Разработка алгоритма проектирования и схемы однофазного трансформатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка алгоритма проектирования и схемы однофазного трансформатора



Введение

Трансформатор представляет собой устройство, которое преобразовывает напряжение переменного тока (повышает или понижает). Состоит трансформатор из нескольких обмоток (двух или более), которые намотаны на общий ферро магнитный сердечник. Если трансформатор состоит только из одной обмотки, то он называется автотрансформатором. Современные трансформаторы тока бывают: стержневыми, броневыми или тороидальными. Все три типа трансформаторов имеют похожие характеристики, и надежность, но отличаются друг от друга способом изготовления.

В трансформаторах стержневого типа обмотка намотана на сердечник, а в трансформаторах стержневого типа обмотка включается в сердечник. В трансформаторе стержневого типа обмотки хорошо видны, а из сердечника видна только нижняя и верхняя часть. Сердечник броневого трансформатора скрывает в себе практически всю обмотку. Обмотки трансформатора стержневого типа расположены горизонтально, в то время как это расположение в броневом трансформаторе может быть как вертикальным, так и горизонтальным.

Независимо от типа трансформатора, в его состав входят такие три функциональные части: магнитная система трансформатора (магнитопровод), обмотки, а также система охлаждения.



1.Конструктивные особенности трансформаторов

алгоритм трансформатор проектирование

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования одной системы переменного тока в другую систему, в частности имеющую другое напряжение и ток, но ту же частоту.

Как правило, простейший трансформатор имеет две изолированные обмотки, помещенные на стальном магнитопроводе. Обмотка, включённая в сеть источника электрической энергии, называется первичной, обмотка, от которой энергия подаётся к приёмнику ? вторичной.

Обычно напряжения первичной и вторичной обмоток неодинаковы. Если первичное напряжение меньше вторичного, то трансформатор называется повышающим, если же первичное напряжение больше вторичного, то ? понижающим. Любой трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий.

Протекающий по первичной обмотке переменный ток создает в магнитопроводе сердечника переменный магнитный поток Ф. Этот поток сцеплен с обеими обмотками и вызывает в каждой из них переменную ЭДС. Поэтому вторичная обмотка может рассматриваться как источник переменного напряжения. Если вторичная цепь будет замкнута, то по ней потечет ток. Первичная активная мощность, потребляемая трансформатором из сети:

P₁ = U₁ ? I₁ ? cos ц₁.

Вторичная активная мощность, отдаваемая потребителю:

P₂ = P_Н = U₂ ? I₂ ? cos ц₂.



Если не учитывать потери в трансформаторе (КПД трансформаторов большой мощности 97-99%), то приближенно можно считать:

Р₁ = Р₂.

При обычной работе трансформаторов фазовые сдвиги первичной и вторичной цепей равны ц₁ ? ц₂, а напряжения первичной и вторичной обмоток мало отличаются от ЭДС этих обмоток, поэтому можно записать:

U₁ ? I₁ ? U₂ ? I₂ и U₁/ U₂ ? I₂ / I₁ ? Е₁ / Е₂ = ₁/ ₂ = К,

где К - коэффициент трансформации трансформатора, показывает во сколько раз трансформатор повышает или понижает напряжение.

На каждом трансформаторе помещается табличка с указанием на них номинальных значений величин. К ним относятся: а) полная мощность, ВА или кВА; б) линейные напряжения, В или кВ; в) линейные токи при номинальной мощности; г) частота, Гц; д) число фаз; е) схема и группа соединений. Для однофазных трансформаторов ряд величин не указывается (в, д, е). 7.2.



2.Магнитопроводы трансформаторов

Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы трансформаторов низкой частоты навиваются из полос (рис.7.1 а и б) или набираются из пластин (рис.7.2,а и б), штампованных из электротехнической стали или железоникелевых сплавов. Применяют также магнитопроводы из ферритов.

