Расчёт трансформатора однотактного прямоходового преобразователя

Расчёт трансформатора однотактного прямоходового преобразователя

Федеральное агентство по образованию

Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра автоматизированного электропривода

и промышленной электроники

Курсовая работа

по дисциплине «Силовая электроника»

Вариант №10

Тема курсовой работы:

«Расчёт трансформатора однотактного прямоходового преобразователя»

Выполнил: студент группы

Ильичева Ю. В.

Проверил: с.п. каф. АЭПиПЭ

Борщинский М.Ю.

Новокузнецк 2015г

Содержание

Исходные данные для расчёта

. Электрический расчёт трансформатора

. Расчёт размещения обмоток в окне магнитопровода

. Расчёт мощности потерь и перегрева

Список литературы

Исходные данные для расчёта

Принципиальная схема однотактного прямоходового преобразователя с размагничивающей обмоткой показана на рисунке П1, диаграммы его работы - на рисунке П2.

Питание преобразователя осуществляется от источника с напряжением В;

напряжение на нагрузке В;

ток нагрузкиА;

частота преобразования кГц (период мкс);

трансформатор работает при температуре окружающей среды .

1. Электрический расчёт трансформатора

) Вычисляем амплитуду напряжения на вторичной обмотке на основании регулировочной характеристики по формуле:

.          (1)

При длительности импульса

.

При этом относительная длительность импульса равна:

.  (2)

) Рассчитываем действующее значение тока вторичной обмотки. При  действующее значение тока вторичной обмотки равно:

.     (3)

) Вычисляем расчётную мощность  вторичной обмотки по формуле:

Вт.     (4)

) Определяем габаритную мощность. Ток первичной обмотки  значительно превышает ток намагничивания , а ток намагничивания по величине примерно равен току размагничивающей обмотки , следовательно, ток размагничивающей обмотки значительно меньше тока первичной обмотки  и при выборе сердечника трансформатора мощность размагничивающей обмотки можно не учитывать.

Следовательно, габаритная мощность трансформатора примерно равна расчётной мощности вторичной обмотки:

Вт.          (5)

) Из справочной литературы выбираем материал сердечника, толщину пластин и коэффициент заполнения сердечника , удовлетворяющие заданной частоте импульсов .

Для выбранного материала сердечника по таблицам или графикам  определяем максимальное значение индукции  и соответствующие её максимальную напряжённость магнитного поля , а также остаточную индукцию . В качестве материала сердечника используем феррит марки 1500НМ3, у которого  Тл при  А/м,  Тл. Для любого феррита . Исходя из габаритной мощности Вт по графикам в приложении принимаем плотность тока в обмотках А/мм2 и коэффициент заполнения окна магнитопровода .

) Вычисляем произведение площади сечения сердечника на площадь окна по формуле:

              (6)

Выбираем стандартный типоразмер мгнитопровода, удовлетворяющий произведению , и определяем его массу .

Полученному значению  удовлетворяет сердечник, составленный из двух колец К32×16×8, у которого

           мм2,       (7)

           мм2,   (8)

м4,

           мм.     (9)

) Рассчитываем число витков обмоток. Число витков первичной обмотки вычисляем по формуле:

          .          (10)

Число витков размагничивающей обмотки  принимаем равным числу витков первичной обмотки:

          . (11)

Число витков вторичной обмотки вычисляем по формуле:

.          (12)

) Рассчитываем действующие значения токов первичной  и размагничивающей  обмоток по формулам:

;          (13)

               (14)

где  - максимальное значение тока намагничивания, которое в соответствии с законом полного тока определяется по формуле:

.        (15)

.

) Рассчитываем площади поперечного сечения  и диаметры  проводов k-х обмоток по формулам:

; .

          ;    (16)

          ;   (17)

          ;          (18)

          ;   (19)

          ;  (20)

          .    (21)

. Расчёт размещения обмоток в окне магнитопровода

) По рассчитанному значению диаметра провода выбираем ближайшее стандартное значение диаметра и марку провода из справочника. При этом стандартный диаметр провода выбирается в сторону увеличения. В справочнике указывается также диаметр провода с изоляцией . Марку провода выбираем в соответствии с классом по нагревостойкости, который в свою очередь определяется заданным перегревом трансформатора. Задаём максимальную рабочую температуру трансформатора , которая соответствует классу нагревостойкости .

