Проектирование маломощных трансформаторов для устройств железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ИМПЕРАТОРА АЛЕКСАНДРА I»

(ФГБОУ ВПО ПГУПС)

Попов Г.А., Колесова А.В., Саттаров Р.Р.

Проектирование маломощных трансформаторов для устройств железнодорожного транспорта

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2014

УДК 621.314.222

ББК 31.261.8

Попов Г. А., Колесова А.В., Саттаров Р.Р, Проектирование мало-

мощных трансформаторов для устройств железнодорожного транс-

порта: учебное пособие. СПб: ПГУПС 2014.____с.

Учебное пособие содержит основные сведения о конструкции и материалах, применяемых при изготовлении трансформаторов.

Пособие предназначено для студентов факультета «Автоматизация и интеллектуальные технологии», выполняющих курсовой проект по курсу "Электрические машины и основы электропривода". Может быть полезно для студентов, других факультетов, изучающих дисциплину «Электрические машины» .

Табл.__ Рис.__ Библиогр. __ назв.

2

Введение

В современных устройствах автоматики, телемеханики и связи в различных цепях электропитания элементов схем сигнализации, управления, обмоток реле, радиотехнической аппаратуры для преобразования параметров электрической энергии используются трансформаторы малой мощности ТММ.

Расчет ТММ имеет ряд особенностей в отличии от расчета обычных силовых трансформаторов общего назначения. Так в ряде случаев к ним предъявляют жѐсткие требования по массогабаритным показателям, экономической и энергетической эффективности, по тепловому воздействию на соседствующее с ним оборудование и собственной тепловой устойчивости.

В связи с тем, что расчет ТММ выполняется после самостоятельного изучения студентами теоретического раздела "Трансформаторы" [1,2], в данном учебном пособии теоретические сведения соответствующего раздела курса "Электрические машины" не приводятся.

3

1. Задание на расчет ТММ

Предлагается произвести расчет однофазного двухобмоточного ТММ, основных размеров его магнитопровода и обмоток, вычисление потерь в них, коэффициента полезного действия и перегрева относительно окружающей среды.

Существенной особенностью данного учебного расчета ТММ по сравнению с расчетом трансформаторов большой и средней мощности является применение упрощенных формул и ограничение числа определяемых величин. Допущения, используемые при расчете, оговариваются в соответствующих разделах предлагаемой методики расчета.

Исходные данные для расчета

1.Номинальные мощности вторичных обмоток - S2 , S3 , ВА.

2.Номинальное напряжение первичной обмотки - U1 , В.

3.Напряжение вторичных обмоток при нагрузке - U 2 , U 3 , В.

4.Частота питающего напряжения задается стандартной - f1 50 ,

Гц.

5.Коэффициент мощности нагрузок - cos 2 , cos 3 .

6.Класс изоляции - А (нагревостойкость-105 0С).

7.Режим работы – продолжительный.

8.Максимальная температура окружающей среды - tB 40 0С.

9.Охлаждение трансформатора - воздушное.

10.Дополнительное требование: расчет произвести на минимум стоимости или массы (в зависимости от номера варианта задания).

Расчетнопояснительная записка должна содержать подробный ход расчета с обоснованием выбранных величин, эскизы магнитопровода, продольный и поперечный разрезы трансформатора с указанием габаритных размеров.

Расчет и чертежи выполняются на листах формата А4 (210*297).

	Исходные данные для расчета берутся из табл. 1. по трехзначному
номеру	варианта,	который	выдается	преподавателем.
				4

													Таблица 1
							Вариант
	Наименование величины,		Единица
				Первая цифра	Вторая цифра			Третья цифра учебного шифра
	расчетное условие		измерения	учебного шиф-	учебного шиф-
						0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
				ра	ра
		S2	В А			25	50	75	100	125	150	175	200	225	250
		S3	В А			10	20	20	25	30	30	40	40	50	50
		U 2	В			250	300	200	250	310	350	350	240	400	450
				0 - 9	0 - 9
		U 3	В			30	12	10	16	24	20	28	30	36	26
		cos 2	_			1	0,95	0,9	0,8	0,85	0,75	0,7	0,8	0,9	1,0
		cos 3	_			0,8	0,7	1,0	0,95	0,75	0,85	0,9	1,0	0,8	0,7
					0, 1, 3, 6, 9	127	115	380	220	127	220	115	380	220	380
		U1	В	0 - 9
					2, 4, 5, 7, 8	380	220	127	115	220	127	220	127	380	220
	Расчетное	минимум массы		1, 4, 5, 8, 9		+	+	+	+	+	+	+	+	+	+
					0 - 9
	условие	минимум стоимо-		0, 2, 3 ,6, 7		+	+	+	+	+	+	+	+	+	+
		сти
															5

2. Особенности трансформаторов малой мощности (ТММ) с воздушным охлаждением.

