додати матеріал


Імпульсний трансформатор

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Міністерство освіти і науки України

РОЗРАХУНКОВО-ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА З курсового проектування

на тему:

"ІМПУЛЬСНИЙ ТРАНСФОРМАТОР"

з дисципліни

"Елементна база ЕЛЕКТРОННИХ АПАРАТІВ"

2010

ЗМІСТ

ВСТУП

1. ПЕРЕГЛЯД Анологічною КОНСТРУКЦІЙ

    1. Поняття імпульсного трансформатора

    2. Загальні конструктивні схеми і класифікація імпульсних трансформаторів

    3. Ізоляція проводів і обмоток

    4. Сердечник імпульсного трансформатора

    5. Тепловий режим імпульсного трансформатора

2. КОНСТРУКТОРСЬКИЙ РОЗРАХУНОК

2.1 Визначення середньої потужності і струмів трансформатора

2.2 Тип імпульсного трансформатора

2.3 Вибір збільшення і товщини матеріалу сердечника

2.4 Визначення поперечного перерізу стрижня і середньої довжини магнітопроводу сердечника трансформатора

2.5 Визначення числа витків обмоток трансформатора

2.6 Визначення перерізу і діаметра проводів обмоток

2.7 Укладання обмоток та уточнення розмірів вікна сердечника

2.8 Середні довжини витків обмоток трансформатора

2.9 Маса міді і активні опори обмоток

2.10 Втрати в обмотках

2.11 Маса матеріалу сердечника

2.12 Магнітні втрати в сердечнику

2.13 Коефіцієнт корисної дії трансформатора

2.14 намагнічує струм трансформатора

2.15 Коефіцієнт плоскої частини імпульсу

2.16 Перевірка трансформатора на нагрівання

2.17 Параметри трансформатора і перевірка спотворення імпульсу

3. ВИБІР МАТЕРІАЛІВ КОНСТРУКЦІЇ

ВИСНОВОК

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

ВСТУП

Імпульсні трансформатори застосовують в сучасних пристроях радіоелектроніки, літальних апаратах, автоматиці, установках зв'язку, а також в інших областях техніки. Це пов'язано з тим, що при проведенні різних електрофізичних експериментів необхідні електричні струми, що досягають сотень кілоампер при напругах до декількох Мегавольт.

Режим, коли потужність генерується та споживається протягом невеликого інтервалу часу, прийнято називати імпульсним. Імпульси можуть мати різну форму, і характер послідовності імпульсів також може бути різним. Потужності і напруги імпульсів можуть змінюватися в досить широких межах.

Часто розглядаються імпульсні режими, в яких тривалість імпульсу мала в порівнянні з періодом їх повторення, а форма близька до прямокутної. Саме в такому режимі працюють потужні імпульсні пристрої.

Для перетворення напруг в імпульсній техніці широко застосовується імпульсний трансформатор, який служить для трансформації короткочасних періодично повторюваних імпульсів напруги приблизно прямокутної форми порядку декількох мікросекунд і менше.

У даній роботі буде вироблено проектування малого імпульсного трансформатора.

Проектування ІТ полягає у вирішенні комплексу взаємопов'язаних приватних технічних завдань. До них відносяться: завдання про принципову можливість реалізації ІТ, задовольняє вимогам щодо спотворень форми трансформованого імпульсу; вибір конструктивної схеми активної частини і загального компонування ІТ, схеми і конструкції обмоток, ізоляційних, магнітних матеріалів, організація режиму роботи і режиму охолодження, розрахунок конструктивних параметрів обмоток, ізоляції, електромагнітних і теплових режимів; вибір типових елементів, оцінка техніко-економічних і функціональних показників спроектованого ІТ.

Завдання, які вирішуються в процесі проектування завдання відрізняються суперечливістю. Так, наприклад, будь-які зміни конструкції ІТ, спрямовані на зменшення спотворень фронту трансформованого імпульсу або збільшення його напруги, призводять до зниження всіх, без винятку, техніко-економічних показників ІТ.

Проектування ІТ включає в себе такі основні етапи: аналіз вихідних даних та патентно-інформаційний пошук з метою виявлення, аналогів; оцінку здійсненності вимог; розрахунок електромагнітних параметрів схеми заміщення і встановлення принципової можливості чи неможливості реалізації ІТ з заданими параметрами спотворень форми трансформованого імпульсу; вибір конструктивної схеми ІТ; розрахунок або вибір головних розмірів, обмоток, числа витків; розробку заходів щодо нормалізації теплового режиму; вибір конструкції та охолоджувальних пристроїв; розрахунок, на підставі якого вносяться необхідні зміни і уточнення; оцінку техніко-зкономических і функціональних показників ІТ; розробку вихідних даних .

Мета проектування ІТ є вибір конструкції, що відповідає функціональним і експлуатаційним вимогам та забезпечує отримання прийнятних техніко-економічних показників.

1. ПЕРЕГЛЯД Анологічною КОНСТРУКЦІЙ

1.1 Поняття імпульсного трансформатора

За допомогою імпульсних трансформаторів здійснюється підвищення амплітуди напруги імпульсу, узгодження повних опорів джерела напруги і навантаження, зміна полярності імпульсів.

