Методические указания к выполнению расчетно-практической работы по теме "Трансформаторы"

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К  ВЫПОЛНЕНИЮ РАСЧЕТНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ

по теме «Трансформаторы»

Разработал

                                                                                                    Преподаватель

                                                                                                  А.И.Соколова

2016г.

Методические указания к выполнению практической работы по теме «Трансформаторы»./А.И.Соколова – Канаш:2016г. – стр.

           Методические указания предназначены для организации обучения  студентов учреждений среднего профессионального образования   по электротехническим и техническим специальностям. Методические указания содержат варианты заданий и пример расчета.

           Методические указания могут быть рекомендованы к использованию студентами и преподавателями ГАПОУ «КанТЭТ» Минобразования Чувашии

Методические указания рассмотрены на заседании цикловой комиссии профессий и специальностей электроэнергетики и общетехнических дисциплин

Протокол от «____»__________2016 г. №______

Председатель комиссии                                                      Е.В.Григорьева

Разработчик: преподаватель  ГАПОУ «КанТЭТ» Минобразования Чувашии А.И.Соколова

Рецензент:

СОДЕРЖАНИЕ

1.      Введение _______________________________________________________4

2.      Устройство и принцип действия однофазных трансформаторов_________ 5

3.      Области применения однофазных трансформаторов__________________ 9

4.      Стандартная методика расчета сварочного трансформатора___________12

5.      Задания для расчетно-практической работы    _______________________  15                                                                   

6.      Перечень литературы, интернет-ресурсов  ___________________________17                                                          

Введение.

Электротехника является общепрофессиональной дисциплиной энергетических, электротехнических, и других технических специальностей. Программа учебной дисциплины «Электротехника и электроника» предусматривает изучение физической сущности электрических и магнитных явлений в электрических устройствах и методов их расчета. Учебные пособия и учебники, рекомендованные к использованию в учебном процессе,  содержат в большей степени теоретические сведения. Учащиеся  при этом выступают в роли поглотителей теоретических знаний.  

Для побуждения познавательной деятельности  учащихся и участия их в проектной, а затем и в исследовательской деятельности необходимо уделить больше внимания расчетно-практическим работам. Также выполнение расчетно-практических работ является предварительной стадией подготовки к выполнению курсового проекта на третьем курсе.

Устройство и принцип действия однофазных трансформаторов.

 Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. В зависимости от вида сети переменного тока существуют однофазные и трехфазные трансформаторы.

          Электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора состоит из двух обмоток (рис. 1), размещенных на замкнутом магнитопроводе (сердечнике), который выполнен из ферромагнитного материала. Первичную обмотку 1 подключают к источнику переменного тока – электрической сети с напряжением сети u₁. К вторичной обмотке 2 присоединяют нагрузку сопротивлением Zн.

          Обмотку более высокого напряжения называют обмоткой высшего напряжения (ВН), а низкого напряжения – обмоткой низшего напряжения (НН). Начала и концы обмотки ВН обозначают буквами А и Х; обмотки НН – буквами а и х.

         При подключении к сети в первичной обмотке возникает переменный ток i₁, который создаёт переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Поток Ф индуцирует в обеих обмотках переменные ЭДС – е₁ и е₂ пропорциональные, согласно закону Максвелла, числам витков w₁ и w₂ соответствующей обмотки и скорости изменения потока dФ/dt.

                               Рис. 1.

Таким образом, мгновенные значения ЭДС, индуцированные в каждой обмотке.

; .

Следовательно, отношение мгновенных и действующих ЭДС в обмотках определяется выражением

E₁ / E₂ = e₁ / e₂ = w₁ / w₂ .              

Если пренебречь падениями напряжения в обмотках трансформатора, которые обычно не превышают 3-5 % от номинальных значений U₁ и U₂, и считать E₁≈U₁ и E₂≈U₂, то получим

U₁ / U₂ ≈ w₁ / w₂ .                     

