Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования 1 страница

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИ­ТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ ИМПЕРАТОРА АЛЕКСАНДРА I»

(ФГБОУ ВПО ПГУПС)

Попов Г.А., Колесова А.В., Саттаров Р.Р.

Проектирование маломощных трансформаторов для устройств железнодорожного транспорта

Учебное пособие

Санкт-Петербург 2014

УДК 621.314.222 ББК 31.261.8

Попов Г. А., Колесова А.В., Саттаров Р.Р, Проектирование мало­мощных трансформаторов для устройств железнодорожного транс­порта: учебное пособие. СПб: ПГУПС 2014._______________________ с.

Учебное пособие содержит основные сведения о конструкции и ма­териалах, применяемых при изготовлении трансформаторов.

Пособие предназначено для студентов факультета «Автоматизация и интеллектуальные технологии», выполняющих курсовой проект по курсу "Электрические машины и основы электропривода". Может быть полезно для студентов, других факультетов, изучающих дисциплину «Электриче­ские машины».

Табл._ Рис.__ Библиогр.__ назв.

Введение

В современных устройствах автоматики, телемеханики и связи в различных цепях электропитания элементов схем сигнализации, управле­ния, обмоток реле, радиотехнической аппаратуры для преобразования па­раметров электрической энергии используются трансформаторы малой мощности ТММ.

Расчет ТММ имеет ряд особенностей в отличии от расчета обыч­ных силовых трансформаторов общего назначения. Так в ряде случаев к ним предъявляют жёсткие требования по массогабаритным показателям, экономической и энергетической эффективности, по тепловому воздейст­вию на соседствующее с ним оборудование и собственной тепловой ус­тойчивости.

В связи с тем, что расчет ТММ выполняется после самостоятельно­го изучения студентами теоретического раздела "Трансформаторы" [1,2], в данном учебном пособии теоретические сведения соответствующего раз­дела курса "Электрические машины" не приводятся.

1. Задание на расчет ТММ

Предлагается произвести расчет однофазного двухобмоточного ТММ, основных размеров его магнитопровода и обмоток, вычисление по­терь в них, коэффициента полезного действия и перегрева относительно окружающей среды.

Существенной особенностью данного учебного расчета ТММ по сравнению с расчетом трансформаторов большой и средней мощности яв­ляется применение упрощенных формул и ограничение числа определяе­мых величин. Допущения, используемые при расчете, оговариваются в со­ответствующих разделах предлагаемой методики расчета.

Исходные данные для расчета

1. Номинальные мощности вторичных обмоток - S₂, S₃, ВА.

2. Номинальное напряжение первичной обмотки - U, В.

3. Напряжение вторичных обмоток при нагрузке - U₂, U₃, В.

4. Частота питающего напряжения задается стандартной - f = 50,

Гц.

5. Коэффициент мощности нагрузок - cos^₂, cos^₃.

6. Класс изоляции - А (нагревостойкость-105 ⁰С).

7. Режим работы - продолжительный.

8. Максимальная температура окружающей среды - t_B = 40 ⁰С.

9. Охлаждение трансформатора - воздушное.

10. Дополнительное требование: расчет произвести на минимум стоимости или массы (в зависимости от номера варианта задания).

Расчетно- пояснительная записка должна содержать подробный ход расчета с обоснованием выбранных величин, эскизы магнитопровода, про­дольный и поперечный разрезы трансформатора с указанием габаритных размеров.

Расчет и чертежи выполняются на листах формата А4 (210*297).

Исходные данные для расчета берутся из табл. 1. по трехзначному номеру варианта, который выдается преподавателем.

Таблица 1

Наименование величины, расчетное условие	Единица измерения	Вариант
Первая цифра учебного шиф­ра	Вторая цифра учебного шиф­ра	Третья цифра учебного шифра
S 2	ВА	0 - 9	0 - 9
S 3	ВА
U 2	В
U 3	В
cos^2	-		0,95	0,9	0,8	0,85	0,75	0,7	0,8	0,9	1,0
cos^3	-	0,8	0,7	1,0	0,95	0,75	0,85	0,9	1,0	0,8	0,7
U:	В	0 - 9	0, 1, 3, 6, 9
2, 4, 5, 7, 8
Расчетное условие	минимум массы		1, 4, 5, 8, 9	0 - 9	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+
минимум стоимо­сти	0, 2, 3,6, 7	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+ 5

2. Особенности трансформаторов малой мощности (ТММ) с воздушным охлаждением.

