Методическое пособие для студентов по конструктивному расчету маломощного силового трансформатора

Методическое пособие для студентов по конструктивному расчету маломощного силового трансформатора
по дисциплине «Электрические машины » специальности 15.02.07 Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)
Непокрытов Владимир Степанович

Преподаватель,

Сафоновский филиал областного государственного бюджетного профессионального образовательного учреждения «Смоленская академия профессионального образования»,

г. Сафоново

Педагогические методы и технологии обучения в профессиональном образовании

Введение

Настоящие методические указания разработаны согласно Методических рекомендаций по формированию учебно – методического комплекса учебной дисциплины (профессионального модуля) в соответствии с ФГОС в Сафоновском филиале ОГБПОУ «Смоленская академия профессионального образования » и рабочей программы дисциплины «Электрические машины» для специальности 15.02.07 Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям).

Конструктивный расчет маломощного трансформатора имеет целью систематизировать, расширить и углубить теоретические знания студентов, ознакомить их с правилами и особенностями расчета. В ходе проведения расчета студенты приобретают опыт самостоятельного решения задач практического характера, а также получают навыки использования нормативной, справочной и учебной информации.

За время обучения в академии по специальности 15.02.07 Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)

студенты, согласно учебному плану, выполняют расчет по дисциплине «Электрические машины».

Варианты заданий расчета маломощного трансформатора соответствуют объему теоретических знаний и практических навыков, полученных студентами за время обучения в академии, и включают вопросы, с которыми студенты могут встретиться в своей практической деятельности после окончания учебы.

С целью получения дополнительных навыков работы с программой Splan студенту предлагается изобразить в этой программе эскизы сердечника и общего вида трансформатора с его основными размерами.

Расчет маломощного трансформатора оформляется согласно технических требований к оформлению текстовых документов:

-формат А 4;

-ориентация книжная;

-поля: верхнее, нижнее, правое -2 см, левое – 3см;

-номера страниц - арабскими цифрами, внизу страницы, выравнивание по центру, титульный лист включается в общую нумерацию;

-шрифт – Times New Roman;

-высота шрифта основного текста 14 кегль;

-высота шрифта текста под рисунком 12 кегль;

-красная строка – 1,25;

-межстрочный интервал полуторный;

-выравнивание текста по ширине.

Конструктивный расчет маломощного силового трансформатора

1 Цель расчета

1.1 Закрепление теоретического материала по теме: «Однофазные трансформаторы».

1.2 Знакомство с основными справочными параметрами сердечников однофазных трансформаторов.

1.3 Освоение методики расчета маломощного однофазного трансформатора.

2 Формируемые умения

2.1 Подбирать по справочным материалам электрические параметры для расчета трансформатора

2.2 Осуществлять математический расчет параметров трансформатора

2.3 Изображать эскиз рассчитанного трансформатора пользуясь программой для персонального компьютера Splan.

3 Инструктивная карта

3.1 Задание

3.1.1 Ознакомиться с устройством трансформаторов

- Магнитная система

В зависимости от конфигурации магнитной системы, трансформаторы подразделяют на стержневые (рисунок 1, а), броневые (рисунок 1, б) и тороидальные (рисунок 1, в).

Стержнем называют часть магнитопровода, на котором размещают обмотки (рисунок 1; 2). Часть магнитопровода, на котором обмотки отсутствуют, называют ярмом (рисунок 1, 1). Трансформаторы большой и средней мощности обычно выполняют стержневыми. Они имеют лучшие условия охлаждения и меньшую массу, чем броневые.

Рисунок 1 – Конфигурации магнитной системы трансформаторов

Для уменьшения потерь от вихревых токов, магнитопроводы трансформаторов (рисунок 1) собирают из изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,28-0,5 мм при частоте тока 50 Гц.

Трансформаторы малой мощности и микротрансформаторы часто выполняют броневыми, так как они имеют более низкую стоимость по сравнению со стержневыми трансформаторами из-за меньшего числа катушек и упрощения сборки и изготовления. Применяют также и маломощные трансформаторы стержневого типа с одной или двумя катушками. Преимущество тороидальных трансформаторов – отсутствие в магнитной системе воздушных зазоров, что значительно уменьшает магнитное сопротивление магнитопровода. В трансформаторах малой мощности магнитопровод собирают из штамповых пластин П-, Ш- и О- образной формы (рисунок 2, а, б, в).

