Трансформатор для вторичных источников питания: Учебное пособие

ÌÈÍÈÑÒÅÐÑÒÂÎ ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈß ÐÎÑÑÈÉÑÊÎÉ ÔÅÄÅÐÀÖÈÈ

Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò àýðîêîñìè÷åñêîãî ïðèáîðîñòðîåíèÿ

А. А. Мартынов

ТРАНСФОРМАТОР ДЛЯ ВТОРИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ Учебное пособие

Ñàíêò-Ïåòåðáóðã 2001

УДК 621.314.22.001.24 ББК 32.844 М29

Мартынов А. А. М29 Трансформатор для вторичных источников питания. Учеб. пособие / СПбГУАП. СПб., 2001. 50 с.

Учебное пособие содержит методику выполнения курсового проекта по трансформаторам для вторичных источников питания, а также справочные материалы, необходимые для проектирования трансформаторов. Предназначено для студентов специальностей 210300, 210100 и 180100. Рецензенты: кафедра электротехники и автоматизированного электропривода Санкт-Петербургского государственного университета растительных полимеров; кандидат технических наук доцент В. Ф. Шишлаков Óòâåðæäåíî ðåäàêöèîííî-èçäàòåëüñêèì ñîâåòîì óíèâåðñèòåòà â êà÷åñòâå ó÷åáíîãî ïîñîáèÿ

Учебное издание Мартынов Александр Александрович

ТРАНСФОРМАТОР ДЛЯ ВТОРИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ Учебное пособие Редактор А. В. Семенчук Компьютерная верстка А. Н. Колешко Лицензия ЛР №020341 от 07.05.97. Сдано в набор 19.04.01. Подписано к печати 24.05.01. Формат 60×84 1/16. Бумага тип. №3. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,79. Усл. кр.-отт. 2,99. Уч. -изд. л. 3,0. Тираж 100 экз. Заказ № Редакционно-издательский отдел Лаборатория компьютерно-издательских технологий Отдел оперативной полиграфии СПбГУАП 190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 67

2

©

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, 2001

©

А. А. Мартынов, 2001

ПРЕДИСЛОВИЕ В многочисленных современных устройствах автоматики получили широкое распространение однофазные и трехфазные силовые трансформаторы мощностью от единиц Вт до 10 кВт. Потребности любой промышленности развитой страны в таких трансформаторах огромны. При организации массового производства и выпуска этих трансформаторов возникает задача оптимального их проектирования для получения технически и экономически обоснованных рациональных габаритных, весовых и других показателей. Понятие оптимальности трансформатора малой мощности обычно определяется в зависимости от назначения этого трансформатора и характеризуется наивыгоднейшими технико-экономическими показателями: удельными массогабаритными показателями, надежностью и стоимостью. Под надежностью трансформатора понимается способность его безотказно работать с неизменными техническими характеристиками в течение заданного времени и при определенных условиях эксплуатации. Проблема оптимального проектирования силового трансформатора малой мощности в принципе сводится к поиску минимальных значений удельного веса, удельного объема или удельной стоимости при заданных параметрах и условиях применения трансформатора. Учебное пособие предназначено для студентов, изучающих курс “Электрические машины” в рамках специальностей “Автоматика и управление”, “Автоматизация технологических процессов”, “Роботы и робототехнические системы”, “Электромеханика”.

3

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ И УЧЕБНЫЕ ПОСОБИЯ Задание на курсовой проект выдается руководителем проекта. Задание (Прил. 1) содержит основные данные проектируемого трансформатора: мощность, число фаз, число обмоток, напряжения обмоток, частота питающей сети. Помимо этого в задании указываются особые требования к проектируемому трансформатору, а именно: минимум стоимости или минимум массы. Основными пособиями при проектировании силовых трансформаторов малой мощности являются [1, 2]. Однако для полноты проработки материала необходимо использовать также и другие источники. Так, дополнительную справочную информацию по электроизоляционным и магнитным материалам, а также по правилам оформления конструкторской документации, можно получить в [3]. Особенности проектирования трансформаторов большой мощности следует изучить в [4].

