Задание к курсовой работе 1-й закон Кирхгофа Электромагнитное поле Методика расчёта линейных электрических цепей переменного тока Метод узловых и контурных уравнений

Расчет трансформаторов малой мощности

(Методика)

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

Напряжение питания U1 = 220 B

Частота питающего напряжения f = 400 Гц

Напряжения вторичных обмоток U2 = 487.5 B

Токи вторичных обмоток I2 = 1.05 A

ВВЕДЕНИЕ

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения.

Трансформаторы малой мощности (ТММ) предназначены, в основном, для питания аппаратуры релейных схем, выпрямительных устройств, анодных цепей и цепей накала различных электронных приборов. Указанная нагрузка носит преобладающий активный характер, что учтено в данной методике / I /.

Трансформаторы малой мощности классифицируются по различным признакам: по мощности (малые, средние и большие), по системе тока (однофазные и трехфазные), по рабочей частоте (нормальной частоты - 50 Гц, повышенной частоты – 100 - 10.000 Гц, ультразвуковой частоты - свыше 100 000 Гц, импульсные), по напряжению (низковольтные - до 1000 - 1500 В и высоковольтные - свыше 1000 - 1500 В), по типу конструкции (броневые, стержневые, тороидальные), по режиму работы (продолжительного, кратковременного, повторно-кратковременного режимов работы и разового действия), по областям применения (общего и специального назначения, как например, трансформаторы авиационной аппаратуры, судовой аппаратуры и т.п.).

Катушка у броневого трансформатора располагается на среднем стержне. У стержневого трансформатора катушки обычно находятся на обоих стержнях, причем каждая катушка содержит половинное число витков соответствующей обмотки трансформатора. Витки обмоток наматываются слоями на гильзу или каркас. Первой располагается первичная обмотка, на ней – вторичные обмотки, при одной вторичной обмотке трансформатор называется двухобмоточным, при двух - трехобмоточным и т.д.

Данная методика предназначена для расчета однофазных двухобмоточных или многообмоточных трансформаторов общего назначения стержневой и броневой конструкций мощностью до 8ОО ВА (50) Гц, и 2500 ВА (400 Гц), при напряжении вторичной обмотки до 1000 В. Режим работы - продолжительный.

В результате расчета должны быть определены:

1. форма и геометрические размеры сердечника;

2. данные обмоток (числа витков, марки и диаметры проводов);

3. электрические и эксплуатационные параметры трансформатора (к.п.д., ток холостого хода, температура перегрева обмоток).

Метод эквивалентного генератора

 При решении задачи методом эквивалентного генератора (активного двухполюсника) необходимо:


1. Мысленно заключить всю схему, содержащую Э.Д.С. и сопротивления, в прямоугольник, выделив из нее ветвь аb, в которой требуется найти ток (рис 2.13).

Найти напряжение на зажимах разомкнутой ветви ab (в режиме холостого хода).

Напряжение холостого хода Uо (эквивалентное Э.Д.С. Еэ) для рассматриваемой цепи можно найти так:.

Сопротивление R4 в расчёт не вошло, так как при разомкнутой ветви ab ток по нему не протекает.

3. Найти эквивалентное сопротивление. При этом источники Э.Д.С. закорачиваются, а ветви, содержащие источники тока, размыкаются. Двухполюсник становится пассивным.


Для данной схемы

.

4. Вычислить значение тока. Для данной схемы имеем:

Порядок расчета

форма и геометрические размеры магнитопровода

Конструктивные данные трансформатора определяются из следующих известных из теории зависимостей для действующих значений первичного напряжения U1 и первичного тока I1:

E1 = 4,44 f w1 Фm ; I1 = δ1 Sпр1

где δ1 - плотность тока в первичной обмотке, А/мм2 ;

Sпр1 - сечение меди провода первичной обмотки, мм2.

Подставив в эти формулы выражения

Для малых мощностей (от единиц до нескольких десятков ватт, при напряжениях, не превышающих 1000 В и частоте сети от 50 до 400 Гц следует рекомендовать броневые трансформаторы при использовании как пластинчатых, так и ленточных магнитопроводов.

Наиболее широко применяются пока пластинчатые магнитопроводы. Броневые трансформаторы, имеющие одну катушку, значительно технологичнее стержневых в изготовлении и проще по конструкции, но уступают при малых мощностях стержневым трансформаторам по удельной мощности на единицу веса и объема.