Малые габариты и относительно благоприятные условия охлаждения ТММ позволяют обходиться без вентиляционных каналов в сердечнике и обмотках.

В связи с небольшими напряжениями обмоток (обычно менее 1000 В) толщина изоляции между обмотками делается малой. Это обуславливает небольшие потоки реверсирования. Поэтому в ТММ с воздушным охлаждением для частоты сети 50 Гц реактивная составляющая напряжения короткого замыкания в несколько раз меньше активной составляющей и в данном расчете ей пренебрегаем.

Маломощные трансформаторы обычно применяются для питания автономной нагрузки и поэтому на параллельную работу не включаются. Поэтому напряжение короткого замыкания в данном случае не является одной из исходных величин для расчета (как это имеет место в мощных трансформаторах), а определяется в конце расчета для уточнения величины напряжения на вторичных обмотках при нагрузке.

Ток холостого хода ТММ велик и достигает 40-50% от номинального значения тока первичной обмотки при номинальной нагрузке вторичных обмоток.

Это объясняется значительным влиянием повышенного сопротивления стыков пластин магнитопровода при относительно малом пути магнитного потока по стали (по сравнению с мощными трансформаторами).

6

3. Материалы, применяемые при изготовлении ТММ

Магнитные материалы. К магнитным материалам, используемым для изготовления магнитопроводов ТММ, предъявляются следующие требования: высокая магнитная проницаемость, малые потери на вихревые токи и перемагничивание, малая себестоимость. Для изготовления сердечников ТММ в диапазоне от единиц до нескольких сотен вольт-ампер в качестве магнитного материала широко используются горяче- и холоднокатаные электротехнические стали разных марок и толщин.

Магнитные свойства горячекатаных сталей практически одинаковs во всех направлениях проката. Холоднокатаные стали обладают меньшими удельными потерями и значительно лучшими электромагнитными характеристиками вдоль направления проката по сравнению с горячекатаными. Поэтому из горячекатаных сталей выполняются пластинчатые магнитопроводы, а из холоднокатаных - ленточные.

При расчете трансформатора на минимум стоимости следует выбирать горячекатаные стали, а на минимум массыхолоднокатаные.

С учетом наибольшего практического применения при курсовом проектировании ТММ рекомендуются следующие марки сталей :

1.при частоте 50 Гц для пластинчатых магнитопроводовгорячекатаная сталь марки 1512 с толщиной листов 0,35 мм;

2.при частоте 50 Гц для ленточных магнитопроводовхолоднокатаная сталь марки 3412 с толщиной ленты 0,35 мм.

Обмоточные провода. При изготовлении обмоток используются обмоточные провода широкой номенклатуры, в качестве материала проволоки берется в основном медь, имеющая малое удельное сопротивление. Для расчета ТММ рекомендуются следующие марки данных проводов:

1.ПЭЛпровод эмалированный лакостойкий, предназначен для работы при температуре до 105 0С. По стоимости - относительно дешевый, применяется в трансформаторах, которые рассчитываются на минимум стоимости. Недостаток провода - малая механическая прочность его изоляции;

2.ПЭВ -1 - провод, изолированный высокопрочной эмалью (ванифлекс) в один слой. Применяется при напряжениях до 500 В, удовлетворяет повышенным требованиям надежности, рабочая температура до 105 0С. Рекомендуется для трансформаторов наименьшей массы;

3.ПЭВ -2 - аналогичный провод, но с изоляцией в два слоя. Применяется при требованиях большой надежности и при напряжениях обмоток свыше 500 В.

Электроизоляционные материалы. Данные материалы в транс-

форматорах применяются для изоляции токоведущих частей. В зависимости от назначения изоляция бывает межобмоточной, межслоевой, межвитковой и основной (изоляция между катушкой и сердечником).

7

К изоляции с рабочей температурой до 105 0С (класс изоляции А, указанный в задании на курсовой проект) относятся отдельные материалы на основе хлопчатобумажной и шелковой тканей или на основе целлюлозы, не пропитанные лил пропитанные лаками.

