Сетевые трансформаторы питания

Сетевые транс­форматоры питания обычно рассчитываются на частоты 50 или 400 Гц. При сравнительно небольших номинальных мощностях трансформатора (P _н 100¼200 ВА) целесообразно применять броневые магнитопроводы типа ШЛ, ШЛМ, ШЛО и др. Для трансформаторов с номинальной мощностью порядка 500¼650 ВА возможно применение кольцевых магнитопроводов типа ОЛ. Сетевые трансформаторы питания с номинальной мощностью, превышающей 500 ВА, часто проектируются на стержневых магнитопроводах типа ПЛ, ПЛМ и др. При проектировании высоковольтных трансформаторов на напряжения свыше 1¼5 кВ используют стержневые магнитопроводы типа ПЛВ.

В качестве материала магнитопровода выбирают электротехнические холоднокатаные трансформаторные стали на частоты 50 или 400 Гц, например, марок 3411 или 3421 с толщиной ленты 0,15...0,08 мм. Для снижения потерь на вихревые токи пластины магнитопровода изолируют друг от друга. В трансформаторах малой мощности изолятором служит тонкий слой пленки (5...20 мкм), образующейся в результате фосфатирования или оксидирования электротехнической стали.

Пример 5.4. Определить произведение площади сечения стержня S _мпна площадь сечения окна S _окмагнитопровода трансформатора (электрическая схема на рис. 5.1) со следующими параметрами:

Решение.

Определение произведения площади сечения стержня S _мпна площадь сечения окна S _окмагнитопровода производится по основному уравнению для мощности транс­фор­матора:

, см⁴. (5.4)

В выражении (5.4) номинальная мощность трансформатора Р _нрассчитывается по формуле

, ВА, (5.5)

где n – число вторичных обмоток трансформатора.

Значение D f определяется допускаемым отклонением сетевого напряжения.

Максимальное значение индукции B _мв магнитопроводе, средняя плотность тока в обмотках j, коэффициент заполнения окна магнитопровода к _м выбираются исходя из номинальной мощности трансформатора по таблицам или графикам зависимостей: B _м= f (Р _н), j = f (Р _н), к _м = f (Р _н). Коэффициент заполнения магнитопровода сталью к _с зависит от толщины листа трансформаторной стали d, т.е. к _c = f (d). Графики соответствующих за­ви­симо­с­тей приведены на рис. 5.2.

Значение магнитной индукции B _мопределяет размеры сердечника, число витков обмоток, ток намагничивания и величину потерь в магнитопроводе. Чем больше индукция, тем меньше размеры магнитопровода, меньше число витков обмоток, но больше ток намагничивания и величина потерь. В свою очередь это увеличивает ток первичной обмотки и потери в обмотках, понижает КПД, что может привести к недопустимому перегреву обмоток. На рис. 5.2, а при­­ведены зависимости рекомендуемых средних значений B _мот габаритной мощности для ленточных и пластинчатых магнитопроводов, изготовленных из различных марок электро­технических сталей, для частот сети 50 и 400 Гц.

Плотность тока j определяет КПД, потери в обмотках, внутреннее падение напряжения и размеры трансформатора. Чем больше плотность тока в обмотках, тем меньше размеры трансформатора, но ниже его КПД и боль­ше вну­т­реннее падение напряжения. При большой плотности тока может наступить недопустимый перегрев трансформатора, приводящий к отказу в его работе. На рис. 5.2, б изображены графики рекомендуемых сред­них зна­чений плотности тока в зависимости от номинальной мощности, при которых температура перегрева не превышает 50 °С. Увеличение допустимой плотности тока при небольших мощностях 10¼100 ВА объясняется более благоприятными условиями охлаждения таких трансформаторов. В наружных обмотках, расположенных ближе к охлаждающей поверхности, плотность тока может быть увеличена на 20¼25%; в обмотках, расположенных внутри катушки, – уменьшена на 15¼20%. В первичной обмотке, расположенной ближе к сердечнику, плотность тока может быть увеличена на 10¼15%.

Заполнение площади окна магнитопровода медью обмоток характеризуется коэффициентом заполнения по меди к _м, представляющим собой отношение площади поперечного сечения обмотки S _мк площади окна S _окмагнитопровода. Коэффициент заполнения по меди зависит от номинальной мощности трансформатора, качества намотки, диаметра провода, его изоляции, толщины стенок каркаса и межслоевой изоляции. Средние значения этого коэффициента для трансформаторов с рядовой намоткой, осуществляемой проводом круглого сечения типа ПЭЛ, ПЭВ, с учетом толщины межслоевой изоляции приведены на рис. 5.2, в. Большой коэффициент заполнения, до 0,5¼0,6 и более, получается при выполнении обмотки из мед­ной фольги или ленты. Медная фольга имеет толщину от 0,015 до 0,05 мм, а медная лента – больше 0,05 мм. В ряде случаев обмотка выполняется из алюминиевой фольги толщиной 0,005¼0,2 мм. Перед намоткой заготовленные ленты покрываются специальной (на керамической основе) изоляцией.

Поскольку магнитопровод навивается из ленты трансформаторной стали или набирается из отдельных пластин, то изолирующая пленка не позволяет заполнять всю площадь магнитопровода магнитным материалом. Заполнение площади магнитопровода магнитным материалом характеризуется коэффициентом заполнения по стали к _с, представляющим собой отношение площади магнитопровода S _с, занятой магнитным материалом, к геометрическому поперечному сечению магнитопровода S _мп. Коэффициент заполнения по стали зависит от толщины листа трансформаторной стали. Средние значения этого коэффициента для трансформаторов на ленточных и пластинчатых магнитопроводах приведены на графике рис. 5.2, г.

После выбора значений параметров, входящих в формулу (5.4), по рассчитанному значению произведения S _мп S _окиз таблиц магнитопроводов выбирается магнитопровод с ближайшим значение­м произведения S _мп S _ок, определяется ширина стержня магнитопровода а, толщина стержня b, ширина с и высота h окна, рассчитывается длина магнитопровода l _мп, средняя длина витка, его масса М _с и объем V _с..

1. По формуле (5.5) рассчитываем номинальную мощность трансформатора

Р _н = 12×1 + 115×0,5 = 69,5 ВА

2. Из графиков зависимости B _м = f (Р _н), j = f (Р _н), к _м = f (Р _н), к _c = f (d) на рис. 5.2 для но­минальной мощности трансформатора 69,5 ВА и толщины листа стали 0,35 мм опреде­ляем максимальное значение индукции B _м в маг­ни­топроводе, среднюю плотность тока в обмотках j, коэффициент заполнения магнитопровода сталью к _с, коэффициент заполнения окна магнитопровода к _м и по формуле (5.3) находим произведение S _мп S _ок:

см⁴.

3. По рассчитанному значению произведения S _мп S _окиз таблиц магнитопроводов [таблица П.30] выбираем магнитопровод ШЛ20 20 мм. Расчетные и конструктивные размеры магнитопровода приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1