4

2. МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ МАЛОЙ МОЩНОСТИ 2.1. Магнитные материалы Сердечники трансформаторов изготавливаются из магнитного материала – специальной электротехнической стали. Она отличается от обычной конструкционной стали более высокой магнитной проницаемостью и низкими удельными потерями в единице объема. Потери в электротехнической стали меньше потому, что у нее более высокое удельное электрическое сопротивление вследствие повышенного содержания кремния. Сердечники трансформаторов либо шихтуются, т.е. набираются из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, либо навиваются из ленты электротехнической стали. В первом случае магнитопровод называется шихтованным, а во втором – ленточным. Существует несколько марок электротехнической стали, используемой при изготовлении сердечников трансформаторов. Ранее применялось горячекатаная изотропная сталь, а в настоящее время почти исключительно – холоднокатаная анизотропная сталь. Изотропная сталь имеет одинаковые магнитные свойства как вдоль, так и поперек направления прокатки, а анизотропная имеет магнитную проницаемость в направлении прокатки выше, чем поперек. В целом у холоднокатаных сталей магнитная проницаемость в направлении прокатки выше, чем у горячекатаных, а удельные потери меньше. Основные свойства различных марок электротехнических сталей регламентируются ГОСТ 21427.1-75 – 21427.3-75. Из горячекатаных марок электротехнической стали при изготовлении сердечников трансформаторов применяются марки 1511; 1512; 1513; 1514; а из холоднокатаных – марки 3411; 3412; 3413; 3414; 3415; 3416. Марки сталей электротехнических расшифровываются следующим образом: 5

Первая цифра – вид прокатки, структурное состояние (1 – горячекатаная изотропная; 2 – холоднокатаная изотропная; 3 – холоднокатаная анизотропная). Вторая цифра – содержание кремния (0 – до 0,4%; 1 – от 0,4 до 0,8 %; 2 – от 0,8 до 1,8 %; 3 – от 1,8 до 2,8 %; 4 – от 2,8 до 3,8%; 5 – от 3,8 до 4,8%). Третья цифра – группа по основной нормируемой характеристике (0 – удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл на частоте 50 Гц; 1 – удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл на частоте 50 Гц; 2 – удельные потери при магнитной индукции 1 Тл на частоте 400 Гц). Четвертая цифра – порядковый номер типа стали. На рис. 1 приведена зависимость амплитуды индукции от действующего значения напряженности поля холоднокатаных и горячекатаных сталей, а на рис. 2 приведена зависимость удельных потерь от амплитуды магнитной индукции холоднокатаных и горячекатанных сталей. Для изготовления ленточных магнитопроводов трансформаторов малой мощности применяются стали марок 1511, 1512, 1513, 2411, 3421, 3422 и др., а также железоникелевые сплавы марок 50 Н, 50 НП, 80 НХС, 79 НМ, 777 НМД и др. Bmax, Тл 1,5 1,0 0,5

0

kс, Вт/кг

3411 3412, 3413

1513 1512 1511

2

1511 1512 1513

1

20 40 60 80 100 500 H, А/м 0

Рис. 1. Зависимость амплитуды индукции от действующего значения напряженности поля

0,5

1,0

3411 3412 3413 Bmax, Тл 1,5

Рис. 2. Зависимость удельных потерь от амплитуды магнитной индукции

Железоникелевые сплавы по сравнению с электротехническими сталями имеют более высокую магнитную проницаемость и меньшие удельные потери. Благодаря этому железоникелевые сплавы более предпочтительны для трансформаторов, работающих на частоте выше 400 Гц. 6