Следовательно, подбирая соответствующим образом числа витков обмоток, при заданном напряжении U₁ можно получить желаемое напряжение U₂. Если необходимо повысить вторичное напряжение, то число витков w₂ берут больше числа w₁; такой трансформатор называют повышающим. Если требуется уменьшить напряжение U₂, то число витков w₂ берут меньшим w₁; такой трансформатор называют понижающим.

В трансформаторе преобразуются только напряжения и токи. Мощность же остаётся приблизительно постоянной (она несколько уменьшается из-за внутренних потерь энергии в трансформаторе). Следовательно, полная мощность потребляемая из сети

S₁ = U₁ I₁ ,

практически полностью выделяется на нагрузке   S₂ = U₂ I₂ .

S₁ ≈ S₂;                   

U₁ I₁≈  U₂ I₂

Отсюда следуют соотношения между токами и напряжениями на первичной и вторичной обмотках трансформатора.

U₁ / U₂ = I₂ / I₁ = w₁ / w₂ = n .

При уменьшении вторичного напряжения в n раз по сравнению с первичным, ток i₂ во вторичной обмотке соответственно увеличится в n раз.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если первичную обмотку трансформатора подключить к источнику постоянного тока, то в его магнитопроводе образуется магнитный поток, постоянный во времени по величине и направлению. Поэтому в первичной и вторичной обмотках в установившемся режиме не индуцируются ЭДС, а, следовательно, не передаётся электрическая энергия из первичной цепи во вторичную.

Магнитная система.

В зависимости от конфигурации магнитной системы, трансформаторы подразделяют на стержневые (рис. 1.3, а), броневые (рис.1.3, б) и тороидальные (рис. 1.3, в).

Стержнем 2 называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки (рис. 1.3;). Часть магнитопровода, на которой обмотки отсутствуют, называют ярмом 1 (рис. 1.3;). Трансформаторы большой и средней мощности обычно выполняют стержневыми. Они имеют лучшие условия охлаждения и меньшую массу, чем броневые.

рис. 1.3

Для уменьшения потерь от вихревых токов, магнитопроводы трансформаторов собирают из изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,35 - 0,5 мм при частоте 50 Гц.

Трансформаторы малой мощности и микротрансформаторы часто выполняют броневыми, так как они имеют более низкую стоимость по сравнению со стержневыми трансформаторами из-за меньшего числа катушек и упрощения сборки и изготовления. Применяют также и маломощные трансформаторы стержневого типа с одной или двумя катушками 3 (рис. 1.3). Преимущество тороидальных трансформаторов – отсутствие в магнитной системе 4 (рис. 1.3) воздушных зазоров, что значительно уменьшает магнитное сопротивление магнитопровода. В трансформаторах малой мощности магнитопровод собирают из штамповых пластин П-, Ш- и О- образной формы (рис. 1.4, а, б, в).

Широкое применение получили магнитопроводы, навитые из узкой ленты электротехнической стали или из специальных железоникелевых сплавов типа пермаллой. Их можно использовать для стержневых, броневых, тороидальных и трёхфазных трансформаторов (рис 1.4 г, д, е, ж).

Рис. 1.4

Обмотки. В современных трансформаторах первичную 1 (рис. 1.5;) и вторичную 3, 4, 5 (рис. 1.5;) обмотки стремятся расположить для лучшей магнитной связи как можно ближе одну к другой. При этом на каждом стержне магнитопровода 2 (рис. 1.5;) размещают обе обмотки либо концентрически – одну поверх другой (рис. 1.5 а), либо в виде нескольких дисковых катушек, чередующиеся по высоте стержня (рис. 1.5 б). В первом случае обмотки называют концентрическими, во втором – чередующимися. В силовых трансформаторах обычно применяют концентрические обмотки, причём ближе к стержням располагают обмотку НН, требующей меньшей изоляции относительно остова трансформатора, а снаружи – обмотку ВН.

Рис. 1.5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Области применения однофазных трансформаторов

Однофазный трансформатор небольшой мощности применяют в качестве сварочного, измерительного, испытательного, специального назначения и для бытовых нужд.