Коефіцієнт корисної дії потужного ІТ може досягати 99%, тому втратами потужності не визначається принципова можливість застосування ІТ. Але абсолютна величина втрат пропорційна частоті повторення імпульсів, і при збільшенні частоти збільшується тепловиділення і температура активних частин трансформатора. У зв'язку з цим застосування ІТ можливо тільки при частотах повторення не перевищують 10кГц. Маса і вартість ІТ зазвичай менше маси і вартості генератора імпульсів.

У цілому, так само як і силовий трансформатор в промисловій електротехніці, ІТ виявляється практично незамінним елементом в імпульсній електротехніці, чим і обумовлено його широке застосування в імпульсних установках.

Принциповим фактором, що визначає можливість застосування ІТ, є здатність задовольняти вимогу можливо меншого спотворення передачі форми трансформованих імпульсів напруги.

Ці спотворення виникають як наслідок процесів накопичення і розсіювання електричної та магнітної енергії в принципово непереборних із системи генератор - ІТ - навантаження (трансформаторній ланцюга) елементах. Такими елементами є показані на схемі заміщення трансформаторної ланцюга (рис. 1.1) ємність контуру C до, ємності монтажу установки С м1 і C м2, ємності навантаження C н, індуктивності монтажу L м1 і L м2 і не показані на малюнку електромагнітні параметри ІТ - індуктивності розсіювання та намагнічування і ємності його обмоток. Внаслідок того, що викривлення трансформаторних імпульсів визначаються саме цими параметрами трансформаторної ланцюга, всі вони характеризуються як паразитні. Співвідношення між паразитними параметрами власне генератора і ІТ може бути різні. В окремих випадках паразитні параметри генератора і навантаження справляють домінуючий вплив на спотворення; тоді застосування ІТ істотно ускладнюється або стає взагалі неможливим.

Для зменшення спотворення форми трансформованих імпульсів напруги необхідно при проектуванні імпульсних трансформаторів прагнути до можливо більшого зменшення зазначених параметрів їх обмоток шляхом застосування сердечників і спеціальних магнітних сплавів, а також обмоток належної конструкції. При цьому велике значення має зменшення розмірів сердечника і числа витків обмоток.

Для аналізу перехідних процесів в імпульсних трансформаторах зазвичай застосовують схему заміщення трансформатора (рис. 1.1), що враховує як паразитні індуктивності, так і ємності обмоток.

Малюнок 1.1-Схема заміщення трансформаторної ланцюга

1.2 Загальні конструктивні схеми і класифікація імпульсних трансформаторів

Імпульсні трансформатори відрізняються різноманіттям конструктивного виконання. Це зумовлено їх застосуванням у широкому діапазоні енергій, потужностей, напруг, тривалостей імпульсів, відмінностями в призначенні і умови експлуатації. Тим не менш, незважаючи на це різноманіття, всі конструктивні схеми ІТ можна звести до чотирьох основних: стрижневий, броньовий, бронестержневой і тороїдальний. Таким чином, за конструктивними ознаками ІТ можна класифікувати як стрижневі, броньові, бронестержневие і тороїдальні. Форма поперечного перерізу МС у них може бути прямокутної або кругової.

Характерна конструктивна особливість ІТ - відносно мале число витків в його обмотках. З цієї причини обсяг провідникових матеріалів обмоток ІТ набагато менше обсягу МС і в якості узагальнюючого техніко-економічного показника конструкції ІТ природно брати обсяг його МС. Якщо прийняти такий показник якості, то так як не всі конструкції в цьому відношенні рівноцінні, адже в кожній з них ефективно використовується тільки та частина обсягу МС, яка міститься всередині обмоток, зовнішні частини МС, тобто ярма, служать тільки для проведення робочого магнітного потоку ІТ, а поперечний переріз постійно по довжині, то ефективність використання МС можна охарактеризувати коефіцієнтом використання довжини λ = h / l, де під висотою обмотки h розуміється сумарна висота котушок. Максимальні значення цього коефіцієнта становлять: для тороїдальної МС - 0.95; для стержневої - 0.6; для броньовий і бронестержневой - 0.3. Таким чином, найбільш економічні ІТ тороїдального типу, щодо економічні - стрижневого і найменше економічні - броньового і бронестержневого. Якщо врахувати, що конструктивно й технологічно стрижневі, броньові і бронестержневие ІТ приблизно рівноцінні, то випливає висновок про доцільність застосування тороїдальних і стрижневих МС в ІТ, особливо потужних, відрізняються великим об'ємом МС.

Коефіцієнт використання довжини МС можна підвищити, збільшивши висоту стрижня або діаметр МС. Однак такі витягнуті у висоту або збільшеного діаметра конструкції мають великі габарити, менш міцні, нетехнологічних, для них характерний підвищений витрата провідникових матеріалів, втрати потужності в обмотках, спотворення трансформованих імпульсів і інші недоліки. Проте найбільш важливо те, що вищі функціональні показники досягаються в конструкціях ІТ з максимальною великою площею перерізу та мінімальною довжиною МС. У зв'язку з цим коефіцієнт використання довжини МС є показником відносним і характеризує тільки ступінь конструктивної досконалості ІТ.

