МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГУМАНИТАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
КУРСОВАЯ РАБОТА НА ТЕМУ:
«Разработка, расчет и изготовление низковольтного регулируемого источника тока».
ВЫПОЛНИЛ: СТУДЕНТ 3 КУРСА
ГРУППЫ Ф-31
КИСЛИЦЫН Н.С.
ПРОВЕРИЛ: СИТЯКОВ А.С.
КИРОВ
2008
ВВЕДЕНИЕ.
ОДНОФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР. НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Трансформатором называется электромагнитный аппарат, осуществляющий преобразование энергии переменного тока заданной частоты и заданного напряжения в энергию переменного тока той же частоты, но другого напряжения.
По назначению трансформаторы делятся на силовые, измери¬тельные, радиотехнические и др.
Силовые трансформаторы — важнейшие элементы силовых электрических цепей. Они позволяют создать экономически эффективную, очень гибкую и удобную систему передачи и распределения электрической энергии.
На станциях электрическая энергия вырабатывается генераторами при высоком напряжении (6...30 кВ). Для уменьшения мощности потерь в проводах, пропорциональных квадрату тока в линии, необходимо повышать напряжение и соответственно уменьшать ток. Поэтому напряжение в линиях электропередач (ЛЭП) повышается от нескольких сотен до тысяч киловольт (500 кВ и выше).
Номинальное напряжение большинства потребителей колеблется от 127 до 500 В. Поэтому возникает необходимость создания ряда станций, понижающих напряжение до установленной номинальной величины.
Измерительные трансформаторы применяются в качестве
элементов измерительных устройств при измерении токов и напряжений, величины которых больше номинальных значений для соответствующих
измерительных приборов.
Радиотехнические трансформаторы включают в себя большую группу трансформаторов, служащих для согласования к дов, усиления колебаний, преобразования высокочастотных и импульсивных сигналов и др.
Современные трансформаторы имеют простую конструкцию и удобную форму исполнения. Они надежны в работе, при правильной эксплуатации почти не изнашиваются и могут работать практически неограниченное время, не требуя особого ухода и наблюдения.
90
Трансформатор имеет несколько (не менее двух) обмоток, электрически изолированных друг от друга. Обмотка, соединяемая с источником энергии, называется первичной, с нагрузкой — вторичной. Для усиления магнитной связи между обмотками, последние располагаются на замкнутом ферромагнитном сердечнике. Он позволяет получить необходимый поток при небольшой намагничива¬ющей силе.
Все электрические величины и параметры (ЭДС, токи, число витков и т.д.), относящиеся к первичной и вторичной обмоткам, называются соответственно первичными и вторичными.
Рассмотрим принцип действия трансформатора на примере од¬нофазного двухобмоточного трансформатора (рис.3.4.1).
Ф-рабочий поток
Ф1б- поток рассеяния <Ф2б - поток рассеяния
первичной обмотки вторичной обмотки
Рис. 3.4.1
Переменное напряжение U1, подведенное к первичной обмотке, создает в ней переменный ток i1, который возбуждает в катушке переменное магнитное поле. Основная часть линий магнитной индукции замыкается по сердечнику, образуя рабочий магнитный поток Ф. Линии этого поля, сцепленные с витками первичной и вторичной обмоток, образуют потокосцепления:
где w1 и w2 — число витков соответственно в первичной и вторич¬ной обмотках. При гармоническом напряжении м„ подведенном к первичной обмотке [(см.уравнение (3.3.6)], возникает синусоидаль¬ный рабочий поток (поток в сердечнике), отстающий по фазе от на¬пряжения:
(3.4.1)
где w1 и w2 — число витков соответственно в первичной и вторичной обмотках. При гармоническом напряжении u1, подведенном к первичной обмотке [(см.уравнение (3.3.6)], возникает синусоидальный рабочий поток (поток в сердечнике), отстающий по фазе от напряжения:
Вследствие периодического изменения рабочего потока в об¬мотках трансформатора индуктируются ЭДС:
Физический смысл соотношений (3.4.2) состоит в том, что изме¬нение ЭДС е1 и е2 во времени отстают по фазе от изменения потока Ф на угол п/2, а максимальные значения
пропорциональны числу витков в первичной и вторичной обмотках.
КОНСТРУКЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРА
Трансформатор состоит из магнитопровода (сердечника) и обмоток. В зависимости от формы различают стержневые (рис. 3.12.1,a) и броневые сердечники (рис. 3.12. 1,6).
