Лабораторные работы по физике

Расчет выпрямителей, работающих на нагрузку с индуктивной реакцией
выбрать материал сердечника трансформатора
РАСЧЕТ МАЛОМОЩНОГО ИСТОЧНИКАЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
ПРИНЦИП РАБОТЫ ВЫПРЯМИТЕЛЯ
Двухполупериодный мостовой выпрямитель
СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ
ПРИМЕР РАСЧЕТА
ГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА СТАБИЛИЗАТОРА
Схема стабилизатора со сглаживающим фильтром.

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ СВЯЗИ

ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
ФОТОПРИЁМНИКИ
ИЗУЧАЕМАЯ ЛИНИЯ СВЯЗИ
Принцип действия оптических волокон
Базовая схема установки для проведения экспериментов
Практическая часть работы

РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРОВ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ  ТОКА ХОЛОСТОГО ХОДА
Конструктивный расчет обмоток

РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРОВ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

(Методика)

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

Напряжение питания U1

Частота питающего напряжения f

Напряжения вторичных обмоток

Токи вторичных обмоток

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).

Трансформаторы малой мощности обычно используются для пита­ния индивидуальных нагрузок и поэтому получение определенной, заранее заданной величины напряжения короткого замыкания для них необязательно.

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

  Фm = Bm kст Fст и Sпр1 = Fо kм /[ w1(1 +ηн)]

 и используя рационализованную систему единиц СИ, получим:

 U1 » E1 = 4,44 f w1 kст Fст 10-4, В (1)

 I1 = (δ1 Fо kм102) /[ w1(1 +ηн)] (2)

  Между величинами U1 и E1 (напряжением питания и э.д.с. первичной обмотки) в выражении (1) подставлен знак приближен­ного равенства потому, что в трансформаторах нормального испол­нения U1 лишь незначительно превышает E1, т.к. падения напряжений в первичной обмотке малы по сравнению с E1.

В выражениях (1) и (2):

f - частота напряжения U1, Гц ;

w1 - число витков первичной обмотки;

Bm - амплитудное значение магнитной индукции в магнитопроводе трансформатора, Тл;

Fст - площадь поперечного сечения магнитопровода, см2;

kст - коэффициент стали, учитывающий наличие изоляции пластин и неплотность сборки пакета магнитопровода.

kст = Fст акт / Fст - отношение площади поперечного сечения всех листов стер­жня магнитопровода без изоляции к произведению ширины стержня на толщину пакета магнитопровода;

Fст акт - активное сечение стали магнитопровода, см2;.

I1 - первичный ток;

Fо - площадь окна магнитопровода, см2;

kм - коэффициент заполнения окна магнитопровода медью (отно­шение суммарной площади поперечного сечения всех прово­дов обмоток трансформатора, пронизывающих его окно, к площади окна);

ηн - к.п.д. трансформатора в номинальном режиме;

[1/ (1 + ηн )] - коэффициент, учитывающий площадь меди окна, приходящуюся на первичную обмотку (примерно равен двум);

Принимая, что U1I1= Pн /(ηн cosj1н), где Pн - активная мощность, отдаваемая трансформатором пот­ребителю и решая совместно (I) и (2), имеем:

Fо Fст = [Pн(1 + ηн ) 102] / [4,44 f Bm ηн cosj1н δ1 kм kст] (3)

где Pн = , Вт, причем:

i - номер вторичной обмотки;

n - число вторичных обмоток;

cosj i - принимаем равным единице(активная нагрузка);

cosj1н - коэффициент мощности трансформатора.

Поскольку в формуле (3) неизвестны величины Bm, δ1, ηн, cosj1н, kм и kст, ими приходится предварительно задаваться, основываясь, главным образом, на экспериментальных данных, по­лученных в результате испытания ряда трансформаторов, подобных рассчитываемому.

Сопоставление достоинств и недостатков трансформаторов раз­личных типов (с различными конфигурациями магнитопроводов) с точки зрения получения минимального веса, объема, стоимости, а также простоты конструкции и технологичности изготовления позволяет сделать следующие выводы.

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 тех­нологичные 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

(Э340 - Э360) c толщиной ленты 0,15 мм (при частоте 400 Гц и выше). Чем меньше толщина стального листа, тем меньше потери на вихревые токи, но вместе с тем дороже магнитопровод. Другие марки сталей применяются при изготовлении трансфор­маторов со специальными свойствами.

