2. Розрахунок лінійного трансформатора

1. Загальні відомості о трансформаторах

Трансформатор - статичне електромагнітне пристрій, що має дві або більше обмотки і призначене для перетворення за допомогою електромагнітної індукції однієї або декількох систем змінного струму в одну або декілька інших систем змінного струму.

Трансформатор являє собою статичний електромагнітний апарат з двома (або більше) обмотками, призначений частіше за все для перетворення змінного струму однієї напруги в змінний струм іншої напруги.

Перетворення енергії в трансформаторі здійснюється змінним магнітним полем. Трансформатори широко застосовуються при передачі електричної енергії на великі відстані, розподіл її між приймачами, а також у різних випрямних, підсилювальних, сигналізаційних та інших пристроях.

При виготовленні трансформаторів побутового та промислового призначення застосовують стандартизовані терміни і визначення, обов'язкові для застосування в документації усіх видів, науково-технічної та довідкової літератури.

Основними елементами конструкції трансформаторів є магнітопровід (МП) і обмотки. Магнітопроводи однофазових трансформаторів малої потужності виготовляються набірними і штампованими із П-, Ш- чи О-подібних пластин, або стрічковими.

У залежності від конструктивного виконання магнітопровода, а також розташування обмоток, розрізняють трансформатори стрижневого (рис.2.1,а – набірний, рис.2.1,б – стрічковий), броневого (рис.2.1,в – набірний, рис.2.1,г – стрічковий) і тороідального (рис.2.1,д) типів. Конструктивні різновиди трансформаторів (рис.2.1) відрізняються, у крайньому випадку, умовами охолодження МП і котушки, а також економічними показниками.

Рис.2.1. Конструктивне виконання трансформаторів

У броньовому трансформаторі поверхня магнітопроводу, з якої випромінюється тепло в навколишнє середовище, більша, ніж у стрижневого трансформатора того ж розміру. Однак, стрижневий трансформатор має більш відкриту поверхню котушок і менші витрати обмоточного проводу. За вартістю виготовлення броньовий трансформатор дешевше стрижневого. Переваги стрічкових МП броньового і стрижневого трансформаторів перед набірним відбиваються на можливості повної автоматизації їх виготовлення, повній відсутності залишків сталі, легкості збирання, можливості використання тонких матеріалів.

Стрічкові МП можуть бути замкненими (рис.2.1,б-г), рознімними – останнє викликане необхідністю спрощення технології намотування котушок. У замкнених манітопроводах магнітні властивості вихідного матеріалу можуть бути відтворені повністю, а в МП рознімних ці властивості неминуче погіршуються.

2.2 Розрахунок основних конструктивних параметрів і вибір магнітопроводу трансформатора

Розрахунок лінійного трансформатору зводиться до визначення геометричних розмірів магнітопроводу, параметрів обмоток (кількість витків, марки і діаметри проводів і параметрів трансформатора (струм холостого ходу (ХХ), напруга короткого замикання (КЗ), зміна вторинної напруги, коефіцієнт потужності, коефіцієнт корисної дії (ККД), температура перегріву і т. ін.).

Розрахунок основних конструктивних параметрів і вибір магнітопроводу трансформатора.

Маючи величину випрямленої напруги на навантаженні, виконуємо розрахунки основних конструктивних параметрів - U_Н=5В; Р_Н=30 Вт.

Розраховуємо потужність трансформатора:

(2.1)

Обчислюємо значення струма у вторинній обмотці трансформатора:

(2.2)

(2.3)

(2.4)

Визначаємо основні розміри трансформатора

ККД та щільність струму в обмотках трансформатора визначається за допомогою довідникових графіків

Обираємо амплітуду магнітної індукції. Для холоднокатаної сталі величина В лежить в межах 1,6…..1,8 Тл

Коефіцієнт заповнення вікна магнітопроводу залежить від проводів обмоток, ізоляції і напруги обмоток. Обираємо

K_C=0.88

Площина поперечного перерізу стрижня магнітопроводу і вікна

(2.5)

Обираємо стандартне значення з таблиці ,

_{Визначаємо межі припустимої ширини стрижня МП:}

(2.6)