Малые габариты и относительно благоприятные условия охлажде­ния ТММ позволяют обходиться без вентиляционных каналов в сердечни­ке и обмотках.

В связи с небольшими напряжениями обмоток (обычно менее 1000 В) толщина изоляции между обмотками делается малой. Это обуславлива­ет небольшие потоки реверсирования. Поэтому в ТММ с воздушным ох­лаждением для частоты сети 50 Гц реактивная составляющая напряжения короткого замыкания в несколько раз меньше активной составляющей и в данном расчете ей пренебрегаем.

Маломощные трансформаторы обычно применяются для питания автономной нагрузки и поэтому на параллельную работу не включаются. Поэтому напряжение короткого замыкания в данном случае не является одной из исходных величин для расчета (как это имеет место в мощных трансформаторах), а определяется в конце расчета для уточнения величи­ны напряжения на вторичных обмотках при нагрузке.

Ток холостого хода ТММ велик и достигает 40-50% от номиналь­ного значения тока первичной обмотки при номинальной нагрузке вторич­ных обмоток.

Это объясняется значительным влиянием повышенного сопротив­ления стыков пластин магнитопровода при относительно малом пути маг­нитного потока по стали (по сравнению с мощными трансформаторами).

3. Материалы, применяемые при изготовлении ТММ

Магнитные материалы. К магнитным материалам, используемым для изготовления магнитопроводов ТММ, предъявляются следующие тре­бования: высокая магнитная проницаемость, малые потери на вихревые токи и перемагничивание, малая себестоимость. Для изготовления сердеч­ников ТММ в диапазоне от единиц до нескольких сотен вольт-ампер в ка­честве магнитного материала широко используются горяче- и холоднока­таные электротехнические стали разных марок и толщин.

Магнитные свойства горячекатаных сталей практически одинаковБ во всех направлениях проката. Холоднокатаные стали обладают меньшими удельными потерями и значительно лучшими электромагнитными харак­теристиками вдоль направления проката по сравнению с горячекатаными. Поэтому из горячекатаных сталей выполняются пластинчатые магнито- проводы, а из холоднокатаных - ленточные.

При расчете трансформатора на минимум стоимости следует выби­рать горячекатаные стали, а на минимум массы- холоднокатаные.

С учетом наибольшего практического применения при курсовом проектировании ТММ рекомендуются следующие марки сталей:

1. при частоте 50 Гц для пластинчатых магнитопроводов- горячека­таная сталь марки 1512 с толщиной листов 0,35 мм;

2. при частоте 50 Гц для ленточных магнитопроводов- холоднока­таная сталь марки 3412 с толщиной ленты 0,35 мм.

Обмоточные провода. При изготовлении обмоток используются обмоточные провода широкой номенклатуры, в качестве материала прово­локи берется в основном медь, имеющая малое удельное сопротивление. Для расчета ТММ рекомендуются следующие марки данных проводов:

1. ПЭЛ- провод эмалированный лакостойкий, предназначен для ра­боты при температуре до 105 ⁰С. По стоимости - относительно дешевый, применяется в трансформаторах, которые рассчитываются на минимум стоимости. Недостаток провода - малая механическая прочность его изо­ляции;

2. ПЭВ -1 - провод, изолированный высокопрочной эмалью (ва- нифлекс) в один слой. Применяется при напряжениях до 500 В, удовлетво­ряет повышенным требованиям надежности, рабочая температура до 105 0С. Рекомендуется для трансформаторов наименьшей массы;

3. ПЭВ -2 - аналогичный провод, но с изоляцией в два слоя. При­меняется при требованиях большой надежности и при напряжениях обмо­ток свыше 500 В.

