Министерство образования Российской Федерации
Московский государственный открытый университет коломенский институт
________________________________________________________
Кафедра автоматики и электроники в машиностроении «утверждено»
Учебно-методическим
Советом КИ МГОУ
Председатель Совета
_________________
____________ 2004 г.
Расчет питающего трансорматора
Учебное пособие к курсовой работе
по курсу
«Технические средства автоматизации и управления»
Коломна
2004 г
Содержание
1. Конструкция питающего трансформатора 3
2. Расчет трансформатора 9
3. Пример расчета трансформатора 25
4. Литература 30
5. Приложения 31
1. Конструкция питающего трансформатора
Трансформатор преобразует электрическую энергию переменного тока одного напряжения в электрическую энергию другого напряжения.
Основными элементами трансформатора являются сердечник (магнитопровод) и обмотки.
Назначение сердечника заключается в том, чтобы создать замкнутый путь для магнитного потока, обладающий возможно меньшим магнитным сопротивлением. Поэтому сердечники трансформаторов изготавливают из материалов, обладающий высокой магнитной проницаемостью в сильных переменных магнитных полях.
В последнее время для маломощных трансформаторов питания наиболее широкое применение получили ленточные броневые сердечники и ленточные тороидальные сердечники, изготовленные из текстурованных (холоднокатаных) электротехнических сталей. Эти стали обладают высокой индукцией насыщения и довольно малыми потерями.
При частоте 50 Гц применяют стали Э 310, Э 320, Э 330 толщиной 0.5 и 0.35 мм. При частоте 400 Гц применяют сталь Э 340 толщиной 0.15 мм и сталь Э 350 толщиной 0.08 мм. Значительно реже применяют железо - никелевые сплавы.
Анализ параметров трансформаторов показывает, что наиболее целесообразной конструкцией сердечника является:
сердечники типа ШЛ – в трансформаторах наименьшей массы на частоте 400 Гц;
сердечники типа ШЛМ – в трансформаторах наименьшей массы и стоимости на частоте 50 Гц с ограничением по падению напряжения;
сердечники типа ОЛ – в трансформаторах малой мощности на частоте 50 и 400 Гц.
Эскизы сердечников приведены на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Эскизы сердечников ШЛ и ШЛМ.
Следующим основным элементом конструкции трансформатора являются обмотки, для изготовления которых используется широкая номенклатура обмоточных проводов и изоляционных материалов.
В настоящее время для обмоток трансформаторов малой мощности применяются преимущественно высокопрочные медные эмалированные провода с изоляцией на синтетических лаках.
Наиболее широко распространены круглые эмалированные провода следующих марок:
для работы при температуре +1050С – ПЭВ–1 к ПЭВ–2 с эмалевым высокопрочным покрытием (утолщенным для ПЭВ–2) из лака ВЛ–931;
для работы при температуре +1200С – ПЭВТЛ–1 и ПЭВТЛ–2 с эмалевым высокопрочным покрытием на основе полиуретанового лака с утолщенным слоем для ПЭВТЛ–2;
для работы при температуре +1300С – ПЭТВ с эмалевым покрытием из полиэфирного лака. Провода ПЭВ–2 и ПЭВТЛ–2 применяют при напряжении больше 500 В.
Кроме обмоточных проводов используются также специальные марки проводов для выводов концов обмоток. Наиболее часто применяют провода марок МГШДО (при рабочем напряжении до 127 В) и МГШДЛ (при рабочем напряжении до 220 В). Провод МГШДО имеет токопроводящую жилу, скрученную из медных луженых проволок, изолированных двойной обмоткой из полиамидного шелка, у МГШДЛ обмотка лакированная.
Совокупность обмоток трансформатора с системой изоляции образует катушку.
Изоляционная система катушки включает в себя следующие элементы:
изоляцию обмоточных проводов,
изоляцию обмотки от магнитопровода,
междуслоевую изоляцию,
междуобмоточную изоляцию,
внешнюю (наружную) изоляцию.
Ко всем видам изоляции предъявляются требования обеспечения необходимого сопротивления изоляции, заданной электрической и механической прочности, хорошей теплопроводности, влагостойкости и химической стойкости.
Изоляция обмотки от броневого магнитопровода осуществляется при помощи каркасов, изготовляемых из негигроскопичного материала, обладающего требуемой электрической и механической прочностью.
Простейший и наиболее распространенный тип каркаса предоставляет собой гильзу, изготовляемую из электротехнического картона. Сравнительно часто применяются склеенные из электрокартона каркасы, отличающиеся от гильзы наличием боковых щечек, защищающих торцевые части обмоток от механических повреждений. При массовом производстве трансформаторов используются сборные каркасы из гетинакса и текстолита или каркасы, прессованные из различных изоляционных пластмасс.
Эскизы каркаса и гильзы приведены на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Гильза (а) и каркас (б)
Толщину гильзы принимают обычно равной 0,7 – 2 мм, а толщину каркаса – 1,5 – 3,0 мм (в зависимости от диаметра провода). Поверх гильзы (каркаса) наматывают изоляционную бумагу, обеспечивающую лучшую укладку провода и усиливающую изоляцию. Для этой цели обычно применяют кабельную бумагу К-12 (толщина 0,12 мм) или пропиточную бумагу ЭИП –63Б (толщина 0,11 мм) в один слой при величине рабочего напряжения первичной обмотки до 250 В и в два слоя – при напряжении до 500 В.
На рис.1.3 изображено размещение обмоток броневого трансформатора на гильзе (а) и каркасе (б), там же показаны основные изоляционные расстояния.