Отметим и недостаток железоникелевых сплавов – высокую чувствительность свойств к механическим напряжениям. Все требуемые для выполнения курсового проекта магнитные характеристики материала сердечника трансформатора приведены в [1] и [3]. 2.2. Электроизоляционные материалы От правильного выбора электроизоляционных материалов во многом зависит надежность трансформатора. По теплостойкости электроизоляционные материалы разделяются по ГОСТ на семь классов. Для каждого класса изоляции установлена предельно допустимая температура в °С. Указанные пределы температур устанавливаются исходя из обеспечения срока службы трансформатора, равного 15–20 годам. Превышение предельных температур приводит к резкому уменьшению срока службы трансформатора. Класс У – непропитанные и непогруженные в жидкий электроизоляционный материал хлопчатобумажные ткани и волокнистые материалы из целлюлозы и шелка (+ 90°С). Класс А – материалы класса У, пропитанные или погруженные в жидкий электроизоляционный материал (+ 105°С). В трансформаторах используется кабельная бумага марки К, телефонная бумага марки КТН, лакоткань на хлопчатобумажной основе ЛХ и на шелковой основе ЛШ и ЛШС, картон электроизоляционный марки ЭВ, маслянобитумный лак № 447 для пропитки обмоток, компаунд для обволакивания обмоток марки МБК, изоляция эмальпроводов. Класс Е – некоторые синтетические и органические пленки (+ 120°С). Материалы этого класса изоляции – это пленки лавсана, синтетические смолы и компаунды, изоляция эмальпроводов и др. Класс В – материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемыми с органическими связующими и пропитывающими составами, допускающими температуру до 130°С. В трансформаторах применяются следующие материалы этого класса: лакоткань стеклянная марки ЛСБ и марки ЛСК, стеклоткань марки ЛКСЛ, стеклотекстолит марки СТ для корпусной изоляции обмоток, эпоксидные компаунды марки ЭД-5 и ЭД-37. Класс F – материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с синтетическими и пропитывающими со7

ставами, допускающими температуру до +155°С. К материалам этого класса относится стеклоткань марки ЛКСЛ, стеклотекстолит марки СТ для литых каркасов катушек. Класс Н – материалы на основе слюды асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с кремнийорганическими связующими и пропитывающими составами (+180°С). К материалам этого класса относятся: стеклоткань марки ЛСК, стекломикалента марки ГФС, кремнийорганические лаки марки К-47, К-57. Класс С – слюда, керамические материалы, стекло, кварц, применяемые без связующих составов с неорганическими или элементоорганическими связующими составами, а также другие, соответствующие данному классу материалы (более +180°С). Этот класс материалов находит применение в теплостойких трансформаторах. К таким материалам относятся: пленка фторопласта-4, К-41 для изготовления каркасов катушек. Изоляция обмоток подразделяется на корпусную, слоевую, межобмоточную и наружную. Корпусная изоляция выполняется при помощи каркасов или гильз. Корпусная изоляция выполняет также и функцию конструктивной основы катушек, несущих обмотку. Каркасы и гильзы изготавливаются из электротехнического картона толщиной 0,3–2 мм, гетинакса или изоляционных прессованных бумаг (Прил. № 3). Слоевая изоляция прокладывается при намотке катушки через каждый слой или через несколько слоев. В качестве изоляции используются: бумага, тканевые материалы, синтетические пленки толщиной в сотые доли миллиметра, например ЛШС (Прил. № 4). Межобмоточная изоляция выполняется аналогично слоевой, но укладывается в несколько слоев в зависимости от испытательного напряжения между обмотками. Обычно для этой цели используются: кабельная бумага марок К-08, К-12 или конденсаторная марки КТН, а для пропитываемых обмоток намоточная или пропиточная бумага марки ЭИП. Наружная изоляция служит для защиты трансформаторов от механических повреждений и воздействий внешней среды. Наружная изоляция трансформаторов достигается его герметизацией или заливкой катушек термоактивным компаундом. Пропитка обмоток компаундами применяется с целью повышения электрических свойств обмоток, их влагостойкости и теплопроводности. 8