Рис 7.3. Однофазный стержневой трансформатор (а); однофазный броневой трансформатор (б): 1 - изоляция между обмотками; 2 - каркас; 3 - ярмо; 4 - стержни; 5 - окно; 6 - обмотки ВН; 7 - обмотки НН

Штампованные пластины чаще всего бывают Ш - и П - образной формы. Пластины П-образной формы используются в мощных трансформаторах. Наиболее распространенными являются Ш-образные пластины. 0бычная толщина пластин 0,5 или 0,35 мм. Если материал сердечника должен иметь толщину меньше 0,3 мм, то сердечник изготовляют не из пластин, а из ленты.

Для уменьшения потерь в магнитопроводе на вихревые токи пластины изолируют тонким слоем лака или окисла. Чтобы ликвидировать зазор между пластинами и перемычками, магнитопроводы собирают в переплет.

По расположению обмоток на сердечнике различают стержневые (рис.7.3,а) и броневые (рис.7.3,б) трансформаторы. Те части сердечника, на которых размещены о6мотки, называются стержнями, те части, которые соединяют между собой стержни и служат для замыкания магнитной цепи, называют ярмами. Пространства между стержнями и ярмами, через которое проходят обмотки, называются окнами сердечника.

Пластины сердечника после сборки стягиваются планками или уголками при помощи шпилек с гайками либо специальными обжимами. Стяжные планки, уголки или обжимки служат одновременно для крепления трансформатора на шасси.

Из полос электротехнической стали навивают Ш-образные и тороидальные магнитопроводы.

Ш-образный и тороидальный витые магнитопроводы показаны на рис.7.1.

Самыми лучшими свойствами обладают тороидальные магнитопроводы, использование которых приводит к уменьшению уровня помех и взаимных связей в трансформаторах вследствие меньшего потока рассеяния. При одинаковых ампервитках индукция тороидальных магнитопроводов больше, чем в броневых и стержневых. Это позволяет уменьшать размеры и вес трансформаторов. В трансформаторах с тороидальными магнитопроводами лучше условия охлаждения обмоток, поскольку витки распределяются по тороиду. При этом уменьшается длина витка, расходуется меньше провода и повышается КПД трансформатора.

Для высокочастотных трансформаторов рекомендуется выбирать сердечники из ферритов. Ферритами называют ферромагнетики на основе двойных окислов железа и одновалентных или двухвалентных металлов: никеля, цинка, марганца и др. Ферриты имеют кристаллическую структуру и относятся к числу полупроводников с электронной электропроводностью. Для сердечников используют только магнитомягкие материалы. Конструкция ферритовых сердечников разнообразна, но чаще используют стержневые, кольцевые, броневые, Ш- и П-образные сердечники.



3.Каркасы

Служат для наматывания обмотки трансформаторов, их прессуют из пластмасс, склеивают из электрокартона или собирают из отдельных деталей, изготовленных из гетинакса, прессшпана, текстолита или электрокартона. Иногда применяют бескаркасную намотку (на гильзу).

4.Обмотки трансформаторов

алгоритм трансформатор проектирование

Обмоткам трансформаторов придают преимущественно форму цилиндрических (круглых) катушек, концентрически нанизываемых на стержень магнитопровода. При такой форме обмотки лучше противостоят механическим усилиям, возникающим во время работы трансформатора.

В некоторых случаях применяют прямоугольные, овальные и другие фор-мы. При малых токах обмотки наматывают из медного или алюминиевого изолированного провода круглого поперечного сечения, а при больших - прямоугольного сечения. В трансформаторах для малогабаритной аппарату-ры используют провод с эмалевой изоляцией (ПЭЛ или ПЭВ). Обмотки вы-сокого напряжения наматывают из провода с шелковой или эмалево-шелковой изоляцией (ПЭЛШО, ПЭЛШД). Между слоями обмотки помещают про-кладки из лакоткани или тонкой бумаги (чаще изолируют только обмотки первичную и вторичную).

