Министерство образования и науки Украины
Харьковский национальный университет радиоэлектроники
Кафедра ПЭЭА
РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ
по дисциплине: Элементная база ЭА
на тему: Трансформатор питания
Выполнил
Проверил
Харьков 2009
Содержание
Введение
1. Анализ технического задания
1.1 Анализ условий эксплуатации
1.2 Обоснование дополнительных требований и параметров
2. Обзор аналогичных конструкций и выбор направления проектирования
3. Расчет конструкции и необходимых деталей
3.1 Расчет стержневого трансформатора
4. Описание конструкции и технологии
Заключение
Список литературы
Введение
Трансформаторы являются наиболее широко используемыми элементами в различной аппаратуре.
Трансформаторы питания преобразуют переменное напряжение первичного источника в любые другие значения, необходимые для нормального функционирования аппаратуры. Кроме того, трансформатор питания позволяет получать ряд вторичных напряжений, электрически не зависимых друг от друга и от питающей сети.
Наиболее просто применять для электропитающего устройства специально спроектированные трансформаторы для обеспечения высокого качества работы и требуемой надежности, низкой стоимости, минимальной массы и объема.
В тех случаях, когда напряжение или ток на вторичной стороне унифицированного трансформатора не соответствует требуемым значениям, приходится рассчитывать и изготовлять трансформатор. Не применяют унифицированный трансформатор также, если остаются незадействованными некоторые секции вторичной обмотки, что приводит к нежелательному увеличению объема и массы устройства.
Более высокие показатели можно обеспечить на основании детальных расчетов, что и является целью курсового проекта — расчет трансформатора питания с заданными параметрами, обеспечив при этом минимальные габаритные размеры.
1. Анализ технического задания
1.1 Анализ условий эксплуатации
Исходные данные:
/> — напряжение источника питания;
/> — частота источника питания;
/> — напряжение первой вторичной обмотки;
/> — ток первой вторичной обмотки;
/> — напряжение второй вторичной обмотки;
/> — ток второй вторичной обмотки.
Обеспечить минимальные габаритные размеры.
Программа выпуска 5000 шт. в год.
В условиях ТЗ не указан вид аппаратуры, в которой будет использоваться трансформатор. По ГОСТ 15150-69 он относится к первой группе исполнения УХЛ (аппаратура, работающая в жилых помещениях), категория размещения 4.2 (аппаратура, предназначенная для эксплуатации в отапливаемых помещениях). Общие нормы климатических воздействий на РЭА для исполнения УХЛ приведены в таблице 1.1
Таблица 1.1 — Общие нормы климатических воздействий на РЭА
Исполнение
Категория
размещения
Воздействия температуры, °С
Воздействия относительной влажности,%
Рабочие
Предельные
Рабочие
Верхн.
Нижн.
Ср.
Верхн.
Нижн.
Верхнее
УХЛ
4.2
+35
+10
+20
+40
+1
98%
при 25°С
В соответствии с ГОСТ 16019-78 должна выдерживать нормативные воздействия, приведенные в таблице 1.2
Таблица 1.2 — Наземная профессиональная РЭА. Нормы климатических и механических воздействий для 1-й группы
Вид воздействия, характеристики
Нормы воздействий
Прочность при транспортировании (в упакованном виде):
ускорение, g
15
длительность ударного импульса, мс
11
число ударов, не менее
1000
Теплоустойчивость:
рабочая температура, />
40
предельная температура, />
55
Пониженное атмосферное давление:
атмосферное давление, кПа
70
Холодоустойчивость
предельная температура, />
-40
Влагоустойчивость:
влажность,%
93
температура, />
25
1.2 Обоснование дополнительных требований и параметров
Для каждой из конструкций трансформатора существует «оптимальная геометрия» (соотношение размеров магнитопровода), обеспечивающая получение минимальной массы, объема или стоимости. Пользуясь [1, табл.13], выбираем конструкцию трансформатора с учетом его мощности и частоты сети — стержневая с двумя катушками (по сравнению с броневой конструкцией при одинаковом объеме выигрыш по мощности 6 — 25%).