Для повышения надёжности используем провод марки ПЭТВ с диаметром по меди: мм; мм; мм (диаметры по изоляции соответственно:  мм;  мм;  мм). Выбранный провод допускает работу при температуре .

) Производим расчёт размещения обмоток в окне магнитопровода.

В качестве изоляции сердечника используем стеклолакоткань марки ЛСЭ-105/130 (допустимая температура нагрева ) толщиной мм, уложенную с 50%-ным перекрытием так, что общая толщина слоя изоляции получается равной . Предварительно у сердечника должны быть сняты острые кромки.

Первой на изоляцию сердечника наматываем первичную обмотку. Внутренний диаметр первого слоя равен:

 мм,          (22)

где мм - внутренний диаметр кольцевого сердечника.

Длина первого слоя равна:

 мм.  (23)

Определяем максимальное число витков в первом слое без учёта не плотности намотки:

.    (24)

Из последнего выражения следует, что первичная обмотка не укладывается в один слой, поэтому рассчитываем размещение второго слоя. Так как напряжение питания невелико (В), то межслоевую изоляцию укладывать не будем.

Внутренний диаметр второго слоя равен:

 мм.         (25)

Длина второго слоя равна:

 мм.   (26)

Максимальное число витков во втором слое без учёта не плотности намотки:

.  (27)

Из последнего выражения следует, что первичная обмотка не укладывается в два слоя, поэтому рассчитываем размещение третьего слоя.

Внутренний диаметр третьего слоя равен:

 мм.    (28)

Длина третьего слоя равна:

 мм.        (29)

Максимальное число витков в третьем слое без учёта не плотности намотки:

.     (30)

Таким образом, первичная обмотка укладывается в три слоя. В первом слое можно разместить 70 витков, во втором - 56, в третьем - 43.

Поверх первичной обмотки накладываем межобмоточную изоляцию из стклолакоткани ЛСЭ-105/130 толщиной 0,10 мм с 50%-ным перекрытием. Следующей на межобмоточную изоляцию наматываем размагничивающую обмотку.

Внутренний диаметр четвертого слоя равен:

 мм. (31)

Длина четвертого слоя равна:

 мм.    (32)

Максимальное число витков в четвертом слое без учёта не плотности намотки равно:

.          (33)

Из последнего выражения следует, что размагничивающая обмотка вполне разместится в четвертом слое.

Рассчитываем размещаемость вторичной обмотки. Поверх размагничивающей обмотки накладываем межобмоточную изоляцию из стеклолакоткани ЛСЭ-105/130 толщиной 0,12 мм с 50%-ным перекрытием. Следующей на межобмоточную изоляцию наматываем вторичную обмотку.

Внутренний диаметр пятого слоя равен:

 мм.     (34)

Длина пятого слоя равна:

 мм.   (35)

Максимальное число витков пятого слоя без учёта не плотности намотки равно:

.   (36)

Из последнего выражения следует, что вторичная обмотка не укладывается в один слой, поэтому переходим к расчёту следующего шестого слоя. Межслоевую изоляцию накладывать не будем, так как напряжение на вторичной обмотке невелико (20 В).

Внутренний диаметр шестого слоя равен:

 мм.    (37)

Длина шестого слоя равна:

 мм.       (38)

Максимальное число витков в шестом слое без учёта не плотности намотки равно:

.   (39)

Из последнего выражения следует, что вторичная обмотка не укладывается в два слоя, поэтому переходим к расчёту следующего седьмого слоя.

Внутренний диаметр седьмого слоя равен:

 мм.    (40)

Длина седьмого слоя равна:

 мм.      (41)

Максимальное число витков в седьмом слое без учёта не плотности намотки равно:

.     (42)

Очевидно, вторичная обмотка уложится в три слоя с числом витков в пятом - 30, шестом - 20, седьмом - 12 витков соответственно.

Поверх вторичной обмотки накладываем внешнюю изоляцию из стеклолакоткани ЛСЭ-105/130 толщиной 0,12 мм с 50%-ным перекрытием.

Диаметр отверстия в окне сердечника с обмоткой равен:

 мм.   (43)

При расчёте диаметров слоёв не учитывалась радиальная не плотность укладки слоёв. Однако, учитывая достаточно значительный диаметр отверстия в окне обмотки (равный 3,24 мм), можно утверждать, что все обмотки разместятся в окне магнитопровода.

