Расчёт маломощного трансформатора с воздушным охлаждением

Московский государственный университет путей сообщения

Воронежский филиал

КУРСОВАЯ РАБОТА

" Электрические машины и электропривод"

Тема: «Расчёт маломощного трансформатора с воздушным охлаждением»

Воронеж — 2011

ВВЕДЕНИЕ

Конструкция трансформатора: Основные элементы конструкций трансформаторов является магттопровод; и катушки с обмотками.

В зависимости от технологии изготовления магнитопровода трансформатора небольшой мощности делятся на пластинчатые и ленточные, и имеют три основных типа: стержневые, броневые и кольцевые.

Стержневые пластинчатые магнитопроводы обычно собираются из прямо угольных пластин одинаковой ширины П-образной формы.

Броневые пластинчатые магнитопроводы собираются из Ш-образных пластин и прямоугольных перекрышек.

Обмотки изготовляются из изолированных проводов; кроме того, предусматривается изоляция катушек от магнитопровода, междуслоевая изоляция, между обмоточная изоляция, внешняя изоляция катушек.

Также в конструкцию трансформатора входят детали для сборки отдельны: частей сердечника, крепления собранного трансформатора, клеммы для соединения концов обмоток.

Характеристика расчета трансформатора:

Основная задача при расчете является уменьшение габаритных размеров и массы при заданных ограничениях на рабочую температуру, падение напряжения и ток холостого хода. Увеличение магнитной индукции в сердечнике В и плотности тока j в обмотках обеспечивает уменьшение габаритов и массы трансформатора, hi возрастают потери в сердечнике, и ток холостого хода, и растут потери в обмотка и падение напряжения. Рост температуры сердечника и обмоток допустим до лишь до определенного предела Задание на курсовую работу

1.Рассчитать маломощный трансформатор с воздушным охлаждением согласно исходным значениям, представленными ниже.

2.Выполнить чертёж рассчитанного трансформатора.

3.Составить подробную расчётно-пояснительную записку.

Исходные данные выбираются согласно последним трём цифрам шифра студента. Согласно варианту «400» выбираем следующие исходные данные:

=300BA

=70BA

=390B

=20B

=0.8

=0.8

=220B

f=400Гц Расчётное условие: минимум массы Температура окружающей среды: T=30 °C

Расчётное ограничение:

Максимальная температура Отношение массы стали к массе меди должно лежать в пределах 2−3.

Отношение потерь меди к потерям в стали при нормальной нагрузке желательно иметь в пределах 1.35−1.5.

Расчёты требуется округлять до трёх значащих цифр.

Выбор магнитопровода

1. Определение расчётной мощности трансформатора.

Поскольку +, расчётная мощность определяется по формуле:

Значение КПД равняется 0.96−0.97 согласно таблице № 2.

2. Конструкция магнитопровода Поскольку значение расчётной мощности, то можно изготавливать стержневой трансформатор с двумя катушками и ленточными разъемными сердечниками, используя ленточный магнитопровод.

Стержневые трансформаторы имеют большую поверхность охлаждения по сравнению с броневыми и меньшую среднюю длину витка

3. Выбор материала сердечника Для каждой частоты существует своя оптимальна толщина материала. Поэтому толщина магнитопровода является постоянной величиной. Поскольку можно применять только ленточный магнитопровод, будем использовать ленточный магнитопровод холоднокатаной стали марки Э340 толщиной. При частоте 400 Гц

4. Нахождение ориентировочного значения магнитной индукции, плотности тока, коэффициента заполнения окна, коэффициента заполнения магнитопровода. По найденной величине и заданной конструкции магнитопровода, согласно таблицам № 3,4,5,6 выберем:

— магнитную индукцию, возьмем максимальное значение В=1.3

— плотность тока

— Коэффициент заполнения окна

— Коэффициент заполнения магнитопровода

Так как выбран материал сердечника Э340 соответственно уменьшим значение на 25%

Поскольку напряжения на зажимах обмотки не превышают 500 В, можно использовать значения из таблиц№ 3,4,5,6 без корректировки.

5.Определение произведения сечения сердечника на площадь окна

6.Определение отношения сечения сердечника на площадь окна

(где)

7.Выбор типоразмера магнитопровода Из табл.прил.П2[5] выбрали магнитопровод ПЛ 16Х32−50, поскольку его произведение и пределы изменения лежат требуемых пределах:

Пользуясь справочными данными из приложения 17/10/5 П2 находим:

Ширина стержня

Толщина пакета пластинчатого сердечника

Высота

Ширина окна

Средняя длина магнитной силовой линии

Площадь сечения магнитопровода

Произведение сечения сердечника на площадь окна

Масса магнитопровода

Площадь окна магнитопровода

Длина средней магнитной линии Средняя длина витка всех обмоток Открытая поверхность охлаждения сердечника Открытая поверхность катушки

С помощью формул (3) и (4) уточним значения и

трансформатор магнитопровод ток напряжение Определение числа витков обмоток

8.Определение падения напряжения Если падения напряжений на обмотках выразить в процентах от номинальных значений напряжений на соответствующих обмотках, то значения ЭДС примут вид

9.Определение ЭДС на виток Электродвижущая сила на виток определяется по формуле:

10.Определение числа витков обмоток Определение числа витков обмоток определяется по формуле:

Поскольку число витков обмотки низшего напряжения, определяемого по формуле (12) получилось дробным, необходимо округлить его до целого числа. Следовательно,. Так же необходимо произвести перерасчёт чисел витков и магнитной индукции согласно формулам:

Определение потерь в стали и намагничивающего тока

11.Опроеделение потерь в стали Для магнитопроводов из стали Э340, потери в стали определяются по формуле:

— величина удельных потерь. Она находится по графику № 3 на рис. 4.

12.Определение активной составляющей намагничивающего тока Активная составляющая намагничивающего тока находится по формуле:

14.Определение реактивной составляющей намагничивающего тока Реактивная составляющая намагничивающего тока для стали Э340 определяется по формуле:

— напряжённость поля в стали, определяемая по графику № 2 на рис9.

— число зазоров на пути силовой линии, равное 2.

— величина эквивалентного воздушного зазора в стыках сердечника трансформатора, равное 0.0015см.

15. Определение тока первичной обмотки при номинальной нагрузке Ток первичной нагрузки холостого хода находится согласно формуле:

A

— приведённые значения активной составляющей токов вторичных обмоток.

— приведённые значения реактивной составляющей токов вторичных обмоток

16.Определение тока холостого хода Ток холостого хода определяется по формуле:

17.Определение относительного значения тока холостого хода Относительное значение тока холостого хода находится по формуле:

18.Оценка результатов выбора магнитной индукции Поскольку, выбор стержневого магнитопровода из стали Э340 верен.

19.Определение коэффициента мощности Коэффициент мощности определяется по формуле:

Электрический и конструктивный расчёт обмоток

20.Выбор плотностей тока в обмотках Поскольку известно среднее значение плотности тока, можно найти плотности тока всех обмоток. При соединении обмоток в порядке 2,1,3(где обмотка № 2 является выходной обмоткой большего напряжения) следует принять:

21.Определение ориентировочного значения сечения проводов Ориентировочное значение сечения проводов определяется по формуле:

22.Выбор стандартного сечения и диаметров проводов Зная ориентировочные значения проводов, из приложения 17/10/5 П1(3) выбрали стандартные сечения и диаметры проводов марки ПЭВ-1.

Зная точные значения сечений и диаметров проводов, можно найти фактическую плотность тока в проводах по формуле:

23.Определение амплитудного значения рабочих напряжений и испытательных напряжений Амплитудное значение рабочих напряжений находится по формуле:

Значение испытательных напряжений обмоток определяется по графику№ 3, представленному ниже.

Из графика следует, что

24.Изоляционные расстояния

25.Размещение обмоток в окне

26.Определение осевой длины каждой обмотки Осевая длина каждой обмотки определяется по формуле:

Поскольку длину каркаса выбирают на 1 мм короче высоты окна магнитопровода, то справедливо равенство:.

является толщиной щёчки каркаса. Её значение было определено ранее.

27.Определение толщины гильзы (каркаса) Толщина щёчки каркаса была определена ранее. Однако поверх каркаса наматывают изоляционную бумагу, увеличивающую его толщину. Согласно исходным данным, необходимо намотать один слой пропиточной бумаги ЭИП-3Б (толщина-0.11мм). Поэтому толщина каркаса будет равна:

28.Определение толщины межслоевой изоляции Толщина межслоевой изоляции выбирается согласно диаметру изоляционного провода и испытательному напряжению из 17/10/4 таблица № 9. Согласно ней:

29.Определение толщины межобмоточной изоляции Толщина межобмоточной изоляции зависит от величины испытательного напряжения обмотки с наибольшим напряжением. Поэтому для изоляции первой и второй обмотки используются 4 слоя бумаги К-12(толщина 12мм), а для изоляции второй и третьей обмотки используются 4 слоя бумаги К-12(толщина 12мм).

30.Определение количества слоёв наружной изоляции Количество слоёв наружной изоляции зависит от рабочего напряжения последней обмотки. Согласно исходным данным, следовательно для наружной изоляции достаточно двух слоёв из бумаги (толщина 11мм) и одного слоя баллистовой ленты (толщина 0.16мм). Поэтому

31.Определение числа витков в одном слое каждой обмотки Число витков в одном слое каждой обмотки находится по формуле:

— коэффициент укладки провода в осевом направлении, который определяется по рис. 12 (17/10/4)

32.Определение числа слоёв Число слоёв определяется по формуле Поскольку был выбран стержневой двух катушечный трансформатор, значение необходимо уменьшить в 2 раза.

33.Определение радиального размера каждой обмотки Радиальный размер первой обмотки определяется по формуле:

Радиальный размер второй обмотки определяется по формуле:

Радиальный размер третьей обмотки определяется по формуле:

Коэффициент укладки провода в радиальном направлении и коэффициент неплотности межслоевой изоляции определяют для каждой обмотки отдельно из рис. 13 и рис. 14 (17/10/4) соответственно.

34.Определение полного радиального размера катушки Полный радиальный размер катушки определяется по формуле:

— зазор между сердечником и каркасом.

— коэффициент неплотности межобмоточной изоляции находится по рис.15(17/10/4).

— коэффициент выпучивания. Поскольку обмотка находится на каркасе, то справедливо, что .

— коэффициент неплотности наружной изоляции

35.Определение зазора между катушкой и сердечником Зазор между катушкой и сердечником для стержневого трансформатора считается допустимым, если. Для проектируемого трансформатора, значение

. Так как 0.5<0.542<1, расчёт выполнен верно, и катушка нормально укладывается в окне магнитопровода.

36.Определение средней длины витка обмоток Средняя длина витка первой обмотки определяется по формуле.

и — наружные размеры каркаса, которые определяются по формуле:

Средняя длина витка второй обмотки определяется по формуле:

Значения наружных размеров каркаса и были определены в (34) и (35)

Средняя длина витка третьей обмотки определяется по формуле:

Значения наружных размеров каркаса и были определены

37.Определение массы меди каждой обмотки Масса меди первой обмотки определяется по формуле:

Масса меди второй обмотки определяется по формуле:

Масса меди третьей обмотки определяется по формуле:

Общая масса проводов катушки определяется по формуле:

Зная общую массу проводов катушки, можно проверить значение отношения массы стали к массе меди.

.

38.Определение потерь в каждой обмотки Потери в первой обмотки определяются от формуле:

Потери во второй обмотке определяются по формуле:

Потери в третей обмотке определяются по формуле:

Потери в катушках определяются по формуле:

Зная значение потерь в катушках, можно проверить значение

Предел.