Стержневой двухкатушечный трансформатор обладает большей поверхностью охлаждения (за счет поверхностей катушки) и поэтому допускает большие плотности тока />. По этой причине двухкатушечный ленточный трансформатор имеет удельные мощности по массе и объему больше, чем у ленточного броневого трансформатора: при 50 Гц — до 30% и при 400Гц — до 20%.
Стержневой двухкатушечный трансформатор имеет меньшую индуктивность рассеяния (на каждой катушке только половина витков и поэтому толщина катушки меньшая), меньшее внешнее электромагнитное поле и меньшую восприимчивость к постоянным электромагнитным полям (наведенные ЭДС в обеих катушках вычитаются).--PAGE_BREAK--
К недостатку стержневого двухкатушечного трансформатора следует отнести уменьшенный примерно на 15% коэффициент заполнения окна медью, т.к у нее вдвое больше изоляционных материалов между отдельными обмотками и между магнитопроводом и обмоткой.
С учетом, что />, выбираем электротехническую сталь марки Э310 с толщиной лент />. Также для обеспечения минимальных габаритных размеров принимают максимальное значение магнитно возможную индукцию магнитопровода и плотности тока в обмотках, удовлетворяя требуемым параметрам.
2. Обзор аналогичных конструкций и выбор направления проектирования
В зависимости от технологии изготовления магнитопроводы трансформаторов небольшой мощности делятся на пластинчатые и ленточные. По конструктивному выполнению пластинчатые и ленточные магнитопроводы делятся на три основных типа: стержневые, броневые и кольцевые.
Все перечисленные ранее конструкции магнитопроводов применяются в качестве сердечников в однофазных трансформаторах. В трехфазных трансформаторах обычно используется стержневая конструкция, называемая также Е — образной.
Так как трансформатор имеет большие электромагнитные силовые потоки, то соответственно и большие размеры обмоток элемента. Для уменьшения размеров и массы важную роль играет грамотный подбор материалов составных частей трансформатора.
В современных РЭА масса и габариты устройств питания составляют 0.5-0.1 общей массы и габаритов и на их долю приходится в некоторых случаях до 50% отказов. Что требует совершенствования трансформаторов питания. Основные трудности при этом определяются тем, что материалы сердечников имеют ограниченные магнитную проницаемость, индукцию насыщения и большие потери.
Согласно условиям внешних климатических, механических и физических воздействий использование броневого трансформатора оправдано
Учитывая недостатки в существующих трансформаторах, относительно проектируемого выбираем следующие направления:
При стяжки трансформатора между стойкой и магнитопроводом подложить слой бумаги К-12 ГОСТ 1908-88 для того, чтобы предотвратить возможность образования короткозамкнутого витка вокруг всего сердечника или его части; образование такого витка приводит к сильному нагреву трансформатора и потере их мощности, что не допустимо для реализации минимальных габаритных размер;
Фиксация всей конструкции к основанию осуществляется клеем ВК ОСТ4ГО.029.204.
Обмотка трансформатора — открытого типа, то есть крышки не имеет, так как условия работы — лаборатории, жилые дома и другие подобные помещения.
В качестве обмотки применяем провод марки ПЭВ-1 (ГОСТ 7262-78), допускающий перегрев до 105°С.
Торцы магнитопровода покрывают эмалью МЛ-152 синяя У1 ОСТ 4.070.015.
3. Расчет конструкции и необходимых деталей
3.1 Расчет стержневого трансформатора
Расчет ведем, исходя из допустимого перегрева />.
1. Зная величину />, выбираем сталь марки Э310 с толщиной лент />.
2. Определяем мощность вторичной обмотки /> (3.1)
/>; (3.1)
/>.