Рис. 1.3. Расположение обмоток на гильзе (а) и на каркасе (б)
huз1, huз2 – расстояния от крайнего витка обмотки до сердечника;
hиз ос – расстояние от первого слоя первичной обмотки до сердечника через сплошную изоляцию гильзы или каркаса;
hиз мо – расстояние между верхним и нижним слоем двух соседних обмоток через сплошную междуобмоточную изоляцию;
hиз н – толщина наружной изоляции.
Обмотка, изображенная на рисунке, называется многослойной рядовой. Отдельные витки укладываются плотно друг к другу. При невысоких рабочих напряжениях и малых диаметрах проводов иногда применяют обмотку с беспорядочным расположением отдельных витков (обмотка «внавал»).
Для выравнивания обмотки и уменьшения вероятности появления короткозамкнутых витков, обмотку «внавал» ведут отдельными слоями, между которыми помещают междуслоевую изоляцию. Междуслоевая изоляция применяется и при рядовой обмотке.
В обмотках, намотанных проводами диаметром менее 0.5 мм, междуслоевая изоляция прокладывается через ряд слоев с суммарным рабочим напряжением 150 В. В обмотках из проводов диаметром более 0.5 мм междуслоевую изоляцию необходимо прокладывать через каждый слой.
Толщина междуслоевой изоляции (hиз мс) зависит от диаметра провода и величины рабочего напряжения обмотки. При проводах диаметром менее 0.15 мм рекомендуется конденсаторная бумага КОН-1 толщиной 0.01...0.022 мм, при проводах диаметром 0,15...0.5 мм рекомендуется телефонная бумага КТН толщиной 0.05 мм, при проводах диаметром 0.5...0.8 мм - пропиточная бумага ЭИП – 63Б толщиной 0.11 мм или кабельная бумага марки К-12 толщиной 0,12мм. При проводах диаметром более 1,2 мм применяют 2 слоя бумаги ЭИП-63Б или К-12.
Обмотки трансформатора отделяются друг от друга междуобмоточной изоляцией, толщина которой определяется величиной испытательного напряжения. Зависимость амплитудного значения испытательного напряжения от амплитудного значения рабочего напряжения трансформатора приведена на рис.1.4.
Рис. 1.4. Зависимость испытательного напряжения от рабочего напряжения обмотки
При Uисп до 1000В рекомендуется применять 3 слоя бумаги ЭИП-63Б или 2 слоя бумаги К-12; при Uисп до 1600В соответственно 4 слоя ЭИП-63Б или 3 слоя К-12; при Uисп до 2200В – 5 слоев ЭИП-63Б или 4 слоя К-12; при Uисп до 2700В – 6 слоев ЭИП-63Б или 5 слоев К-12.
Намотанная катушка покрывается наружной изоляцией. Наружную изоляцию выполняют из тех же материалов, что и междуслоевую с добавлением батистовой ленты толщиной 0,16 мм, наматываемой с половинным перекрытием.
Количество слоев наружной изоляции выбирается в соответствии с рабочим напряжением последней обмотки. При Uр<500В наружную изоляцию выполняют из двух слоев бумаги ЭИП-63Б или К-12 и одного слоя батистовой ленты. При Uр>500В наружную изоляцию увеличивают на один слой бумаги на каждые 250В.
Из рисунка 1.3 видно, что витки обмотки располагаются не по всей длине гильзы (каркаса), а только на ее части. Это необходимо как по условиям электрической изоляции обмоток, так и для защиты провода от механических повреждений и сползания.
Экспериментальные данные показывают, что при напряжениях обмоток до 5000В допустимые величины hU31 и hU32 для большинства изоляционных материалов должны быть не менее 2 мм (при намотке на гильзу). При величинах рабочего напряжения от 580В до 1000В величины hU31 и hU32 лежат в пределах от 2 до 5 мм.
При намотке на каркас величина hU31 при напряжении до 1000В определяется лишь требованиями его механической прочности и составляет (в зависимости от диаметра провода) 1,5…3мм.
С целью закрепления витков обмоток и предотвращения их сползания свободное пространство между крайними витками и краем гильзы (каркаса) заполняют теми же материалами, которые применяются для междуобмоточной и междуслоевой изоляции.
Выводы от обмоток укладываются по торцу катушки и припаиваются к лепесткам. Лепестки предварительно крепят на заготовке из прессованной ленты, которую затем приклеивают по периметру катушки. Эскиз установки лепестков на ленте приведен на рис. 1.5.
Рис. 1.5. Расположение лепестков на крепежной ленте
Если провод обмотки имеет диаметр больше 1мм, то из него делают петли, которые выполняют функции лепестков.
После изготовления катушки она надевается на сердечник и вся конструкция обжимается с помощью металлических скоб, которые одновременно служат для крепления трансформатора к шасси (см. рис. 1.6).
Рис. 1.6. Общий вид броневого трансформатора на ленточном разрезном сердечнике.
Для защиты обмоток трансформатора от влияния внешней среды катушку, а чаще весь трансформатор в сборе, заливают изоляционными составами в специальных формах, удаляемых после затвердения заливочной массы. Для заливки используются преимущественно компаунды на основе высокомолекулярных органических материалов, известные под названием эпоксидных смол, а так же полиэфирные компаунды. Такая конструкция трансформатора называется капсулированной.
Трансформаторы на тороидальных сердечниках менее технологичны, чем на разрезных ленточных сердечниках и поэтому их применяют только тогда, когда требуется минимальное рассеяние магнитного потока или когда требование минимального объема является первостепенным.