Полегшує класифікацію таке міркування. Характерною ознакою класу напруги є тип і конструкція головної ізоляції ІТ, також великою мірою визначає собою і конструкцію ІТ в цілому. Так, в ІТ на напругу до 20 кВ вдається застосовувати суху ізоляцію з шаруватих діелектриків, в деяких випадках - повітряну при нормальному тиску. В інтервалі напруг 20 ... 100 кВ зазвичай застосовують паперово-масляну або паперово-плівковий-масляні ізоляцію. При напрузі понад 100 кВ кращі результати дає застосування суто масляної ізоляції. Тому, незважаючи на певну умовність, доцільно ввести таку класифікацію по класу напруги, щоб значення напруги відбивало і конструктивні особливості ізоляції, тобто в наступному вигляді: ІТ класу напруги до 20 кВ; ІТ класу напруги до 100 кВ; ІТ класу напруги понад 100 кВ. [2]

1.3 Ізоляція проводів і обмоток

Обмотки ІТ повинні відповідати таким основним вимогам: бути достатньо електрично міцними, ізоляція обмоток повинна витримувати без пошкоджень тривалий вплив номінальних робочих напруг і короткочасний вплив підвищених напруг в можливих аварійних ситуаціях; мати мінімальну індуктивність розсіювання, динамічну ємність і опір; бути досить міцними механічно, володіти вібростійкою і витримувати дію значних електродинамічних сил, що виникають як у нормальному режимі роботи, так і, особливо, при коротких замиканнях ланцюга навантаження.

Вимоги високої електричної міцності та мінімальної індуктивності розсіювання взаємно суперечливі, тому що для збільшення електричної міцності необхідно збільшувати товщину та ізоляції, у той час як для зменшення індуктивності розсіювання потрібно зменшувати товщину. Зменшення ємності обмоток, у свою чергу, знаходиться у протиріччі з вимогою мінімальної індуктивності розсіювання. Однак у більшості випадків зменшення індуктивності розсіювання є більш важливим завданням, ніж зменшення ємності. З цих причин розміри ізоляційних проміжків зазвичай доводять до можливого мінімуму, що визначається необхідної електричної міцністю обмоток. Зменшити ємність прагнуть застосуванням ізоляційних матеріалів з ​​можливо меншою діелектричною проникністю, а також за рахунок конструктивних факторів. Отже, головні вимоги до ізоляційних матеріалів складаються в малій діелектричної проникності та придатності для режимів з високою напруженістю електричного поля.

При великих струмах і тривалості імпульсу застосовують проводи більш економічного прямокутного перерізу або тонкі і широкі мідні шини з фольги, іноді з кількох шарів, прокладених ізоляцією.

Практика конструювання ІТ показала, що кращими ізоляційними матеріалами, найбільш повно задовольняє перерахованим вимогам, є трансформаторне масло, кабельна і трансформаторна папір, просочений трансформаторним маслом, електрокартон, плівки з фторопласту, що чергуються з шарами паперу, органічне скло. В якості несучих елементів конструкції - паперово-бакелітові трубки і циліндри, збірні каркаси з органічного скла.

Фторопластмассовие плівки слід застосовувати лише в таких ІТ, у яких температура обмоток може перевищувати 95 º С. Недолік плівок в тому, що за ним у поздовжньому напрямку легко розвивається поверхневий розряд. Органічне скло широко застосовується в ІТ внаслідок високих ізоляційних властивостей і можливості механічної обробки.

При напругах 100 кВ доцільна ізоляція у вигляді чистого трансформаторного масла. На відміну від шаруватої чисто масляна ізоляція у високому ступені однорідна за властивостями. Це дозволяє в конструкціях з ослабленим крайовим ефектом практично повністю використовувати високі електроізоляційні властивості трансформаторного масла. Крім цих масляна ізоляція має ще й інші важливі переваги. Трансформаторне масло має гарну плинність і може вільно конвектіровать в просторі між обмотками і МС. Наслідком цього, а також високій теплоємності олії є хороше відведення теплоти від обмоток і МС. Діелектрична проникність трансформаторного масла приблизно в два рази менше, ніж у ізоляційної папери і електрокартону. Це дозволяє в стільки ж разів зменшити ємність обмоток ІТ. Важливим експлуатаційним гідністю масляної ізоляції є також її відновлюваність після короткочасних аварійних станів (одиничний пробій або іскріння). Легко здійсненна також і заміна масла при регламентних роботах. Таким чином, при великій потужності і напрузі масляна ізоляція є найбільш доцільним типом ізоляції в ІТ. Проте її застосування можливе тільки в спеціально розроблених конструкціях, в яких, забезпечена вільна циркуляція масла і відсутні шляхи для розповсюдження поверхневого розряду.

Обмотки ІТ відрізняються відносно невеликим числом витків. Однак напруги на обмотках зазвичай вимірюються десятками і сотнями кіловольт, внаслідок чого напруга, що припадають на один виток обмотки (виткової напруга), може становити одиниці, а в потужних ІТ - навіть десятки кіловольт.

Тому при конструюванні обмоток ІТ доводиться приділяти особливу увагу межвітковой ізоляції обмоток. Для забезпечення необхідної електричної міцності межвітковой ізоляції в обмотках ІТ використовують дроти з посиленою ізоляцією, в основному марок ПЕВ-2, ПБ, ПБО. Провід круглого перерізу ПЕВ-2 зазвичай застосовують в ІТ малої та середньої потужності, а також у вторинних обмотках потужних високовольтних ІТ. Провід прямокутного перерізу ПБ, ПБО, здатні витримувати межобмоточное напругу 10 кВ, застосовують у первинних обмотках ІТ середньої потужності і в обох обмотках вельми потужних ІТ.

