке, первой намотанной на каркас,

- общий перепад температуры в катушке.

5.5 Определение максимальной температуры обмотки

где температура рассчитанная в п.5.3.:

температура окружающей среды (заданная величина).

Величина температуры обмотки укладывается в условие:



6. Определение КПД трансформатора и выбор проводов для выводов обмоток

6.1 Определение КПД трансформатора

Определяем коэффициент полезного действия трансформатора при номинальной нагрузке:

,

где

- активные мощности во вторичных обмотках трансформатора.

6.2 Выбор проводов для выводов обмоток

Для обмоток, выполненных проводом диаметром менее 0,2 - 0,35 мм, выводные концы и отводы делают гибким монтажным проводом сечением 0,05 - 0,2 мм². При более толстых проводах выводы и отводы делают самим проводом, причем при диаметре более 0,9 - 1,0 мм отводы выполняют петлей. При диаметрах проводов около 2 мм снова переходят к монтажному проводу.

Таким образом выбираем провода для выводов обмоток:

I Ї проводом МГТФЛ 1х0,12 мм2,

II Ї проводом МГШДЛ 1х0,12 мм2,

II Ї проводом МГШДЛ 1х0,2 мм2,

Выводные концы заключаем в изоляционные трубки.

По результатам расчета трансформатора и составим таблицу обмоточных данных (табл. 10) и задание на намотку трансформатора

Таблица 10. Обмоточные данные

Наименование параметра	Номер обмотки
	1	2	3
Марка провода	ПЭВ-1	ПЭВ-1	ПЭВ-1
Сечение провода, ммІ	0,0661	0,0855	1,327
Диаметр провода с изоляцией, мм	0,33	0,37	1,38
Число витков в обмотке	2264	1086	38
Число витков в слое	128	105	22
Число слоев в обмотке	6	6	2
Длина обмотки, м	272	144	4,6
Масса меди, г	153	89	67
Тип изоляции и толщина, мм:
- между слоями	КТН 0,05	КТН 0,05	2 слоя К-12 0,12
- между обмотками	4 слоя К-12
- наружная	2 слоя К-12 0,12мм и 1 слой батистовой ленты толщиной 0,16 мм; 0,38

Завершим проект сводными данными, где приводятся основные расчетные показатели трансформатора:

напряжение обмоток	U1=1380B;	U2=180 B;	U3=6,3 B
мощности обмоток	S2=30 B.A; S3 = 15 B.A
частота	f= 50 Гц
тип магнитопровода трансформатора	Броневой пластинчатый магнитопровод типа ШЛ
марка стали и толщина	Э42; 0,35 мм
токи обмоток	I1=0,131 A; I2=0,166A; I3=2,38A
ток холостого хода	I0 =0,018A
масса стали сердечника	Gст = 0,695 кг
масса меди	Gм = 0,309 кг
отношение массы стали к массе меди	2,2
потери в стали сердечника	Рст= 2,24 Вт
потери в меди обмоток	Рм =2,9Вт
КПД при номинальной нагрузке	= 87,6 %
отношение тока холостого хода к току первичной обмотки
максимальная температура обмотки	98,78

На чертеже формата А3 (см. приложение) изображена конструкция броневого трансформатора с пластинчатым магнитопроводом..

Заключение

В данном курсовом проекте произведен расчет маломощного трансформатора однофазного тока, выполненного на броневом пластинчатом магнитопроводе, учтено условие расчета на минимум массы и ограничение падения напряжения.

Коэффициент полезного действия трансформатора составляет 87,03 %.

Данный трансформатор можно применять для питания автономной нагрузки.

Список литературы

1. Методическое пособие для выполнения курсовой работы по трансформаторам малой мощности для студентов факультета Автоматизации и энергетики всех форм обучения по специальности 140211 «Электроснабжение». Сост. Кон О.Г. ЮСИЭПиИ. Юж.- Сах., 2009.- 33 с.

2. «Малогабаритные магнитопроводы и сердечники» Сидоров И. Н. Радио и связь 1989г. с

3. http://bpks.ru/articles/article.2307

Размещено на Allbest.ru

...