В качестве материалов, используемых для межслойной и междуобмоточной изоляции, применяются бумаги, пропитанные изоляционным компаундом: кабельная марки К-12, телефонная КТН; конденсаторная КОН - 1; пропиточная марок ЭПИ -50 и ЭПИ -63Б. Из тканевых материалов используются лакоткани марок: ЛХ1, ЛХ2, ЛШ1, ЛШ2.

Материалом для каркасов катушек служит: для сборных - текстолит, гетинакс, электрокартон; для прессованных и литых - пресс - порошки.

4. Конструкция трансформаторов малой мощности

Основными элементами конструкций ТММ являются магнитопровод и катушки с обмотками.

В зависимости от технологии изготовления магнитопроводы делятся на пластинчатые и ленточные. Первые собираются из отдельных штампованных пластин, изолированных друг от друга оксидной пленкой или слоем изоляционного лака, вторые - из ленты, предварительно покрытой изолирующим составом. По конструктивному исполнению магнитопроводы бывают трех основных типов: стержневые, броневые и кольцевые. Основные размеры магнитопроводов, наиболее распространенных на практике, представлены на рис. 1.

Броневые пластинчатые магнитопроводы чаще всего собираются из Ш - образных пластин и прямоугольных перекрышек (рис.1 в). Для уменьшения магнитного сопротивления сборка осуществляется со сквозными пластинами.

ленточные магнитопроводы (рис. 1а, б) собираются в стык из отдельных сердечников подковообразной формы, при этом торцевые поверхности их тщательно шлифуются и склеиваются ферромагнитной пастой.

Катушки трансформатора представляют собой совокупность обмоток и систем изоляции, обеспечивающую их нормальное функционирование в заданных условиях окружающей среды. Изоляционная система катушек включает в себя следующие элементы: изоляцию обмоточных проводов, изоляцию обмоток от магнитопровода, межслоевую изоляцию, внешнюю изоляцию.

8

H

h

H

h

aя

c

aя

c

a

С

b

С

b

a)

б)

H		h

aя		c		a
				С			b
					в)

Рис.1. Основные размеры сердечников трансформатора: а) стержневой ленточный; б) броневой ленточный; в) броневой пластинчатый.

Изоляция обмоток от магнитопровода, осуществляется при помощи каркаса, который может быть клеенным, прессованным или сборным. Клеенный выполняется из электрокартона, сборный - из твердых изоляционных материалов (гетинакса или текстолита), прессованный - из пластмассы.

Броневой тип трансформатора (пластинчатый или ленточный) имеет одну катушку (рис.2, 3). Его достоинства - более высокий коэффициент

9

заполнения окна сердечника обмоточным проводом, частичная защита обмотки ярмом сердечника от механических повреждений.

Стержневой тип трансформаторов имеет большие габариты и его обмотки менее защищены от внешнего механического воздействия. В данном курсовом проекте рекомендуется принимать сердечник броневого типа.

Конструктивное оформление ТММ броневого типа представлено на рис. 2

Для уменьшения воздушного зазора в стыках и уровня шума магнитопроводы стягиваются шпильками посредством специальных накладок, которые одновременно используются и для крепления трансформатора к шасси. Вместо накладок можно использовать штампованные крышки; последние также являются и кожухом ТММ, защищая его от механических повреждений.

При малых размерах магнитопровода для стяжки железа иногда используют обойму специальной формы, в которую запрессовывают собранный трансформатор; обойма имеет ушки для крепления к шасси.

Стяжка ленточных магнитопроводов осуществляется механически тонкими стальными лентами с помощью специальных приспособлений.

Стяжные шпильки, планки, ленты и обоймы должны быть изолированы от магнитопровода бумагой или электрокартоном с тем, чтобы предотвратить возможность образования короткозамкнутого витка вокруг всего сердечника или его части. Образование такого витка приводит к сильному нагреву ТММ и потери мощности.

5. Расчет однофазного ТММ

Исходные данные для расчета

1. Номинальные мощности вторичных обмоток - S2 70 ВА, S3 50 ,

ВА.

2. Номинальное напряжение первичной обмотки - U1 220 , В.

3. Напряжение вторичных обмоток при нагрузке - U2 300 В,

U3 6,3 , В.

4. Частота питающего напряжения задается стандартной - f1 50 ,

Гц.

5.Коэффициент мощности нагрузок - cos 2 0,8 , cos 3 1,0 .

6.Класс изоляции - А (нагревостойкость-105 0С)

10