У цілому, розглядаючи обмотки потужних високовольтних ІТ, необхідно зазначити наступне. Принципова необхідність малоіскаженной трансформації дуже коротких імпульсів змушує конструювати ІТ з дуже малою індуктивністю розсіювання і ємністю обмоток, а отже, з мінімальним розміром обмоток, зокрема з мінімальними розмірами ізоляційних проміжків. [2]

1.4 Сердечник імпульсного трансформатора

Матеріалом для сердечників імпульсного трансформаторів зазвичай служить листова гарячекатана електротехнічна сталь марки Е44 і холоднокатана сталь марок Е310 і Е340 товщиною листа 0.1 ... 0.2 мм. Також застосовуються спеціальні магнітні сплави приблизно такої ж товщини. Дані матеріали випускаються в листах та у вигляді стрічки. Вони володіють підвищеними магнітними якостями. В якості ізоляції між листами сердечника трансформатора служать порошкоподібна окис кремнію або магнію і оксидна ізоляція. З-за малої товщини аркушів коефіцієнт заповнення поперечного перерізу осердя сталлю в імпульсних трансформаторах дещо менше, ніж у звичайних, і становить величину k з = 0.8 ... 0.9.

З трансформаторних сталей в ІТ найбільшого поширення набула сталь 3425. Однак внаслідок зазвичай значного ефекту вихрових струмів, особливо при малій тривалості імпульсів, що здається магнітна проникність виявляється приблизно на порядок менша за середню. Тому реальна перевага стали 3425 в порівнянні з іншими електротехнічними сталями складається тільки в більшій індукції насичення.

При великій частоті повторення і малої тривалості імпульсів потужність втрат може виявитися дуже великий, що призведе до труднощів з охолодженням МС. У таких випадках доцільне застосування в МС пермаллои марок 38НС, 42НС, 50НХС, 80НХС з відносно високим питомим електричним опором.

Для сердечників малих імпульсних трансформаторів останнім часом використовують ферит. За своїм магнітним властивостям ферити відносяться низькокоерцитовні магнітним матеріалами, що займає проміжне положення між металевими і магнітними матеріалами, і магнітодіелектриків. Завдяки високому питомій електричному опору феритів втрати на вихрові струми в них в змінних полях при великих частотах виходять невеликими. Феррити мають дрібнозернисту структуру, мають значної твердістю.

Всі ці магнітні матеріали придатні для використання в ІТ. Визначальними можливість їх застосування факторами є припустиме збільшення індукції, питомий електричний опір і товщина листів. Якщо ці характеристики магнітного матеріалу відповідають встановленим критеріям, то в електромагнітному відношенні абсолютно байдуже, який з цих матеріалів буде застосований в МС ІТ. Суттєвими є тільки конструктивні і технологічні чинники, що визначають ту чи іншу ступінь продуктивної складності виготовлення МС з тонких аркушів.

Особливістю конструкцій малих імпульсних трансформаторів є компактність їх сердечника й індуктивності розсіювання та розподіленої ємності. [2]

1.5 Тепловий режим імпульсного трансформатора

Теплові процеси в ІТ протікають точно також як і в силовому трансформаторі. Втрати потужності в МС і обмотках перетвориться в теплоту і викликає нагрівання відповідних частин ІТ. Від місць виділення теплота під дією теплового градієнту направляється до тих місць, де вона може бути передана охолоджуючої середовищі, повітрю або воді, в залежності від способу охолодження. Розсіювання теплоти відбувається за допомогою лучеиспускания і конвекції.

Температура трансформатора повинна бути в допустимих межах. Так температура трансформаторного масла не повинна перевищувати 95 градусів, температура обмоток - граничних допустимих температур для ізоляційних матеріалів. Температура навколишнього повітря визначається умовами експлуатації ІТ і може досягати 50 градусів. Площа поверхні охолоджування кожного елемента конструкції, розсіюючого теплоту, повинна бути достатньою для підтримки перепаду температур в заданих межах.

Головними джерелами тепловиділення в ІТ є МС і обмотки.

Теплота, що виділяється в МС, може передаватися як уздовж, так і впоперек листів або стрічок. Уздовж листів завдяки високій теплопровідності трансформаторної сталі теплота передається практично безперешкодно. У поперечному напрямку теплота передається у 5 ... 15 разів гірше через відносно високого теплового опору межлістовой ізоляції.

З-за високої частоти повторень імпульсів і великих втрат на вихрові струми, ІТ зазвичай характеризується великими тепловими навантаженнями поверхонь охолодження МС.

У зв'язку з тим, що обмотки в деякій мірі теплоизолируют МС, між ними і МС необхідно створювати охолоджуючий масляний канал. З цієї причини товщина ізоляції між первинною обмоткою і МС виявляється, особливо в потужних ІТ, значно більший, ніж це необхідно для отримання достатньої електричної міцності ізоляції первинної обмотки. Це слід враховувати при конструктивному розрахунку ІТ. Збільшення товщини ізоляції первинної обмотки має деяке позитивне значення, оскільки завдяки цьому зменшується місткість первинної обмотки. Для ІТ з невеликим коефіцієнтом трансформації, і особливо для понижуючих напруга ІТ, зменшення ємності може бути важливим чинником і має враховуватися при конструктивному розрахунку ІТ.