Широкое применение получили магнитопроводы, навитые из узкой ленты электротехнической стали или из специальных железоникелевых сплавов типа пермаллой. Их можно использовать для стержневых, броневых, тороидальных и трёхфазных трансформаторов (рисунок 2, г, д, е, ж).

Рисунок 2 – Виды магнитопроводов

Монолитность конструкции ленточного магнитопровода обеспечивается путём применения клеющих лаков и эмалей.

Для трансформаторов, работающих при частоте 400 и 500 Гц, магнитопроводы выполняют из специальных сортов электротехнической стали с малыми удельными потерями при повышенной частоте, а также из железоникелевых сплавов типа пермаллой, которые имеют большие начальную и максимальную магнитные проницаемости и позволяют получить магнитные поля с большой индукцией при сравнительно слабой напряжённости. Толщина листов составляет 0.2; 0,15; 0.1 и 0.08 мм. При частотах более10-20 кГц магнитопроводы прессуют из порошковых материалов (магнитодиэлектриков и ферритов).

- Обмотки

В современных трансформаторах первичную (рисунок 3; 1) и вторичную (рисунок 3; 3, 4, 5) обмотки стремятся расположить для лучшей магнитной связи как можно ближе одну к другой. При этом на каждом стержне магнитопровода (рисунок 3; 2) размещают обе обмотки либо концентрически – одну поверх другой (рисунок 3; а), либо в виде нескольких дисковых катушек, чередующиеся по высоте стержня (рисунок 3; б). В первом случае обмотки называют концентрическими, во втором – чередующимися. В силовых трансформаторах обычно применяют концентрические обмотки, причём ближе к стержням располагают обмотку низшего напряжения НН, требующей меньшей изоляции относительно остова трансформатора, а снаружи – обмотку высшего напряжения ВН.

В трансформаторах малой мощности и микротрансформаторах используют однослойные и многослойные обмотки из круглого провода с эмалевой или хлопчатобумажной изоляцией, которые наматывают на гильзу или на каркас из электрокартона (рисунок 3; а); между слоями проводов прокладывают изоляцию из кабельной бумаги или ткани.

Рисунок 3 – Конструкция трансформатора

В микротрансформаторах изоляцию часто выполняют из алюминиевой фольги толщиной 30-20 мкм. Изоляцией здесь служит окисная плёнка фольги, которая обладает достаточной теплоёмкостью, теплопроводностью и может выдерживать рабочее напряжение до 100 В.

3.1.2 Ознакомиться с методикой расчета однофазного трансформатора

Исходными данными для расчета являются:

- напряжение питающей сети U₁,

- действующие напряжения вторичных обмоток U₁, U₂…U_n,

-действующие токи вторичных обмоток I₁, I₂…I_n.

В результате расчета должны быть найдены:

- тип и размеры сердечника;

- количество витков каждой обмотки w₁, w₂…w_n,

- диаметры проводов каждой обмотки d₁, d₂…d_n.

Расчет

1 Определяется сумма мощностей всех вторичных обмоток при полной нагрузке

Р_II = Р₂ +… + Р_n (1)

Мощность каждой вторичной обмотки равна произведению действующих значений тока и напряжения.

Р_n = I_n U_n (2)

Величины напряжения и тока обмоток, предназначенных для выпрямителей, определяются при расчете выпрямителя (данные выдаются дополнительно).

Мощность трансформатора

Р_тр = _{ } , (3)

где η_тр - КПД трансформатора для маломощных трансформаторов (до 300 Вт), равный в среднем 0,8.

Более точно значение η_тр можно выбрать по таблице 1.

Таблица 1- Ориентировочные значения некоторых величин для расчета трансформаторов

2 Выбираются допустимые величины индукции В в сердечнике и плотность тока Δ в обмотках. Для броневых и стержневых сердечников величина индукции может быть выбрана по таблице 1. Для витых сердечников их холоднокатаных сталей индукция может быть увеличена в 1,3…1, 6 раза.

3 Определяется необходимая активная площадь сечения сердечника

S_с = 700 _{ } см² , (4)

где а - коэффициент, равный 4,5…5,5 для трансформаторов наименьшей стоимости и 2…3 - для трансформаторов наименьшего веса,

Р_тр - мощность трансформатора, ва;

f - частота питающей сети, Гц;

В - допустимая индукция, Гс;

Δ - допустимая плотность тока, А/мм².