Рис 3.12.1
В броневом сердечнике обмотки расположены на среднем стержне, а магнитный поток делится на две части и замыкается по крайним стержням вдвое меньшего сечения, чем средний. Использование броневых сердечников позволяет защитить обмотки от механичес¬ких повреждений и снизить наводки от переменного тока в близко¬расположенных проводниках. Сердечники броневого типа находят применение в маломощных трансформаторах (радиотехнические силовые и выходные трансформаторы). В электротехнике в основ¬ном применяют сердечники стержневого типа, в которых обмотки охватывают два стержня.
Сердечник выполняют из отдельных изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,35...0,5 мм. Такая конструк¬ция магнитопровода позволяет существенно снизить потери от вихревых токов. Отдельные листы соединяют впритык или внах¬лестку, что уменьшает магнитное сопротивление магнитопровода (рис. 3.12.2).
Нечетные слои Четные слои
Рис. 3.12.2
В трансформаторах тока используют сердечники из пермалоя для уменьшения магнитного сопротивления. Для уменьшения потоков рассеяния обмотки трансформатора укладывают на одни и те же стержни. Существуют два основных типа обмотки: концентричес¬кие и дисковые (рис. 3.12.3).
Рис. 3.12.3
Концентрическая обмотка выполняется в виде цилиндрических ка¬тушек, расположенных на стержнях сердечника. В целях безопас¬ности ближе к стержню располагают обмотку низкого напряжения (НН), ее охватывает обмотка высокого напряжения (ВН). Дисковая обмотка собирается из катушек низшего и высшего напряжения, имеющих форму плоских дисков, чередующихся по высоте стерж¬ней.
Мощность трансформатора ограничена допустимым нагревом изоляции трансформатора. Поэтому для увеличения мощности трансформатора применяют охлаждение. По способу охлаждения трансформаторы делятся на сухие и масляные. Масло не только улучшает охлаждение, но и улучшает также изоляцию обмоток. В более крупных трансформаторах применяют принудительную цир¬куляцию масла.
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Для расширения пределов измерения на переменном токе, а также для безопасности обслуживания высоковольтных линий при¬меняют измерительные трансформаторы. На рисунке 3.13.1 показа¬на схема включения измерительных приборов через трансформато¬ры тока (ТТ) и напряжения (ТН).
Рис. 3.13.1
Измерительные ТТ служат для включения амперметров и токовой обмотки ваттметра. Ток в первичной обмотке трансформатора ра¬вен току в нагрузке, поэтому зависит от ее величины. Ток во вто¬ричной обмотке создает вторичный поток, который уменьшает об¬щий поток. Поскольку вторичная обмотка замкнута на очень малое сопротивление амперметра, то трансформатор работает в режиме короткого замыкания, и ток во вторичной обмотке, т.е. через изме¬рительный прибор, в k раз меньше, чем ток через нагрузку (так как
АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ.
Лабораторный автотрансформатор и регулятор напряжения школьный. Щит электрораспределительный школьный.
При небольших коэффициентах трансформации для экономии обмоточной меди и стали сердечника и увеличения КПД использу¬ются автотрансформаторы, в которых обмотка низшего напряжения является частью обмотки высшего (рис. 3.14.1).
Рис. 3.14.1
Автотрансформа¬тор используется для поддержания постоянного напряжения пита¬ния радиоэлектроприборов при неизбежных колебаниях напряже¬ния сети. В лабораторной практике широкое применение нашли также регулируемые автотрансформаторы, в которых с помощью скользящего контакта можно подключаться к каждому витку тран¬сформатора. К таким авторансформаторам относятся выпускаемые промышленностью лабораторный авторансформатор (ЛАТР) и ре¬гулятор напряжения школьный (РНШ).
Разработка и расчет низковольтного источника тока
Задача:
Необходимо изготовить трансформатор мощностью Р0=100 Вт, который будучи включенным в сеть с напряжением U=220 В, в зависимости от состояния переключателя, мог бы выдавать выходное напряжение U=13,19,25,37 В.
Для реализации данной задачи мною была составлена схема рис.1.
Необходимо рассчитать:
1. S-сечение сердечника трансформатора, см2 ;
2. N0 – число витков первичной обмотки;
3. N1,2,3,4 –число витков вторичных обмоток;
4. d – диаметр провода обмоток.
Расчет:
Воспользуемся номограммой расчета силовых трансформаторов мощностью до 1 кВт.
