Мартынов А.А. Трансформатор для вторичных источников питания: Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

ТРАНСФОРМАТОР

ДЛЯ ВТОРИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПИТАНИЯ

Учебное пособие

Ñàíêò-Ïåòåðáóðã

2001

ÌÈÍÈÑÒÅÐÑÒÂÎ ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈß ÐÎÑÑÈÉÑÊÎÉ ÔÅÄÅÐÀÖÈÈ

Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé

ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò àýðîêîñìè÷åñêîãî

ïðèáîðîñòðîåíèÿ

А. А. Мартынов

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 проек-

та по трансформаторам для вторичных источников питания, а также спра-

вочные 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

Санкт-Петербургский

государственный университет

аэрокосмического приборостроения, 2001

А. А. Мартынов, 2001

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

ПРЕДИСЛОВИЕ

В многочисленных современных устройствах автоматики получили

широкое распространение однофазные и трехфазные силовые трансфор-

маторы мощностью от единиц Вт до 10 кВт. Потребности любой про-

мышленности развитой страны в таких трансформаторах огромны. При

организации массового производства и выпуска этих трансформаторов

возникает задача оптимального их проектирования для получения тех-

нически и экономически обоснованных рациональных габаритных, ве-

совых и других показателей.

Понятие оптимальности трансформатора малой мощности обычно

определяется в зависимости от назначения этого трансформатора и ха-

рактеризуется наивыгоднейшими технико-экономическими показателя-

ми: удельными массогабаритными показателями, надежностью и сто-

имостью.

Под надежностью трансформатора понимается способность его бе-

зотказно работать с неизменными техническими характеристиками в

течение заданного времени и при определенных условиях эксплуата-

ции.

Проблема оптимального проектирования силового трансформатора

малой мощности в принципе сводится к поиску минимальных значений

удельного веса, удельного объема или удельной стоимости при задан-

ных параметрах и условиях применения трансформатора.

Учебное пособие предназначено для студентов, изучающих курс

“Электрические машины” в рамках специальностей “Автоматика и уп-

равление”, “Автоматизация технологических процессов”, “Роботы и

робототехнические системы”, “Электромеханика”.

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ И УЧЕБНЫЕ ПОСОБИЯ

Задание на курсовой проект выдается руководителем проекта. Зада-

ние (Прил. 1) содержит основные данные проектируемого трансформа-

тора: мощность, число фаз, число обмоток, напряжения обмоток, часто-

та питающей сети.

Помимо этого в задании указываются особые требования к проекти-

руемому трансформатору, а именно: минимум стоимости или минимум

массы.

Основными пособиями при проектировании силовых трансформа-

торов малой мощности являются [1, 2]. Однако для полноты проработ-

ки материала необходимо использовать также и другие источники. Так,

дополнительную справочную информацию по электроизоляционным и

магнитным материалам, а также по правилам оформления конструктор-

ской документации, можно получить в [3]. Особенности проектирова-

ния трансформаторов большой мощности следует изучить в [4].

2. МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ

СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

МАЛОЙ МОЩНОСТИ

2.1. Магнитные материалы

Сердечники трансформаторов изготавливаются из магнитного мате-

риала – специальной электротехнической стали. Она отличается от обыч-

ной конструкционной стали более высокой магнитной проницаемос-

тью и низкими удельными потерями в единице объема. Потери в элект-

ротехнической 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, используе-

мой при изготовлении сердечников трансформаторов. Ранее применя-

лось горячекатаная изотропная сталь, а в настоящее время почти ис-

ключительно – холоднокатаная анизотропная сталь. Изотропная сталь

имеет одинаковые магнитные свойства как вдоль, так и поперек на-

правления прокатки, а анизотропная имеет магнитную проницаемость

в направлении прокатки выше, чем поперек. В целом у холодноката-

ных сталей магнитная проницаемость в направлении прокатки выше,

чем у горячекатаных, а удельные потери меньше.

