Расчет силового трансформатора

План.

 

стр.

1. Введение  ·············································································· 2
2. Пример расчета силового трансформатора ·················· 3
3. Виды электротехнических материалов:

   3.1 Проводники  и изоляторы ·············································· 9

а) сердечники ································································· 11

б) обмоточные провода ··············································· 21

в) трансформаторные масла ·······································31

г) трансформаторная бумага ······································· 41

4. Заключение (история трансформатора) ······················· 44
5. Литература ·········································································· 51

 

Введение.

Электричество плотно вошло  в нашу жизнь и мы просто не представляем себя без него. Но задумывались ли мы когда-нибудь о том, какое количество полезных ископаемых тратится на то, чтобы донести его до нас и подать именно в той форме, в которой мы привыкли его наблюдать (220 В, 50 Гц).

Для того, чтобы это произошло, “электричество” должно пройти через множество силовых трансформаторов, о которых и пойдет речь в моем реферате.

 

 

Пример расчета  силового трансформатора.

Назначение

Силовой трансформатор предназначен для преобразования одного переменного напряжения, например напряжения сети, в другое переменное напряжение той же частоты.

Переменный ток получают непосредственно  с вторичных обмоток силового трансформатора. Постоянный ток получают от выполненного по одной из схем выпрямителя, на который подается переменное напряжение с вторичной обмотки силового трансформатора.

Кроме того, силовой трансформатор  отделяет цепи устройства от сети переменного  тока, что позволяет заземлять  его шасси непосредственно. В  случае использования бестрансформаторного выпрямителя или применения силового автотрансформатора, у которого вторичная обмотка является частью первичной или наоборот, шасси аппарата оказывается соединенным с одним из проводов сети, поэтому такие способы питания стараются не применять, хотя они позволяют снизить вес и стоимость аппаратуры.

Устройство трансформатора

Трансформатор состоит из сердечника, набранного из пластин трансформаторной стали толщиной 0,35 - 0,5 мм встык без  зазора, и каркаса с обмотками.

Сердечники бывают броневые из Ш-образных пластин (обмотки располагаются на среднем стержне - керне) и стержневые из П-образных пластин (обмотки располагаются или на одном, или на двух стержнях поровну). В последнее время стали применяться сердечники, изготовленные из плоской ленты - ленточные или витые сердечники.

Обозначение сердечника состоит из буквы Ш или П, показывающей форму  пластин, и двух чисел, обозначающих ширину керна а и толщину набора с в мм, например, Ш20Х40. Если ширина крайних стержней пластины больше половины ширины среднего стержня, в начале обозначения ставят букву У. Если сердечник витой, после буквы П или Ш стоит буква Л - ленточный. Неразрезные витые сердечники, имеющие форму кольца, обозначают буквами ОЛ и тремя числами, показывающими наружный диаметр, внутренний диаметр и высоту кольца.

Отдельные пластины или слои ленты  сердечников для уменьшения потерь на вихревые токи изолируются друг от друга слоем окалины, лака, клея или тонкой бумаги. В трансформаторах  малой мощности это делать не обязательно.

Расчет трансформатора

Размеры сердечника силового трансформатора определяются в зависимости от габаритной (кажущейся) мощности трансформатора. Обмотки рассчитываются на соответствующие  напряжения и токи, вычисленные при  расчете выпрямителя.

Принятые обозначения

a – ширина стержня, на котором расположены обмотки, см.

b – ширина окна  пластины, см.

c – толщина набора  пластин, см.

h – высота окна, см.

Q_c – площадь поперечного сечения сердечника, (а · с)см²

Q_o – площадь окна (b · h), см²

P_г – габаритная мощность трансформатора

U_i – напряжение или ЭДС обмотки (i = 1, 2, 3, …), В

I_i – ток обмотки, мА

W_i – число витков обмотки

D_i – диаметр провода обмотки, мм

σ – плотность тока в обмотках А/мм²

η – коэффициент полезного  действия трансформатора

 

Габаритная мощность трансформатора P_г является суммой мощностей P_гi, вычисленных для каждой вторичной обмотки.

Мощность P_гi для одной о6мотки определяется по формуле

если вся обмотка  работает в течение каждой половины периода (например, обмотка, питающая выпрямитель, собранный по мостовой схеме или двухполупериодной схеме удвоения напряжения, а также обмотка накала ламп переменным током), или по формуле:

если обмотка или  часть ее работает в течение лишь одной половины каждого периода (например, обмотка, от которой питается выпрямитель, собранный по однополупериодной схеме или двухполупериодной схеме со средней точкой).

По суммарной габаритной мощности выбирают сердечник, для которого выполняется  соотношение

Отношение размеров c/a должно находиться в пределах 1 - 2.

 

Значения КПД трансформатора и  плотности тока 
в обмотках в зависимости от мощности

Мощность  трансформатора	КПД	Плотность  тока
10 - 20	60	4
20 - 40	65	3.5
40 - 75	70	3
75 - 100	75	2.5

 

Если обмотки выполняются проводом в бумажной или шелковой изоляции, полученное значение Q_cQ_o необходимо увеличить на 30%.

После выбора сердечника приступают к расчету обмоток  трансформатора.