2.3. Обмоточные провода Для изготовления обмоточных катушек трансформаторов применяется электротехническая медь, а также алюминий. Медь обладает хорошей электропроводимостью, достаточной стойкостью к коррозии, прочностью и пластичностью, хорошо паяется и сваривается. Для изготовления обмоточных проводов применяется мягкая отожженая медь марки ММ. Удельный вес меди 8,8 г/см3, удельное сопротивление – 0,0175 Ом мм2/м. Характеристики медных проводов приведены в Прил. 5. Алюминий также обладает хорошей электропроводностью, он в три раза легче меди. Удельный вес алюминия 2,7 г/см3, удельное электрическое сопротивление – 0,028 Ом мм2/м. Алюминиевые обмоточные провода выпускаются эмалированными (марки ПЭВА и ПЭЛРА). По нагревостойкости эти марки относятся к классу А или Е. Круглые медные провода выпускаются различных марок по нагревостойкости. ПЭЛ – провод эмалированный лакостойкий, по нагревостойкости относится к классу А, находит широкое применение в трансформаторах массового назначения. ПЭВ-1, ПЭВ-2 – провода с высокопрочной эмалированной изоляцией, применяются в трансформаторах с повышенной нагревостойкостью при отсутствии особых требований по надежности. Класс изоляции Е и В. ПЭТ – провод эмалированный, лакостойкий с повышенной теплостойкостью, по нагревостойкости относится к классу В. ПЭЛШО – провод изолированный лакостойкой эмалью и одним слоем обмотки из натурального шелка. ПБД – провод изолированный двумя словами обмотки из хлопчатобумажной ткани. Эти марки проводов по нагревостойкости относятся к классу А. ПЭТВ – провод эмалированный лакостойкий с высокой теплостойкостью, по нагревостойкости относится к классу Н. ПЭФ-2 – провод изолированный фторопластовой эмалью в два слоя, по нагревостойкости относится к классу С. ПЭВТЛ – провод, изолированный полиуретановым лаком (класс Е). Провода этой марки обладают способностью покрываться слоем олова без зачистки эмали и применения флюсов. ПСДКТ – провода особо теплостойкие с утоненной двухслойной обмоткой из стекловолокна. По нагревостойкости эти провода могут ис9

пользоваться длительно при рабочей температуре до 300°С. Наибольшей нагревостойкостью обладают провода со стеклоэмалевой изоляцией марок ПЭЖБ (до 400°С) и ПОЖ (до 600°С). Характеристики медных обмоточных проводов прямоугольного сечения приведены в Прил. 6. Указания по применению проводов перечисленных выше марок и электроизоляционных проводов приведены в Прил. 7. 2.4. Магнитопроводы Магнитопроводы силовых трансформаторов малой мощности могут быть шихтованными и ленточными. Шихтованные магнитопроводы шихтуются (набираются) из штампованных пластин Ш-, П-, О-, и Т-образной формы. Из этих пластин выполняют следующие типы магнитоповодов соответственно: – броневой (Ш-образный); – стрежневой (П-образный); – тороидальный (О-образный); – трехфазный (Т-образный). В пластинах для стяжки в пакет предусматриваются отверстия для пропуска шпилек. Ленточные магнитопроводы позволяют снизить вес и габарит трансформаторов, в большей мере автоматизировать процесс изготовления трансформаторов, снизить стоимость их. В этих трансформаторах более полно используется материал сердечника за счет ориентирования магнитной структуры в направлении прокатки электротехнической стали. Типы ленточных магнитопроводов: – броневой (ШЛ-образный); – стержневой (ПЛ-образный); – тороидальный (ОЛ-образный); – трехфазный (ТЛ-образный). Ленточные магнитопроводы бывают разъемные и неразъемные. Наибольшее распространение получили разъемные магнитопроводы, поскольку такая конструкция позволяет изготавливать катушки отдельно, а затем устанавливать их на сердечнике трансформатора. Одним из недостатков трансформаторов с разъемным магнитопроводом является наличие воздушного зазора величиной 5 – 40 мк, что приводит к росту намагничивающего тока. Размеры ленточных магнитопроводов типа ШЛ приведены в Прил. 8, магнитопроводов типа ПЛ – в Прил. 9, а типа ОЛ – в Прил. 10. 10

3. УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ОТДЕЛЬНЫХ РАЗДЕЛОВ ПРОЕКТА 3.1. Определение токов трансформатора Расчет трансформатора представляет собой математически неопределенную задачу со многими решениями, так как число определяемых неизвестных больше числа уравнений, связывающих их. Вследствие этого на начальном этапе проектирования приходится задаваться определенными значениями некоторых электромагнитных и конструктивных величин, базируясь на рекомендациях, полученных в процессе проектирования трансформаторов подобного класса. На последующих этапах расчета трансформатора следует выполнять проверки с целью уточнения соответствия значений параметров, принятых в начале проектирования, значениям этих же параметров, полученных в процессе проектирования. Если итоговое значение параметра расходится от значения этого параметра, принятого в первом приближении, более чем на 10 %, то необходимо провести повторный расчет, приняв новое, уточненное значение этого параметра. Токи вторичных обмоток определяются достаточно легко I2 =

S2 S ; I3 = 3 . U2 U3

(1)

Ток же первичной обмотки трансформатора определяется в первом приближении по формуле Il =

P ⋅ 100 , m1U1фη% cos ϕ1

(2)

где Р – суммарная активная мощность вторичных обмоток; η% – коэффициент полезного действия трансформатора, %; cos ϕ1 – коэффициент мощности трансформатора со стороны первичной обмотки. 11

Поскольку трансформатор еще не рассчитан и η неизвестен, то на этой стадии расчет необходимо задать величину η. По кривой η=f(Р), приведенной на рис. 3, можно определить величину η в первом приближении. Величина cos ϕ1 также неизвестна на этой стадии расчета, поэтому cos ϕ1 определяется также в первом приближении по формуле cos ϕ1 =

I1a 2 2 I1a + I1p

,

(3)

где I1a – активная составляющая тока первичной обмотки; I1р – реактивная составляющая тока первичной обмотки. При определении I1р необхо∆U% η% Iµ% димо учитывать, что I1р следует определить как сумму тока наη%= f(P) магничивания трансформатора 80 Iµ и реактивной составляющей нагрузки, приведенной к первичной обмотке. Величиной тока Iµ также сле40 дует задаться на этом этапе расIµ%= f(P) чета. Для этого следует восполь∆U%= f(P) зоваться кривой Iµ%= f(Р), приведенной на рис. 3. Величина 0 200 400 P, ВА Iµ% = (Iµ/I1a)⋅100%. Следует отРис. 3. Ориентировочные значения метить, что эта зависимость со∆U%, η%, Iµ% в зависимости ответствует активно-индуктивот мощности нагрузки ному характеру нагрузки. В слутрансформатора чае же чисто активной нагрузки величина Iµ может быть принята выше примерно в 1,3–1,5 раза. 3.2. Выбор индукции в стержне и ярме сердечника трансформатора Величина индукции определяет значение тока намагничивания – чем выше принятое значение В, тем больше величина тока намагничивания Iµ (рис. 1). Поэтому допустимая величина индукции в стержне и ярме сердечника трансформатора определяется выбранным значением Iµ%, 12

маркой материала, числом стыков в сердечника, а также мощностью трансформатора и частотой питающего напряжения. Индукция в сердечнике трансформатора с ленточным разъемным магнитопроводом из холоднокатаной электротехнической стали может быть принята в пределах 1,1–1,3 Тл при частоте напряжения 50 Гц. В силовых трансформаторах повышенной частоты (400 Гц и выше) величина индукции в сердечнике определяется величиной потерь и нагревом его. В этом случае индукция выбирается в пределах 0,5–0,65 Тл. 3.3. Выбор плотности тока в проводах обмоток трансформатора От выбранной величины плотности тока в проводах обмоток зависит величина потерь мощности, коэффициент полезного действия, масса и стоимость трансформатора. Чем выше плотность тока в обмотках, тем больше потери, выше нагрев, ниже коэффициент полезного действия, меньше масса и стоимость трансформатора. В трансформаторах мощностью свыше 100 и до 1000 ВА плотность тока для медных проводов может быть выбрана в пределах 2<j