Рассмотрим однофазный сварочный трансформатор.  Он понижает напряжение сети до нескольких вольт, а ток, соответственно, возрастает и может достигать тысячи ампер и больше.

 

 

 

 

 

 

 

 

Номинальный сварочный ток трансформатора - это основная рабочая характеристика любого сварочного трансформатора. От величины силы сварочного тока зависит возможность резки и сварки металла. Во всех сварочных трансформаторах это значение указывается максимальным, так как именно столько способен выдать трансформатор на пределе возможностей. 

Диаметр электрода

В работе со сварочным трансформатором для сварки металла используются наплавляемые электроды различного диаметра. При этом возможность использовать электрод определенного диаметра зависит от двух факторов. Первый – номинальный сварочный ток трансформатора. Второй – толщина металла. В приведенной ниже таблице указаны диаметры электродов в зависимости от толщины металла и сварочного тока самого трансформатора.

 

Номинальное рабочее напряжение

Как уже отмечалось, сварочный трансформатор преобразует входящее напряжение до более низкого значения, составляющего 30 – 60 В. Это и есть номинальное рабочее напряжение, которое необходимо для поддержания стабильного горения дуги. Также от этого параметра зависит возможность сварки металла определенной толщины. Так для сварки тонколистового металла требуется низкое напряжение, а для более толстого – высокое. При расчетах этот показатель весьма важен.     

Напряжение холостого хода

Одной из важных рабочих характеристик является напряжение холостого хода сварочного трансформатора. Эта характеристика отвечает за легкость появления сварочной дуги, и чем выше будет напряжение, тем легче появится дуга. Но есть один важный момент. Для обеспечения безопасности человека, работающего с аппаратом, напряжение ограничивается 80 В.

На рисунке трансформатор с дисковыми обмотками.

По характеру устройства обмоток различают трансформаторы с цилиндрическими и дисковыми обмотками.

а — цилиндрические обмотки;

 б — дисковые обмотки

1 — первичная обмотка

2 — вторичная обмотка

В трансформаторах с цилиндрическими обмотками одна обмотка намотана поверх другой. 

В трансформаторах с дисковыми обмотками первичная и вторичная обмотки отдалены друг от друга. 

Регулировка сварочного тока, обычно, достигается изменением расстояния между обмотками, которые выполняются подвижными. В бытовых условиях трудно выполнить трансформатор с подвижными обмотками. Выход может быть в изготовлении трансформатора на несколько фиксированных значений сварочного тока (на несколько значений напряжения холостого хода). 

 

 

 

Стандартная методика расчета трансформатора

Эта методика применима для расчета распространенных сварочных трансформаторов с увеличенным магнитным рассеянием, следующего устройства. Трансформатор изготовлен на основе П-образного магнитопровода. Его первичная и вторичная обмотки состоят из двух равных частей, которые расположены на противоположных плечах магнитопровода. Между собой половины обмоток соединены последовательно.

Для примера возьмемся рассчитать с помощью этой методики данные для сварочного трансформатора рассчитанного на рабочий ток вторичной катушки I2=160А, с выходным напряжением холостого хода U2=50В, сетевым напряжением U1=220В, значение ПР (продолжительность работы) примем, скажем, 20%.

Введем параметр мощности, учитывающий продолжительность работы трансформатора:

Pдл = U₂*I₂**0,001=50*160**0,001= 3,58 кВт

где ПР - коэффициент продолжительности работы, %. Коэффициент продолжительности работы показывает, сколько времени (в процентах) трансформатор работает в дуговом режиме (нагревается), остальное время он находится в режиме холостого хода (остывает). Для самодельных трансформаторов ПР можно считать равным 20-30%.

Для выбора числа витков обмоток трансформатора рекомендуется пользоваться эмпирической зависимостью электродвижущей силы одного витка E (в вольтах на виток):

E = 0,55 + 0,095 × Pдл 

где Pдл подставляется в кВт.
Е = 0,55 + 0,095 × 3,58 = 0,89 В/виток

Эта зависимость справедлива для широкого диапазона мощностей, однако наибольшую сходимость результатов дает в диапазоне 5-30 кВт.

