Трансформатор питания

Министерство образования и науки Украины

Харьковский национальный университет радиоэлектроники

Кафедра ПЭЭА

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

по дисциплине: Элементная база ЭА

на тему: Трансформатор питания

Выполнил

Проверил

Харьков 2009

Содержание

Введение

1. Анализ технического задания

1.1 Анализ условий эксплуатации

1.2 Обоснование дополнительных требований и параметров

2. Обзор аналогичных конструкций и выбор направления проектирования

3. Расчет конструкции и необходимых деталей

3.1 Расчет стержневого трансформатора

4. Описание конструкции и технологии

Заключение

Список литературы

Введение

Трансформаторы являются наиболее широко используемыми элементами в различной аппаратуре.

Трансформаторы питания преобразуют переменное напряжение первичного источника в любые другие значения, необходимые для нормального функционирования аппаратуры. Кроме того, трансформатор питания позволяет получать ряд вторичных напряжений, электрически не зависимых друг от друга и от питающей сети.

Наиболее просто применять для электропитающего устройства специально спроектированные трансформаторы для обеспечения высокого качества работы и требуемой надежности, низкой стоимости, минимальной массы и объема.

В тех случаях, когда напряжение или ток на вторичной стороне унифицированного трансформатора не соответствует требуемым значениям, приходится рассчитывать и изготовлять трансформатор. Не применяют унифицированный трансформатор также, если остаются незадействованными некоторые секции вторичной обмотки, что приводит к нежелательному увеличению объема и массы устройства.

Более высокие показатели можно обеспечить на основании детальных расчетов, что и является целью курсового проекта - расчет трансформатора питания с заданными параметрами, обеспечив при этом минимальные габаритные размеры.

1. Анализ технического задания

1.1 Анализ условий эксплуатации

Исходные данные:

- напряжение источника питания;

- частота источника питания;

- напряжение первой вторичной обмотки;

- ток первой вторичной обмотки;

- напряжение второй вторичной обмотки;

- ток второй вторичной обмотки.

Обеспечить минимальные габаритные размеры.

Программа выпуска 5000 шт. в год.

В условиях ТЗ не указан вид аппаратуры, в которой будет использоваться трансформатор. По ГОСТ 15150-69 он относится к первой группе исполнения УХЛ (аппаратура, работающая в жилых помещениях), категория размещения 4.2 (аппаратура, предназначенная для эксплуатации в отапливаемых помещениях). Общие нормы климатических воздействий на РЭА для исполнения УХЛ приведены в таблице 1.1

Таблица 1.1 - Общие нормы климатических воздействий на РЭА

В соответствии с ГОСТ 16019-78 должна выдерживать нормативные воздействия, приведенные в таблице 1.2

Таблица 1.2 - Наземная профессиональная РЭА. Нормы климатических и механических воздействий для 1-й группы

1.2 Обоснование дополнительных требований и параметров

Для каждой из конструкций трансформатора существует "оптимальная геометрия" (соотношение размеров магнитопровода), обеспечивающая получение минимальной массы, объема или стоимости. Пользуясь [1, табл.13], выбираем конструкцию трансформатора с учетом его мощности и частоты сети - стержневая с двумя катушками (по сравнению с броневой конструкцией при одинаковом объеме выигрыш по мощности 6 - 25%).

Стержневой двухкатушечный трансформатор обладает большей поверхностью охлаждения (за счет поверхностей катушки) и поэтому допускает большие плотности тока . По этой причине двухкатушечный ленточный трансформатор имеет удельные мощности по массе и объему больше, чем у ленточного броневого трансформатора: при 50 Гц - до 30% и при 400Гц - до 20%.

Стержневой двухкатушечный трансформатор имеет меньшую индуктивность рассеяния (на каждой катушке только половина витков и поэтому толщина катушки меньшая), меньшее внешнее электромагнитное поле и меньшую восприимчивость к постоянным электромагнитным полям (наведенные ЭДС в обеих катушках вычитаются).

К недостатку стержневого двухкатушечного трансформатора следует отнести уменьшенный примерно на 15% коэффициент заполнения окна медью, т.к у нее вдвое больше изоляционных материалов между отдельными обмотками и между магнитопроводом и обмоткой.

С учетом, что , выбираем электротехническую сталь марки Э310 с толщиной лент . Также для обеспечения минимальных габаритных размеров принимают максимальное значение магнитно возможную индукцию магнитопровода и плотности тока в обмотках, удовлетворяя требуемым параметрам.

2. Обзор аналогичных конструкций и выбор направления проектирования

В зависимости от технологии изготовления магнитопроводы трансформаторов небольшой мощности делятся на пластинчатые и ленточные. По конструктивному выполнению пластинчатые и ленточные магнитопроводы делятся на три основных типа: стержневые, броневые и кольцевые.

Все перечисленные ранее конструкции магнитопроводов применяются в качестве сердечников в однофазных трансформаторах. В трехфазных трансформаторах обычно используется стержневая конструкция, называемая также Е - образной.

Так как трансформатор имеет большие электромагнитные силовые потоки, то соответственно и большие размеры обмоток элемента. Для уменьшения размеров и массы важную роль играет грамотный подбор материалов составных частей трансформатора.

В современных РЭА масса и габариты устройств питания составляют 0.5-0.1 общей массы и габаритов и на их долю приходится в некоторых случаях до 50% отказов. Что требует совершенствования трансформаторов питания. Основные трудности при этом определяются тем, что материалы сердечников имеют ограниченные магнитную проницаемость, индукцию насыщения и большие потери.