Основные свойства различных марок электротехнических сталей рег-

ламентируются ГОСТ 21427.1-75 – 21427.3-75. Из горячекатаных марок

электротехнической стали при изготовлении сердечников трансформа-

торов применяются марки 1511; 1512; 1513; 1514; а из холоднокатаных

– марки 3411; 3412; 3413; 3414; 3415; 3416. Марки сталей электротех-

нических расшифровываются следующим образом:

Первая цифра – вид прокатки, структурное состояние (1 – горячека-

таная 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 действую-

щего значения напряженности поля холоднокатаных и горячекатаных

сталей, а на рис. 2 приведена зависимость удельных потерь от амплиту-

ды магнитной индукции холоднокатаных и горячекатанных сталей. Для

изготовления ленточных магнитопроводов трансформаторов малой мощ-

ности 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.

Железоникелевые сплавы по сравнению с электротехническими ста-

лями имеют более высокую магнитную проницаемость и меньшие удель-

ные потери. Благодаря этому железоникелевые сплавы более предпоч-

тительны для трансформаторов, работающих на частоте выше 400 Гц.

Рис. 2. Зависимость удельных

потерь от амплитуды магнитной

индукции

Рис. 1. Зависимость амплитуды

индукции от действующего значения

напряженности поля

H, А/м40 80

500

20 600

100

max

, Тл

3411

3412, 3413

1513

1512

1511

0,5

1,0

1,5

0,5

1,0 1,5

3411

1513

1512

1511

, Вт/кг

max

, Тл

3412

3413

Отметим и недостаток железоникелевых сплавов – высокую чувстви-

тельность свойств к механическим напряжениям.

Все требуемые для выполнения курсового проекта магнитные харак-

теристики материала сердечника трансформатора приведены в [1] и [3].

2.2. Электроизоляционные материалы

От правильного выбора электроизоляционных материалов во мно-

гом зависит надежность трансформатора. По теплостойкости электро-

изоляционные материалы разделяются по ГОСТ на семь классов. Для

каждого класса изоляции установлена предельно допустимая темпера-

тура в °С. Указанные пределы температур устанавливаются исходя из

обеспечения срока службы трансформатора, равного 15–20 годам. Пре-

вышение предельных температур приводит к резкому уменьшению сро-

ка службы трансформатора.

Класс У – непропитанные и непогруженные в жидкий электроизоля-

ционный 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, теле-

фонная 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, ком-

паунд для обволакивания обмоток марки МБК, изоляция эмальпро-

водов.

Класс Е – некоторые синтетические и органические пленки (+ 120°С).

Материалы этого класса изоляции – это пленки лавсана, синтети-

ческие смолы и компаунды, изоляция эмальпроводов и др.

Класс В – материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна,

применяемыми с органическими связующими и пропитывающими со-

ставами, допускающими температуру до 130°С.

В трансформаторах применяются следующие материалы этого клас-

са: 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 со-

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, при-

меняемые в сочетании с кремнийорганическими связующими и пропи-

тывающими составами (+180°С).

К материалам этого класса относятся: стеклоткань марки ЛСК, стек-

ломикалента марки ГФС, кремнийорганические лаки марки К-47, К-57.

Класс С – слюда, керамические материалы, стекло, кварц, применяе-

мые без связующих составов с неорганическими или элементооргани-

ческими связующими составами, а также другие, соответствующие дан-

ному классу материалы (более +180°С). Этот класс материалов находит

применение в теплостойких трансформаторах. К таким материалам от-

носятся: пленка фторопласта-4, К-41 для изготовления каркасов кату-

шек.

Изоляция обмоток подразделяется на корпусную, слоевую, межобмо-

точную и наружную. Корпусная изоляция выполняется при помощи кар-

касов или гильз. Корпусная изоляция выполняет также и функцию кон-

структивной основы катушек, несущих обмотку. Каркасы и гильзы из-

готавливаются из электротехнического картона толщиной 0,3–2 мм, ге-

тинакса или изоляционных прессованных бумаг (Прил. № 3).