_{Використовуючи ці результати, можна обрати стандартний МП:}

_{Обираємо магнітопровод марки ШЛ16×25 з наступними параметрами:}

Питомі втрати сталі можуть бути визначеними за рисунком

(2.7)

Активна складова струму холостого ходу

(2.8)

Реактивна складова струму холостого ходу

Питома намагнічуваність визначається за допомогою таблиці

Струм ХХ

(2.9)

Номінальне значення струму

(2.10)

Табличне значення -

Абсолютне значення стуму

(2.11)

Розрахунок обмоток трансформатора

Попереднє значення поперечних перерізів виконуємо за наступними співвідношеннями:

_(2.12)

_(2.13)

Вибираємо дроти обмоток маркою ПЕВ-1:

q₁=0.0491 мм² q₂=0,503 мм²

d₁=0.284 мм d₂=0,86 мм

d^'₁=0.25 мм d^'₂=0,8 мм

g₁=45.2 мм g₂=455 г

Визначаємо дійсне значення щільності струму

ЕРС обмоток при холостому ході:

(2.14)

(2.15)

_{Кількість витків:}

(2.16)

(2.17)

Конструктивний розрахунок обмоток

_{Висота обмотки}

_{hобм=h-2*δщ-1 (2.18)}

_{hобм=40-2-2=36, мм}

_{Коефіцієнт, який враховує щільність намотування обмотки лежить в межах від 1.1 до 1.15}

_{Обираємо}

_{Чисто витків у кожному шарі}

(2.19)

_{Число шарів кожної обмотки для броньової конструкції дорівнює}

(2.20)

(2.21)

Товщина кожної обмотки

δ_i=1.2M_id_i (2.22)

δ₁=1.2*20*0.284=6.9, мм

δ₂=1.2*4.4*0.86=4.54, мм

_{Число обмоток}

_{Радіальний розмір всіх обмоток із врахуванням міжшарових та міжобмоточних ізоляцій}

_{δр=δ1+δ2+(n-1)*δ0 (2.23)}

_{δр=6.9+4.54+1*0.3=11.74, мм}

_{Вільний проміжок між обмоткою і магнітопроводом}

_{δс=с-δзаз-δг-δр (2,24)}

_{δс=16-1-1-11,74=2.26, мм}

Сумарні втрати у проводах обмоток

Вага міді кожної обмотки

(2.25)

(2.26)

r₁=1+1-6.9/2+6.9=5.45, мм

(2.27)

_{r2=1+1+0.3-4.54/2+6.9+4.54=11.47, мм}

_{Середня довжина витка обмотки}

(2.28)

(2.29)

_{Вага міді в обох обмотках}

(2.30)

_{Сумарні втрати міді}

(2.31)

ККД трансформатора

(2.32)

Активний опір кожної обмотки і повний активний опір обмоток трансформатора

Питомий опір міді

(2.33)

(2.34)

(2.35)

Активна складова напруги короткого замикання

(2.36)

Реактивна складова напруги короткого замикання

(2.37)

(2.38)

(2.39)

_{Напруга короткого замкнення}

(2.40)

Температура перегрівання обмоток відносно навколишнього середовища

(2.41)

Коефіцієнт тепловіддачі трансформатора

_{Для броньової конструкції}

(2.42)

(2.43)

(2.44)

(2.45)

_{Загальна поверхня охолодження}

_{Робоча температура проводів обмоток}

(2.46)

Потужність трансформатора SЕМ	33, ВА
Частота мережі живлення F	50, Гц
Напруга первинної обмотки трансформатора U1	220, В
Напруга вторинної обмотки трансформатора U2	15, В
Активна потужність вторинного кола P2	30, Вт
Втрати в сталі МП PСТ	0.93, Вт
Втрати в міді обмоток PМ0	0.96, Вт
ККД при номінальному навантаженні ƞТР	0.94, %
Струм холостого ходу I0	0.06, А
Напруга короткого замикання UК	32.66, %
Температура перенагрівання обмоток ∆T	173.8,0С

_{Таблиця 2.1 Розрахункові параметри трансформатора}