Трансформатор для вторичных источников питания: Учебное пособие

ÌÈÍÈÑÒÅÐÑÒÂÎ ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈß ÐÎÑÑÈÉÑÊÎÉ ÔÅÄÅÐÀÖÈÈ

Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò àýðîêîñìè÷åñêîãî ïðèáîðîñòðîåíèÿ

А. А. Мартынов

ТРАНСФОРМАТОР ДЛЯ ВТОРИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ Учебное пособие

Ñàíêò-Ïåòåðáóðã 2001

УДК 621.314.22.001.24 ББК 32.844 М29

Мартынов А. А. М29 Трансформатор для вторичных источников питания. Учеб. пособие / СПбГУАП. СПб., 2001. 50 с.

Учебное пособие содержит методику выполнения курсового проекта по трансформаторам для вторичных источников питания, а также справочные материалы, необходимые для проектирования трансформаторов. Предназначено для студентов специальностей 210300, 210100 и 180100. Рецензенты: кафедра электротехники и автоматизированного электропривода Санкт-Петербургского государственного университета растительных полимеров; кандидат технических наук доцент В. Ф. Шишлаков Óòâåðæäåíî ðåäàêöèîííî-èçäàòåëüñêèì ñîâåòîì óíèâåðñèòåòà â êà÷åñòâå ó÷åáíîãî ïîñîáèÿ

Учебное издание Мартынов Александр Александрович

ТРАНСФОРМАТОР ДЛЯ ВТОРИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ Учебное пособие Редактор А. В. Семенчук Компьютерная верстка А. Н. Колешко Лицензия ЛР №020341 от 07.05.97. Сдано в набор 19.04.01. Подписано к печати 24.05.01. Формат 60×84 1/16. Бумага тип. №3. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,79. Усл. кр.-отт. 2,99. Уч. -изд. л. 3,0. Тираж 100 экз. Заказ № Редакционно-издательский отдел Лаборатория компьютерно-издательских технологий Отдел оперативной полиграфии СПбГУАП 190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 67

2

©

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, 2001

©

А. А. Мартынов, 2001

ПРЕДИСЛОВИЕ В многочисленных современных устройствах автоматики получили широкое распространение однофазные и трехфазные силовые трансформаторы мощностью от единиц Вт до 10 кВт. Потребности любой промышленности развитой страны в таких трансформаторах огромны. При организации массового производства и выпуска этих трансформаторов возникает задача оптимального их проектирования для получения технически и экономически обоснованных рациональных габаритных, весовых и других показателей. Понятие оптимальности трансформатора малой мощности обычно определяется в зависимости от назначения этого трансформатора и характеризуется наивыгоднейшими технико-экономическими показателями: удельными массогабаритными показателями, надежностью и стоимостью. Под надежностью трансформатора понимается способность его безотказно работать с неизменными техническими характеристиками в течение заданного времени и при определенных условиях эксплуатации. Проблема оптимального проектирования силового трансформатора малой мощности в принципе сводится к поиску минимальных значений удельного веса, удельного объема или удельной стоимости при заданных параметрах и условиях применения трансформатора. Учебное пособие предназначено для студентов, изучающих курс “Электрические машины” в рамках специальностей “Автоматика и управление”, “Автоматизация технологических процессов”, “Роботы и робототехнические системы”, “Электромеханика”.

3

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ И УЧЕБНЫЕ ПОСОБИЯ Задание на курсовой проект выдается руководителем проекта. Задание (Прил. 1) содержит основные данные проектируемого трансформатора: мощность, число фаз, число обмоток, напряжения обмоток, частота питающей сети. Помимо этого в задании указываются особые требования к проектируемому трансформатору, а именно: минимум стоимости или минимум массы. Основными пособиями при проектировании силовых трансформаторов малой мощности являются [1, 2]. Однако для полноты проработки материала необходимо использовать также и другие источники. Так, дополнительную справочную информацию по электроизоляционным и магнитным материалам, а также по правилам оформления конструкторской документации, можно получить в [3]. Особенности проектирования трансформаторов большой мощности следует изучить в [4].

4

2. МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ МАЛОЙ МОЩНОСТИ 2.1. Магнитные материалы Сердечники трансформаторов изготавливаются из магнитного материала – специальной электротехнической стали. Она отличается от обычной конструкционной стали более высокой магнитной проницаемостью и низкими удельными потерями в единице объема. Потери в электротехнической стали меньше потому, что у нее более высокое удельное электрическое сопротивление вследствие повышенного содержания кремния. Сердечники трансформаторов либо шихтуются, т.е. набираются из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, либо навиваются из ленты электротехнической стали. В первом случае магнитопровод называется шихтованным, а во втором – ленточным. Существует несколько марок электротехнической стали, используемой при изготовлении сердечников трансформаторов. Ранее применялось горячекатаная изотропная сталь, а в настоящее время почти исключительно – холоднокатаная анизотропная сталь. Изотропная сталь имеет одинаковые магнитные свойства как вдоль, так и поперек направления прокатки, а анизотропная имеет магнитную проницаемость в направлении прокатки выше, чем поперек. В целом у холоднокатаных сталей магнитная проницаемость в направлении прокатки выше, чем у горячекатаных, а удельные потери меньше. Основные свойства различных марок электротехнических сталей регламентируются ГОСТ 21427.1-75 – 21427.3-75. Из горячекатаных марок электротехнической стали при изготовлении сердечников трансформаторов применяются марки 1511; 1512; 1513; 1514; а из холоднокатаных – марки 3411; 3412; 3413; 3414; 3415; 3416. Марки сталей электротехнических расшифровываются следующим образом: 5

Первая цифра – вид прокатки, структурное состояние (1 – горячекатаная изотропная; 2 – холоднокатаная изотропная; 3 – холоднокатаная анизотропная). Вторая цифра – содержание кремния (0 – до 0,4%; 1 – от 0,4 до 0,8 %; 2 – от 0,8 до 1,8 %; 3 – от 1,8 до 2,8 %; 4 – от 2,8 до 3,8%; 5 – от 3,8 до 4,8%). Третья цифра – группа по основной нормируемой характеристике (0 – удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл на частоте 50 Гц; 1 – удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл на частоте 50 Гц; 2 – удельные потери при магнитной индукции 1 Тл на частоте 400 Гц). Четвертая цифра – порядковый номер типа стали. На рис. 1 приведена зависимость амплитуды индукции от действующего значения напряженности поля холоднокатаных и горячекатаных сталей, а на рис. 2 приведена зависимость удельных потерь от амплитуды магнитной индукции холоднокатаных и горячекатанных сталей. Для изготовления ленточных магнитопроводов трансформаторов малой мощности применяются стали марок 1511, 1512, 1513, 2411, 3421, 3422 и др., а также железоникелевые сплавы марок 50 Н, 50 НП, 80 НХС, 79 НМ, 777 НМД и др. Bmax, Тл 1,5 1,0 0,5

0

kс, Вт/кг

3411 3412, 3413

1513 1512 1511

2

1511 1512 1513

1

20 40 60 80 100 500 H, А/м 0

Рис. 1. Зависимость амплитуды индукции от действующего значения напряженности поля

0,5

1,0

3411 3412 3413 Bmax, Тл 1,5

Рис. 2. Зависимость удельных потерь от амплитуды магнитной индукции

Железоникелевые сплавы по сравнению с электротехническими сталями имеют более высокую магнитную проницаемость и меньшие удельные потери. Благодаря этому железоникелевые сплавы более предпочтительны для трансформаторов, работающих на частоте выше 400 Гц. 6

Отметим и недостаток железоникелевых сплавов – высокую чувствительность свойств к механическим напряжениям. Все требуемые для выполнения курсового проекта магнитные характеристики материала сердечника трансформатора приведены в [1] и [3]. 2.2. Электроизоляционные материалы От правильного выбора электроизоляционных материалов во многом зависит надежность трансформатора. По теплостойкости электроизоляционные материалы разделяются по ГОСТ на семь классов. Для каждого класса изоляции установлена предельно допустимая температура в °С. Указанные пределы температур устанавливаются исходя из обеспечения срока службы трансформатора, равного 15–20 годам. Превышение предельных температур приводит к резкому уменьшению срока службы трансформатора. Класс У – непропитанные и непогруженные в жидкий электроизоляционный материал хлопчатобумажные ткани и волокнистые материалы из целлюлозы и шелка (+ 90°С). Класс А – материалы класса У, пропитанные или погруженные в жидкий электроизоляционный материал (+ 105°С). В трансформаторах используется кабельная бумага марки К, телефонная бумага марки КТН, лакоткань на хлопчатобумажной основе ЛХ и на шелковой основе ЛШ и ЛШС, картон электроизоляционный марки ЭВ, маслянобитумный лак № 447 для пропитки обмоток, компаунд для обволакивания обмоток марки МБК, изоляция эмальпроводов. Класс Е – некоторые синтетические и органические пленки (+ 120°С). Материалы этого класса изоляции – это пленки лавсана, синтетические смолы и компаунды, изоляция эмальпроводов и др. Класс В – материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемыми с органическими связующими и пропитывающими составами, допускающими температуру до 130°С. В трансформаторах применяются следующие материалы этого класса: лакоткань стеклянная марки ЛСБ и марки ЛСК, стеклоткань марки ЛКСЛ, стеклотекстолит марки СТ для корпусной изоляции обмоток, эпоксидные компаунды марки ЭД-5 и ЭД-37. Класс F – материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с синтетическими и пропитывающими со7

