Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Филиал «СЕВМАШВТУЗ» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет в г. Северодвинске

С.В. Платоненков

РАСЧЕТ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Методические указания по выполнению практической работы

Северодвинск

2007

УДК

Расчет силового трансформатора: Методические указания по выполнению практической работы. /С.В. Платоненков – Северодвинск: Севмашвтуз, 2007.– 50с. ил.

Редактор:

Рецензенты:

Учебное пособие предназначено для студентов, изучающих курс "Электромеханические системы" в рамках специальностей 220201 "Ин­ форматика и управление в технических системах" и содержит методику расчета силового трансформатор для вторичных источников питания.

Данное пособие содержит, кроме того, справочные материалы, необходимые для проектирования различных устройств: основные сведе­ ния об электротехнических сталях и изготавливаемых из них ленточных магнитопроводах, параметры электроизоляционных материалов и обмо­ точных проводов.

В разделе "Отчет о проделанной работе" содержаться краткие ука­ зания к оформлению пояснительной записки, составленные на основе требований ГОСТ.

© Севмашвтуз, 2007 г.

ВВЕДЕНИЕ

В многочисленных современных устройствах автоматики получи­ ли широкое распространение однофазные и трехфазные силовые транс­ форматоры мощностью от единиц Вт до 10 кВт. Потребности любой про­ мышленности развитой страны в таких трансформаторах огромны. При организации массового производства этих трансформаторов возникает за­ дача оптимального их проектирования для получения технически и эконо­ мически обоснованных рациональных габаритных, весовых и других по­ казателей.

Понятие оптимальности трансформатора малой мощности обычно определяется в зависимости от назначения этого трансформатора и харак­ теризуется наиболее выгодными 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 трансформато­ ра малой мощности в принципе сводится к поиску минимальных значе­ ний удельного веса, удельного объема или удельной стоимости при задан­ ных параметрах и условиях применения трансформатора.

3

1ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Задание (приложение 1) выдается руководителем и содержит основные данные проектируемого трансформатора: мощность, число фаз, число обмоток, напряжения обмоток, частота питающей сети и т.д.

Помимо этого в задании могут указываться особые требования к проектируемому трансформатору, такие как минимум стоимости или ми­ нимум массы.

Для выполнения работы достаточно материала, приведенного в данном пособии, а также знаний математики и теоретических основ элек­ тротехники, однако для полноты проработки материала желательно ис­ пользовать также и другие источники. Такими источниками могут слу­ жить справочники по электроизоляционным и магнитным материалам, поскольку в данном пособии эти вопросы рассмотрены поверхностно. Не лишним является также изучение правил оформления конструкторской документации.

4

2МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ СИЛО­

ВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ МАЛОЙ МОЩНОСТИ 2.1Магнитные материалы

Сердечники трансформаторов изготавливаются из магнитного ма­ териала – специальной электротехнической стали. Она отличается от обычной конструкционной стали более высокой магнитной проницаемо­ стью и низкими удельными потерями в единице объема. Потери в элек­ тротехнической стали меньше потому, что у нее более высокое удельное электрическое сопротивление вследствие повышенного содержания крем­ ния.

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, использу­ емой при изготовлении сердечников трансформаторов. Ранее применя­ лось горячекатаная изотропная сталь, а в настоящее время почти исклю­ чительно – холоднокатаная анизотропная сталь. Изотропная сталь имеет одинаковые магнитные свойства как вдоль, так и поперек направления прокатки, а анизотропная имеет магнитную проницаемость в направле­ нии прокатки выше, чем поперек. В целом у холоднокатаных сталей маг­ нитная проницаемость в направлении прокатки выше, чем у горячеката­ ных, а удельные потери меньше.

Основные свойства различных марок электротехнических сталей регламентируются ГОСТ 21427.1-75 ÷ 21427.3-75. Из горячекатаных ма­ рок электротехнической стали при изготовлении сердечников трансфор­ маторов применяются марки 1511; 1512; 1513; 1514; а из холоднокатаных

– марки 3411; 3412; 3413; 3414; 3415; 3416. Марки сталей электротехни­ ческих расшифровываются следующим образом:

Первая цифра – вид прокатки, структурное состояние (1 – горяче­ катаная изотропная; 2 – холоднокатаная изотропная; 3 – холоднокатаная анизотропная).