По известным величинам /> и /> для стержневого трансформатора с двумя катушками определим [1, П12] ориентировочное типоразмер магнитопровода, нужные параметры которого заносим в табл.1.3
Таблица 1.3 — Основные параметры магнитопровода ПЛ 12,5X25-32
Размеры, мм
Активна площадь сечения магнитопровода, см2
Средняя длина магнитной силовой линии, см
Масса магнитопровода, г
Ориентировочная мощность трансформатора, ВА, при частоте f=50Гц
Средняя длина витка, см
a
b
c
L
h
H
/>
/>
/>
/>
/>
12.5
25
20
45
32
55
2.76
13.8
301
33.5
10.3
3. Находим номинальный ток в первичной обмотке (3.2)
/>; (3.2)
Значения /> и /> определяем по [1, рис.34]: />, />.
Тогда:
/>.
4. Принимаем для холоднокатаной стали Э310 /> [1] />.
5. Определяем потери в стали для индукции /> (3.3)
/>, (3.3)
где /> — удельные потери в стали [1, рис.35а], />.
/>.
6. Находим активную составляющую тока холостого хода /> по формуле (3.4)
/>; (3.4), />.
7. Находим намагничивающую мощность, исходя из удельной реактивной мощности /> [1, рис.35б] и массы стали /> по формуле (3.5)
/>; (3.5)
/>.
8. Находим реактивную составляющую тока холостого хода /> по формуле (3.6)
/>; (3.6)
/>.
9. Находим по формуле (3.7) ток холостого хода />
/>; (3.7)
/>.
10. Определяем ток холостого хода /> (3.8) в% при />
/>; (3.8)
/>.
11. Определяем ориентировочное падения напряжения />, /> и /> из [1, табл.15]
/>;
/>.
12. Находим число витков />, /> и /> по формулам (3.9) и (3.10). При последовательном соединении обмоток на стержнях напряжение каждой из катушек будет в два раза меньше
/>; (3.9)
/>; (3.10)
/>витков;
/>витков;
/>витков.
13. Находим плотность тока />, исходя из величин />, /> и конструкции трансформатора по [1, табл.14] />.
Для стержневого трансформатора рекомендуется выбирать плотность тока />, исходя из (3.11) продолжение
--PAGE_BREAK--
э/>;
/>.
14. Определяем ориентировочное значение проводов />. Выбираем марку проводов ПЭВ-1. А затем по [1, П14] уточняем их стандартные сечения и выписываем нужные параметры. Полученные данные заносим в табл.1.4
Таблица 1.4 — Результаты выбора провода марки ПЭВ-1
Обмотка
s, мм2
dпр,мм
dиз,мм
Sпр, мм2
r’, Ом/мм
Gм1, кг
Gм1’, кг
I
0,4267
0,74
0,8
0,4301
40,7
3,82
3,9
II1
0,7843
1
1,08
0,7854
22,4
6,98
7,12
II2
0,4183
0,74
0,8
0,4301
40,7
3,82
3,9
15. Уточняем фактические плотности тока для каждой обмотки по выбранным стандартным сечениям проводов (3.11)
/>; (3.11)
/>;
/>;
/>.
16. Определяем испытательные напряжение обмоток [1] />, т.к />.
17. Производим конструктивный расчет обмоток.
а) Выбираем сборную конструкцию каркаса с толщиной стенок и щек 0,5мм; вид намотки — рядами, т.к провод достаточно толстый; выбираем цельные концентрические обмотки.
б) Определяем вид изоляции и ее толщину согласно рекомендациям, изложенных в [1] и [1, рис.32]:
/> — толщина гильзы с одним слоем бумаги К-12;
/> -один слой бумаги ЭИП-50;
/> — два слоя К-12;
/> -один слой бумаги К-12;
/> — два слоя К-12;
/> -один слой бумаги ЭИП-50;
/> — два слоя К-12 + батистовая лента (0,16мм);
/>;
/>;
/>.
в) Определяем осевую длину обмотки /> по формуле (3.12)
/>; (3.12)
/>.
г) Находим число витков /> в одном слое (3.13)
/>, (3.13)
где /> — коэффициент укладки, учитывающий неплотное прилегание витка к витку и заход междуслоевой изоляции на щеку каркаса. Согласно [1, табл.16] />; />; />.