ставами, допускающими температуру до +155°С. К материалам этого класса относится стеклоткань марки ЛКСЛ, стеклотекстолит марки СТ для литых каркасов катушек. Класс Н – материалы на основе слюды асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с кремнийорганическими связующими и пропитывающими составами (+180°С). К материалам этого класса относятся: стеклоткань марки ЛСК, стекломикалента марки ГФС, кремнийорганические лаки марки К-47, К-57. Класс С – слюда, керамические материалы, стекло, кварц, применяемые без связующих составов с неорганическими или элементоорганическими связующими составами, а также другие, соответствующие данному классу материалы (более +180°С). Этот класс материалов находит применение в теплостойких трансформаторах. К таким материалам относятся: пленка фторопласта-4, К-41 для изготовления каркасов катушек. Изоляция обмоток подразделяется на корпусную, слоевую, межобмоточную и наружную. Корпусная изоляция выполняется при помощи каркасов или гильз. Корпусная изоляция выполняет также и функцию конструктивной основы катушек, несущих обмотку. Каркасы и гильзы изготавливаются из электротехнического картона толщиной 0,3–2 мм, гетинакса или изоляционных прессованных бумаг (Прил. № 3). Слоевая изоляция прокладывается при намотке катушки через каждый слой или через несколько слоев. В качестве изоляции используются: бумага, тканевые материалы, синтетические пленки толщиной в сотые доли миллиметра, например ЛШС (Прил. № 4). Межобмоточная изоляция выполняется аналогично слоевой, но укладывается в несколько слоев в зависимости от испытательного напряжения между обмотками. Обычно для этой цели используются: кабельная бумага марок К-08, К-12 или конденсаторная марки КТН, а для пропитываемых обмоток намоточная или пропиточная бумага марки ЭИП. Наружная изоляция служит для защиты трансформаторов от механических повреждений и воздействий внешней среды. Наружная изоляция трансформаторов достигается его герметизацией или заливкой катушек термоактивным компаундом. Пропитка обмоток компаундами применяется с целью повышения электрических свойств обмоток, их влагостойкости и теплопроводности. 8

2.3. Обмоточные провода Для изготовления обмоточных катушек трансформаторов применяется электротехническая медь, а также алюминий. Медь обладает хорошей электропроводимостью, достаточной стойкостью к коррозии, прочностью и пластичностью, хорошо паяется и сваривается. Для изготовления обмоточных проводов применяется мягкая отожженая медь марки ММ. Удельный вес меди 8,8 г/см3, удельное сопротивление – 0,0175 Ом мм2/м. Характеристики медных проводов приведены в Прил. 5. Алюминий также обладает хорошей электропроводностью, он в три раза легче меди. Удельный вес алюминия 2,7 г/см3, удельное электрическое сопротивление – 0,028 Ом мм2/м. Алюминиевые обмоточные провода выпускаются эмалированными (марки ПЭВА и ПЭЛРА). По нагревостойкости эти марки относятся к классу А или Е. Круглые медные провода выпускаются различных марок по нагревостойкости. ПЭЛ – провод эмалированный лакостойкий, по нагревостойкости относится к классу А, находит широкое применение в трансформаторах массового назначения. ПЭВ-1, ПЭВ-2 – провода с высокопрочной эмалированной изоляцией, применяются в трансформаторах с повышенной нагревостойкостью при отсутствии особых требований по надежности. Класс изоляции Е и В. ПЭТ – провод эмалированный, лакостойкий с повышенной теплостойкостью, по нагревостойкости относится к классу В. ПЭЛШО – провод изолированный лакостойкой эмалью и одним слоем обмотки из натурального шелка. ПБД – провод изолированный двумя словами обмотки из хлопчатобумажной ткани. Эти марки проводов по нагревостойкости относятся к классу А. ПЭТВ – провод эмалированный лакостойкий с высокой теплостойкостью, по нагревостойкости относится к классу Н. ПЭФ-2 – провод изолированный фторопластовой эмалью в два слоя, по нагревостойкости относится к классу С. ПЭВТЛ – провод, изолированный полиуретановым лаком (класс Е). Провода этой марки обладают способностью покрываться слоем олова без зачистки эмали и применения флюсов. ПСДКТ – провода особо теплостойкие с утоненной двухслойной обмоткой из стекловолокна. По нагревостойкости эти провода могут ис9

пользоваться длительно при рабочей температуре до 300°С. Наибольшей нагревостойкостью обладают провода со стеклоэмалевой изоляцией марок ПЭЖБ (до 400°С) и ПОЖ (до 600°С). Характеристики медных обмоточных проводов прямоугольного сечения приведены в Прил. 6. Указания по применению проводов перечисленных выше марок и электроизоляционных проводов приведены в Прил. 7. 2.4. Магнитопроводы Магнитопроводы силовых трансформаторов малой мощности могут быть шихтованными и ленточными. Шихтованные магнитопроводы шихтуются (набираются) из штампованных пластин Ш-, П-, О-, и Т-образной формы. Из этих пластин выполняют следующие типы магнитоповодов соответственно: – броневой (Ш-образный); – стрежневой (П-образный); – тороидальный (О-образный); – трехфазный (Т-образный). В пластинах для стяжки в пакет предусматриваются отверстия для пропуска шпилек. Ленточные магнитопроводы позволяют снизить вес и габарит трансформаторов, в большей мере автоматизировать процесс изготовления трансформаторов, снизить стоимость их. В этих трансформаторах более полно используется материал сердечника за счет ориентирования магнитной структуры в направлении прокатки электротехнической стали. Типы ленточных магнитопроводов: – броневой (ШЛ-образный); – стержневой (ПЛ-образный); – тороидальный (ОЛ-образный); – трехфазный (ТЛ-образный). Ленточные магнитопроводы бывают разъемные и неразъемные. Наибольшее распространение получили разъемные магнитопроводы, поскольку такая конструкция позволяет изготавливать катушки отдельно, а затем устанавливать их на сердечнике трансформатора. Одним из недостатков трансформаторов с разъемным магнитопроводом является наличие воздушного зазора величиной 5 – 40 мк, что приводит к росту намагничивающего тока. Размеры ленточных магнитопроводов типа ШЛ приведены в Прил. 8, магнитопроводов типа ПЛ – в Прил. 9, а типа ОЛ – в Прил. 10. 10

3. УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ОТДЕЛЬНЫХ РАЗДЕЛОВ ПРОЕКТА 3.1. Определение токов трансформатора Расчет трансформатора представляет собой математически неопределенную задачу со многими решениями, так как число определяемых неизвестных больше числа уравнений, связывающих их. Вследствие этого на начальном этапе проектирования приходится задаваться определенными значениями некоторых электромагнитных и конструктивных величин, базируясь на рекомендациях, полученных в процессе проектирования трансформаторов подобного класса. На последующих этапах расчета трансформатора следует выполнять проверки с целью уточнения соответствия значений параметров, принятых в начале проектирования, значениям этих же параметров, полученных в процессе проектирования. Если итоговое значение параметра расходится от значения этого параметра, принятого в первом приближении, более чем на 10 %, то необходимо провести повторный расчет, приняв новое, уточненное значение этого параметра. Токи вторичных обмоток определяются достаточно легко I2 =

S2 S ; I3 = 3 . U2 U3

(1)

Ток же первичной обмотки трансформатора определяется в первом приближении по формуле Il =

P ⋅ 100 , m1U1фη% cos ϕ1

(2)

где Р – суммарная активная мощность вторичных обмоток; η% – коэффициент полезного действия трансформатора, %; cos ϕ1 – коэффициент мощности трансформатора со стороны первичной обмотки. 11

Поскольку трансформатор еще не рассчитан и η неизвестен, то на этой стадии расчет необходимо задать величину η. По кривой η=f(Р), приведенной на рис. 3, можно определить величину η в первом приближении. Величина cos ϕ1 также неизвестна на этой стадии расчета, поэтому cos ϕ1 определяется также в первом приближении по формуле cos ϕ1 =

I1a 2 2 I1a + I1p

,

(3)