Мощность потерь в сердечнике  на перемагничивание и вихревые токи рассчитываем по формуле:

                   (44)

где  Вт/кг - удельная мощность потерь в сердечнике из феррита марки 1500НМ3 при частоте кГц и амплитуде магнитной индукции Тл;

 кг - масса магнитопровода, состоящего из двух колец К20×12×6;

 - коэффициент влияния частоты на потери;

 - коэффициент влияния индукции на потери;

 кГц - рабочая частота;

 - амплитуда переменной составляющей магнитной индукции, определяемая по формуле:

          Тл.      (45)

Рассчитываем среднюю длину витка обмотки по формуле:

                (46)

где  мм - внешний диаметр кольцевого сердечника;

мм - внутренний диаметр кольцевого сердечника;

мм - высота одного кольца сердечника;

 мм - внутренний диаметр седьмого слоя обмотки.

. Расчёт мощности потерь и перегрева

Рассчитываем длину провода каждой k-й обмотки по формуле:

,

где  - число витков k-й обмотки.

Длина провода первичной обмотки равна:

.         (47)

Длина провода вторичной обмотки равна:

. (48)

Ток в размагничивающей обмотки незначителен, поэтому потери мощности в размагничивающей обмотке не учитываем.

Рассчитываем активные сопротивления провода k-х обмоток при температуре + 20°С:

,

где Ом·мм2/м - удельное сопротивление меди;

 - диаметр провода k-й обмотки без изоляции.

 - площадь сечения провода k-й обмотки без изоляции.

Активное сопротивление провода первичной обмотки при температуре + 20°С равно:

 Ом.        (49)

Активное сопротивление провода вторичной обмотки при температуре + 20°С равно:

 Ом.     (50)

Исходя из класса нагревостойкости используемых материалов, задаёмся максимальной температурой катушки , и рассчитываем сопротивления обмоток  для этой температуры. Для катушек из медного провода активное сопротивление k-й обмотки равно:

,

где  - температурный коэффициент удельного сопротивления для меди;

 - превышение температуры катушки над нормальной температурой.

Активное сопротивление провода первичной обмотки при максимальной температуре равно:

Ом. (51)

Активное сопротивление провода вторичной обмотки при максимальной температуре равно:

          Ом. (52)

Вычисляем суммарные потери в катушке по формуле:

          Вт,      (53)

где  и - действующие значения токов соответственно в первичной и вторичной обмотках.

Рассчитываем тепловой режим трансформатора исходя из мощностей, теряемых в обмотках  и в сердечнике , которые выделяется в виде тепла внутри трансформатора. Полагаем, что трансформатор работает в стационарном режиме, при котором существует баланс мощностей и выделяемая и излучаемая мощности равны. Температурный режим трансформатора оцениваем некоторой средней величиной , которая называется температурным перегревом:

          ,   (54)

где  - температура нагрева обмоток трансформатора;

 - температура окружающей среды.

Приближённо температурный перегрев тороидального трансформатора может быть вычислен по следующей формуле:

          ,      (55)

трансформатор преобразователь обмотка магнитопровод

где  - площадь поверхности охлаждения катушки, м2;

 - коэффициент теплоотдачи катушка-окружающая среда, Вт/(м2·град).

Для естественного охлаждения (без обдува воздухом) принимаем  Вт/(м2·град).

Определяем наружный диаметр катушки:

   (56)

Определяем высоту обмотки:

             (57)

Определяем площадь поверхности охлаждения катушки:

          мм2, (58)

Определяем температурный перегрев тороидального трансформатора:

град,

В заключении определяем температуру нагрева обмоток трансформатора . Температура нагрева обмоток трансформатора  выше температуры окружающей среды  на величину перегрева:

.

Рассчитанная температура  не превышает максимальную температуру обмоток , поэтому расчёт трансформатора считается законченным.

Список литературы

1. Хныков А.В. Теория и расчёт трансформаторов источников вторичного электропитания. - М.: СОЛОН-Пресс, 2004. - 128 с.

. Сидоров И.Н., Скорняков С.В. Трансформаторы бытовой радиоэлектронной аппаратуры: Справочник - М.: Радио и связь, 1994, - 320с.

. Александров К.К., Кузьмина Е.Г. Электротехнические чертежи и схемы. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 288 с.