Определение температуры нагрева трансформатора

39.Тепловой расчет трансформатора Для определения максимального превышения температуры катушки и максимального значения среднеобъемной температуры обмотки можно использовать тепловые схемы изображенные на рис 18 в методичке 17/10/4

На данном рисунке приняты следующие обозначения:

тепловой поток, мощность которого равна электрическим потерям в обмотке (потерям в меди);

тепловой поток, мощность которого равна магнитным потерям в стали сердечника;

тепловые потоки в ветвях схемы замещения;

xтепловое сопротивление катушки для потока, идущего от максимально нагретой области до гильзы, величина которого зависит от проходящего через него потока;

тепловое сопротивление гильзы;

тепловые сопротивления граничных слоев: поверхность катушки — среда и поверхность сердечника — среда соответственно.

40. Выполним более точный расчет максимальной температуры для стержневого трансформатора с частотой 400 Гц По таблице 12 из методички 17/10/4 выполним тепловой расчет трансформатора:

Тепловое сопротивление катушки

обьём катушки;

эквивалентная теплопроводность пропитанной катушки

Тепловое сопротивление границы катушка-среда:

коэффициент теплоотдачи с поверхности катушки ;

открытая поверхность охлаждения катушки, непосредственно участвующей в теплообмене с окружающей средой;

Тепловое сопротивление границы сердечник-среда:

с торца сердечника ;

с боковой поверхности сердечника;

открытая торцевая поверхность сердечника;

открытая поверхность;

тепловые сопротивления торцевой и боковой поверхности сердечника;

Тепловое сопротивление каркаса:

толщина каркаса;

теплопроводность каркаса;

поверхность каркаса;

Выполним расчет по формулам

41.Определяем величину теплового потока между катушкой и сердечником

42.Определяем тепловое сопротивление катушки от максимально нагретой области до гильзы (каркаса)

X

43.Определяем максимальное превышение температуры катушки и среднее превышение температуры обмотки.

Так как тепловой поток направлен от сердечника (x<0) к катушке и максимально нагретая область находиться на гильзе (каркасе), поэтому необходимо определить тепловой поток катушка-сердечник по формуле :

Так как найденное значение получилось меньше нуля, значит доля теплового потока возникающая в сердечнике, которая будет излучаться в окружающую среду через катушку, может быть определена по формуле:

Максимальное превышение температуры катушки в данном случае определяется по формуле:

Найдем среднее превышение температуры по формуле:

44.Оценка результатов расчета перегрева Во избежание грубых ошибок при расчете максимальной температуры необходимо найти приближенное значение максимальной температуры перегрева по формуле:

сумарные потери меди в обмотках;

суммарные потери в стали сердечника;

перепад температуры от внутренних слоев обмоток к наружным, который для пропитанных лаком катушек принимаем равным

удельный коэффициент теплоотдачи ;

открытая поверхность обмоток трансформатора;

открытая поверхность сердечника трансформатора;

Так как максимальная температура перегрева, а по приближенной, следовательно при выполнении теплового расчета трансформатора не допущено грубых ошибок.

45.Максимальная температура обмотки темепература окружающей среды;

Поскольку максимальная температура при расчете с заданным ограничением по превышению температуры не укладывается в заданные пределы.

Определение КПД трансформатора и выбор проводов для выводов обмоток

46.Определение КПД трансформатора КПД трансформатора определяется по формуле:

Используемая литература

1. Тихомиров П. М. (Расчет трансформаторов) «Энергия» Москва 1976 г.

2. Подольский Д. С. (Расчет и конструирование низковольтной аппаратуры) Москва 1975 г.

3. Копылов И. П. (Электрические машины) Москва Энэргомиздат 1986г

4. Винокуров В. А. Попов Д.А. (Электрические машины ЖД транспорта) Москва «Транспорт» 1986 г.