Поперечное сечение сердечника с учетом коэффициента заполнения сечения сталью

S_с^′ = _{ } . (5)

Значение коэффициента заполнения Кз в зависимости от толщины пластин определяется следующими данными:

Толщина пластин, мм……………………………0,50 0,35 0,20 0,10

Кз………………………………………………….0,92 0,86 0,75 0,65

При расчетах принять толщину пластин 0,20 мм, толщину ленты -0,10 мм.

4 Определяются размеры сердечника. Если сердечник броневой, то его тип и размеры можно выбрать по таблицам 3и 5 так, чтобы площадь сечения S_с сечения сердечника трансформатора была больше S_с^′ рассчитанной; если сердечник стержневой, то его тип и размеры можно выбрать по таблице 2 так, чтобы площадь сечения S_с сечения сердечника трансформатора была больше S_с^′ рассчитанной; если сердечник кольцевой, то его тип и размеры можно выбрать по таблице4 так, чтобы площадь сечения Sс сечения сердечника трансформатора была больше Sс′ рассчитанной;

Отношение у₁ / у не должно превышать 2…2,5. В противном случае следует выбирать пластины большего размера.

Изобразить в программе Splan эскиз общего вида рассчитанного сердечника с основными размерами (рисунок 4).

Рисунок 4 – Эскиз сердечника трансформатора

5 Определяются числа витков обмоток

W = _{ } (6)

где U - напряжение на обмотке.

Числа витков на вторичных обмотках следует увеличить на 5%, чтобы учесть падение напряжения на сопротивлении обмотки.

6 Определяются диаметры проводов каждой обмотки по формуле:

d = 1,13_{ } мм, (7)

где I – ток обмотки, А;

Δ - плотность тока обмотки, А/мм².

Ток в первичной обмотке трансформатора приближенно можно определить по формуле

I₁ = 1,1_{ }. (8)

7 Проверяется размещение обмоток на каркасе трансформатора

W_сл = _{ } , (9)

где h - высота окна выбранного сердечника;

δ_карк - толщина материала каркаса. (Принять δ_карк =1мм);

d_из - диаметр провода с изоляцией (таблица 8);

α - коэффициент неплотности, который определяется по таблице 7.

Все размеры в миллиметрах.

Число слоев

n_сл = _{ } , (10)

где - w - число витков обмотки,

w_сл - число витков в слое этой обмотки.

Толщина обмотки

δ_об = n_{сл из} + δ_из ), (11)

где δ_из - толщина изоляции между слоями. Принять δ_из = 0,15 мм.

Таким образом подсчитывается толщина всех обмоток.
Должно выполняться условие

b ≥ δ_карк + ∑ δ_об + δ_пр, (12)

где ∑ δ_об - суммарная толщина всех обмоток;

δ_пр - суммарная толщина всех прокладок между обмотками;

b - ширина окна.

Если это условие не выполняется, то следует увеличить размеры сердечника и выполнить расчет трансформатора сначала.

Изобразить в программе Splan эскиз общего вида трансформатора с основными размерами (рисунок 5).

Рисунок 5 – Общий вид трансформатора

3.2 Варианты расчета трансформатора

Варианты расчета трансформатора приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Варианты расчета трансформатора

3.3 Методические рекомендации для выполнения расчета

Чтобы уменьшить потери на вихревые токи, сердечник (магнитопроводы) трансформатора обычно выполняют из тонких штампованных металлических пластин, сложенных вместе. Пластины Ш-образной формы используются для изготовления броневых магнитопроводов (рисунок 7), а Г-образной - для стержневых (рисунок 6). Необходимая толщина набора, как правило, указывается в описании. Например, сказано, что нужно взять железо Ш20×15. Это значит, что ширина средней части Ш-образной пластины y должна быть 20 мм, а толщина стопки сложенных вместе пластин должна составлять y1 = 15 мм. На среднюю часть сердечника из пластин надевают каркас с обмотками трансформатора и накладывают замыкающие пластины, чтобы в итоге получился замкнутый магнитопровод.

Размеры стандартных броневых магнитопроводов из штампованных пластин приведены в таблице 3 .

