Трансформатор живлення

Міністерство освіти та науки України Харківський національний університет радіоелектроніки Кафедра ПЕЕА Контрольна робота з дисципліни: Елементарна база РЕА на тему: Трансформатор живлення Виконав Голіков Максим Олегович Харків 2015

Вступ Трансформатор — це статичний електромагнітний пристрій, який має не менше двох індуктивно з'єднаних обмоток та призначене для перетворення завдяки електромагнітній індукції однієї чи декількох систем змінного струму у одну чи декілька інших систем змінного струму. Вони мають широкий діапазон застосування в електронній апаратурі.

Трансформатори живлення перетворює напругу зовнішньої мережі в напругу необхідну для нормального функціонування приладу. Крім того трансформатор живлення здатний отримувати другорядні напруги електрично не зв’язані між собою та різні за значенням.

При розробці електричного приладу можуть використовуватись стандартні, уніфіковані трансформатори. Але за для зменшення маси, габаритних параметрів, собівартості та надійності краще використовувати трансформатор який було спроектовано спеціально для виробу. Також трансформатор проектується якщо при використанні уніфікованого трансформатору залишаються не використані виводи.

Більш високі показники можна забезпечити завдяки детальним розрахункам, що є метою курсового проекту — розрахунок трансформатора живлення за заданими параметрами, отримав при цьому мінімальний розмір.

1. Аналіз технічного завдання

1.1 Аналіз умов використання Данні:

— Напруга джерело живлення

— Частота джерела живлення

— Напруга першої вторинної обмотки

— Струм першої вторинної обмотки

— Напруга другої вторинної обмотки

— Струм другої вторинної обмотки

— Напруга третьої вторинної обмотки

— Струм третьої вторинної обмотки Числові значення зазначенні в таблиці 1.1. Програма випуску 25 000 одиниць/рік.

Таблиця 1.1 — Числові данні до проекту

Кліматичне виконання, згідно з умовами ТЗ, УХЛ 4.2 за ГОСТ 15 150–69. Це означає, що розробляємий пристрій має працювати в умовах лабораторних, капітально жилих приміщеннях з регульованими кліматичними умовами (опалення, вентиляція, відсутність прямого сонячного світла, піску, вітру). Загальні норми кліматичних впливів на РЕА для виконання УХЛ 4.2 наведені в таблиці 1.2

Таблиця 1.2 — Норми кліматичних впливів на РЕА

1.2 Обґрунтування допоміжних параметрів У кожного трансформатора є своя «оптимальна геометрія» (розмір, форма магнітопроводу). Це дозволяє отримати трансформатор з потрібними електричними параметрами з мінімально. масою, вагою та собівартістю.

З урахуванням потужності та частоти мережі, краще вибирати конструкцію трансформатора як кільцеву. Однак ґрунтуючись на тому, що об'єм випуску має становити 25 000 одиниць, використовування цього типу магнітопроводу стає не доцільним. Тому, вибираємо стрижневий стрічковий тип магнітопроводу. Магнітопровід цього типу має більші втрати ніж кільцевий, однак намотування його котушки може бути автоматизоване на відміну від тороїдального магнітопроводу.

Перевагою стрижневого магнітопроводу є його велика площа охолодження, менша чутливість до зовнішніх магнітних полів ніж броньових. Вибір саме стрічкового способу формування магнітопроводу обґрунтовується тим, що при частоті 50Гц, порівняно з пластинчатим, він пропускає магнітну індукцію на 20−30 відсотків більшу, має менші втрати, більший коефіцієнт заповнення магнітопроводу міддю та більший ККД (на 6−20%). Завдяки тому, що котушки розміщуються на обох стрижнях зменшується вплив зовнішніх електромагнітних полів та чутливість до постійних електромагнітних полів (ЕДС в обох котушках віднімається).

Враховуючи частоту мережі f=50Гц вибираємо електротехнічну сталь марки 3411 з товщиною листа h=0,4 мм.

2. Аналіз аналогічних конструкцій

Існують три основні типи магнітопроводу: броньовий, стрижневий, тороїдальний. Магнітопровід кожного з них може бути пластинчатим, стрічковим роз'ємним, стрічковим не роз'ємним. Також трансформатори можна класифікувати за потужністю — це мало потужні(до 400 Вт), середньо потужні(400−1000 Вт) та багато потужні (більше 1000Вт).