При мощностях от нескольких десятков до нескольких сотен вольт-ампер при частоте 50 Гц и до нескольких киловольт-ампер - при частоте 400 Гц наиболее перспективными являются стержневые двухкатушечные трансформаторы с ленточным магнитопроводом.

Маломощные двухкатушечные трансформаторы стержневого типа имеют лучшее охлаждение и требуют меньшего расхода меди ввиду меньшей средней длины витка и возможной большей плотности тока в обмотках.

В практике изготовления магнитопроводов для маломощных трансформаторов в настоящее время наибольшее применение нашли электротехнические стали марок Э42 и Э310 толщиной листа 0,35 мм (при частоте 50 Гц),

Э44 толщиной листа 0,2 мм (при частоте 400 Гц), а также сталь марки ХВП

Такая температура перегрева достигается, если плотность тока выбрана по таблице 2 с учетом мощности трансформатора, конструкции магнитопровода и частоты сети.

В таблице 2 приведены рекомендуемые значения плотности тока для медных проводников.

В большинстве случаев применяют именно медные провода, поставляемые кабельной промышленностью с готовой изоляцией.

Провода, как правило, круглые. При больших сечениях могут применяться и провода прямоугольного сечения.

Определение тока холостого хода

После того, как выбран магнитопровод трансформатора, нетрудно найти величины полных потерь в стали Рст , намагничивающей мощности Qст, абсолютное и относительное значения тока холостого хода.

Относительное значение - это ток холостого хода 10 , выраженный в % от первичного номинального тока.

Полные потери в стали могут быть определены по формуле:

Рст = DРст Gст (4)

где DРст - удельные потери, Вт/кГ;

Gст - вес магяитопровода, кГ.

Величина DРст зависит от выбранного значения магнитной индукции, марки стали, ее толщины и частоты сети. На рис. 3 и 4 приведены экспериментальные кривые зависимости удельных потерь в трансформаторных сталях от индукции для наиболее часто применяемых марок (для частот 50 Гц и 400 Гц, соответственно).

Полная намагничивающая мощность Qст зависит от выбранного значения магнитной индукции, марки стали, ее толщины, конструкции магнитопровода и его геометрических размеров, а также от частоты сети.

Абсолютное и относительное значения реактивной составляющей тока холостого хода находятся по формулам:

 I0р = Qст/U1 [A]; I0р% = (I0р/I1н).100 = (Qст/S1н) .100 (7)

  I0p = 74,4/220 = 0,338 A

I0p% = (0,338/2,35) . 100 % = 14,38 %

Величина относительного тока холостого хода на основании известных I0а% и I0р% равна: 

Расчет обмоток

Расчет обмоток трансформатора заключается в определении числа витков и диаметра провода каждой из них.

1. На основании формулы (1) имеем:

w1 = (E1104)/( 4,44 f Bm Fст.акт); w2 = (E2104)/( 4,44 f Bm Fст.акт);

w3 = (E3104)/( 4,44 f Bm Fст.акт) и.т.д. (9)

Все величины, входящие в правые части приведенных выражений известны, за исключением э.д.с.

Если обозначить величины падений напряжений в обмотках, выраженные в % от номинального, через DU1% , DU2% и.т.д., то э.д.с. обмоток могут быть найдены из выражений

 ;   ;  и.т.д. (10) 

2. Следует иметь в виду, что в таблице 2 приведены средние значения плотности тока для всей катушки в целом. Поэтому, определяя плотность тока в первичной обмотке, расположенной непосредственно на магннтопроводе, следует уменьшать средние значения на 15 – 20%; соответственно следует увеличивать плотности тока во вторичных обмотках на 10 – 15%.

Сечения проводов обмоток определяются по формуле

  , [мм2] (11)

Ток первичной обмотки, необходимый для определения сечения провода этой обмотки, находят по формуле

3. Следующим этапом является выбор марки провода. При изготовлении обмоток трансформаторов малой мощности наиболее широко применяются провода с эмалевой изоляцией, т.к. такой изоляционный слой дешев и имеет малую толщину. Недостатком проводов с эмалевой изоляцией (типа ПЭЛ) является низкая механическая прочность изолирующего слоя. Однако в настоящее время выпускаются провода с высокопрочной эмалевой изоляцией с одинарным и двойным покрытием (ПЭВ- 1 и ПЭВ-2). Провода марок ПЭЛ и ПЭВ-1 рекомендуются при напряжениях обмоток до 500 В, при напряжениях свыше 500 В следует применять ПЭВ-2. Провода других марок используются в специальных трансформаторах.