Внаслідок значного ефекту вихрових струмів, особливо при імпульсах малої тривалості, основна кількість теплоти виділяється в МС, і тому головні труднощі викликає тепловідвід саме в МС.

У цілому можна констатувати, що охолодження потужних ІТ представляє складну технічну проблему, істотно стримуючу застосування ІТ в імпульсних системах великої потужності. [2]

2. КОНСТРУКТОРСЬКІ РОЗРАХУНКИ

Вихідними даними для розрахунку імпульсного трансформатора є такі величини:

- Потужність в імпульсі P 2 = 13000 (Вт);

- Напруга в імпульсі U 1 = 600, U 2 = 1800 (В);

- Опір джерела R u = 30 (Ом);

- Тривалість імпульсу τ u = 1.8 · 10 -6 (c);

- Частота проходження імпульсів f n = 650 (Гц);

- Коефіцієнт спотворення плоскої частини імпульсу λ = 0.04.

2.1 Визначення середньої потужності і струмів трансформатора

Середню віддається потужність імпульсного трансформатора можна визначити наступним чином:

P ср = f n τ u P 2 = 650.1 .8 · 10 -6 · 13000 = 15.21 (Вт) (2.1)

Визначаємо струми первинної і вторинної обмоток в імпульсі:

13000/600 = 22 (А) (2.2)

13000/1800 = 7.22 (А) (2.3)

Ефективні, або діючі, значення струмів первинної і вторинної обмоток імпульсного трансформатора визначаються з умови, що втрати в цих обмотках при проходженні через них коротких прямокутних імпульсів струму обумовлюється не тільки омічними опорами обмоток, але також впливом поверхневого ефекту в проводах і впливом струмів наведення в них . З урахуванням цих явищ діючі значення первинного та вторинного імпульсного трансформатора можна представити як:

= 22 ∙ 1,43 (А), (2.4)

7,22 = 0.43 (А), (2.5)

де k н = 2.4 ... 2.8 - коефіцієнт, що враховує струм наведення в проводах обмоток при прямокутному імпульсі струмів; k п1 і k п2 - коефіцієнти поверхневого ефекту в неізольованих мідних проводах круглого перерізу, які попередньо можна прийняти у таких межах: для обмотки низької напруги k п1 = 1.2 ... 1.6, а високої напруги k п2 = 1.1 ... 1.4.

2.2 Тип імпульсного трансформатора

Вибираємо сердечник стрижневого типу з обмотками, розташованими на одному стрижні. Матеріал сердечника - гарячекатана листова електротехнічна сталь за ГОСТом 802-58 марки Е44. В якості ізоляції між листами сердечника трансформатора служать оксиди кремнію або магнію і оксидна ізоляція.

2.3 Вибір збільшення і товщини листів матеріалу сердечника

Вибираємо апріорно величину Δ У с = 0.2 (Тл), залежно від потужності та з урахуванням магнітних характеристик матеріалу сердечника Н = 2,1 (А / см)) визначаємо магнітну проникність матеріалу, за формулою (2.6).

= 0.2 / 2.1 = 0.095 (2.6)

Визначаємо постійну часу контурів вихрових струмів в сердечнику з умови

= 1.8 · 10 -6 / 2 = 0.9 (мкс) (2.7)

(2.8)

де ρ с = 0.6 · 10 -4 - питомий електричний опір матеріалу сердечника для гарячекатаної сталі марки Е44 (Ом · см 2 / см).

Визначаємо товщину листа сердечника:

= = 0.18 (см) (2.9)

2.4 Визначення поперечного перерізу стрижня і середньої довжини магнітопроводу сердечника трансформатора

Ставлення поперечного перерізу стрижня Sc до довжини магнітопроводу l в трансформаторах стрижневого типу знаходиться в межах (0.18 ... 0.32). Вибираємо Ψ = 0.25. Визначаємо поперечний переріз стрижня сердечника:

== = 2.3 (см 2) (2.10)

Середня довжина муздрамтеатру визначається за формулою:

= 2.3 / 0.25 = 9.2 (см) (2.11)

Поперечний переріз стержня і ярма імпульсного трансформатора виконуються однаковими і прямокутної форми, при цьому співвідношення β = b c / a c знаходиться в діапазоні 1 ... 2. Коефіцієнт заповнення сталлю стрижня вибирається в межах k з = 0.8 ... 0.9. Виберемо для даного випадку k з = 0.85 і β = 2. Визначимо розмір поперечного перерізу стержня:

= = 1,2 (см) (2.12)

Визначаємо розмір поперечного перерізу ярма:

= = 1.55 (см) (2.13)

2.5 Визначення числа витків обмоток трансформатора

Визначаємо число витків первинної обмотки:

= 600.10 -2 · 1.8 / 0.2 · 2.3 = 23 (2.14)

де τ і - задана тривалість імпульсу, мкс.

Визначаємо число витків вторинної обмотки:

= 23 = 69 (2.15)

2.6 Визначення перерізу і діаметра проводів обмоток

При потужності в імпульсі понад кіловата поперечний переріз проводів обмоток вибирається по допустимій щільності струму. У малих імпульсних трансформаторах найбільша щільність струму за умовами допустимого нагріву може бути прийнята в межах (2 ... 3) А / мм 2 при повітряному охолодженні. Приймаємо для даного випадку j 1 = 2 (А / мм 2), j 2 = 3 (А / мм 2).