Количество витков (сумма обеих половин) первичной и вторичной обмоток определяются соответственно:

N1 = U1/E; N2 = U2/E
N1 = 220/0,89 = 247; N2 = 50/0,89 = 56

где U1 - напряжение сети, В.

Номинальный ток первичной обмотки в амперах:

I1 = I2 × km/n

где km=1.05-1.1 - коэффициент, учитывающий намагничивающий ток трансформатора;

n = N1/N2 - коэффициент трансформации.

n = 247/56 = 4,4
I1 = 160 × 1,1/4,4 = 40 А

Сечение стали сердечника трансформатора (см2) определяется по формуле:

S = U2 × 10000/(4.44 × f × N2 × Bm)
S = 50 × 10000/(4.44 × 50 × 56 × 1,5) = 27 см2

где f=50 Гц - промышленная частота тока; Bm - индукция магнитного поля в сердечнике, Тл. Для трансформаторной стали индукция может быть принята Bm=1.5-1.7 Тл, рекомендуется принимать ближе к меньшему значению.

Конструктивные размеры трансформатора приведены применительно к стержневой конструкции магнитопровода. Геометрические параметры магнитопровода в миллиметрах:

lШирина пластины стали из пакета магнитопровода 
a==мм.

lТолщина пакета пластин плеча магнитопровода
b=a×p1=37,7×2=75,4 мм.

lШирина окна магнитопровода
c=b×p2=75,4×1,2=90 мм.

где p1=1.8-2.2; p2=1.0-1.2. Измеряемая по линейным размерам сторон собранного трансформатора площадь сечения магнитопровода будет несколько больше рассчитанного значения, надо учитывать неизбежные зазоры между пластинами в наборе железа, и равняется:

Sиз = S/kc
Sиз = 27/0,95 = 28,4 см2

где kc=0.95-0.97 - коэффициент заполнения стали.

Значение (a) подбирается ближайшее из сортамента трансформаторной стали, конечное значение (b) корректируется с учетом ранее выбранного (a), ориентируясь на полученные значения S и Sиз.

Высота окна магнитопровода h методикой строго не устанавливается и выбирается исходя из размеров катушек с проводом, крепежных размеров, а также учитывается расстояние между катушками, которое выставляется при подстройке тока трансформатора.

Можно принять h=4ха=4х37,7=150,8мм.

Осталось рассчитать сечение провода для первичной и вторичной обмоток. Для этого используем показатель допустимой плотности тока δ в медном проводе, который равен 3A/мм2. Формула довольно проста – необходимо максимальный ток каждой из обмоток разделить на плотность тока в проводе. В результате получим для первичной обмотки I1 = 40 А, то сечение провода

Sперв.обм = I1/δ= 40/3=13,3 мм2.

Для вторичной обмотки I2=160А, то сечение провода

сечение провода Sвтор.обм = I2/δ= 160/3=53,3 мм2.

Размеры катушек определяются сечением провода, количеством витков и способом намотки.

Сварочный ток можно регулировать, перемещая секции первичной и вторичной обмоток относительно друг друга. Чем больше расстояние между первичной и вторичной обмотками, тем меньшим будет выходная мощность сварочного трансформатора.

Задания для расчета.

Каждый студент выполняет вариант практической работы в зависимости от номера по списку в журнале.

№ вар.	Сварочный ток I2 (А)	Выходное напряжение холостого хода U2 (В)	Сетевое напряжение U1 (В)	Продолжительность работы ПР (%)
	90	80	220	30
	92	78	220	20
	94	76	220	40
	96	74	220	30
	98	72	220	20
	100	70	220	40
	102	68	220	30
	104	66	220	20
	106	64	220	40
	108	62	220	30
	110	60	220	20
	112	58	220	40
	114	56	220	30
	116	54	220	20
	118	52	220	40
	120	50	220	30
	122	80	220	20
	124	78	220	40
	126	76	220	30
	128	74	220	20
	130	72	220	40
	132	70	220	30
	134	68	220	20
	136	66	220	40
	138	64	220	30