Рисунок 6- Стержневой сердечник трансформатора

Рисунок 7 - Броневой сердечник трансформатора.

Таблица 3- Размеры стандартных броневых сердечников из штампованных пластин

Преимущество сердечников, набираемых из пластин, заключается в том, что их можно изготовить из любых, даже очень хрупких материалов. В броневом сердечнике обмотки располагаются на центральном стержне, что упрощает конструкцию, обеспечивает более полное использование окна и частично создает защиту обмотки от механических воздействий. Недостатком же такого трансформатора является повышенная чувствительность к воздействию магнитных полей низкой частоты. Это ограничивает применение броневых магнитопроводов, в частности, в устройстве выходных трансформаторов.

В стержневых сердечниках обмотки располагаются на двух стержнях. При этом уменьшается толщина намотки и, следовательно, индуктивность рассеяния трансформатора. Кроме того, сокращается расход провода и увеличивается поверхность охлаждения, что важно для мощных трансформаторов. Поэтому стержневые магнитопроводы чаще всего входят в состав мощных выходных трансформаторов, а также входных трансформаторов высокочувствительных усилителей.

При изготовлении сердечников к Ш-образным пластинам добавляют перемычки. Чтобы ликвидировать зазор между пластинами и перемычками, сердечник собирают «вперекрышку». В магнитопроводах трансформаторов и дросселей, по которым протекает постоянный ток (например, дросселей фильтра питания), делают немагнитный зазор. В этом случае пластины собирают в одну сторону. Между пакетами пластин и перемычек помещают прокладку из листового электроизоляционного материала необходимой толщины.

Для уменьшения потерь на вихревые токи пластины дополнительно изолируют тонким слоем лака (с одной стороны) или окисла, который образуется при отжиге.

После сборки сердечник стягивают планками или уголками при помощи шпилек с гайками либо специальными обжимками. Шпильки должны быть изолированы от пластин. Стяжные планки, уголки или обжимки служат одновременно для крепления трансформатора на шасси.

Витые (ленточные) сердечники трансформаторов навивают из полос электротехнической стали или железо-никелевых сплавов (рисунок 8,9).

В устройстве таких магнитопроводов допускаются материалы различной толщины (до нескольких микрометров), что позволяет применять их для трансформаторов при повышенных частотах. Они эффективнее, чем пластинчатые магнитопроводы, используют магнитные свойства материалов (особенно холоднокатанных сталей); отличаются несколько повышенными потерями и наличием воздушного зазора в стыках (5...40 мкм). Кроме того, следует отметить меньшую стоимость изготовления.

Рисунок 8 - Броневой ленточный сердечник трансформатора

Рисунок 9 - Тороидальный ленточный сердечник трансформатора

Особенности применения броневых ленточных сердечников такие же, как и броневых Ш-образных.

Тороидальные сердечники позволяют наиболее полно использовать магнитные свойства материала, обеспечивают слабое внешнее магнитное поле трансформатора, однако применяются сравнительно редко из-за сложности намотки.

Размеры стандартных ленточных броневых сердечников приведены в таблице 4, а ленточных кольцевых (тороидальных) - в таблицах 5и 6. Типоразмер ленточного броневого сердечника обозначается так же, как и пластинчатого, например ШЛ12×16. Обозначение тороидального сердечника несколько иное, например ОЛ20/32-16, где 20 - внутренний диаметр d, 32 - внешний диаметр D, 16 - ширина ленты b.

Таблица 4- Размеры стандартных ленточных броневых сердечников

Таблица 5 - Размеры стандартных ленточных кольцевых сердечников

Таблица 6 - Основные данные ленточных броневых сердечников

Таблица 7- Значения коэффициента не плотности

Таблица 8 - Данные намоточных проводов

3.4 Список использованных источников

Тихомиров П. М. Расчет трансформаторов. — М., 2009.

Антонов М. В., Герасимова Л. С. Технология производства электрических машин. — М., 2002.

Ермолин Н. П. Электрические машины малой мощности.-М., 2005.

Иванов-Смоленский А. В. Электрические машины. - М., 2000.

Кацман М. М., Юферов Ф. М. Электрические машины автоматических устройств. — М., 2012.

Кацман М. М. Электрические машины. — М., 2014.

Юферов Ф. М. Электрические машины автоматических устройств. — М., 2011.