Знаходимо попередні значення поперечних перерізів проводів первинної і вторинної обмоток

= 1,43 / 2 = 0.715 (мм 2). (2.16)

= 0.43 / 2 = 0.215 (мм 2). (2.17)

Отже, діаметри проводів обмоток відповідно рівні d 1 = 0.95 і d 2 = 0.52. Знаходимо остаточні значення поперечних перерізів і діаметрів дротів по найближчих даними ГОСТу 6324-52

d и1 = 1.020 (мм) - діаметр проводу первинної обмотки в ізоляції;

d і2 = 0.580 (мм) - діаметр проводу вторинної обмотки в ізоляції;

g 1 = 0.724 (мм 2), g 2 = 0,22 (мм 2) - поперечні перерізи проводів первинної і вторинної обмоток.

2.7 Укладання обмоток та уточнення розмірів вікна сердечника

Для отримання можливо меншій індуктивності розсіювання та зменшення розподіленої ємності між обмотками імпульсного трансформатора ці обмотки слід виконувати по можливості одношаровими і малослойнимі. При розміщенні обмоток на одному стрижні, займана, нею по висоті довжина становить:

= 23 · 0.1020 = 2.346 (см) (2.18)

Відстань від ярма визначається вищою напругою обмоток і в даному випадку дорівнює ε 1 = 0.3 (см).

Визначаємо висоту вікна сердечника трансформатора:

= 2,346 + 2.0 .2 = 2.946 (см) (2.19)

Знаходимо товщину первинної обмотки:

δ 1 = d = 0.1020 (см) (2.20)

Число витків вторинної обмотки в одному шарі:

= 2.346 / 0.58 = 40 (2.21)

Визначаємо число шарів вторинної обмотки при розміщенні її на одному стрижні

= 69 / 40 = 1.725 (2.22)

Визначаємо товщину вторинної обмотки:

= 1.725 · 0.58 = 0.1 (см) (2.23)

Визначаємо опір навантаження:

= U 2 / I 2 = 1800 / 7.22 = 249 (Ом) (2.24)

Знайдемо активний опір навантаження, приведене до первинної обмотці

= 249 2 = 22.4 (Ом) (2.25)

Розраховуємо товщину ізоляції між обмотками

= = 0.01 (см) (2.26)

де l s = l 1 - загальна довжина обмоток по висоті стрижня осердя;

ε = 4 - діелектрична проникність ізоляції.

В якості ізоляції між обмотками візьмемо Лакотканини ЛШС товщиною δ 12 ГОСТ 2214-66.

Визначаємо ширину вікна сердечника трансформатора при розміщенні обмоток на одному стрижні:

= 0.3 + 0.102 + 0.01 + 0.1 + 0.2 = 0.712 (см) (2.27)

де ε 0 = 0.3 (см) - товщина ізоляції між обмоткою і стрижнем;

ε 2 = 0.2 (см) - відстань обмотки до необмотанного стрижня.

Відношення висоти вікна сердечника до його ширини зазвичай знаходиться в межах k = H / C = 2 ... 3.

Знайдемо відношення висоти вікна сердечника до його ширині:

= 2.946 / 0.712 = 3 (2.28)

Визначаємо довжину ярма:

= 0.712 + 2.1 .2 = 3.1 (см) (2.29)

Знаходимо загальну довжину магнітопроводу сердечника:

= 2 · (2.946 + 3.1) = 12 (см) (2.30)

Знаходимо остаточне значення відношення поперечного перерізу стрижня Sc до довжини магнітопроводу L:

= 2. 3 / 12 = 0.19 (2.31)

Ψ = 0.19 - у зазначених межах, отже, розрахунок виконаний правильно.

2.8 Середні довжини витків обмоток трансформатора

В імпульсних трансформаторах поперечний переріз стрижня виконується прямокутної форми. Тому при одношарових або двошарових циліндричних обмотках середні довжини витків можна представити у вигляді:

  • для первинної обмотки:

= 2 · (1.2 + 1.55 + 4.0 .3 + 2.0. 1) = 8.3 (см) (2.32)

  • для вторинної обмотки:

= 2 · [1.2 + 1.55 + 4 · (0.3 + 0.1 + 0.01) + 2.0 .1] = 9.18 (см). (2.33)

  • для обох обмоток:

= (8.3 + 9.18) / 2 = 8.74 (см) (2.34)

2.9 Маса міді і активні опори обмоток

Знаходимо масу міді для первинної обмотки:

G к1 = 8.9 · W 1 · g 1 · l w 1 · 10 -5 = 8.9 · 23.0 .724 · 8.3 · 10 -5 = 0.012 (кг) (2.35)

Знаходимо масу міді для втор ічной обмотки:

G к2 = 8.9 · W 2 · g 2 · l w 2 · 10 -5 = 8.9 · 69 · 0.22 · 9.18 · 10 -5 = 0.013 (кг) (2.36)

Знаходимо загальну масу міді обмоток:

= 0.012 + 0.013 = 0.025 (кг) (2.37)

Визначимо активний опір первинної обмотки трансформатора:

= 1.22 · 23.8 .3 / 5700.0 .724 = 0.05 (Ом) (2.38)

Визначимо активний опір вторинної обмотки трансформатора:

= 1.22 · 69 · 9.18 / 5700.0 .22 = 0.62 (Ом). (2.39)

2.10 Втрати в обмотках

У обмотках імпульсних трансформаторів проходять короткі прямокутні імпульси струму, і тому втрати в них обумовлюються не тільки омічним опором, але також явищем поверхневого ефекту в проводах і впливом струму наведення в них при проходженні по обмотках струму імпульсу.