/>витка;
/>витка;
/>витка.
д) Определяем число слоев каждой обмотки по формуле (3.14)
/>; (3.14)
/>;
/>;
/>.
е) Находим радиальные размеры обмоток для каркасной конструкции и концентрического выполнения обмоток. Если межслоевая изоляция прокладывается через каждый слой, то толщина первичной и вторичных обмоток находится согласно (3.15)
/>; (3.15)
/>;
/>;
/>.
ж) Находим радиальный размер катушки по формуле (3.16)
/>, (3.16)
где /> — коэффициент выпучивания при намотки и после пропитки, определяем согласно [1, табл.1] />.
/>.
з) Определяем расстояние между катушкой и сердечником /> согласно формуле (3.17)
/>; (3.17), />,
что допустимо.
18) Определяем потери в меди.
а) Находим средние длины витков по формулам (3.18) — (3.20)
/>; (3.18)
/>;
/>; (3.19)
/>;
/>; (3.20)
/>.
б) Находим массу меди в каждой из обмоток (3.21)
/>; (3.21)
/>;
/>;
/>.
Находим массу проводов в каждой из обмоток (3.22)
/>; (3.22)
/>;
/>;
/>
Определим суммарную массу проводов в трансформаторе (3.23)
/>; (3.23)
/>.
в) Находим потери в каждой из обмоток (3.24), считая, что повод ПЭВ-1 нагревается до температуры />
/>; (3.24)
/>;
/>;
/>.
Находим суммарные потери в меди /> (3.25)
/>; (3.25)
/>.
19) Проверяем тепловой режим.
а) Определяем тепловые сопротивления:
тепловое сопротивление катушки (3.26)
/>, (3.26), где /> продолжение
--PAGE_BREAK--
/>;
/>.
/>.
тепловое сопротивление границы катушка — среда (3.27)
/>, (3.27)
где />
/>
/>;
/>.
тепловое сопротивление границы сердечник — среда (3.28)
/> (3.28)
где/>;
/>;
/>;
/>;
/>;
/>.
/>.
тепловое сопротивление гильзы (3.29)
/>, (3.29)
где />;
/>;
/> — зазор между катушкой и сердечником.
/>.
б) Определяем величину теплового потока катушка — сердечник (3.30)
/> (3.30)
/>.
в) Определяем тепловое сопротивление катушки от максимально нагретой области до гильзы по формуле (3.31):
/>; (3.31)
/>.
Если тепловое сопротивление /> меньше нуля, то необходимо найти (3.32)
/>; (3.32)
/>.
г) Определяем величину максимального превышения температуры катушки по формуле (3.33) при />
/>; (3.33)
/>.
д) Определяем, исходя из />, максимальную температуру, до которой нагреются обмотки трансформатора (3.34)
/>; (3.34)
/>.
Такое превышение температуры допустимо для выбранного нами провода ПЭВ-1.
20) Определяем активное сопротивление каждой из обмотки (3.35)
/>; (3.35)
/>;
/>;
/>.
В горячем состоянии при температуре /> активное сопротивление каждой из обмотки определяется согласно (3.36)
/>, (3.36)
где />.
/>;
/>;
/>.
21) Определяем уточненное активное падение напряжения во всех обмотках (3.37)
/>; (3.37)
/>;
/>;
/>.
22) Т.к. мощность />, то влияние реактивного сопротивления по сравнению с активным можно пренебречь.
23) Трансформатор работает на вентильную систему. При этом активная составляющая мощности, потребляемой от сети (3.38)
/>; (3.38)
/>.
Определим КПД трансформатора (3.39)
/>; (3.39)
/>.
24) При расчете трансформатора, исходя из активной составляющей тока (3.40)
/>; (3.40), />
находим /> (3.41), />; (3.41)
/>.