Количество витков первичной обмотки  определяют по формуле 

вторичных обмоток по формуле:

Диаметр провода определяется по заданной плотности тока, значения которой  зависят от мощности трансформатора, по формуле 

В заключение проверяют, уложатся ли все обмотки в окна выбранного сердечника. Площадь, занимаемая каждой обмоткой с прокладками в окне сердечника, приближенно определяется по формуле

,

где β коэффициент заполнения окна сердечника медью провода, равный 0.3 - 0.35 для проводов ПЭЛ, ПЭТ и ПЭВ, 0.18 - 0.25 для проводов ПВО, ПЭБО и ПЭШО.

Конструктивное исполнение

Чтобы обеспечить возможность включения  трансформатора в сеть с напряжением  как 127 в, так и 220 в, первичная обмотка  выполняется на 220 в с отводом  на 127 в, при этом переключение на нужное напряжение можно осуществлять или переключателем, или предохранителем, переставляемым из одной пары зажимов в другую. При другом способе переключения первичная обмотка выполняется в виде двух отдельных обмоток, имеющих секции на 110 и 17 в. При напряжении сети 127 в обе обмотки включаются параллельно, при 220 в секции на 110 в включаются последовательно, при 110 в - параллельно. Переключение производят при помощи ламповой панельки и фишки, изготовленной из цоколя лампы.

Обычно первой наматывается на каркас первичная обмотка. Затем вторичные в порядке уменьшения диаметра провода. Иногда с целью уменьшения помех, проникающих из сети, между первичной (сетевой) и вторичными обмотками укладывают экран, представляющий собой незамкнутый виток фольги или один слой тонкого провода. Вывод экрана соединяют с шасси, второй вывод обмотки-экрана не используется.

Готовую катушку с обмотками  силового трансформатора полезно пропитать  расплавленным парафином, воском, стеарином. Для уменьшения создаваемых силовым трансформатором наводок на цепи устройства катушку трансформатора поверх сердечника закрывают широкой полосой листовой меди. образующей короткозамкнутый виток вокруг трансформатора (не вокруг обмотки).

 

Проводники  и изоляторы

В металлах электрический ток представляет собой упорядоченное движение свободных электронов. Материалы, в которых много свободных электронов, легко пропускают их направленный поток и называются проводниками. Материалы, в которых мало или совсем нет свободных электронов, называются изоляторами. Примерами хороших проводников являются такие металлы, как медь, алюминий, золото и серебро. Различные пластмассы и керамические материалы представляют собой хорошие изоляторы.

Свойства металлических проводников

Металл	Удельное сопротивление  Ом · м	Температурный коэффициент сопротивления  (при 20oC)	Теплопроводность  (при 20oC)	Температура плавления  oC
Алюминий	2,7·10-8	4·10-3	0,48	660
Латунь	7,2·10-8	2·10-3	0,26	920
Константан	4,9·10-7	1·10-5	0,054	1210
Медь	1,6·10-8	4,3·10-3	0,918	1083
Золото	2,3·10-8	3,4·10-3	0,705	1063
Железо	9,1·10-8	6·10-3	0,18	1535
Свинец	2·10-7	4,2·10-3	0,083	327
Нихром	1·10-6	1,7·10-4	0,035	1350
Никель	1·10-7	4,7·10-3	0,142	1452
Серебро	1,5·10-8	4·10-3	1,006	960,5
Олово	1,3·10-7	4,2·10-3	0,155	231,9
Вольфрам	5,4·10-8	4,5·10-3	0,476	3370

 

Свойства изоляторов

Изолятор	Удельное сопротивление  Ом · м	Диэлектрическая постоянная  (100 Гц - 100 МГц)	Напряжение  пробоя  кВ/мм	Максимальная  рабочая температура  oC
Бакелит	1010	4,4-5,4	11,8	100
Стекло	1012	4,8	13,2	600
Полиэстер (пленка)	1013	2,8-3,7	27,6	105
Полиэтилен	1014	2,2	23	60
Полипропилен	1014	2	23,6	100
Тефлон (фторопласт)	>2·1016	2,1	110	200

 

 

Сердечники.

Сердечники силовых трансформаторов  изготавливаются из электротехнической стали.

Электротехническая нелегированная сталь с нормированными свойствами в постоянных полях используется для изготовления магнитопроводов всех видов и самых сложных форм: детали реле, сердечники, полюсные наконечники электромагнитов, элементы магнитоэлектрических, индукционных и электромагнитных приборов, экраны, телефонные мембраны, магнитопроводы двигателей переменного и постоянного тока малой и средней мощности и так далее.

Химический состав электротехнической нелегированной стали различных  марок приведен в табл. 2. Магнитные свойства электротехнической нелегированной стали после отжига без доступа воздуха при температуре не выше 950 градусов Цельсия и далее после медленного охлаждения на воздухе (не более 10 часов) до 600 градусов Цельсия должны соответствовать нормам, приведенным в табл.3.

Электротехнические кремнистые стали - наиболее широко распространенный магнитомягкий  материал, сочетающий высокие магнитные  свойства с низкой стоимостью и удовлетворительной технологичностью. Эти стали широко применяются для изготовления двигателей и генераторов всех типов, дросселей и трансформаторов, электромеханизмов и приборов, работающих как на постоянном, так и на переменном токе различной частоты. Разнообразные технические требования, предъявляемые к электротехническим сталям, удовлетворяются путем изменения их химического состава, толщины листов или ленты и применения специальных технологических процессов изготовления и термической обработки.