Электроизоляционные материалы. Данные материалы в транс­форматорах применяются для изоляции токоведущих частей. В зависимо­сти от назначения изоляция бывает межобмоточной, межслоевой, межвит- ковой и основной (изоляция между катушкой и сердечником).

К изоляции с рабочей температурой до 105 0С (класс изоляции А, указанный в задании на курсовой проект) относятся отдельные материалы на основе хлопчатобумажной и шелковой тканей или на основе целлюло­зы, не пропитанные лил пропитанные лаками.

В качестве материалов, используемых для межслойной и междуоб­моточной изоляции, применяются бумаги, пропитанные изоляционным компаундом: кабельная марки К-12, телефонная КТН; конденсаторная КОН - 1; пропиточная марок ЭПИ -50 и ЭПИ -63Б. Из тканевых материа­лов используются лакоткани марок: ЛХ1, ЛХ2, ЛШ1, ЛШ2.

Материалом для каркасов катушек служит: для сборных - тексто­лит, гетинакс, электрокартон; для прессованных и литых - пресс - порош­ки.

4. Конструкция трансформаторов малой мощности

Основными элементами конструкций ТММ являются магнитопро- вод и катушки с обмотками.

В зависимости от технологии изготовления магнитопроводы делят­ся на пластинчатые и ленточные. Первые собираются из отдельных штам­пованных пластин, изолированных друг от друга оксидной пленкой или слоем изоляционного лака, вторые - из ленты, предварительно покрытой изолирующим составом. По конструктивному исполнению магнитопрово- ды бывают трех основных типов: стержневые, броневые и кольцевые. Ос­новные размеры магнитопроводов, наиболее распространенных на практи­ке, представлены на рис. 1.

Броневые пластинчатые магнитопроводы чаще всего собираются из Ш - образных пластин и прямоугольных перекрышек (рис.1 в). Для уменьшения магнитного сопротивления сборка осуществляется со сквоз­ными пластинами.

ленточные магнитопроводы (рис. 1а, б) собираются в стык из от­дельных сердечников подковообразной формы, при этом торцевые по­верхности их тщательно шлифуются и склеиваются ферромагнитной пас­той.

Катушки трансформатора представляют собой совокупность обмо­ток и систем изоляции, обеспечивающую их нормальное функционирова­ние в заданных условиях окружающей среды. Изоляционная система ка­тушек включает в себя следующие элементы: изоляцию обмоточных про­водов, изоляцию обмоток от магнитопровода, межслоевую изоляцию, внешнюю изоляцию.

	Л
	J

7 Л

7 \

к____ '

a

a

c

я

c

a

я

b

С

b

С

б)

a)

a

c

я

b

a

С

Рис.1. Основные размеры сердечников трансформатора: а) стержневой ленточный; б) броневой ленточный; в) броневой пластинчатый.

Изоляция обмоток от магнитопровода, осуществляется при помощи каркаса, который может быть клеенным, прессованным или сборным. Кле­енный выполняется из электрокартона, сборный - из твердых изоляцион­ных материалов (гетинакса или текстолита), прессованный - из пластмас­сы.

Броневой тип трансформатора (пластинчатый или ленточный) име­ет одну катушку (рис.2, 3). Его достоинства - более высокий коэффициент

9

заполнения окна сердечника обмоточным проводом, частичная защита об­мотки ярмом сердечника от механических повреждений.

Стержневой тип трансформаторов имеет большие габариты и его обмотки менее защищены от внешнего механического воздействия. В дан­ном курсовом проекте рекомендуется принимать сердечник броневого ти­па.

Конструктивное оформление ТММ броневого типа представлено на рис. 2

Для уменьшения воздушного зазора в стыках и уровня шума маг- нитопроводы стягиваются шпильками посредством специальных накладок, которые одновременно используются и для крепления трансформатора к шасси. Вместо накладок можно использовать штампованные крышки; по­следние также являются и кожухом ТММ, защищая его от механических повреждений.