Согласно условиям внешних климатических, механических и физических воздействий использование броневого трансформатора оправдано

Учитывая недостатки в существующих трансформаторах, относительно проектируемого выбираем следующие направления:

При стяжки трансформатора между стойкой и магнитопроводом подложить слой бумаги К-12 ГОСТ 1908-88 для того, чтобы предотвратить возможность образования короткозамкнутого витка вокруг всего сердечника или его части; образование такого витка приводит к сильному нагреву трансформатора и потере их мощности, что не допустимо для реализации минимальных габаритных размер;

Фиксация всей конструкции к основанию осуществляется клеем ВК ОСТ4ГО.029.204.

Обмотка трансформатора - открытого типа, то есть крышки не имеет, так как условия работы - лаборатории, жилые дома и другие подобные помещения.

В качестве обмотки применяем провод марки ПЭВ-1 (ГОСТ 7262-78), допускающий перегрев до 105°С.

Торцы магнитопровода покрывают эмалью МЛ-152 синяя У1 ОСТ 4.070.015.

3. Расчет конструкции и необходимых деталей

3.1 Расчет стержневого трансформатора

Расчет ведем, исходя из допустимого перегрева .

1. Зная величину , выбираем сталь марки Э310 с толщиной лент .

2. Определяем мощность вторичной обмотки (3.1)

; (3.1)

.

По известным величинам и для стержневого трансформатора с двумя катушками определим [1, П12] ориентировочное типоразмер магнитопровода, нужные параметры которого заносим в табл.1.3

Таблица 1.3 - Основные параметры магнитопровода ПЛ 12,5X25-32

3. Находим номинальный ток в первичной обмотке (3.2)

; (3.2)

Значения и определяем по [1, рис.34]: , .

Тогда:

.

4. Принимаем для холоднокатаной стали Э310 [1] .

5. Определяем потери в стали для индукции (3.3)

, (3.3)

где - удельные потери в стали [1, рис.35а], .

.

6. Находим активную составляющую тока холостого хода по формуле (3.4)

; (3.4), .

7. Находим намагничивающую мощность, исходя из удельной реактивной мощности [1, рис.35б] и массы стали по формуле (3.5)

; (3.5)

.

8. Находим реактивную составляющую тока холостого хода по формуле (3.6)

; (3.6)

.

9. Находим по формуле (3.7) ток холостого хода

; (3.7)

.

10. Определяем ток холостого хода (3.8) в% при

; (3.8)

.

11. Определяем ориентировочное падения напряжения , и из [1, табл.15]

;

.

12. Находим число витков , и по формулам (3.9) и (3.10). При последовательном соединении обмоток на стержнях напряжение каждой из катушек будет в два раза меньше

; (3.9)

; (3.10)

витков;

витков;

витков.

13. Находим плотность тока , исходя из величин , и конструкции трансформатора по [1, табл.14] .

Для стержневого трансформатора рекомендуется выбирать плотность тока , исходя из (3.11)

э;

.

14. Определяем ориентировочное значение проводов . Выбираем марку проводов ПЭВ-1. А затем по [1, П14] уточняем их стандартные сечения и выписываем нужные параметры. Полученные данные заносим в табл.1.4

Таблица 1.4 - Результаты выбора провода марки ПЭВ-1

15. Уточняем фактические плотности тока для каждой обмотки по выбранным стандартным сечениям проводов (3.11)

; (3.11)

;

;

.

16. Определяем испытательные напряжение обмоток [1] , т.к .

17. Производим конструктивный расчет обмоток.

а) Выбираем сборную конструкцию каркаса с толщиной стенок и щек 0,5мм; вид намотки - рядами, т.к провод достаточно толстый; выбираем цельные концентрические обмотки.

б) Определяем вид изоляции и ее толщину согласно рекомендациям, изложенных в [1] и [1, рис.32]:

- толщина гильзы с одним слоем бумаги К-12;

-один слой бумаги ЭИП-50;

- два слоя К-12;

-один слой бумаги К-12;

- два слоя К-12;

-один слой бумаги ЭИП-50;

- два слоя К-12 + батистовая лента (0,16мм);

;

;

.

в) Определяем осевую длину обмотки по формуле (3.12)

; (3.12)

.

г) Находим число витков в одном слое (3.13)

, (3.13)

где - коэффициент укладки, учитывающий неплотное прилегание витка к витку и заход междуслоевой изоляции на щеку каркаса. Согласно [1, табл.16] ; ; .

витка;

витка;

витка.

д) Определяем число слоев каждой обмотки по формуле (3.14)

; (3.14)

;

;

.

е) Находим радиальные размеры обмоток для каркасной конструкции и концентрического выполнения обмоток. Если межслоевая изоляция прокладывается через каждый слой, то толщина первичной и вторичных обмоток находится согласно (3.15)

; (3.15)

;

;

.

ж) Находим радиальный размер катушки по формуле (3.16)

, (3.16)

где - коэффициент выпучивания при намотки и после пропитки, определяем согласно [1, табл.1] .

.

з) Определяем расстояние между катушкой и сердечником согласно формуле (3.17)

; (3.17), ,

что допустимо.

18) Определяем потери в меди.

а) Находим средние длины витков по формулам (3.18) - (3.20)

; (3.18)

;

; (3.19)

;

; (3.20)

.

б) Находим массу меди в каждой из обмоток (3.21)

; (3.21)

;

;

.

Находим массу проводов в каждой из обмоток (3.22)

; (3.22)

;

;

Определим суммарную массу проводов в трансформаторе (3.23)

; (3.23)

.

в) Находим потери в каждой из обмоток (3.24), считая, что повод ПЭВ-1 нагревается до температуры

; (3.24)

;

;

.

Находим суммарные потери в меди (3.25)

; (3.25)

.

19) Проверяем тепловой режим.

а) Определяем тепловые сопротивления:

тепловое сопротивление катушки (3.26)

, (3.26), где

;

.

.

тепловое сопротивление границы катушка - среда (3.27)