5

Вторая цифра – содержание кремния (0 – до 0,4%; 1 – 0,4 ÷ 0,8%; 2 – 0,8 ÷ 1,8%; 3 – 1,8 ÷ 2,8%; 4 – 2,8 ÷ 3,8%; 5 – 3,8 ÷ 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 рисунке 1 приведена зависимость амплитуды индукции от дей­ ствующего значения напряженности поля холоднокатаных и горячеката­ ных сталей, а на рисунке 2 приведена зависимость удельных потерь от ам­ плитуды магнитной индукции холоднокатаных и горячекатаных сталей. Для изготовления ленточных магнитопроводов трансформаторов малой мощности применяются стали марок 1511÷1514, 3411÷3414 и др., а также железоникелевые сплавы марок 50Н, 50НП, 80НХС, 79ИМ, 777НМД и др.

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

Отметим и недостаток железоникелевых сплавов – высокую чув­ ствительность свойств к механическим напряжениям.

6

2.2Электроизоляционные материалы

От правильного выбора электроизоляционных материалов во многом зависит надежность трансформатора. По теплостойкости элек­ троизоляционные материалы разделяются по ГОСТ на семь классов. Для каждого класса изоляции установлена предельно допустимая температура в °С. Указанные пределы температур устанавливаются исходя из обеспе­ чения срока службы трансформатора, равного 15÷20 годам. Превышение предельных температур приводит к резкому уменьшению срока службы трансформатора.

Класс У – непропитанные и непогруженные в жидкий электроизо­ ляционный 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, теле­ фонная бумага марки КТН, лакоткань на хлопчатобумажной основе ЛХ и на шелковой основе ЛШ и ЛШС, картон электроизоляционный марки ЭВ, масляно-битумный лак № 447 для пропитки обмоток, компаунд для обво­ лакивания обмоток марки МБК, изоляция эмальпроводов.

Класс Е – некоторые синтетические и органические пленки (+ 120°С). Материалы этого класса изоляции – это пленки лавсана, синте­ тические смолы и компаунды, изоляция эмальпроводов и др.

Класс В – материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемыми с органическими связующими и пропитывающими соста­ вами, допускающими температуру до 130°С.

В трансформаторах применяются следующие материалы этого класса: лакоткань стеклянная марки ЛСБ и марки ЛСК, стеклоткань мар­ ки ЛKCЛ, 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 со ста­ вами, допускающими температуру до +155°С. К материалам этого класса

7

относится стеклоткань марки ЛКСЛ, стеклотекстолит марки СТ для ли­ тых каркасов катушек.

Класс Н – материалы на основе слюды асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с кремнийорганическими связующими и про­ питывающими составами. (+180°С).

К материалам этого класса относятся: стеклоткань марки ЛСК, стекломикалента марки ГФС, кремнийорганические лаки К-47, К-57.

Класс С – слюда, керамические материалы, стекло, кварц, приме­ няемые без связующих составов с неорганическими или элементооргани­ ческими связующими составами, а также другие, соответствующие дан­ ному классу материалы (более +180°С). Этот класс материалов находит применение в теплостойких трансформаторах. К таким материалам отно­ сятся: пленка фторопласта К-4, К-41 для изготовления каркасов катушек.

Изоляция обмоток подразделяется на корпусную, слоевую, межоб­ моточную 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, ге­ тинакса или изоляционных прессованных бумаг (приложение 2).

Слоевая изоляция прокладывается при намотке катушки через каждый слой или через несколько слоев. В качестве изоляции использу­ ются: бумага, тканевые материалы, синтетические пленки толщиной в со­ тые доли миллиметра, например ЛШС (приложение 3).

Межобмоточная изоляция выполняется аналогично слоевой, но укладывается в несколько слоев в зависимости от испытательного напря­ жения между обмотками. Обычно для этой цели используется: кабельная бумага марок К-08, К-12 или конденсаторная марки КТН, а для пропиты­ ваемых обмоток намоточная или пропиточная бумага марки ЭИП.

Наружная изоляция служит для защиты трансформаторов от меха­ нических повреждений и воздействий внешней среды. Наружная изоля­ ция трансформаторов достигается его герметизацией или заливкой ка­ тушек термоактивным компаундом.

8