Визначаємо середні втрати потужності в обмотках

= 1.43 2 · 0.05 = 0.1 (Вт) (2.40)

= 0.43 2 · 0.62 = 0.12 (Вт) (2.41)

= 0.1 + 0.12 = 0.22 (Вт) (2.42)

2.11 Маса матеріалу сердечника

Знаходимо масу сердечника трансформатора стрижневого типу

= 7.6 · 2. 3.12.10 -3 = 0.2 (кг). (2.43)

2.12 Магнітні втрати в сердечнику

Середні втрати на вихрові струми в матеріалі осердя імпульсного трансформатора:

= 650.1 .8 · 10 -6 · 0.018 2 · 12.600 2 / 12.23 2 · 2. 3.0 .6 · 10 -4 = 0.3 (Вт). (2.44)

де δ с - товщина листа сердечника, см;

ρ с - питомий електричний опір матеріалу сердечника, Ом · см 2 / см;

Sc - поперечний перерізу стрижня сердечника, см 2;

l - загальна довжина муздрамтеатру сердечника, див.

Знаходимо середню потужність намагнічування матеріалу осердя імпульсного трансформатора:

= 23 2 · 0.095 · 2. 3.10 -4 / 12 = 0.9 · 10 -3 (Гн), (2.45)

де L 1 - загальна індуктивність первинної обмотки трансформатора.

= 650.600 2 · (1.8 · 10 -6) 2 / 0.9 · 10 -3 · 2 = 0.04 (Вт). (2.46)

2.13 Коефіцієнт корисної дії трансформатора

При передачі імпульсів енергія, що витрачається за цей час на намагнічування сердечника є енергією втрат, тому ККД імпульсного трансформатора визначається як

= 15.21 · 100 / 15.21 + 0.3 + 0.04 + 0.22 = 86, (2.47)

де P ср - середня віддається потужність, Вт;

P к - сумарні середні втрати в обмотках, Вт;

Р вх - середні втрати на вихрові струми, Вт;

Р м - середні втрати на намагнічування, Вт.

2.14 намагнічує струм трансформатора

Намагнічує струм складається з двох складових - дійсного намагнічує струму і складовою, що компенсує вплив розмагнічує дії вихрових струмів в осерді трансформатора. Сума цих складових називається струмом удаваного намагнічування. Визначимо намагнічує струм

= 1.8 · 10 -6 · 12.10 -2 · 600 / 0.095 · 23 2 · 2. 3 = 0.8 (А) (2.48)

де l - загальна довжина муздрамтеатру сердечника, см;

μΔ - магнітна проникність матеріалу;

S с - поперечний переріз стрижня сердечника, см 2.

2.15 Коефіцієнт плоскої частини імпульсу

Перевіряємо коефіцієнт плоскої частини імпульсу

= 0.88 / 22 = 0.04 (2.49)

Порівнюючи його з вихідним λ = 0.04 приходимо до висновку, що розрахунок був зроблений правильно.

2.16 Перевірка трансформатора на нагрівання

Так як втрати в обмотках малих трансформаторів відносно малі в порівнянні з магнітними втратами в сердечнику, то нагрів обмотки практично не представляє небезпеки і розрахункову перевірку їх температури можна не проводити. Основні втрати енергії в розглянутих трансформаторах зосереджені в їх сердечнику, що призводить до помітного нагрівання трансформатора.

Визначаємо площу відкритої торцевої поверхні сердечника:

= 4.1 .2 · 1.55 +2 · 1.55 · 3.1 +1.55 · 2.946 = 21.64 (см 2) (2.50)

Визначаємо перевищення температури сердечника над температурою навколишнього середовища

= = 12 град (2.51)

де α 0 = 13.10 -4 - коефіцієнт тепловіддачі відкритої торцевої частини поверхні осердя, Вт / см 2 град

Scep - площа відкритого торцевої частини поверхні сердечника, см 2;

2.17 Параметри трансформатора і перевірка спотворення імпульсу напруги

Визначаємо активні опори обмоток

= 0.62 · (23 / 69) 2 = 0.0558 (Ом). (2.52)

Визначаємо еквівалентне активний опір контурів вихрових струмів в матеріалі сердечника трансформатора, приведене до числа витків первинної обмотки

= 12 · (23) 2 · 2. 3.0 .6 · 10 -4 / 0.01 2 · 12 = 730 (Ом) (2.53)

де δ с - товщина листа сердечника, см;

ρ с - питомий електричний опір матеріалу сердечника, Ом · см 2 / см;

l - загальна довжина муздрамтеатру сердечника, см;

Sc - поперечний перерізу стрижня сердечника, см 2.