где I1a – активная составляющая тока первичной обмотки; I1р – реактивная составляющая тока первичной обмотки. При определении I1р необхо∆U% η% Iµ% димо учитывать, что I1р следует определить как сумму тока наη%= f(P) магничивания трансформатора 80 Iµ и реактивной составляющей нагрузки, приведенной к первичной обмотке. Величиной тока Iµ также сле40 дует задаться на этом этапе расIµ%= f(P) чета. Для этого следует восполь∆U%= f(P) зоваться кривой Iµ%= f(Р), приведенной на рис. 3. Величина 0 200 400 P, ВА Iµ% = (Iµ/I1a)⋅100%. Следует отРис. 3. Ориентировочные значения метить, что эта зависимость со∆U%, η%, Iµ% в зависимости ответствует активно-индуктивот мощности нагрузки ному характеру нагрузки. В слутрансформатора чае же чисто активной нагрузки величина Iµ может быть принята выше примерно в 1,3–1,5 раза. 3.2. Выбор индукции в стержне и ярме сердечника трансформатора Величина индукции определяет значение тока намагничивания – чем выше принятое значение В, тем больше величина тока намагничивания Iµ (рис. 1). Поэтому допустимая величина индукции в стержне и ярме сердечника трансформатора определяется выбранным значением Iµ%, 12

маркой материала, числом стыков в сердечника, а также мощностью трансформатора и частотой питающего напряжения. Индукция в сердечнике трансформатора с ленточным разъемным магнитопроводом из холоднокатаной электротехнической стали может быть принята в пределах 1,1–1,3 Тл при частоте напряжения 50 Гц. В силовых трансформаторах повышенной частоты (400 Гц и выше) величина индукции в сердечнике определяется величиной потерь и нагревом его. В этом случае индукция выбирается в пределах 0,5–0,65 Тл. 3.3. Выбор плотности тока в проводах обмоток трансформатора От выбранной величины плотности тока в проводах обмоток зависит величина потерь мощности, коэффициент полезного действия, масса и стоимость трансформатора. Чем выше плотность тока в обмотках, тем больше потери, выше нагрев, ниже коэффициент полезного действия, меньше масса и стоимость трансформатора. В трансформаторах мощностью свыше 100 и до 1000 ВА плотность тока для медных проводов может быть выбрана в пределах 2<j<3,5 A/мм2. Причем, меньшее значение плотности тока соответствует трансформаторам большой мощности. Для алюминиевых проводов плотность тока следует выбирать примерно в 1,5 раза меньше, чем для медных. 3.4. Определение поперечного сечения стержня и ярма сердечника трансформатора У трансформаторов стержневого типа с шихтованным магнитопроводом сечение ярма составляет (1,0–1,15) сечения стержня, а у трансформатора броневого типа (1,0–1,15)/2=0,5–0,57 сечения стержня. У трансформаторов с ленточным магнитопроводом сечение ярма равно сечению стержня для трансформатора стержневого типа, а для броневого типа – половине сечения стержня. Активная площадь поперечного сечения стержня силового трансформатора малой мощности S/c определяется по формуле Sc/ = C

S1α102 , f1Bc j

(4)

где S1 – потребляемая трансформатором полная мощность, ВА; α=Gc/Gk – отношение массы стали к массе материала обмоток (определено тре13

бованиями задания); f1– заданное значение частоты питающего напряжения. Значение Вс берется из п. 3.2, а плотность тока j из п. 3.3. Постоянный коэффициент C для трансформаторов с медными обмотками может быть приближенно принят: – для однофазных трансформаторов стержневого типа C = 0,5; – для однофазных трансформаторов броневого типа C = 0,7; – для трехфазных трансформаторов стержневого типа C = 0,37. Для трансформаторов с алюминиевыми обмотками коэффициент C следует принимать в два раза меньшим, чем для трансформаторов с медными проводами. Геометрические поперечные сечения стержня Sc и ярма Sя сердечника определяются с учетом коэффициента заполнения стали k/з Sс =

S с′ S′ ; Sя = я . kз′ kз′

Значения k/з приведены в п. 3.12. По величине активной площади сечения магнитопровода S/ выбирается сердечник ленточного магнитопровода (Прил. 8, 9, 10). В таблицах этих приложений приведены ориентировочные мощности трансформатора для каждой марки магнитопровода. Этой информацией следует воспользоваться для проверки правильности расчета площади сечения сердечника трансформатора. Таким образом, выбрав марку магнитопровода, устанавливаем размеры магнитопровода, указанные в Прил. 8, 9, 10. Для трансформаторов с шихтованным магнитопроводом размеры магнитопровода следует рассчитать. Для стержня, имеющего квадратное сечение, ширина стержня a и толщина b равны между собой и определяются по формуле а = b = Sс .

При прямоугольной форме сечения сердечника b = (1,2–1,8)a Sя высота ярма hя = , см. b Рекомендуется выбирать ближайшую стандартную Ш-образную пластину по нормали СТ-360А, НО.666.000 или НО.010.005 [1]. 14

3.5. Определение числа витков обмоток трансформатора Число витков первичной обмотки в первом приближении W/1 можно определить ∆U %U1N  4   U1N −  ⋅ 10 200   W1′ = , 4,44 f1Bc′ Sc′

(5)

∆U ∆U %U1N = – падение напряжения в первичной обмотке. 2 200 Величина ∆U% определяется из графика ∆U%= f (Р), приведенном на рис. 3. Напряжение на один виток обмотки при нагрузке

где

′ = eW

E1 , В/вит. W1′

Число витков вторичных обмоток W/2 и W/3 определяются по формулам:

W2′ =

W3′ =

U2N +

U 3N +

∆U %U 2 N 200 ; ′ eW ∆U %U 3N 200 . ′ eW

Число витков обмотки низшего напряжения, например W/2, округляются до ближайшего целого числа с соответствующим пересчетом числа вольт на виток eW, чисел витков в других обмотках и величины индукции в стержне сердечника трансформатора W2′ ; W2′ W′ ′ 2 , В/вит.; eW = eW W2′ W′ Wi = Wi′ 2 , W2′ Bc = Bc′

где i – номер обмотки. 15

3.6. Определение сечения и диаметра проводов обмоток Предварительное значение поперечных сечений проводов обмоток qi′ определяется по формуле I qi′ = i . ji′ Окончательные значения поперечных сечений qi и параметров проводов выбираются ближайшими из Прил. 5 и 6 и после этого уточняются плотности тока в обмотках ji =

Ii , А/мм2 . qi

3.7. Выбор изоляции проводов обмоток Выбор класса изоляции проводов производят в зависимости от области применения, условий работы, а также от теплового режима (п. 2.2) 3.8. Определение высоты и ширины окна сердечника трансформатора Форма окна сердечника трансформатора оказывает существенное влияние на величину тока намагничивания Iµ, размеры и вес трансформатора. Увеличение высоты сердечника приводит к увеличению намагничивающей силы, необходимой для проведения потока по магнитопроводу. Оптимальное отношение высоты окна к его ширине лежит в пределах от 2 до 3. Площадь сечения окна сердечника должны удовлетворять условию q1W1 + q2W2 + q3W3 ≤ Sок , см 2 , 100kок

(6)

где kок – коэффициент заполнения окна; q – сечение проводников без изоляции, мм2. Для силовых трансформаторов малой мощности kок выбирается в пределах от 0,2 до 0,4. Для трансформаторов с ленточным магнитопроводом размеры окна уже установлены при выборе марки магнитопровода (п. 3.4). Для трансформатора с шихтованным магнитопроводом высота окна сердечника h определяется по формуле h = kS , h где k = = 2 − 3 ; c – ширина окна сердечника. c

16

3.9. Укладка обмоток на стержнях и уточнение размеров окна трансформатора При укладке обмоток трансформатора следует руководствоваться правилом – обмотку с более высоким напряжением следует размещать на стержне первой, так как она имеет наибольшее число витков при наименьшем сечении провода. Соблюдение этого правила позволит уменьшить стоимость трансформатора, так как чем меньше сечение провода, тем он дороже. При укладке обмоток необходимо выполнение условия размещения обмоток в окне сердечника. Для однофазного трансформатора с одной прямоугольной катушкой: c = k2(ε0+δ1+δ12+δ2+δ23+δ3)+ε3,

(7)

где c – ширина окна сердечника; ε0 =1,0–2,0 мм – толщина изоляции между катушкой и стержнем; ε3 =3–5 мм – расстояние от катушки до второго стержня (это воздушный промежуток); δ1,δ2,δ3 – толщина соответствующих обмоток в миллиметрах; δ12,δ23 – толщина изоляции между обмотками, каждая из них выбирается равной 1 мм; k2 =1,2–1,3 – коэффициент увеличения катушки за счет неплотностей прилегания слоев, в результате чего катушка приобретает овальную форму. Ширина окна сердечника однофазного трансформатора с одной круглой катушкой (8) c = ε0+ε2+δ1+δ12+δ2+δ23+δ3+ε3, D −a – зазор от стержня до катушки; где ε2 = 0 2 D0 = a 2 + b2 ;

(9)

D0 – внутренний диаметр изоляционного цилиндра между стержнем и катушкой. Толщина любой обмотки δi определяется произведением толщины слоя этой обмотки ∆i на число слоев mi δi = ∆i mi; ∆i =din+γi; din – диаметр провода i-й обмотки с изоляцией; γi – толщина изоляционной прокладки между слоями i-й обмотки; γi ≈ 0,06 мм; mi =

Wi – ni

17

h − 2ε1 – d in число витков в одном слое i-й обмотки; ε1= 2–5 мм – толщина изоляции между катушкой и ярмом.