Первая цифра марки электротехнической “Э” стали указыва­ет средний процент содержания в ней кремния, вторая характеризует электромагнитные свойства стали; I - сталь с относительно большими потерями при частоте 50 Гц, 2 - сталь с пониженными потерями; 3 - с совсем малыми потерями; 4,5,6 - с "нормальными" потерями при повышенных частотах (400 Гц и более). Третья цифра марки стали “0” указывает на технологическую особенность ее производства - холоднокатанная текстурованная сталь. Наличие кремния в стали снижает потери на вихревые токи.

Стали ХВП (Э340 - Э360) и Э310 (т.н. холоднокатанные стали) обладают по сравнению с горячекатанными Э42 и Э44 пониженными удельными потерями, высокой индукцией насыщения и относительно высокой магнитной проницаемостью при больших индукциях, что особенно важно для трансформаторов малой мощности. Оказанные преимущества объясняются наличием в стали магнитной текстуры, т.е. улучшением магнитных свойств в опреде­ленном направлении, а именно вдоль направления проката. Из-за сравнительно большой стоимости применение холоднокатанных сталей полностью оправдывает себя лишь в тех случаях, когда конструк­ция магнитопровода обеспечивает совпадение направлений магнит­ного потока и магнитной текстуры вдоль всей длины магнитной ли­нии. Это обстоятельство и вызвало, в частности, применение ленточных магнитопроводов.

Ниже приводятся рекомендации по выбору величин, входящих в основную расчетную формулу (3) трансформатора. Конкретные величины следует выбирать по методу линейной интерполяции.

а). Величина индукции Bm определяет величину тока хо­лостого хода и потери в стали на гистерезис и вихревые токи. Практика расчета трансформаторов показала, что в зависимости от мощности трансформатора Pн, сорта стали и частоты сети f при предварительном выборе значения индукции можно руководст­воваться данными таблицы 1 (Приложение).

б). Плотность тока δi определяет потери в обмотках, вы­зывающие совместно с потерями в стали общий перегрев трансфор­матора. Можно считать, что в трансформаторах малой мощности взаимная передача тепла между магниюопроводом и обмотками от­сутствует; так что температура перегрева обмоток определяется только потерями в последних. У правильно рассчитанных трансфор­маторов эта температура составляет: для обмоток из провода с эмалевой изоляцией (ПЭЛ, ПЭВ) – (70 - 85°С); для обмоток с хлоп­чатобумажной изоляцией (ПБД) – (50 - 60°С).

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.

 Большой интерес в последние годы проявляется к алюминию, как весьма перспективному проводниковому материалу. При этом алюминий целесообразно применять только в виде фольги, но не в виде обычных проводников.

в). Коэффициент заполнения окна медью kм и коэффициент заполнения сечения магнитопровода сталью kст предварительно выбираются в зависимости от мощности трансформатора и типа маг­нитопровода согласно данным таблиц 3 и 4, соответственно.

г). Значения к.п.д. ηн и cosj1н трансформатора можно предварительно выбрать из таблицы 5.

Выбрав из таблиц 1-5 все необходимые данные для расчета FоFст по формуле (3) находят расчетное значение указанного про­изведения, после чего подбирают ближайшее большее его значение из таблиц 6 и 7 и необходимый типоразмер магнитопровода. Эски­зы магнитопроводов броневого (Ш-образного) и стержневого (лен­точного) типа приведены на рис. 1 и 2 соответственно.

Пластинчатые магнитопроводы (рис.1) собираются из отдельных пластин, изготовляемых путем штамповки и изолированных друг от друга оксидной планкой (при небольших индукциях) или слоем изо­ляционного лака для уменьшения потерь на вихревые токи. Ленточ­ные магнитопроводы (рис.2) изготовляются из ленты, предвари­тельно покрытой специальными изолирующими и склеивающими соста­вами, выдерживающими высокую температуру при отжиге собранного сердечника. Готовые магнитопроводы разрезаются на две части для установки катушек, стыки шлифуются. Броневые пластинчатые маг­нитопроводы собирают внахлест для уменьшения эквивалентного воздушного зазора (уменьшения магнитного сопротивления), причем в каждом слое помещаются пластины двух типов - одна Ш - образная и одна прямоугольная.

Выбрав магнитопровод следует выписать из указанных выше таблиц б и 7 все необходимые для дальнейших расчетов данные: типоразмер, основные геометрические размеры магнитопровода (a, b, c, h, lст ), его вес Gст, полное сечение магнитопровода Fст = (ab), активное сечение стали сердечника Fст.акт = Fст kст, площадь окна Fо = ch и величину FоFст.

На этом этапе расчета делается эскиз (в масштабе) магнитопровода с показом размеров  (в мм).

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.

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.

Расчет электротехнических устройств