4. Описание конструкции и технологии
Основными элементами конструкции трансформаторов являются магнитопровод и обмотки. Магнитопровод выбрали стандартный ПЛ 12,5X25-32 из стали Э310 толщиной пластин 0,35мм, который оптимальный для решения поставленной задачи. Торцы магнитопровода покрывают эмалью МЛ-152 синий У1 ОСТ 4.070.015.
Для обмотки выбрали провод круглого сечения с эмалевым высокопрочным покрытием из лака ВЛ-931 (ГОСТ 7262-70) марки ПЭВ-1, допускающей работу при температуре +105°С, что допустимо, т.к рассчитанный трансформатор максимально может нагреться до температуре 95°С.
Обмотки трансформатора наматывается на гильзу с толщиной щек равной 0,5мм, выполненной из гетинакса II ГОСТ 2718-74.
Выводы трансформатора представляют собой провод марки МГШДО (ГОСТ 10349-69), имеющий токопроводящую жилу скрученную из медных луженых проволок, изолированный двойной обмоткой из полиамидного шелка. Провод паяется с обмоткой припоем типа ПОС-61 и выводится через специальные отверстия на катушке.
Пропитка осуществляется лаком МЛ-92 ГОСТ 15865-92., преследующая цель заполнить все поры вытеснить из катушек воздух и тем повысить влагостойкость, а также теплопроводность катушек. Пропитка также цементирует катушки, в ряде случаев повышает класс нагревостойкости изоляции.
В техническом задании указана программа выпуска трансформатора -5000 штук в год, что соответствует массовому производству. В соответствии с этим, некоторые операции по изготовлению трансформатора можно автоматизировать; изготовить нестандартных деталей, максимально подходящих для обеспечения дополнительных условий ТЗ.
Изготовление стойки произвести путем штамповки. Нарезка лент из фольги осуществить пресс-ножницами. Вместо сборной конструкции каркаса применяем гильзу.
ПАСПОРТ
1. Напряжение источника питания, /> 24
2. Частота питающей сети, /> 50
3. Напряжения вторичных обмоток, /> 5; 9
4. Потребляемый ток, /> 1.92
5. Токи вторичных обмоток, />; 1.6
6. Фактическая плотность тока в проводах обмоток, /> 4.46; 3.82; 3.72
7. Номинальная мощность, /> 29.4
8. Потребляемая мощность, /> 56.4
9. КПД, /> 80
10. Ток холостого хода, /> 0.54
11. Тепловое сопротивление катушки, /> 2.98
12. Тепловое сопротивление гильзы, /> 7.1
13. Максимальное превышение температуры катушки, /> .55
14. Максимальная температура проводов обмотки, /> 95
Исполнение УХЛ, категория размещения 4.2
Программа выпуска 5000 шт. в год.
Заключение
В процессе выполнения данного курсового проекта была разработана конструкция трансформатора питания. Обеспечены минимальные габаритные размеры путем выбора стержневого магнитопровода с максимальной магнитной индукции, а также выбором максимально возможной плотности тока в обмотках. Определены конструкторские и технические параметры трансформатора. Произведен выбор материалов, необходимых для изготовления трансформатора и его составных частей. Выполнены необходимые расчеты по определению электрических и конструктивных параметров трансформатора. Получены определенные навыки расчета параметров и разработки технической конструкторской документации на изготовление элементов электронной аппаратуры.
Рассчитанный трансформатор поддается автоматизации, что позволяет изготавливать трансформатор серийно.
Список литературы
Векслер Г.С. Расчет электропитающих устройств. — К.: Техника, 1978г.
М.И. Белопольский, Л.Г. Пикалова. Расчет трансформаторов и дросселей малой мощности. — М.: Энергия, 1970г.
Малогабаритные трансформаторы и дроссели: Справочник / И.Н. Сидоров, В.В. Мукосеев, А.А. Христинин: Радио и связь, 1985г.
Практическое пособие по учебному конструированию РЭА/В.Т. Белинский, В.П. Гондюл, А.Б. Грозин и др. — К.: Вища школа, 1992г.
В.А. Волгов Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры. — М.: Энергия, 1977.