Порядок расположения обмоток на каркасе не имеет принципиального значения. В трансформаторах большой мощности (выше 1 кВА) ближе к стержню располагают обмотку низшего напряжения, так как её легче изоли-ровать от магнитопровода. Для снижения стоимости и удобства перемотки маломощных трансформаторов обмотки из тонких проводов помещают бли-же к магнитопроводу (тонкие провода дороже).

5.Расчетная часть

Цель курсовой работы

Разработать алгоритм проектирования и принципиальную схему однофазного трансформатора.

Исходные данные

U₁ = 220 В - входное напряжение;

U₂ = 30 В - выходное напряжение;

Р = 330 Вт - мощность трансформатора;

f = 50 Гц - частота;

м_a = 5*10^-3 - абсолютная магнитная проницаемость электротехнической стали марки ЭИ-200;

с = 0,0175 - удельное сопротивление меди.

Рис. 7.4 Расчет трансформатора

Исходя из заданных условий величины напряжения и мощности, вычисляется сила тока для каждой из обмоток по формуле:

Определение силы тока:



(1)

Для первичной обмотки:

Для вторичной обмотки:

Выбрана Ш-образная форма сердечника. Зная мощность трансформатора, определяется площадь поперечного сечения сердечника.

Определение площади поперечного сечения:

(2)

Количество витков, приходящихся на 1 вольт напряжения, определяется сечением рабочего керна сердечника.

Определение количества витков, приходящихся на 1 вольт напряжения:

(3)

где:

w - количество витков на 1 вольт;

k - коэффициент, определяемый свойствами сердечника;

S - площадь поперечного сечения сердечника, см²

Из приведенной формулы видно, что чем меньше коэффициент k, тем меньше витков будут иметь обмотки трансформатора. Однако произвольно коэффициент k выбирать нельзя. Его значение обычно лежит в пределах от 35 до 60. Для Ш-образного сердечника k = 50. Тогда:



Зная необходимое напряжение каждой обмотки и количество витков на 1 вольт, легко определить количество витков обмотки.

Определение количества витков обмотки:

(4)

Число витков в первичной обмотке на 220 В:

Число витков во вторичной обмотке на 30 В:

Для компенсации потери напряжения в проводах обмоток нужно увеличить число витков вторичной обмотки на 5-10 %. Тогда,

Для расчета площади поперечного сечения провода надо знать величину тока и допустимую плотность тока. Допустимая плотность тока для медного провода .

Определение площади сечения провода:

(5)

Для первичной обмотки: Для вторичной обмотки:

Из таблицы 20 ГОСТ 31996-2012 берутся ближайшие большие значения для площади проводов:



Для вычисления диаметра провода используется формула площади круга

Определение диаметра провода:

(6)

S - площадь поперечного сечения провода, мм²

Для провода площадью :

Для провода площадью :

Определение длины медного провода:

(7)

где:

П - периметр поперечного сечения сердечника, см, вычисляется по формуле

(8)

алгоритм трансформатор проектирование



Рис. 7.5

- приблизительная ширина рабочего керна сердечника, вычисляется по формуле:

(9)

S - площадь поперечного сечения сердечника, см²

- толщина пакета, см, вычисляется по формуле

(10)

Находим и , а затем П

Для первичной обмотки:

Для вторичной обмотки:

Определение длины сердечника:

Предположим длину сердечника в пределах 5<l_серд<7 см

(11)



d - диаметр медного провода, см

Определение индуктивности катушки:

(11)

S - площадь поперечного сечения сердечника, м

Определение индуктивного сопротивления:

(12)

Определение активного сопротивления:

(13)

l - длина медного провода, м

d - диаметр медного провода, мм

Для первичной обмотки:

1.



Для вторичной обмотки:

2.

Определение реактивного сопротивления:

(14)

Вычисли коэффициент нагрузки:

(15)

где:

P_сп - суммарные потери мощности, Вт

P_ном - номинальная мощность, Вт

Суммарные потери мощности:

(16)

.

Таблица 1. Спецификация



Вывод

Разработан алгоритм проектирования и принципиальная электрическая схема однофазного трансформатора для работы от сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 В.

Размещено на Allbest.ru

...