Конструкція трансформатора складається з магнітопроводу, котушки з обмотками, ізоляції та кришки для кріплення трансформатору.

Завдання магнітопроводу полягає в створенні для магнітного потоку замкнутого контуру, який би мав найменший магнітний опір. Тому магнітопроводи виготовляються з матеріалів, що мають велику магнітну проникливість в умовах швидкозмінного магнітного потоку.

Також магнітопровід потребує в ізоляції між обмотками та зовнішній ізоляції. Міжобмоточна ізоляція перешкоджає пробою, та сприяє тому, щоб струм йшов по потрібним обмоткам не створюючи короткого замикання, яке сприяє збільшенню температури дроту та як наслідок, перегріву трансформатора. Зовнішня ізоляція запобігає механічним втручанням у роботі трансформатора. У цій роботі для ізоляційних цілей, використовується ізоляційний папір завтовшки 0,2 мм.

3. Електричний розрахунок Одним з основних параметрів будь-якого трансформатору є коефіцієнт трансформації.

n=, 3.1

де напруга другорядної обмотки, напруга первинної обмотки Таблиця 3.1— Значення коефіцієнту трансформації

Іншим параметром який характеризує трансформатор є габаритна потужність. Його можна розрахувати за формулою:

3.2

де — це сума потужностей другорядних обмоток Потужність обмотки розраховується як добуток струму на напругу P=IU 3.3

Для знаходження потужності первинної обмотки потрібно знати ,

3.4

A

Таблиця 3.2— Значення потужності

4. Конструкторський розрахунок Перед розрахунком магнітопровода перш за все потрібно розрахувати добуток площі вікна Sок на площу розтину магнітопровода Sск за формулою:

4.1

Де fчастота мережі, Bмагнітна індукція, J — щільність струму, з — ККД, sкількість стрижнів для обмоток (для цього типу s=2), Kc — коефіцієнт заповнення сердечника сталлю, Kmкоефіцієнт заповнення вікна міддю Ці данні вибираються з таблиць в залежності від .дані для розрахунків були взяті з таблиці 4.1.

магнітопровід трансформатор обмотка стрічковий Таблиця 4.1— Табличні данні для розрахунку Зважаючи на те, що розрахована не є круглим числом, данні для розрахунку беремо для потужності =400Вт. Підставляємо значення та знаходимо .

Знаходимо товщину магнітопроводу:

4.2

a=2,56 см Знаючи товщину, знаходимо інші розміри магнітопроводу.

4.3

4.4

4.5

Рисунок 4.1- Геометричні розміри магнітопроводу Спираючись на отриманні данні вибираємо магнітопровід зі стандартного ряду ПЛР 26×45. Параметри стандартизованого магнітопровода наведені у табл. 4.2

Таблиця 4.2- Параметри магнітопровода

Знайдемо кількість витків первинної котушки користуючись формулою 4.6. Знайшовши цю величину розрахуємо кількість витків другорядних обмоток з допомогою виразу 4.7.

W=, 4.6

де Qc площа перерізу магнітопроводу, яка знаходиться як Qc=a*c

Wi=W*, 4.7

де Wi — кількість витків другорядної обмотки, — коефіцієнт трансформації між первинною та відповідною другорядною обмотками.

Результати записані у таблиці 4.3

Таблиця 4.3 — Результати розрахунків

Для перевірки, скористаємось формулою 4.9, де — напруга на потрібній обмотці, U0 — це напруга за один виток. Вона розраховується за допомогою формули 4.8

U0=4,44*f*B*Qc*Kc 4.8

W=/U0 4.9

4.1 Розрахунок параметрів дроту Для визначення потрібних дротів, необхідно знайти діаметр кожного дроту. Це робиться використовуючи вираз 4.10

=1,13*, 4.10

де — струм відповідної обмотки, — щільність струму Знаходимо довжини дротів 4.11

l=C*, 4.11

де С — довжина одного витка, яка знаходиться через площу перерізу Отримані результати заносимо у таблицю 4.4. Спираючись на них вибираємо дріт зі стандартного ряду.