Знаходимо активні опори спрощеної схеми заміщення

= 30 + 0.05 = 30.05 (Ом) (2.54)

730 · (249 + 0.0558) / (730 + 249 + 0.0558) = 22.4 (Ом). (2.55)

Знаходимо електрорушійну силу джерела прямокутних імпульсів:

= 30.05 / 24.4 = 1.23 (2.56)

= 1800.23 / 69 = 540 (В) (2.57)

= 540 · (1 + 1.23) = 1204 (В) (2.58)

Індуктивність розсіювання первинної і вторинної обмоток, приведених до первинної обмотці:

= (0.4 · 3.14 · (23) 2 · 8.74 / 2.346) == 4.2 · 10 -6 (Гн) (2.59)

де lw - середня довжина витка обох обмоток, см;

ls - загальна довжина обмоток по висоті стрижня сердечника, см;

δ1, δ2 - товщина обмоток, см;

δ12 - товщина ізоляції між обмотками, див.

Знаходимо розподілену місткість між обмотками при одношаровому і двошаровому виконанні:

= 0.0855 · 4.8 .74 · 2.346 · 10 -12 / 0.007 = 10.018 · 10 -10 (Ф). (2.60)

Знаходимо хвильовий опір обмоток трансформатора

= (4. 2.10 -6 / 10.018 · 10 -10) 1 / 2 = 64 (Ом) (2.61)

3. ВИБІР МАТЕРІАЛІВ КОНСТРУКЦІЇ

У цілому вибір конструкції ІТ має здійснюватися з урахуванням усього комплексу вимог, що пред'являються до ІТ, і розглядається як найбільш відповідальний етап проектування, оскільки в найбільшій мірі визначає техніко-економічні показники ІТ, його технологічність, експлуатаційні властивості.

Слід зазначити, що меж вдосконаленню технічних рішень принципово не існує, і тому при виборі конструкції ІТ тільки правильний підхід може призвести до кращих результатів.

Отже, розрахований імпульсний трансформатор стрижневого типу, з обмотками прямокутного типу, розміщеними на одному стрижні. Первинна обмотка ІТ - одношарова, а вторинна двошарова.

Сердечник трансформатора виконаний з гарячекатаної листової електротехнічної сталі, товщина якої 0.018 (см). В якості ізоляції між листами сердечника трансформатора служить порошкоподібна окис кремнію.

Поперечний перетин стрижня трансформатора становить 2.3И (см 2), висота вікна сердечника - 2.946 (см), довжина ярма - 3.1 (см). Маса сердечника даного імпульсного трансформатора дорівнює 0.2 (кг).

Обмотки трансформатора виконані з міді. Первинна обмотка складається з 23 витків, а вторинна з 69 витків. Діаметр дроту з ізоляцією первинної обмотки 1.020 (мм), а вторинної 0.58 (мм). Товщина первинної обмотки 0.724 (см), а вторинної 0.22 (см), їх маси 0.012 (Кг) і 0.013 (кг) відповідно. Загальна маса міді 0.025 (кг). В якості ізоляції між обмотками служить Лакотканини ЛШС, товщина якої 7.10 -3 (см). Обмотки намотуються на каркас, виконаний з електрокартону ЕВ.

Охолодження імпульсного трансформатора - повітряне.

ВИСНОВОК

У даній роботі було проведено розрахунок імпульсного трансформатора. Імпульсний трансформатор - це спеціальний тип трансформатора, який служить для трансформації короткочасних періодично повторюваних імпульсів напруги приблизно прямокутної форми порядку декількох мікросекунд і менше. За допомогою імпульсних трансформаторів здійснюється підвищення амплітуди імпульсу напруги, зміна полярності імпульсу.

Імпульсні трансформатори застосовують в багатьох сучасних пристроях радіоелектроніки, літальних апаратах, автоматиці, установках зв'язку, а також в інших областях техніки.

При розрахунку малопотужних ІТ здебільшого доводиться виходити з вимог забезпечення електричною міцності і нормального розміщення обмоток.

Конструктивний розрахунок ІТ полягає у виборі головних розмірів МС і обмоток. Вихідними даними для конструктивного розрахунку, є значення параметрів схеми заміщення - індуктивності розсіювання, динамічної ємності й індуктивності намагнічування ІТ, отримані в результаті електромагнітного розрахунку за викладеною вище методикою.

За проведеним розрахунком імпульсного трансформатора можна зробити висновок про те, що він відноситься до класу ІТ напруги до 20кВ. Коефіцієнт корисної дії ІТ становить 86%. Даний ІТ володіє маленької індуктивністю розсіювання Ls = 4.2 10 -6 (Гн) і розподіленої ємністю C р = 10.018 10 -10 (Ф), які є паразитними параметрами.

У даного ІТ коефіцієнт спотворення плоскої частини імпульсу = 0.04. Розрахований ІТ є малогабаритним.

Недоліком даного ІТ є те, що він нагрівається. Цей недолік можна усунути шляхом застосування масленого охолодження, але це значно збільшить складність і вартість конструкції.

Цей трансформатор можна віднести до малих імпульсним трансформаторів. Завдяки своїм невеликим розміром даний трансформатор може знайти широке застосування.

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1. "Пристрої функціональної електроніки та електрорадіоелементи" Харків, 1988.

2.Вдовін С.С. "Проектування імпульсних трансформаторів" Л., 1991.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Комунікації, зв'язок, цифрові прилади і радіоелектроніка | Курсова
112.9кб. | скачати


Схожі роботи:
Імпульсний підсилювач
Широтно імпульсний модулятор на базі магнітного підсилювача
Трифазний трансформатор
Бронєвой трансформатор
Трансформатор харчування
Чвертьхвильовий трансформатор
Трансформатор Передача електроенергії на великі відстані
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru