Реферат: Проектирование тороидального трансформатора с заданными характеристиками

Министерство образования инауки Украины

Харьковский национальныйуниверситет радиоэлектроники

Кафедра ПЭЭА

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине: “Элементнаябаза ЭА”

на тему

Проектирование тороидального трансформаторас заданными характеристиками

Разработал

Григорьева О.В.

2009


СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1.Анализ ТЗ

1.1 Анализ условий эксплуатации

1.2 Обоснование дополнительныхтребований и параметров

2.Обзор аналогичных конструкций и выбор направления проектирования

3.Электрический и конструктивный расчет

3.1Расчет тороидального трансформатора

3.2Теплотехнический расчет

Паспорт

Выводы

Переченьссылок


ВВЕДЕНИЕ

За последние годы широкоеприменение получила радиоэлектронная техника, характер и функции которойтребуют применения десятков и сотен тысяч различных комплектующих изделий. Средикоторых трансформаторы составляют весомую и неотъемлемую часть. Они выполняютответственную функцию – преобразование посредством электромагнитной индукцииодной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других системпеременного тока. К примеру, идеальный трансформатор осуществляет трансформациюнапряжений или токов, что позволяет получить требуемое напряжение, согласовать напряжениеи ток первичной цепи с сопротивлением нагрузки вторичной цепи или дать вторичноенапряжение, требующееся для создания вторичного источника питания РЭА.

Благодаря этимдостоинствам трансформаторы успешно используются в таких радиоэлектронныхустройствах, к которым предъявляются повышенные требования точности и стабильностиэлектрических и эксплуатационных параметров. Трансформаторы используются вэлектронной аппаратуре, различных системах автоматического управления ирегулирования, в электрооборудовании транспорта и измерительной технике. Припомощи трансформаторов можно не только преобразовать электрическую величину, нои реализовать требуемую функциональную зависимость между этими величинами.

В этомкурсовом проекте также решается задача конструирования трансформатора,предназначенного для преобразования систем переменного электрического тока. Всятрудность заключается в том, что трансформаторы имеют большие габариты, массу,что значительно ограничивает их применение в интегральных схемах.


1. АНАЛИЗТЗ

1.1 Анализ условийэксплуатации

Согласно технического задания необходимоспроектировать трансформатор с такими характеристиками:

U/>=100В — напряжение цепи питания ;

f=400Гц -частота сетипитания;

U/>=7 В; 12 В;21 В; -напряжения вторичныхобмоток;

I/>=1 А;1 А;0,6 А — токи вторичных обмоток;

Обеспечить минимальныегабаритные размеры.

Программа выпуска 25000шт. в год.

В условиях ТЗ не указанвид аппаратуры, в которой будет использоваться трансформатор. По ГОСТ 15150-69 онотносится к первой группе исполнения УХЛ (аппаратура, работающая в жилыхпомещениях), категория размещения 4.2 (аппаратура, предназначенная дляэксплуатации в отапливаемых помещениях). Общие нормы климатических воздействийна РЭА для исполнения УХЛ приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Общие нормыклиматических воздействий на РЭА

Исполнение

Категория

размещения

Воздействия температуры, °С Воздействия относительной влажности, % Рабочие Предельные Рабочие Верхн. Нижн. Ср. Верхн. Нижн. Верхнее УХЛ  4.2 +35 +10 +20 +40 +1 98% при 25°С

В соответствии с ГОСТ16019-78 должна выдерживать нормативные воздействия, приведенные в таблице 1.2.

Таблица 1.2 – Наземная профессиональная РЭА. Нормыклиматических и механических воздействий для 1-й группы

Вид воздействия, характеристики Нормы воздействий Прочность при транспортировании (в упакованном виде): ускорение, g 15 длительность ударного импульса, мс 11 число ударов, не менее 1000 Теплоустойчивость:

рабочая температура, />

40

предельная температура, />

55 Пониженное атмосферное давление: атмосферное давление, кПа 70 Холодоустойчивость

предельная температура, />

-40 Влагоустойчивость: влажность, % 93

температура, />

25

1.2 Обоснованиедополнительных требований и параметров

В некоторых случаях унифицированныетрансформаторы не могут быть использованы и необходимо рассчитывать и конструироватьтрансформаторы частного применения. В конструкции трансформатора имеетсясердечник из материала с высокой магнитной проницаемостью и малым уровнемпотерь и возможно большей индукцией насыщения. Обычно для трансформаторов питанияприменяются разрезные сердечники, полученные из набора  отдельных пластин.Разрезные сердечники требуют введения дополнительных элементов конструкции, обеспечивающихих сжатие и механическое соединение для уменьшения воздушного зазора. Сердечникобычно изготавливают из стальной ленты и пластин, а также из пермалоя и ферритадля исключения контакта между слоями ленты и пластин, приводящего к увеличению потерьв сердечнике, который имеет конечную толщину. Поэтому тем большей магнитной проницаемостьюобладает  сердечник, чем более тонкие ленты используется в нем. Изготовитьтрансформатор, одновременно удовлетворяющий требованию минимальной массы, стоимости,перегрева, и падения напряжения, невозможно. Например, если предъявляетсятребование минимальной стоимости, то в связи с тем, что стоимость проводов (меди)значительно выше сердечника (стали), выгоднее увеличить размеры и массу сердечникаи уменьшать окно. Если же важно, чтобы трансформатор имел минимальную массу, тоследует уменьшить сечение сердечника и увеличивать окно, а необходимый режим работысердечника обеспечивать, увеличивать число витков.

Лучшие магнитные свойстваимеют ленточные сердечники, у которых направление магнитных  силовых  линий совпадаетс направлением проката. Кроме того, в них можно использовать очень тонкие лентытолщиной до 0,01 мм. Ленточные разрезные сердечники в настоящее время нормализованы.В миниатюрных трансформаторах большое распространение получили ленточные сердечникис уширенным ярмом, сердечники кабельного типа. Основными требованиями кмагнитному материалу, применяемому в трансформаторах питания, являются высокая индукциянасыщения и малые потери. Для маломощных трансформаторов, питающихсянапряжением частотой 50-400 Гц, основным требованием является высокая индукция насыщения.При увеличении размеров трансформаторов объём сердечника увеличивается быстрее,чем поверхность охлаждения. При использовании ленточных проводников увеличиваетсякоэффициент заполнения, не возникает пустот между обмотками, значительно улучшаетсятеплоотвод, увеличивается долговечность трансформатора  и способность выдерживатьперегрузки. К капсулированию прибегают, когда требуется обеспечить наименьшую массуи габариты трансформатора. Капсулирование производят, заливая трансформатор в разъёмнойформе, обволакивая его или закрывая в пластмассовую коробку, При капсулированиитрансформаторов используются специальные компаунды на основе тепло- и влагостойкихсмол, чаще всего эпоксидных и полиэфирных.

Для уменьшения массы капсулированныхтрансформаторов толстым слоем компаунда можно покрывать не всю поверхность, а тольконаиболее уязвимые места. Затем трансформатор покрывают специальной влагостойкойэмалью типа 7141, ЭП74 или покровным лаком.


2. обзораналогичных конструкций и выбор направления проектирования

Конструкция заданногомаломощного трансформатора в большей мере зависит от заданных характеристик.  Следовательно,после анализа технического задания стало известно, что конструируемый  трансформатордолжен иметь следующие исходные данные:

U/>=100В -напряжение цепи питания ;

f=400Гц — частота сетипитания ;

U/>=7 В; 12 В;21 В- напряжения вторичныхобмоток ;

I/>=1 А;1 А;0,6 А — токи вторичных обмоток;

Конструкциямагнитопровода — тороидальный

Программа выпуска 25000шт. в год.

Обеспечить минимальныегабаритные размеры

Трансформаторимеет большие электромагнитные силовые потоки, а  соответственно большие размерыобмоток элемента. Для уменьшения  размеров и массы важную роль играет грамотныйподбор материалов составных частей трансформатора. Аналогичной конструкцией дляданного трансформатора является конструкция: ТА5-115-400.ОЮ0.71.000ТУ-трнсформатор анодный, номер 5 из унифицированного ряда, напряжение 115В, частота400Гц. В современных РЭА масса и габариты устройств питания составляют 0.5-0.1общей массы и габаритов и на их долю приходится в некоторых случаях до 50% отказов.Это требует совершенствования трансформаторов питания. Основные трудности приэтом определяются тем, что материалы сердечников имеют ограниченные магнитнуюпроницаемость и индукцию насыщения и большие потери… Прогрес  в конструкциях трансформаторовв последние годы определяется совершенствованием методов проката, что позволилополучить ленты толщиной до 0,01мм, а также развитием ферритов, пригодных для использованияв маломощных трансформаторах питания. На основании практических данных наиболееприемлемым при данных условиях считается  тороидальный трансформатор. Учитываяэти недостатки в существующих трансформаторах, относительно проектируемоговыбираем следующие направления:

1) для стяжки трансформатораиспользуем шайбы специальной формы ;

2) фиксация всей конструкциик основанию происходит болтовым соединением;

3) токосъем выполним в видепаяного соединения контактов трансформатора с отводящими элементами.


3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ И КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ

3.1 Расчет тороидального трансформатора

1. Выбираем  конфигурацию магнитопровода

В качестве материала для магнитопровода выбираем стальЭ340 с толщиной ленты 0.15мм.

2.Определяем мощность вторичной обмотки по формуле(3.1)

Р2= U/>/>2 ,                          (3.1)

Р2=7·1+12.1+21.06=40.6ВА.

3.Определение ориентировочных величин

Величины берём из таблицы 3.1, индукцию уменьшаем длятого, чтобы при увеличении напряжения питающей сети в заданных пределахмаксимальная индукция не превышала табличное значение:

В=1.65Тл– индукция;

d=6.5А/мм/> — плотность тока;

k/>=0.17 -коэффициент заполнения окна;

k/>=0.88– коэффициент заполнения сечениямагнитопровода сталью.

4. По формуле (3.2) определяем произведение сечения сталимагнитопровода на площадь его окна. Однозначно определяет требуемый типоразмермагнитопровода :

S/>S/>=/>,                         (3.2)

Тогда, подставив значения,получили

S/>S/>=/>см4

5. Из таблицы 3.2выбираем магнитопровод ОЛ 20/32-16;

S/>=0.84см2– активная площадьсечения магнитопровода ;

G/>= 0.052 кг- вес магнитопровода ;

/>/>= 8.1см — средняя длина магнитнойсиловой  линии ;

P/>=33.7 В·А-мощьность трансформатора

Vст=7.77 см3-обьёммагнитопровода.<sub/>

Габаритные размеры:

d=20мм-внутренний диаметр магнитопровода;

a=6мм-толщина магнитопровода;

в=16мм-высота магнитопровода;

D=32мм-наружный диаметр магнитопровода;

6. По формуле ( 3.3) находим ток первичной обмотки

I /> = />,                           (3.3)/>

I 1= />,

где />Р2 — мощность вторичнойобмотки;

/>=0.9 берём из таблицы 1.1;

cos/>=1 согласно условию.

7. По формулам (3.4)-(3.6) и таблице 3.3 находим числовитков обмоток:

/>/>=/>,                                    (3.4)

E1=U/>(1-/>) – Э.Д.С. первичной обмотки ;                        (3.5)

E2=U2 (1-/>) – Э.Д.С. вторичной обмотки;                         (3.6)

Где />U/>и />U2, приведены в таблице5-10

/>U1 = 2.5-3В ;

/>U2 = 3В ;

тогда

/>=/>В;

/>=/>В;

/>=/>В;

/>=/>В;

/> =  /> витков;

/>/> =  /> витков;

/>/> =  /> витков;

/> =  /> витков;

8. По формуле (3.7) и таблице 3.1 находимориентировочные значения             величины плотности тока и сечения проводовобмотки.

S/>=/>,                                (3.7)

Где /> — плотность тока (по таблице 5-9 />= 7-4.5А/мм/>) :

/>/>=6.3А/мм/>;

/>/>=5.8 А/мм

/>/>=6 А/мм

/>/>=6.5А/мм

S />/>= />мм/>;  

S />/>= />мм/>; />

S />/>= />мм/>; />

S />/>= />мм/>; />

9. Выбираем сечения и диаметры проводов (марки ПЭВ-2)

Берём стандартные сечения и диаметры проводов ПЭВ-2 изтаблицы 3.4-номинальные данные обмоточных проводов круглого сечения.[1]

Номинальный диаметр проволоки по меди, мм:

d/>/>=0.31 мм;

d/>/>= 0.47 мм;

d/>/>= 0.47 мм;

d/>/>= 0.35 мм;

Максимальный наружный диаметр, мм:

d />/>= 0.36мм ;

d />/>= 0.53мм ;

d />/>= 0.53мм ;

d />/>= 0.41мм ;

Вес одного метра медной проволоки, г:

g/>/>=0.671г/м;

g/>/>=1.54 г/м;

g/>/>=1.54 г/м;

g/>/>=0.855 г/м;

10. Определяем фактические плотности тока из формуле (3.7)

/>=/>А/мм2

/>=/>А/мм2

/>=/>А/мм2

/>=/>А/мм2

11. По формулам (3.8)-(3.9) определяем наружный ивнутренний диаметры магнитопровода после изоляции его макалентой ЛМС-1 толщиной0.1 мм с половинным перекрытием ленты.

/> ,                 (3.8)

/>  ,               />   (3.9)

/>толщина ленты;

/>коэффициент перекрытия ленты.

/>32+2·0,3=32.6мм;

/>20-2×0.32=19.36мм;

12.По формулам (3.10)-(3.14) и таблице 3.5 определяемчисло слоев первичной обмотки по наружному диаметру тороида:

/>  ,                      (3.10)

/> ,                       (3.11)

/>  ,                       (3.12)

/>,                         (3.13)

/>      ,                  (3.14)

Ку=1.15-коэфициент укладки

l1=338.0.36.1.15=140мм;

X=3,14(32.6-0.36)=101.2мм;

S=4×3.14×0.36×139=628.5мм2;

Z=2×3.14×0.36=2.26 мм;

/>/>слой.

13. По формулам (3.15) и (3.16) определяем число слоевпервичной обмотки по внутреннему диаметру:

/>,                                 (3.15)

/>,                               (3.16)

у=3.14(19.36+0.36)=61.9мм;

/>/> слоя;

14. По формулам (3.17) и(3.18) определяем диаметрытрансформатора после укладки провода первичной обмотки:

/> ,                     (3.17)

/> ,                      (3.18)

/>32.6+2×1.35×0.36×1.15=33.7мм;

/>19.36-2×2.3×0.36×1.15=17.4мм;

15.Находим длину среднего витка первичной обмотки поформуле (3.19)

Определяем в соответствии с рисунком 3.1

/>,       (3.19)

/>

16. Изоляцию первичной обмотки производим микалентнойбумагой толщиной 0.02мм в два сложения с половинным перекрытием. По формулам(3.20) и (3.21) определяем наружный и внутренний диаметры трансформатора послеукладки междуслоевой изоляции:

/> ;                       (3.20)

/>;                     (3.21)

/>,

/>,

17. По формулам (3.22)-(3.26) и табл. 3.5 определяемчисло вторичных слоев обмотки по наружному диаметру тороида:

/>,                      (3.22)

/>,                    (3.23)

/>,                          (3.24)

/> ,                                             (3.25)       

/> ,                       (3.26)

l2=25×0.53×1.15=15.2мм;

l3=43×0.53×1.15=26.2мм;

l4=75×0.41×1.15=35.3мм;

X2=3.14(32.6-0.52)=100.7мм;

X3=100.7мм;

X4=101мм;

S2=4×3.14×0.53×14=93.2мм2;

S3=4×3.14×0.53×24=159.7мм2;

S4=4×3.14×0.41×33=93.2мм2;

Z2=2×3.14×0.53=3.33мм;

Z3=2×3.14×0.53=3.33мм;

Z4=2×3.14×0.41=2.57мм;

/>/>слой ;

/>/>слой ;

/>/>слой ;

k/>=1.15;/>

18. По формулам (3.27) и (3.28) определяем число слоевобмоток по внутреннему диаметру.

/> ,                    (3.27)

/>,                    (3.28)

у1=3.14(19.36+0.36)=61.9мм;

у2=3.14(19.36+0.52)=62.45мм;

у3=3.14(19.36+0.52)=62.45мм;

у4=3.14(19.36+0.38)=62мм;

/>/>/> слоя;

/>/>/> слоя;

/>/>/> слоя;

/>/>/> слоя;

19. По формулам (3.29) и (3.30) определяем диаметрытрансформатора после укладки провода вторичных обмоток:

/>,                   (3.29)

/> ,                   (3.30)

/>;

/>;

/>

/>

/>

/>;

Ку=1.15-коэфициент укладки;

20. По формуле (3.31) находим длину среднего виткавторичных обмоток (в соответствии с рисунком 3.1)

/>/>

/>;

/>;

 

21. По формулам (3.32) и (3.33) находим окончательныеразмеры трансформатора после изоляции обмотки миколентной бумагой 0,1 мм однимслоем с половинным перекрытием,

/>                      (3.32)

/>                     (3.33)

/>

/>

22.Окончательные габаритные размеры трансформатора сучетом коэффициента выпучивания определяем по формулам (3.34)-(3.36):   Кв=1.2(таблица 3.5)

/>                              (3.34)

/>                           (3.35)

/>                                (3.36)

/>;          

/> ;          

/>;

23. По формуле (3.37) определяем потери в стали (рст=33Вт·кг находим по рисунку  3.2):

/>                           (3.37)

/>.

24. По формуле (3.38) определяем активную составляющуютока холостого хода:

/>                        (3.38)

/>.

25. По формуле (3.39) определяем реактивнуюсоставляющую тока холостого хода (Н=3.5 А/см – определяем по рисунку 3.3):

/>                      (3.39)

/>

26. По формулам (3.40)-(3.41) определяем ток холостогохода:

/>                      (3.40)

/>                      (3.41)

/>;                 

/>;

27. Определяем активное сопротивление обмоток поформуле (3.42):

/> ,                          (3.42)

/> ,

/> 

/>

/>

28. Определяем активные падения напряжения в обмоткахтрансформатора по формулам (3.43)-(3.44):

/>                     (3.43)

/>                       (3.44)   

/> ,      />,

/>,           />,

/>,               />,

/>,          />,

29. По формулам (3.45)-(3.49) и по таблице 3.6определяем массу проводов, потери меди и КПД трансформатора(m=2.65г – массапровода):

/>,                      (3.45)

/>

/>гр;

/>

/>

/>                 (3.46)       

/>,                         (3.47)

/> ,

/>Вт,

/>Вт,

/>,

/>.                          (3.48)

/> ,                      (3.49)

30. По формулам (3.50)-(3.51) определяем расчётныйкоэффициент А

/>                   (3.50)

/>,

А=/>                             (3.51)

А=/>

3.2 Теплотехнический расчёт.

1. По формуле (3.52) определяем поверхность охлаждениятрансформатора:

/>                            (3.52)

/>

2. Определяем абсолютную температуру окружающей средыпо формуле (3.53)

То.с.=tо.с.+2730С,                        (3.53)

То.с=40+273=3130К.

3. Принимаем поверхностное превышение температурыθп=500С и находим температуру поверхноститрансформатора по формуле (3.54)

Т= θп+ То.с                       (3.54)

Т=50+313=3630                                                      

4. Определяем коэффициент теплоотдачи по формуле (3.5)

/>                       (3.55)

/>

/>

/> Вт/м2/>

5. Определяем тепловую проводимость по формуле (3.56)

σ=α·/>,                         (3.56)

σ=15·10-4·46=0.069Вт/0С;

6. Определяем поверхностное превышение температуры поформуле (3.57), величину β берем равной единице (для трансформаторовмощностью меньше 150В·А)

θп=/>,                      (3.57)

где α+=0.004 1/0С –температурный коэффициент для медного провода.

/>

Примем θср=620С тогдасредняя по объёму температура обмотки равна

tср= tо.с+ θп,                                                     (3.58)

tср=40+62=1020С

Отсюда следует, что трансформатор будет работать припредельной температуре с запасом температуры в 30С при нормальной температуредля данного провода обмотки 1050С, что допустимо, т.к.трансформаторбудет устанавливаться на шасси обеспечивающее дополнительный отвод тепла.


ПАСПОРТ

Данный трансформатор предназначен дляпреобразования напряжения в зарядном устрйстве.

Электрические данные:

1. Напряжение питания                                   100 В

2. Потребляемый ток                                     0.45 А     

3. Напряжение на выходевторичных обмоток                 7;12;21 В

4. Токи вторичной обмотки                                1;1;0.6 А

5.Мощность вторичнойобмотки                            40.6Вт

6.Рабочая частота                                        400Гц  

Условия эксплуатации:

Температура окружающейсреды                            +40 град. С.

Годовой выпуск                                       25000 шт./год.

Конструкция магнитопровода                     тороидальный


ВЫВОДЫ

Стоимость конструкции невысока, т.к. для ее разработки берутся не дорогие материалы.

В процессе выполненияданного курсового проекта была разработана конструкция трансформатора питания.Определены конструкторские и технические параметры трансформатора. Произведенвыбор материалов, необходимых для изготовления трансформатора и его составныхчастей. Выполнены необходимые расчеты по определению электрических иконструктивных параметров трансформатора. Получены определенные навыки расчетапараметров и разработки технической конструкторской документации наизготовление элементов электронной аппаратуры.


ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. М.И. Мелопольский, Л.Г. Пикалова.Расчет трансформаторов и дросселей малой мощности. — М. Энергия. 1970.

2. В.Л. Соломахо и др. Справочникконструктора — приборостроителя. Проектирование. Основные нормы. — Мн. Высшаяшкола. 1988.

3. В.А. Волгов. Детали и узлырадиоэлектронной аппаратуры. -М. Энергия. 1977.

еще рефераты
Еще работы по коммуникациям и связям