При малых размерах магнитопровода для стяжки железа иногда используют обойму специальной формы, в которую запрессовывают соб­ранный трансформатор; обойма имеет ушки для крепления к шасси.

Стяжка ленточных магнитопроводов осуществляется механически тонкими стальными лентами с помощью специальных приспособлений.

Стяжные шпильки, планки, ленты и обоймы должны быть изолиро­ваны от магнитопровода бумагой или электрокартоном с тем, чтобы пре­дотвратить возможность образования короткозамкнутого витка вокруг все­го сердечника или его части. Образование такого витка приводит к силь­ному нагреву ТММ и потери мощности.

5. Расчет однофазного ТММ

Исходные данные для расчета

1. Номинальные мощности вторичных обмоток - S₂ = 70 ВА, S = 50,

ВА.

2. Номинальное напряжение первичной обмотки - U = 220, В.

3. Напряжение вторичных обмоток при нагрузке - U₂ = 300 В,

и = 6,3, В.

4. Частота питающего напряжения задается стандартной - f = 50,

Гц.

5. Коэффициент мощности нагрузок - cos^₂ = 0,8, cos^₃ = 1,0.

6. Класс изоляции - А (нагревостойкость-105 ⁰С)

Рис.2. Конструкция броневого ленточного трансформатора

7. Режим работы - продолжительный.

8. Максимальная температура окружающей среды - t_B = 40 ⁰С.

9. Охлаждение трансформатора - воздушное.

Дополнительное требование: расчет произвести на минимум массы.

5.1. Выбор стали сердечника и определение токов в обмоток трансформаторов.

Марка стали сердечника и толщина его листов берутся согласно п.3 в зависимости от заданного критерия оптимальности (минимум массы или минимум стоимости).

В рассматриваемом примере с расчетным условием - минимум массы, выбирается броневой ленточный магнитопровод из холоднокатаной стали марки 3412 с толщиной ленты 0,35 мм.

Ток первичной обмотки I 12 +1²_1р,

где I_la и I - активная и реактивная составляющие тока I первич­ной обмотки, определяемые по формулам

(S₂ cos(₂ + S₃ cos()

Ila =

nU i

j J, + ^(S2 ^Sin (+ ^S3 ^{Sin (}P3 ⁾

^1p nUi.

Напряжение U, мощности S₂, S₃ и cos(, cos(вторичных обмо­ток даны в задании на проектирование. Величина КПД (n) определяется ориентировочно по рис. 4 в зависимости от суммарной полной мощности обмоток Z S, ВА.

Z s = S 2 + S 3.

Значение КПД подставляется в уравнение в условных едини­цах.

Суммарная полная мощность, ВА

Z S = S + S = 225 + 50 = 275 ВА

По графику рис. 4 находится 77 = 0,9.

				У=50	Гц

n, % 100

SS, ВА

100 200 300 400 500

I

Рис.4. Зависимость КПД (n) от суммарной полной мощности обмоток ^ S.

Активная составляющая тока первичной обмотки, А

(S₂ cosp₂ + S cosp₃) (225 • 0,9 + 50 • 0,8)

—------------------------- —----------------------- — 1,22 А

1 a

77 • U 0,9 • 220

Реактивная составляющая тока первичной обмотки, А

7 • U i

_{I =}/^+^(S2^sin^2 + ^S3^sin^3) _{= Q2}w, (225• 0,436 + 50• 0,6) _{=Qg9 А}

4p

0,9 • 220

где I - предварительная величина намагничивающего тока, прини­маемая при броневых ленточных магнитопроводах равной (0,1^0,3) /_1а, при пластинчатых магнитопроводах (0,3^0,5) /_1а.

В данном примере /^ — 0,2 • /_1в — 0,2 • 1,22 — 0,244 А.

Значения sinp определяется по формуле sin р — л/ 1 - cosp² по со­ответствующим значениям cosp₂ и cosp.

Ток первичной обмотки, А

I —д/ /; + /2р — л/1,22² + 0,89² —1,51 А.

I 122 cos(= ^ =^1,22 = 0,81.

I 1,51

Токи вторичных обмоток, А

I = ^ = ²²⁵ = 0,56 А; L = ^ = — = 1,39 А.

² U 400 ³ U 36

5.2. Предварительное значение площади поперечного сечения стержня магнитопровода.

Предварительное значение магнитной индукции Б' (знаком ' ин­декс принято обозначать предварительные значения которые уточняются последующим расчетом) в стержне магнитопровода принимается согласно выбранной марки стали и суммарной полной мощности Z S вторичных обмоток, ВА по таблице 5.1

Таблица 5.1.

Значение магнитной индукции Б'.

Тип магнитопровода	Материал магнито- провода и его толщи­на, мм	Частота, Гц	Амплитудное значение индук­ции Б', Тл, в зависимости от суммарной полной мощности Z S вторичных обмоток, ВА
15-50	50-150	150-300
Броневой Пластинчатый	1512 0,35		1,30	1,30-1,35	1,35
Броневой или стержневой ленточный	3412 0,35		1,65	1,60-1,55	1,55-1,50

Для примерного варианта с броневым ленточным магнитопроводом при Z S = 275 ВА принято Б' = 1,5 Тл.

Предварительное значение плотности тока в обмотках принимается согласно принятого типа магнитопровода в зависимости от суммарной полной мощности вторичных обмоток Z S, ВА по таблице 5.2.

Таблица 5.2.

Значения плотности тока в обмотках.

Конструкция магнитопровода	Материал сердечника и его тол­щина, мм	Частота сети, Гц	Плотность тока А', А/мм, в за­висимости от суммарной полной мощности вторичных обмоток Z S, ВА
		15 - 20	50 - 150	150 - 300
Броневая пластинчатая	1512 0,35		3,0 - 2,4	2,4 - 2,0	2,0 - 1,7
Броневая или стержневая ленточная	3412 0,35		3,5 - 2,7	2,7 - 2,4	2,4 - 2,3

В данном примере при Z S = 275 ВА принято А' = 2,3 А/мм².

Поперечное сечение стержня сердечника без учета изоляций лис­тов, см².

S₁a10² ₌₍₎₇

Q Cc= с

50 • 1,5 • 2,3

332 • 2,5 • 10² ^ 2 ' = 15,4 см²,

/Л* ' \

где С=0,7 - постоянный коэффициент магнитопроводов броневого типа; полная потребляемая мощность трансформатора

S = и • = 220 • 1,51 = 332 ВА;

а - отношение массы стали магнитопровода к массе меди обмоток, принимается при расчете на минимум массы в пределах (2^3), при расчете на минимум стоимости в пределах (4^6). В данном примере расчета на ми­нимум массы принято: а = 2,5.

Полное поперечное сечение стержня магнитопровода с учетом ме­ждулистовой изоляции

_n QC 15,4 2 О_п-- = = 16,5 см.

^{с расч} К 0,93

"3

Коэффициент заполнения магнитопровода выбирается по таблице 5.3 в зависимости от выбранной конструкции магнитопровода. При броне­вом ленточном магнитопроводе К = 0,93.

Таблица 5.3.

Коэффициент заполнения магнитопровода К₃.

Конструкция магнитопровода	Вид изоляции и способ изготовле­ния	Значение К3 при толщине мате­риала, мм
0,35	0,20
Броневая пластинчатая	Лак	0,90	0,85
Броневая или стержневая лен­точная	Навивка ленты	0,93	0,91

5.3 Определение числа витков обмоток трансформатора.

С учетом требования минимума массы трансформатора и уменьше­ния потоков рассеивания обмотки на стержне располагаем следующим об­разом (рис.5 а)

а)

в)

б)

С

С

С

52 53

Рис.5. Расположение обмоток в окне трансформатора

вторичная обмотка (2), имеющая меньший ток нагрузки - непосред­ственно на стержне;

вторичная обмотка (3) - снаружи катушки;

первичная обмотка (1) - между вторичными обмотками.

Действующее значение ЭДС обмоток:

первичной

AU

с

л

= 220 •

1 -

= 213 В;

Е = U_x

V 100у

Дата добавления: 2015-09-29