Мощность требуемого трансформатора Р0=100 Вт, по таблице сие соответствует площади сечения сердечника S0=12.15 см2 .Допустимая индукция для сердечника В=10000 Гс, при условии что частота питающей сети 50 Гц. В номограмме проводим прямую от 10000 Гс (по шкале индукции) до Р0 =100 Вт (по шкале мощности) и отмечаем пересечение прямой со школой N/U в N/U=3,7 Вит/В, значит число витков первичной обмотки N0=220*3,7=814 витков. Принимая во внимание потери в стали и меди (считают потери одинаковыми – по 10 %), фактически число витков обмотки берут с поправкой. При этом число витков первичной обмотки уменьшают, а число витков вторичных обмоток увеличивают на 5 % для трансформаторов мощностью до 100 Вт и на 2,5 % для трансформаторов 100 Вт – 1 кВт. Отсюда N1=814*0.95=773,3 витка. Ток, протекающий в первичной обмотке Y=100/220=0,45 A. Диаметр провода в зависимости от силы тока, протекающего по обмотке, определяют по шкале ld , округляя полученное значение в сторону увеличения, d=0,54 мм.
Расчет вторичных обмоток.
Аналогично найдем:
силу тока во вторичных обмотках Yn=P0/Uвn ;
d – диаметр провода вторичных обмоток;
N1,2,3,4 –число витков вторичных обмоток.
Для этого я введу ещё несколько обозначений:
n – положение переключателя;
Unв – требуемое выходное напряжение при положении переключателя n.
При n=1, Unв=13 Вт:
Y1=100/13=7,7 A.
d=2,3 мм.
N1=3,7*13*1,05=50,505 вит.
При n=2, Unв=19 Вт:
Y2=100/19=5,3 A.
d=1,9 мм.
N2=3,7*19*1,05=73,815 вит.
При n=3, Unв=25 Вт:
Y3=100/25=4 A.
d=1,7 мм.
N3=3,7*25*1,05=97,125 вит.
При n=4, Unв=37 Вт:
Y4=100/37=2,7 A.
d=1,4 мм.
N4=3,7*37*1,05=142,745 вит.
Вторичные обмотки трансформатора представляют собой одну целую обмотку, к которой через определённое число витков N1, N2, N3, N4 от начала обмотки отходят выходные провода на переключатель, от положения которого зависит выходное напряжение трансформатора, т.е. :
после намотанных 50.5 витков выводим первый провод, его напряжение U=13 В;
далее ещё через (73,8-50,5)=23,3 витка отводим следующий провод, его напряжение U=19 В;
затем через 23,3 витка отводим следующий провод, его напряжение U=25 В;
и наконец через 46,6 витков выведем конец обмотки, соответствующий U=37 В.
Так как обмотка одна, мы будем использовать постоянную толщину провода d=1.4 мм., что не соответствует нашим расчетам для 1-й, 2-й, 3-й вторичных обмоток. Рассчитанный ток для этих обмоток будет нагревать провода, это может привести к сгоранию обмотки.
Я рассчитал мощность разрешённой нагрузки по номограмме, которую можно включать в трансформатор при определённых положениях переключателя:
1-е положение:
D=1,4 мм.
Y1=2.7 A.
P1=Y1*U1=2,7*13=35.1 Вт.
2-е положение:
D=1,4 мм.
Y2=2.7 A.
P2=Y2*U2=2,7*19=51.3 Вт.
3-е положение:
D=1,4 мм.
Y3=2.7 A.
P3=Y3*U3=2,7*25=67.5 Вт.
4-е положение:
D=1,4 мм.
Y4=2.7 A.
P4=Y4*U4=2,7*37=100 Вт.
Изготовление трансформатора
Внешний вид трансформатора должен соответствовать электрической схеме.
Мною была разработан следующий трансформатор рис.2.
Материал и размеры основных деталей:
Сердечник.
Материал:
Тонколистовая электротехническая сталь .
Размеры:
Площадь сечения S=1215 мм.,(40.5*30)мм.
Обмотка.
Материал:
Медный провод, покрытый эмалью ПФ, все выводы провода покрыты поливинилхлоридом.
Размеры:
Толщина провода первичной обмотки d=0,54 мм.
Толщина провода вторичной обмотки d=1,4 мм.
Проверка метода расчета.
Для проверки проведенных мной расчетов я произвел еще расчет мощности по толщине сердечника учебного разборного трансформатора для физических демонстраций, мощность которого уже известна и указана на трансформаторе Р0=180 Вт.
1. Штангенциркулем я измерил толщину сердечника S=(49*32) мм2 =1568 мм2=15,68 см2 ;
2. Пользуясь номограммой расчета силовых трансформаторов мощностью до 1 кВт, я установил, что мощность демонстрационного трансформатора Р0=180 Вт.
Полученное мною значение мощности равно мощности указанной на трансформаторе,
что говорит о достаточной точности проведенных мною измерений и расчетов.