целое число округляется в сторону большего значения; ni ≈ 0,9

3.10. Масса материала обмоток Масса i-й обмотки из меди (10) Gki= 8,8WiqilWi⋅10–3 кг; lWi – средняя длина витка катушки i-й обмотки. Для круглых катушек обмоток lWi = πdi , di – средний диаметр катушки i-й обмотки. Для расчета lWi рекомендуется нарисовать эскиз размещения обмоток в катушке с учетом толщины изоляционных прокладок. 3.11. Электрические потери в обмотках трансформатора Для обмоток из меди Pэл = 2,4

3

 1 + 0,004 (θ − 20 )   Вт, 1,22 

∑ jiGki  i =1

(11)

где θ – рабочая температура трансформатора. Для алюминиевой обмотки коэффициент 2,4 следует заменить на 1,32. 3.12. Масса материала сердечника трансформатора Для трансформаторов с ленточным магнитопроводом масса выбранного сердечника приведена в Прил. 8, 9, 10. Для трансформаторов с шихтованным магнитопроводом необходимо сначала определить объем стали сердечника трансформатора V/c, а затем рассчитать его массу V/c = k/зVc, где k/з – коэффициент заполнения стали сердечника трансформатора; Vc – геометрический объем сердечника. Для шихтованного магнитопровода k/з зависит от толщины листа δл. При δл= 0,5 k/з= 0,92; δл= 0,35 k/з= 0,86; δл= 0,2 k/з= 0,76; δл= 0,1 k/з= 0,65. Изоляция между листами – лак Gс/ = 7,6Vс/ ⋅ 10−3 , кг.

18

(12)

3.13. Магнитные потери в сердечнике трансформатора 1,3

 f  Pс = kс Bс2  1  Gс′ , Вт,  50 

(13)

где kc – удельные магнитные потери в стали сердечника (рис. 2) 3.14. Определение тока холостого хода трансформатора Пренебрегая потерями в стали трансформатора, считаем, что ток холостого хода трансформатора равен току намагничивания. Ток намагничивания определяем из соотношения 2 I µW1 =

∑ ( H ст Lст + H я Lя ) + 0,8Bnδэ104 ,

(14)

где 2I µW1 – намагничивающая сила, необходимая для создания потока Ф; Hст, Hя – напряженность магнитного поля в стержне и ярме сердечника трансформатора. Для трансформатора с ленточным магнитопроводом Hст= Hя; Lст,Lя – средняя длина пути магнитного потока в стержнях и ярме трансформатора; δэ – величина эквивалентного воздушного зазора в сердечнике трансформатора; n – число зазоров в сердечнике. Для трансформаторов с шихтованным магнитопроводом δэ ≈ 0,004 см, а для трансформаторов с ленточным магнитопроводом δэ = 0,0005– 0,004 см. 3.15. Коэффициент полезного действия трансформатора При номинальной нагрузке η=

P ⋅ 100%, P + Pэл + Pс

(15)

3.16. Активные падения напряжения и сопротивление обмоток трансформатора Относительное активное падение напряжения в любой i-й обмотке eai % =

Pэл i Ui Ii

100,

где Pэлi – электрические потери в i-й обмотке определяются, как соответствующая i составляющая по формуле (11). 19

Активные сопротивления обмоток определяются по известным электрическим потерям в i-й обмотке и ее току Ii ri =

Pэлi , Oм. I i2

Активное сопротивление короткого замыкания rк12 = r1 + r2/ , Ом; rк13 = r1 + r3/ , Ом.

3.17. Индуктивные падения напряжения и сопротивления обмоток трансформатора Относительные индуктивные падения напряжения пар трехобмоточного трансформатора, отнесенные к мощности первичной обмотки, при расположении первичной обмотки на стержне первой 4 f1 ( I1W1lW 1 + I 2W2lW 2

еS12% =

S1 )δ S12 ⋅ 10−6 S2

;

S1 )δ S13 ⋅ 10−6 S3

,

eW h

еS13% =

4 f1 ( I1W1lW 1 + I 3W3lW 3 eW h

где lW1, lW2, lW3 – средняя длина витка первичной и вторичных обмоток соответственно; S1, S2, S3 – полные мощности обмоток первичной и вторичных соответственно; δ S12 = δ12 +

δ1 + δ2 ; 3

δ S13 = δ12 + δ2 + δ23 +

δ1 + δ3 ; 3

h – высота стержня сердечника; eW – напряжение, приходящее на один виток обмотки, принятое после уточнения,выполненного в п. 3.5. 20

Необходимо определить также и индуктивные падения напряжения отдельных обмоток многообмоточного трансформатора: – пара обмоток W1 и W2

eS1% =

4 f1I1W1lW 1δ S12 ⋅ 10−6 , eW h

eS 2% = eS12% − eS1% ; – пара обмоток W1 и W3

eS′ 1% =

4 f1I1W1lW 1δ S13 ⋅ 10−6 eW h

eS 3% = eS13% − eS′ 1% .

Индуктивные сопротивления короткого замыкания пар обмоток xk12 = x1 + x2′ , Ом; xk 13 = x1 + x3′ , Ом.

3.18. Полные сопротивления и напряжения короткого замыкания обмоток трансформатора Полное сопротивление короткого замыкания двухобмоточного трансформатора

zk = rk2 + xk2 , Ом. Полные сопротивления короткого замыкания многообмоточного трансформатора определяются отдельно для каждой пары обмоток (первичная + одна из вторичных): zk12; zk13. Напряжения короткого замыкания определяются для каждой из этих пар по формулам ek12% =

zk 12 I1 ⋅ 100; U1

ek 13% =

zk 13 I1 ⋅ 100. U1

21

3.19. Изменение напряжения при нагрузке Для трансформаторов с током намагничивания более 20% изменение напряжения при нагрузке следует рассчитывать по формулам ∆U12% = ea1% cos ϕ1 + ea 2 % cos ϕ2 + es1% sin ϕ1 + es 2 % sin ϕ2 ; ∆U13% = ea1% cos ϕ1 + ea 3% cos ϕ3 + es1% sin ϕ1 + es 3% sin ϕ3.

Проверка. Полученные значения ∆U12% и ∆U13% следует сравнить со значением ∆U%, принятом в первом приближении в п. 3.5. Если расхождение сравниваемых величин превышает от 10 до 15 %, то необходимо провести уточняющий расчет, приняв новое значение ∆U%. Расчет напряжения на зажимах вторичных обмоток при номинальной нагрузке U 2 = U1

W2  ∆U12%  1 − ; 100  W1 

U 3 = U1

W3  ∆U13%  1 − . 100  W1 

Проверка. Сравните полученные значения напряжений U2 и U3 со значениями U2 и U3, указанными в задании. Если рассчитанные значения U2 и U3 меньше заданных значений U2 и U3 или рассчитанные значения больше заданных на 10%, то необходимо провести уточняющий расчет с целью корректировки ∆U12% и ∆U13%. 3.20. Проверка трансформатора на нагревание Превышение температуры обмоток и сердечника трансформатора над температурой окружающей среды можно оценить приближенно Θ0 ≈

Pk + Pc + ∆Θ0 , λT ( Sоб + Sс )

где Pk – суммарные потери в обмотках трансформатора; Pc – магнитные потери в сердечнике; λт=(10–20)104 Вт/см2 – коэффициент теплоотдачи в окружающую среду с поверхности обмоток и сердечника трансформатора; ∆Θ0 = (10 − 15) 0 С – перепад температуры от внутренних слоев обмоток к наружным; Sс – открытая поверхность сер22

дечника трансформатора, см2; Sоб – открытая поверхность обмоток трансформатора, см2. Для расчета Sс и Sоб целесообразно предварительно выполнить эскиз трансформатора, проставить размеры, а затем определить Sс и Sоб. Температура обмотки Θоб равна сумме Θ° и заданной температуры окружающей среды Θ°об.с. Проверка: сравните рассчитанное значение Θоб с допустимой температурой изоляции обмоток, предусмотренной классом изоляции обмотки по нагревостойкости. Если рассчитанное значение Θоб больше допустимой температуры, то следует провести уточнение расчета, выбрав обмотку с изоляцией другого, более высокого класса. 3.21. Сводные данные расчета трансформатора В Прил. 11 приведен перечень данных, которые необходимо привести в пояснительной записке и проанализировать их с целью оценки степени соответствия спроектированного трансформатора требованиям задания. 3.22. Разработка конструкции трансформатора При разработке конструкции трансформатора следует воспользоваться рекомендациями, приведенными в [1], [2], [3]. Результатом разработки является чертеж общего вида трансформатора на общем листе формата 22 (594×420)мм. Чертеж выполняется карандашом. На чертеже должны быть проставлены габаритные размеры трансформатора. Чертеж должен быть выполнен в соответствии с правилами ЕСКД. В правом нижнем угле необходимо поместить угловой штамп, а над ним спецификацию, содержащую перечень основных деталей конструкции. 3.23. Указания к оформлению пояснительной записки Пояснительная записка должна быть выполнена на стандартных листах писчей бумаги формата 11 (297×210) мм и сброшюрована вместе с рисунками. Оборотная сторона листов не используется. На первой странице должно быть помещено задание на проект, выданное руководителем. Далее следует оглавление и текст записки. В конце записки помещается список используемой литературы, причем на каждую из приведенных в списке книг должна быть ссылка к тексту записки. 23