Таблиця 4.4 — Параметри дроту

Розраховуємо вагу кожного дроту через формулу 4.12

Mi=*, 4.12

Розрахувавши вагу усіх обмоток, знайдемо загальну вагу дротів. Отриману вагу заносимо в таблицю 4.5

Таблиця 4.5 — Вага дроту

Одним з важливих показників дроту є його електричний опір. Розрахуємо опір дротів обмоток залучаючи формулу 4.13

R= 4.13

де R — шуканий опір, с — питомий опір міді, lдовжина дроту, S — площа поперечного перерізу.

Довжину та площу перетину беремо з табл. 4.4, питомий опір с — беремо з довідника. Для міді с=0,018 Ом*мм/

Результати заносимо в таблицю 4.6

Таблиця 4.6 — Характеристики використовуваних дротів

4.2 Розрахунок втрат Знайдемо загальні втрати потужності у трансформаторі скориставшись формулою 4.14

P= 4.14

де — втрати потужності на кожній обмотці(вважаючи що дріт гріється до Т=105С). Вони розраховуються за допомогою формули 4.15

P=1,97*(1+0,0043(T-20))М* 4.15

Значення М беремо з табл. 4.6, а з таблиці 4.1.

Отримані значення втрат на кожній обмотці та потужність загальних втрат, вносимо до таблиці 4.7

Таблиця 4.7 — Значення втрат потужності

4.2.1 Втрати напруги на опорі

Через те, що обмотки не ідеальні(мають опір) існують втрати на кожній з обмоток. Це означає, що при прикладанні до обмотки напруги, на виході напруга буде менша ніж потрібна. Втрати напруги розраховуються по формулі 4.16

U= 4.16

Значення струму у котушці беремо з табл. 1.1, опору з табл. 4.6. отримані значення записуємо в таблицю 4.8

Таблиця 4.8 — Втрати напруги

Ці параметри дозволяють розрахувати кількість витків, яка необхідна для отримання потрібної напруги за формулою 4.17.

4.17

де — кількість бракуючи витків, — беремо з таблиці 4.8, — напруга 1-го витка вираз 4.8

Результати запишемо до таблиці 4.9

Таблиця 4.9 — Бракуючи витки

4.2.2 Теплові втрати Для розрахунку перегріву котушки трансформатору иС для частоти 50Гц будемо користуватись емпіричною формулою 4.18

4.18

де R_T — тепловий опір трансформатора =12,500 С/Вт, R_TMB— тепловий опір кордону магнитопровід-повітря R_TMB=3 ⁰С/Вт, P_C— втрати у сталі які розраховуються за формулою 4.19. у якій Мст вага магнітопроводу табл 4.2, Рст — табличне значення у = 1,55 Вт/кг:

P_C= P_ст.удМ_ст, 4.19

Підставивши значення отримаємо и=31,9С. Визначимо значення температури трансформатора при температурі навколишнього середовища t=+40С за допомогою формули 4.20

T=t+и 4.20

T=40+31.9=71.9C

4.2.3 Розрахунок ККД з = 4.21

Підставивши потрібні величини, отримаємо ККД 0,97.

4.2.4 Вибір ізолюючого матеріалу Для зменшення ризику короткого замикання та пробою між різними котушками, використаємо ізоляційний папір завтовшки 0,2 мм у два прошарки тобто товщина прошарку має становити 0,4 мм.

Ізоляційні прошарки прокладати між первинною та підвищувальною обмотками, між підвищувальною та наступною зменшувальною обмоткою, та після останньої обмотки в цілях механічного захисту котушок. Таким чином загальна товщина ізоляції 1 мм.

Усі розрахунки проведені за допомогою програми Exel

Висновок У результаті виконання завдання був спроектований та розрахований стрижневий трансформатор живлення РЄА, з технічними характеристиками, що наведені в табл. 3.1

Розроблена конструкція трансформатора співпадає з наданим технічним завданням.

Таблиця 3.1 — Характеристики трансформатору

Провід марки ПЕЛ — провід з лаковим покриттям на олійній основі, служить для роботи при температурі до 105С, має критерій найменшої вартості.