Двухсторонняя толщина изоляции проводов(округленно), мм.

Конструкция обмоток

Конструктивный расчет обмоток заключается в выборе основания для намотки (гильзы или каркаса), длины намотки, числа витков в слое и числа слоев каждой обмотки, а также в выборе межслоевой и межобмоточной изоляции. Эскиз каркаса с обмотками для трехобмоточного трансформатора представлен на рис. 7.

Катушка с обмотками у броневого трансформатора одна и располагается на среднем стержне. У стержневого трансформатора обычно две катушки и находятся они на обоих стержнях, причем каждая катушка содержит половинное число витков соответствующей обмотки трансформатора.

Проверка размещения обмоток производится в следующей последовательности:

а) определяется число витков в слое wс согласно зависимостям:

в) Для стержневых магнитопроводов, у которых обмотки располагаются на обоих стержнях (две катушки) и содержат половинное число витков каждой обмотки, полная толщина намотки одной катушки находится из зависимости:

 D = δ1/2 + δ2/2+ ……. + δn/2+ (δ' +1) + n.dмо, мм (17)

где dмо - толщина межобмоточной изоляции, мм;

 n - число обмоток.

При напряжениях, не превышающих 1000 B, в качестве материала для межобмоточной изоляции обычно используются различные марки изоляционной бумаги, намотанной в несколько слоев; общую толщину этой изоляции (dмо) при этом можно принимать равной 0,2 -  0,3 мм. В формулах (16) и (17) учитывается и толщина изоляции поверх крайней обмотки.

Определение температуры перегрева обмоток

После того, как найдены геометрические размеры обмоток трансформатора, можно перейти к определению их рабочей температуры. Прежде всего необходимо найти величину суммарной мощности потерь в обмотках каждой катушки,

  (18)

 где, кроме выше обозначенного:

r - сопротивление провода обмотки, Ом;

ρм - удельное сопротивление медного провода при рабочей температуре, Ом . см.

В формуле (18) δ в А/мм2 , Sпр в см2 , lпр - общая длина провода обмотки в см.

Заменяя в (18) произведение Sпр lпр его значением из

Как было замечено выше, в трансформаторах малой мощности нагрев магнитопровода практически не влияет на температуру перегрева обмоток Dtм по отношению к температуре окружающей среды. Поэтому температуру перегрева можно определить по формуле:

  (25)

где Pм кат потери в меди одной катушки, Вт;

  Fм кат - поверхность охлаждения данной катушки, см2;

aм - коэффициент теплопередачи, Вт/см2°С.

В связи с тем, что часть торцевых поверхностей катушки и часть ее боковых поверхностей, закрытые магнитопроводом, в процессе передачи тепла окружающей среды практически не участвуют, можно считать, что охлаждающая поверхность в формуле (25) включает в себя лишь открытые боковые поверхности данной катушки:

Определение веса трансформатора

Ранее из таблицы 6 или 7 был выписан вес магнитопровода (стали) рассчитываемого трансформатора Gст , г. По формуле (22) были рассчитаны веса меди каждой обмотки Gм1, Gм2 и т.д. Следовательно, вес меди обмоток одной катушки равен:

 Gм кат = Gм 1+ Gм 2

Gм кат = 0,091 + 0,067 = 0,158 кг

Поскольку при определении этого веса не были учтены веса изоляции проводов, межслоевой и межобмоточной изоляции, а также вес каркаса, то необходимо Gм кат увеличить на 5%, получая вес катушки с обмотками Gкат. Если катушек несколько, например k, то это соответствующим образом учитывается при подсчёте веса трансформатора:

Заданы три приёмника электрической энергии со следующими параметрами: Z 1 = …Ом, Z 2 = …Ом, Z 3 =… Ом. Рассчитать режимы работы электроприёмников при следующих схемах включения:

1. Присоединить приёмники последовательно к источнику с напряжением U =… В. Определить полное сопротивление цепи Z, ток I, напряжения на участках, угол сдвига фаз, мощности участков и всей цепи, индуктивности и ёмкости участков. Построить топографическую векторную диаграмму цепи.

 2. Присоединить приёмники параллельно к источнику с напряжениемU =… В. Определить токи в ветвях и в неразветвленной части цепи, углы сдвига фаз в ветвях и во всей цепи, мощности ветвей и всей цепи. Построить векторную диаграмму цепи.


Выбор типа выпрямителя