Страницы записки необходимо пронумеровать, рисунки выполнить на отдельных листах миллиметровой бумаги того же формата, что и листы писчей бумаги. Вся записка пишется чернилами или выполняется в машинописном варианте. Все расчеты необходимо проводить в системе СИ. 3.24. Защита проекта К защите допускаются проекты, проверенные и подписанные руководителем. В начале защиты студент делает сообщение о выполненной работе, в котором следует четко сформулировать поставленную задачу, отметить наиболее интересные конструктивные и расчетные решения, принятые в проекте, наибольшие трудности, возникшие при работе, и закончить выступление сравнением полученных данных трансформатора с заданием. После сообщения защищаемому могут быть заданы несколько вопросов, относящихся к спроектированному трансформатору, к теории, расчету и его конструкции. Чтобы правильно ответить на них, необходима серьезная подготовка к защите проекта. При защите студент может использовать пояснительную записку как справочный материал.

24

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Задание на проект трансформатора Назначение: трансформатор предназначен для работы в составе системы автоматизированного оборудования. 1. Число фаз m= 2. Номинальная полная (кажущаяся) мощность S2 = ВА ВА вторичных обмоток S3 = U1N = B 3. Номинальные напряжения на первичной (U1N) и U2N = B вторичных (U2N, U3N) обмотках B U3N = 4. Коэффициент мощности нагрузок вторичных обмоток cosϕ2 = cosϕ3 = Гц 5. Частота питающей сети f1 = Особые требования: 1 – минимум стоимости трансформатора или 2 – минимум массы трансформатора. Дополнительные требования. Тип исполнения – Тип охлаждения – °С Температура окружающей среды Θо.с= Выдано студенту ___________________ гр.________ Дата выдачи задания “ ____ ” ____________ ______ г. Срок защиты “ ___ ” ________________ ______ г. Руководитель _______________________________

25

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Объем и график выполнения основных разделов курсового проекта № пп.

Наименование разделов проекта

Объем раздела, %

1

Выбор основных параметров и размеров трансформатора

30

2

Определение массы активных материалов и КПД трансформатора

20

3

Расчет сопротивлений обмоток трансформатора и падения нап ряжения на них

10

4

Расчет изменения напряжения трансформатора при нагрузке и проверка трансформатора на нагрев

10

5

Выполнение чертежа общего вида трансформатора и оформление пояснительной записки

30

26

Сроки выполнения по неделям семестра

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Картон изоляционный марки ЭВ Наименование показателей

Нормы

Толщина, мм

0,1;0,15;0,2;0,3;0,4;0,5;1,0;1,25; 1,5;1,75; 2;2,5;3

Объемная масса при 10%-ной влажности для картона толщиной, г/см3: от 0,1 до 0,5 мм

1,15

от 1,5 до 1,5 мм

1,00

от 1,75 до 3,0 мм

0,95

Пробивная напряженность Uэф для картона толщиной, кВ/мм: от 0,1 до 0,3 мм

11

от 0,4 до 0,5 мм

10

от 1,0 до 2,0 мм

8

от 2,5 до 3,0 мм

7,5

Пробивная напряженность после одного перегиба в продольном направлении Uэф, для картона толщиной, кВ/мм: от 0,1 до 0,3 мм

6

от 0,4 до 0,5 мм

5

27

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Лакоткань электроизоляционная Марки лакоткани:хлопчатобумажные: ЛХ-1 нормальная, с повышенными электрическими свойствами, ЛХ-2 – нормальная, ЛХМ – маслостойкая, ЛХС – специальная; шелковые: ЛШ-1 – нормальная с повышенными электрическими свойствами, ЛШ2 – нормальная, ЛШС1 – специальная с повышенными диэлектрическими свойствами, ЛШС2 – специальная, ЛШС – специальная тонкая. Пробивное напряжение после выдержки 18 часов при темпертуре 20 ± 5°С и относительной влажности воздуха 65 ± 5 %, Uэф, кВ: Марка лакоткани

ЛХ1

ЛХ2

ЛШ1

ЛШ2

ЛХМ ЛХС ЛШС ЛШС1 ЛШС2

28

Толщина, мм

Uэф проб., кВ

0,15 0,17 0,20 0,24 0,15 0,17 0,20 0,24 0,30 0,10 0,15 0,8 0,10 0,12 0,15 0,17 0,20 0,24 0,17 0,20 0,04 0,05 0,06 0,12 0,12

4,2 4,8 5,6 6,7 3,3 3,7 4,4 5,2 5,6 5,0 7,5 2,7 3,6 4,3 5,4 5,1 6,1 7,7 4,7 5,0 0,3 1,0 2,0 7,6 6,5

ПРИЛОЖЕНИЕ5

2237 1846 1551 1321 1139 993 872 773 689 619 558 506 422 357 306 265 232 205 182 155 133 115 101

0,12 0,13 0,14 0,15 0,16 0,18 0,19 0,20 0,21 0,22 0,23 0,24 0,26 0,28 0,31 0,33 0,35 0,37 0,39 0,42 0,45 0,48 0,51

0,125 0,135 0,145 0,155 0,165 0,18 0,19 0,20 0,21 0,22 0,23 0,24 0,27 0,29 0,31 0,33 0,35 0,37 0,39 0,42 0,45 0,48 0,51

0,12 0,13 0,14 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19 0,20 0,21 0,225 0,235 0,255 0,275 0,31 0,33 0,35 0,37 0,39 0,42 0,45 0,49 0,52

0,13 0,14 0,15 0,16 0,17 0,19 0,20 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 0,28 0,30 0,32 0,34 0,36 0,38 0,41 0,44 0,47 0,50 0,53

0,135 0,1345 0,145 0,145 0,155 0,154 0,165 0,167 0,175 0,185 0,185 0,193 0,195 0,206 0,205 0,217 0,215 0,226 0,225 0,236 0,24 0,247 0,25 0,258 0,27 0,28 0,29 0,312 0,33 0,334 0,35 0,354 0,37 0,368 0,39 0,40 0,41 0,419 0,44 0,45 0,47 0,483 0,51 0,515 0,54 0,55

ПЭЛР-2,ПЭВ-2, ПЭТВ, ПЭТВ-1 ПЭЛУ

ПЭЛР-1,ПЭВ-1 ПЭЛ

ПЭЛУ

ПЭЛР-2, ПЭВ-2 ПЭТВ, ПЭТВ-1

ПЭЛ

0,00785 0,00950 0,01131 0,01327 0,01539 0,01767 0,02011 0,02270 0,02545 0,02835 0,031432 0,03464 0,04155 0,04909 0,05726 0,066605 0,07548 0,08553 0,096221 0,1134 0,1320 0,1521 0,1735

ПЭВ-1

Сечение расчетное, мм 2

0,10 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19 0,20 0,21 0,23 0,25 0,27 0,29 0,31 0,33 0,35 0,38 0,41 0,44 0,47

Расчетный диаметр Диаметр провода с изоляцией, (с учетом коэффицимм ента укладки), мм

Сопротивление 1000 м провода, Ом ПЭЛР-1 (tр=105 ° С)

Диаметр по меди (без изоляци), мм

Провод без изоляции

0,14 0,15 0,159 0,172 0,191 0,204 0,217 0,228 0,236 0,47 0,258 0,269 0,301 0,322 0,334 0,365 0,376 0,41 0,44 0,472 0,505 0,538 0,57

Масса 1000 м провода ПЭВ-2, кг

Характеристики медных проводов

0,076 0,092 0,108 0,126 0,145 0,167 0,189 0,213 0,237 0,264 0,292 0,321 0,386 0,454 0,529 0,608 0,693 0,784 0,884 1,04 1,21 1,39 1,58

29

30

ПЭЛР-2, ПЭВ-2 ПЭТВ, ПЭТВ-1

ПЭЛУ

ПЭЛР-1,ПЭВ-1 ПЭЛ

ПЭЛР-2,ПЭВ-2, ПЭТВ, ПЭТВ-1 ПЭЛУ

0,53 0,56 0,58 0,60 0,64 0,69 0,74 0,80 0,83 0,86 0,92 0,99 1,08 1,16 1,20 1,24

ПЭЛ

93 85,9 79,5 73,7 64,1 54,5 46,9 40,7 37,6 34,8 30,1 25,8 22,4 19,1 17,8 16,6

ПЭВ-1

0,49 0,1886 0,51 0,2143 0,53 0,2206 0,55 0,23276 0,59 0,2734 0,64 0,3217 0,69 0,3739 0,74 0,4301 0,77 0,4657 0,80 0,5027 0,86 0,5809 0,93 0,6793 1,0 0,7854 1,08 0,9161 1,12 09852 1,16 1,057

Расчетный диаметр Диаметр провода с изоляцией, (с учетом коэффицимм ента укладки), мм

Сопротивление 1000 м провода, Ом ПЭЛР-1 (tр=105 ° С)

Сечение расчетное, мм 2

Диаметр по меди (без изоляци), мм

Провод без изоляции

0,53 0,56 0,58 0,60 0,64 0,69 0,74 0,80 0,83 0,86 0,92 0,99 1,08 1,16 1,20 1,24

0,54 0,56 0,58 0,60 0,64 0,69 0,74 0,80 0,83 0,86 0,92 0,99 1,08 1,16 1,20 1,24

0,55 0,58 0,60 0,62 0,66 0,72 0,77 0,83 0,86 0,89 0,95 1,02 1,11 1,19 1,23 1,27

0,56 0,58 0,60 0,62 0,66 0,71 0,76 0,83 0,86 0,89 0,95 1,02 1,11 1,19 1,23 1,27

0,57 0,60 0,623 0,645 0,69 0,737 0,798 0,86 0,89 0,925 0,99 1,07 1,16 1,25 1,29 1,34

0,59 0,622 0,645 0,665 0,71 0,77 0,83 0,89 0,93 0,957 1,02 1,1 1,19 1,28 1,32 1,37

Масса 1000 м провода ПЭВ-2, кг

Продолжение прил. 5

1,72 1,87 2,03 2,17 2,50 2,94 3,41 3,41 4,42 4,58 5,27 6,16 7,14 8,32 8,94 9,59

ПРИЛОЖЕНИЕ 6 Максимальная толщина изоляции обмоточных проводов ∆из.пр, мм

aпр

∆из.пр

bпр

aпр, мм

1,0

1,08–1,16

1,25–1,35 1,43–1,95

Провод ПБО

0,14

0,14

0,14

Провод ПБД

0,27

0,27

0,27

2,1–3,8

4,1–5,5

0,14

0,175

0,23

0,27

0,33

0,44

31

32

Продолжение прил. 6 Номинальные размеры aпр bпр, расчетные сечения меди обмоточной прямоугольной bпр

2,10 2,26 2,44 2,63 2,83 3,05 3,28 3,53 3,80 4,1 4,4 4,7 5,1 5,5 5,9 6,4 6,9 7,4

aпр 1,0

1,08

1,16

1,25

1,35

1,89 2,05 2,23 2,42 2,62 2,84 3,07 3,32 3,59 3,89 4,19 4,49 4,89 5,29 5,69 6,19 6,69 7,19

2,06 2,23 2,43 2,63 2,85 3,08 3,33 3,60 3,89 4,22 4,54 4,87 5,30 5,73 6,16 6,70 7,24 7,78

2,23 2,41 2,62 2,84 3,07 3,33 3,60 3,89 4,20 4,55 4,89 5,24 5,71 6,17 6,63 7,21 7,79 8,37

2,42 2,62 2,84 3,08 3,33 3,60 3,89 4,20 4,54 4,92 5,29 5,67 6,17 6,67 7,17 7,79 8,42 9,04

2,63 2,84 3,08 3,34 3,61 3,91 4,22 4,56 4,92 5,33 5,73 6,14 6,88 7,22 7,76 8,43 9,11 9,78

1,45

1,56

1,68

2,84 3,07 3,32 3,07 3,32 3,59 3,33 3,60 3,89 3,60 3,80 4,21 3,89 4,20 4,54 4,21 4,55 4,91 4,55 4,91 5,30 4,91 5,30 5,72 5,30 5,72 6,17 5,74 6,19 6,66 6,17 6,65 7,18 6,61 7,12 7,79 7,19 7,75 8,36 7,77 8,37 9,03 8,35 8,99 9,70 9,07 9,77 10,60 9,79 10,60 11,40 10,50 11,30 12,60

1,81

1,95

2,10

2,26

2,44

2,63

2,8

3,59 3,89 4,21 4,55 4,91 5,31 5,73 6,18 6,67 7,21 7,75 8,30 9,02 9,75 10,50 11,40 12,30 13,30

– – 4,55 4,92 5,31 5,74 6,19 6,67 7,20 7,79 8,37 8,96 9,74 10,50 11,30 12,30 13,30 14,20

3,92 – 4,64 5,04 5,46 5,93 6,41 6,93 7,50 8,13 8,76 9,36 10,20 11,10 11,90 12,90 14,00 15,00

– 4,63 – 5,48 5,92 6,41 6,93 7,50 8,11 8,79 9,46 10,10 11,00 11,90 12,80 14,00 15,10 16,20

– – 5,37 5,94 6,43 6,96 7,52 8,13 8,79 9,52 10,20 11,00 11,90 12,90 13,90 15,10 16,30 17,60

– – – 6,44 6,92 7,54 8,15 8,80 9,51 10,30 11,10 11,90 12,90 14,60 15,00 16,30 17,70 19,00

– – – – 7,53 8,15 8,80 9,51 10,30 11,10 12,60 12,90 13,90 15,00 16,20 17,60 19,00 20,90

ПРИЛОЖЕНИЕ 7 Рекомендации по применению марок проводов и электроизоляционных материалов Класс нагревостойкости

Марки Материалы и Межслойная и Допустимая провода наружная температура, обмоточных изоляции °С проводов для выводов

A

105

ПЭЛ, ПЭЛУ, ПБД, ПЭЛШО

E

120

ПЭВ, ПЭВП, ПЭЛР, ПЭВТЛ, ПЭВШО

Трубки линоксиновые лакированные; трубки ТЛС, МГШДЛ, МГЦЕЛ

–

Бумага: кабельная, телефонная, конденсаторная. Лакоткани: ЛХСМ, ЛШСЕ, ЛШС Пленка ПЭТФ

Материалы для каркасов катушек

Составы для пропитки

Покровные составы

Гетинакс классов В,Г, смола полиамидная № 68

Лакооснова 321-Т, лаки: 447-М; 458-М; ПФЛ-8В

Лак БТ-99, эмали ГФ-92-ХС и ГФ-92-ГС, лак БМК

Стеклоэлектролит; ВК-212; К-114-35ФКП М-15Т

Компаунды КГМС-1 и КГМС-2; пропиточный состав КП-24, лаки МЛ-92, ГФ-95, эпоксидные компаунды

Компаунды МБК с неорганическим наполнителем; лаки СБ-1с; МЛ-92; 976-1; ЭП-096

33

34

Продолжение прил. 7 Класс нагревостойкости

Марки Материалы и Межслойная и Допустимая провода наружная температура, обмоточных изоляции °С проводов для выводов

Материалы для каркасов катушек

B

130

ПДА, ПЭТСО, ПЭТВ, ПЭТВП

Лента стеклянная с соответствующей пропиткой

Стеклоткань К-211-34, и стеклолен- К-18-42 та с соответствующими составами

F

155

ПСД, ПСДТ, ПЭТКСО, ПЭТКСОТ

Лента стеклянная с соответствующей пропиткой Трубки ТКС, стеклолакочулки, стеклолента изоляционная липкая РКГМ

К-211-31

H

180

ПСДК

Составы для пропитки

Лак ФЛ-98

Покровные составы

Эпоксидные компаунды с неорганическим наполнителем, эмали ЭП-51, ОЭП-4171, Э-4020

Лаки ЭФ-3,К-47

–

Стеклолако- Стеклотекстол Лак К-57 ткани ЛСК-7, итыСТК-41 лента стеклян- СТЭФ ная и стеклотканевая с соответствующей пропиткой

–

Покровные эмали ПКЭ-14, ПКЭ-19

Продолжение прил. 7 Класс нагревостойкости

C

Допустимая Марки Материалы и Межслойная и температура, обмоточных провода наружная °С проводов для выводов изоляции

Более 180, ПСДКТ но не выше 200

Трубки из фторопласта 4Д, МГТФ, лента из фторопласта МГТФЛ

Пленка из фторопласта, гибкий стеклослюдинит нагревостойкий

Материалы для каркасов катушек

Стеклотекстолиты СКМ-1, К-41-5, КМК-218, АГ-4

Составы для пропитки

Покровные составы

–

–

35

ПРИЛОЖЕНИЕ 8 Типы и размеры ленточных магнитопроводов ШЛ – магнитопроводы; Ш-образные, ленточные, броневые; ПЛ – магнитопроводы; П-образные, ленточные, стержневые; ОЛ – магнитопроводы; О-образные, ленточные, тороидальные. Характеристики ленточных магнитопроводов типа ШЛ R 0,5

H

h

c

a C

36

b

Продолжение прил. 8

Размеры, мм

Марка магнитопровода a

ШЛ 6×6,5 ШЛ 6×8 ШЛ 6×10 ШЛ 6×12,5 ШЛ 8×8 ШЛ 8×10 ШЛ 8×12,5 ШЛ 8×16 ШЛ 10×10 ШЛ 10×12,5 ШЛ 10×16 ШЛ 10×20 ШЛ 12×12,5 ШЛ 12×16 ШЛ 12×20 ШЛ 12×25

h

c

C

6

15 6 24

8

20 8 32

10 25 10 40

12 30 12 48

H

b

6,5 8 21 10 12,5 8 10 28 12,5 16 10 12,5 35 16 20 12,5 16 42 20 25

Ориентировочная Активная площадь Длина средней Площадь Масса маг- мощность транснитопровода, форматора, Вт сечения магнито- магнитной сило- окна, вой линии, см см2 г провода, см2 f=50 Гц f=400 Гц Sс lср Sок Gс P P

0,34 0,41 0,52 0,65 0,55 0,69 0,86 1,16 0,87 1,09 1,39 1,74 1,51 1,68 2,10 2,63

5,1

0,9

6,8

1,6

8,5

2,5

10,2

3,6

13 16 20 25 29 36 45 57 57 71 91 113 100 130 165 205

9 10 13 16

8 9 10 12 16 20 24 30 37 47 56 67 80 94 112 135

37

38

Продолжение прил. 8

Размеры, мм

Марка магнитопровода a

ШЛ 16×16 ШЛ 16×20 ШЛ 16×25 ШЛ 16×32 ШЛ 20×20 ШЛ 20×25 ШЛ 20×32 ШЛ 20×40 ШЛ 25×25 ШЛ 25×32 ШЛ 25×40 ШЛ 25×50 ШЛ 32×32 ШЛ 32×40 ШЛ 32×50 ШЛ 32×64

h

c

16 37 15

20 50 20

25 62,5 25

32 80 32

C

H

b

16 20 25 32 20 25 80 70 32 40 25 32 100 87,5 40 50 32 40 128 112 50 64

Ориентировочная Активная площадь Длина средней Площадь Масса маг- мощность транснитопровода, форматора, Вт сечения магнито- магнитной сило- окна, вой линии, см см2 г провода, см2 f=50 Гц f=400 Гц Sс lср Sок Gс P P

2,24 2,80 3,50 4,50 3,50 4,40 5,60 7,10 5,50 7,10 8,80 11,00 9,10 11,30 14,20 16,10

17,1

10,0

21,3

15,6

27,3

25,6

235 285 370 470 460 575 735 920 900 1150 1440 1800 1900 2370 2970 3600

20 26 33 43 54 68 86 110 135 170 210 260 310 390 490 680

158 195 250 300 330 380 450 510 610 730 810 990 1200 1400 1650 1940

Продолжение прил. 8

Размеры, мм

Марка магнитопровода a

ШЛ ШЛ ШЛ ШЛ

h

c

C

H

40×40 40×50 40 100 40 160 140 40×64 40×80

b

40 50 64 80

Ориентировочная Активная площадь Длина средней Площадь Масса маг- мощность транссечения магнито- магнитной сило- окна, нитопровода, форматора, Вт провода, см2 вой линии, см см2 г f=50 Гц f=400 Гц Sс lср Sок Gс P P

14,20 17,70 22,70 28,40

34,2

40,0

3720 4650 5950 7430

690 850 1000 1200

2200 2500 3000 3500

39

40

ПРИЛОЖЕНИЕ 9 Магнитопровод типа ПЛ Размеры, мм

Марка магнитопровода a

ПЛ 6,5
12,5-8 ПЛ 6,5
12,5-10 ПЛ 6,5
12,5-12,5 ПЛ 6,5
12,5-16 ПЛ 8
12,5-12,5 ПЛ 8
12,5-16 ПЛ 8
12,5-20 ПЛ 8
12,5-25 ПЛ 10
12,5-20 ПЛ 10
12,5-25 ПЛ 10
12,5-32 ПЛ 10
12,5-40 ПЛ 12,5
16-25 ПЛ 12,5
16-32 ПЛ 12,5
16-40 ПЛ 12,5
16-50

h

6,5 12,5

8

c

C

8

21

12,5 10

26

10 12,5 12,5 32,5

12,5 16

16

41

H

b

21

8 10 12,5 16 12,5 16 20 25 20 25 32 40 25 32 40 50

28 25,5 29 28,5 32 38 41 40 45 52 60 50 57 65 75

Ориентировочная Активная Длина средней Площадь Масса мощность трансплощадь сечемагнитной сило- окна, магнитоформатора, Вт ния магни2 вой линии, см см провода, г топровода, см2 f=50 Гц f=400 Гц Sс lср Sок Gс P P

0,71

0,88

1,1

1,77

5,2 5,6 6,1 6,8 6,9 7,8 8,4 9,4 9,6 10,6 11,5 13,6 12,0 13,4 15,0 17,0

0,64 0,80 1,0 1,28 1,25 1,6 2,0 2,5 2,5 3,1 4,0 5,0 4,0 5,1 6,4 8,0

28 30 33 37 47 51 57 63 81 89 98 114 163 182 203 230

– – – – – – – – 7,5 8,8 10 12,5 13,5 16 19 22

8,0 8,6 9,6 11,3 20 23,5 26 31 46,5 52 60 73 91 110 130 156

Продолжение прил. 9

Размеры, мм

Марка магнитопровода a

h

ПЛ 12,5
25-30 ПЛ 12,5
25-40 12,5 25 ПЛ 12,5
25-50 ПЛ 12,5
25-60 ПЛ 16
35-40 ПЛ 16
32-50 16 32 ПЛ 16
32-65 ПЛ 16
32-80 ПЛ 20
40-50 ПЛ 20
40-60 20 40 ПЛ 20
40-80 ПЛ 20
40-100 ПЛ 25
50-65 ПЛ 25
50-80 25 50 ПЛ 25
50-100 ПЛ 25
50-120

c

C

20

45

25

57

32

72

40

90

H

b

55 63 75 85 72 82 97 112 90 100 120 140 115 130 150 170

30 40 50 60 40 50 65 80 50 60 80 100 65 80 100 120

Ориентировочная Активная Длина средней Площадь Масса мощность трансплощадь сечемагнитной сило- окна, магнитоформатора, Вт ния магнивой линии, см см2 провода, г топровода, см2 f=50 Гц f=400 Гц Sс lср Sок Gс P P

2,76

4,54

7,1

11,1

13,8 15,8 17,8 19,8 18,0 20,0 23,0 26,0 22,7 24,7 28,7 32,7 28,8 31,8 35,8 39,8

6,0 8,0 10,0 12,0 10,0 12,5 16,3 20 16 19,2 25,6 32 26 32 40 48

292 334 376 418 620 690 795 900 1230 1350 1550 1770 2440 2700 3040 3380

28 35 44 55 70 90 115 145 180 220 280 350 420 500 620 740

200 248 300 340 430 510 620 730 860 980 1220 1450 1840 2150 2500 2800

41

42

Продолжение прил. 9 Размеры, мм

Марка магнитопровода a

ПЛ 32
64-80 ПЛ 32
64-100 ПЛ 32
64-130 ПЛ 32
64-160 ПЛ 40
80-100 ПЛ 40
80-120 ПЛ 40
80-160 ПЛ 40
80-200

h

c

32

64

50

40

80

64

C

H

144 164 114 194 224 180 200 144 240 280

b

Ориентировочная Активная Длина средней Площадь Масса мощность трансплощадь сечемагнитной сило- окна, магнитоформатора, Вт ния магнивой линии, см см2 провода, г топровода, см2 f=50 Гц f=400 Гц Sс lср Sок Gс P P

80 100 130 160 100 120 160 200

H

36,0 40,0 46,0 52,0 45,3 49,0 57,3 65,3

18,2

28,6

40 50 65 80 64 76,8 102,4 128

R 0,5

h

a

c C

b

5000 5600 6480 7250 9900 10700 12500 14300

1000 1200 1400 1750 2400 2800 3500 4200

3500 4000 4800 5600 6450 7700 9000 10000

ПРИЛОЖЕНИЕ 10 Магнитопровод типа ОЛ Размеры, мм

Марка магнитопровода d

43

ОЛ 10/16-4 ОЛ 10/16-5 ОЛ 10/16-6,5 ОЛ 10/16-8 ОЛ 12/20-5 ОЛ 12/20-6,5 ОЛ 12/20-8 ОЛ 12/20-10 ОЛ 16/26-6,5 ОЛ 16/26-8 ОЛ 16/26-10 ОЛ 16/26-12,5 ОЛ 20/32-6 ОЛ 20/32-10 ОЛ 20/32-12,5 ОЛ 20/32-16

a

10

3

12

4

16

5

20

6

b

4 5 6,5 8 5 6,5 8 10 6,5 8 10 12,5 8 10 12,5 16

D

16

20

28

32

Длина средней Площадь Активная площадь сечения магнитной сило- окна, см2 магнитопровода, см2 вой линии, см

0,10 0,13 0,19 0,22 0,17 0,23 0,28 0,35 0,28 0,35 0,43 0,54 0,42 0,52 0,65 0,84

4,0

0,78

5,0

1,1

6,5

2,0

8,1

3,1

Масса магнитопровода, г

3,2 4,0 5,3 6,5 6,6 8,6 10,7 13,4 14,2 17,6 21,6 17,1 25,0 32,2 40,3 52,

Ориентировочная мощность трансформатора, Вт f = 50 Гц f = 400 Гц

0,07 0,09 0,11 0,14 0,17 0,21 0,27 0,34 0,48 0,6 0,73 0,92 1,2 1,4 1,8 2,3

1,0 1,38 1,79 2,0 2,4 3,2 3,9 4,9 7,0 8,8 10,1 13,6 16,9 20,8 26,0 33,7

44

Продолжение прил.10 Размеры, мм

Марка магнитопровода d

ОЛ 25/40-10 ОЛ 25/40-16 ОЛ 25/40-20 ОЛ 25/40-25 ОЛ 32/50-16 ОЛ 32/50-20 ОЛ 32/50-25 ОЛ 32/50-32 ОЛ 40/64-20 ОЛ 40/64-25 ОЛ 40/64-32 ОЛ 40/64-40 ОЛ 50/80-26 ОЛ 50/80-32 ОЛ 50/80-40 ОЛ 50/80-50

a

25

7,5

32

9,0

40

12

50

15

b

10 16 20 25 16 20 25 32 20 25 32 40 25 32 40 50

D

40

50

64

80

Активная Длина средней Площадь площадь сечения магнитной сило- окна, магнитопровода, см2 вой линии, см см2

0,6 1,05 1,30 1,64 1,27 1,58 1,98 2,54 2,42 2,64 3,38 4,23 3,32 4,25 5,31 6,64

10,2

4,9

12,8

8,0

16,3

12,6

20,4

19,6

Масса магнитопровода, г

51,2 82 102 128 125 156 194 249 261 329 421 527 548 663 829 1035

Ориентировочная мощность трансформатора, Вт f = 50 Гц f = 400 Гц

2,9 4,7 5,8 7,3 9,3 11,6 14,6 18,7 24,0 30 39 49,5 58,5 75 93,5 117

38 60 75 94 120 149 187 240 278 340 444 515 550 660 825 1030

Продолжение прил.10 Размеры, мм

Марка магнитопровода d

ОЛ ОЛ ОЛ ОЛ ОЛ ОЛ ОЛ ОЛ

64/100-32 64/100-40 64/100-50 64/100-64 80/128-40 80/128-50 80/128-64 80/128-80

a

64

18

80

24

b

32 40 50 64 40 50 64 80

D

100

128

Активная Длина средней Площадь площадь сечения магнитной сило- окна, магнитопровода, см2 вой линии, см см2

5,10 6,40 8,0 10,20 8,5 10,7 13,7 17,0

a

d D

12,8

32,2

32,6

50,2

b

Масса магнитопровода, г

1010 1265 1580 2020 2120 2670 3420 4250

Ориентировочная мощность трансформатора, Вт f = 50 Гц f = 400 Гц

148 186 233 293 340 428 548 685

130 1630 2040 2300 2500 2650 3340 4170

45

ПРИЛОЖЕНИЕ 11 Сводные данные расчета трансформатора 1. Номинальные данные: ВA; U1N = В; I1N = А; cosϕ1 = ; S1N = ВA; U2N = В; I2N = А; cosϕ2 = ; S2N = ВA; U3N = В; I3N = А; cosϕ3 = ; S3N = ; f = Гц; m1 = 2. Основные расчетные данные: 2.1. Тип магнитопровода; 2.2. Марка магнитопровода – (для ленточного магнитопровода) или габаритные размеры (для шихтованного магнитопровода); 2.3. Расчетное значение индукции в сердечнике магнитопровода, В = Тл; A; 2.4. Ток намагничивания, Iµ = кг; 2.5. Масса стали сердечника, Gс = кг/кВА. 2.6. Удельный расход стали Gс/S = 3. Данные обмоток: Обмотки

W1

W2

Число витков Сечение провода, мм2 Марка провода Плотность тока, A/мм2 Коэффициент заполнения окна, kок Масса материала обмоток, кг Удельный расход материала обмоток, кг/кВА

4. Отношение массы стали к массе материала обмоток: 5. Параметры схемы замещения: Ом; r2 = Ом; r3 = Ом; r1 = Ом; rk13 = Ом; rk12 = Ом; xk12 = Ом; xk12 = Ом; xk12 = Ом; xk12 = xµ =

46

U1 = Iµ

Ом;

W3

Продолжение прил.11 6. Потери при номинальной нагрузке: Вид потерь

Вт

% к сумме потерь

Электрические потери в обмотка: – первичной, Рэл.1 – вторичной(W2), Рэл.2 – вторичной(W3), Рэл.3 Потери в стали, Pc

7. Превышение температуры: Θ = °C 8. Сопоставление параметров принятых при расчете в первом приближении: Параметры

Принятое значение Итоговое значение

Ток намагничивания Iµ, A Изменение напряжения при номинальной нагрузке, ∆U%

∆U12%= ∆U13%=

Коэффициент полезного действия, % Отношение массы стали к массе материала обмоток Gс/Gк

47

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Ермолин Н. П. Расчет трансформаторов малой мощности. Л.: Энергия, 1969. 192 с. 2. Изготовление трансформаторов с ленточным магнитопроводом / Л. Б. Аренков и др. Л.: Судостроение, 1976. 231 с. 3. Электротехнический справочник / Под ред. В. Г.Герасимова, П. Г. Грудинского, Л. А. Жукова и др. М.: Энергия, 1980. 520 с. 4. Тихомиров П. М. Расчет трансформаторов. М.: Энергия, 1976. 225 с.

48

Оглавление Предисловие .............................................................................................. 1. Техническое задание и учебные пособия .......................................... 2. Материалы, применяемые при изготовлении силовых трансформаторов малой мощности .................................................... 2.1. Магнитные материалы ............................................................... 2.2. Электроизоляционные материалы ........................................... 2.3. Обмоточные провода ................................................................. 2.4. Магнитопроводы ........................................................................ 3. Указания к выполнению отдельных разделов проекта .................... 3.1. Определение токов трансформатора ....................................... 3.2. Выбор индукции в стержне и ярме сердечника трансформатора .......................................................................... 3.3. Выбор плотности тока в проводах обмоток трансформатора .......................................................................... 3.4. Определение поперечного сечения стержня и ярма сердечника трансформатора ..................................................... 3.5. Определение числа витков обмоток трансформатора ........... 3.6. Определение сечения и диаметра проводов обмоток ............ 3.7. Выбор изоляции проводов обмоток ......................................... 3.8. Определение высоты и ширины окна сердечника трансформатора .......................................................................... 3.9. Укладка обмоток на стержнях и уточнение размеров окна трансформатора .......................................................................... 3.10. Масса материала обмоток ........................................................ 3.11. Электрические потери в обмотках трансформатора ............. 3.12. Масса материала сердечника трансформатора ...................... 3.13. Магнитные потери в сердечнике трансформатора ............... 3.14. Определение тока холостого хода трансформатора .............. 3.15. Коэффициент полезного действия трансформатора ............. 3.16. Активные падения напряжения и сопротивление обмоток трансформатора .......................................................................... 3.17. Индуктивные падения напряжения и сопротивления обмоток трансформатора .......................................................... 3.18. Полные сопротивления и напряжения короткого замыкания обмоток трансформатора ....................................... 3.19. Изменение напряжения при нагрузке .....................................

3 4 5 5 7 9 10 11 11 12 13 13 15 16 16 16 17 18 18 18 19 19 19 19 20 21 22 49

3.20. Проверка трансформатора на нагревание .............................. 3.21. Сводные данные расчета трансформатора ............................. 3.22. Разработка конструкции трансформатора ............................. 3.23. Указания к оформлению пояснительной записки ................. 3.24. Защита проекта .......................................................................... Приложение 1 ............................................................................................ Приложение 2 ............................................................................................ Приложение 3 ............................................................................................ Приложение 4 ............................................................................................ Приложение 5 ............................................................................................ Приложение 6 ............................................................................................ Приложение 7 ............................................................................................ Приложение 8 ............................................................................................ Приложение 9 ............................................................................................ Приложение 10 .......................................................................................... Приложение 11 .......................................................................................... Библиографический список .....................................................................

50

22 23 23 23 24 25 26 27 28 29 31 33 36 40 43 46 48