Слоевая изоляция прокладывается при намотке катушки через каж-

дый слой или через несколько слоев. В качестве изоляции используют-

ся: бумага, тканевые материалы, синтетические пленки толщиной в со-

тые доли миллиметра, например ЛШС (Прил. № 4).

Межобмоточная изоляция выполняется аналогично слоевой, но ук-

ладывается в несколько слоев в зависимости от испытательного напря-

жения между обмотками. Обычно для этой цели используются: кабель-

ная бумага марок К-08, К-12 или конденсаторная марки КТН, а для про-

питываемых обмоток намоточная или пропиточная бумага марки ЭИП.

Наружная изоляция служит для защиты трансформаторов от механи-

ческих повреждений и воздействий внешней среды. Наружная изоля-

ция трансформаторов достигается его герметизацией или заливкой ка-

тушек термоактивным компаундом.

Пропитка обмоток компаундами применяется с целью повышения

электрических свойств обмоток, их влагостойкости и теплопроводнос-

ти.

2.3. Обмоточные провода

Для изготовления обмоточных катушек трансформаторов приме-

няется электротехническая медь, а также алюминий. Медь обладает

хорошей электропроводимостью, достаточной стойкостью к корро-

зии, прочностью и пластичностью, хорошо паяется и сваривается.

Для изготовления обмоточных проводов применяется мягкая отожже-

ная медь марки ММ. Удельный вес меди 8,8 г/см

, удельное сопро-

тивление – 0,0175 Ом мм

/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/см

, удельное электри-

ческое сопротивление – 0,028 Ом мм

/м. Алюминиевые обмоточные про-

вода выпускаются эмалированными (марки ПЭВА и ПЭЛРА). По нагре-

востойкости эти марки относятся к классу А или Е.

Круглые медные провода выпускаются различных марок по нагрево-

стойкости. ПЭЛ – провод эмалированный лакостойкий, по нагревос-

тойкости относится к классу А, находит широкое применение в транс-

форматорах массового назначения.

ПЭВ-1, ПЭВ-2 – провода с высокопрочной эмалированной изоляци-

ей, применяются в трансформаторах с повышенной нагревостойкостью

при отсутствии особых требований по надежности. Класс изоляции Е и В.

ПЭТ – провод эмалированный, лакостойкий с повышенной тепло-

стойкостью, по нагревостойкости относится к классу В.

ПЭЛШО – провод изолированный лакостойкой эмалью и одним сло-

ем обмотки из натурального шелка.

ПБД – провод изолированный двумя словами обмотки из хлопчато-

бумажной ткани. Эти марки проводов по нагревостойкости относятся к

классу А.

ПЭТВ – провод эмалированный лакостойкий с высокой теплостой-

костью, 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 об-

моткой из стекловолокна. По нагревостойкости эти провода могут ис-

пользоваться длительно при рабочей температуре до 300°С. Наиболь-

шей нагревостойкостью обладают провода со стеклоэмалевой изоляци-

ей марок ПЭЖБ (до 400°С) и ПОЖ (до 600°С).

Характеристики медных обмоточных проводов прямоугольного сече-

ния приведены в Прил. 6. Указания по применению проводов перечислен-

ных 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 штампо-

ванных пластин Ш-, П-, О-, и Т-образной формы. Из этих пластин вы-

полняют 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 транс-

форматорах более полно используется материал сердечника за счет ори-

ентирования магнитной структуры в направлении прокатки электро-

технической стали. Типы ленточных магнитопроводов:

– броневой (ШЛ-образный);

– стержневой (ПЛ-образный);

– тороидальный (ОЛ-образный);

– трехфазный (ТЛ-образный).

Ленточные магнитопроводы бывают разъемные и неразъемные. Наи-

большее распространение получили разъемные магнитопроводы, по-

скольку такая конструкция позволяет изготавливать катушки отдельно,

а затем устанавливать их на сердечнике трансформатора. Одним из не-

достатков 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.