Общие сведения об источниках вторичного электропитания




 

Источники вторичного электропитания являются преобразователями электрической энергии, предназначенной для электропитания устройств, выполняющих различные функциональные задачи. С помощью источников вторичного электропитания, в общем случае, энергия от систем электроснабжения промышленной частоты или автономных первичных источников питания преобразуется в необходимые для работы радиоэлектронной аппаратуры питающие напряжения с требуемыми параметрами. Несмотря на относительную простоту принципиальной реализации источников вторичного питания, разработка устройств с высокими энергетической эффективностью, удельными весогабаритными показателями, надежностью и воспроизводимостью является сложной задачей.

Простейшие источники питания малой мощности (до 15-40 Вт), которые иногда называют выпрямителями, содержат трансформатор (низкой частоты 50 Гц), собственно выпрямитель и сглаживающий фильтр. В таких источниках питания выходное выпрямленное или переменное напряжения изменяются при изменении входного напряжения питания или тока нагрузки и потому они используются в устройствах, некритичных по отношению к напряжению питания, что встречается реже.

Более сложные источники вторичного электропитания включают в большинстве практических случаев типичные устройства, которые перечислены ниже.

Одним из обязательных элементов источников питания является трансформатор – статическое устройство, предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции напряжений переменного тока с одними параметрами в напряжения с другими параметрами. С помощью силового трансформатора источника вторичного электропитания осуществляется гальваническая развязка высоковольтных, опасных для жизни цепей напряжения электросети и вторичных цепей устройств потребителей. Низкочастотные (50 Гц) трансформаторы малой мощности (до 1000 Вт) промышленного изготовления обладают высокой надежностью и энергетической эффективностью.

Выпрямительное устройство источника питания предназначено для преобразования электрической энергии переменного тока в энергию постоянного тока. В источниках вторичного электропитания находят применение нерегулируемые и реже регулируемые выпрямители, выполняемые на полупроводниковых приборах: диодах, тиристорах или транзисторах. В регулируемых выпрямителях одновременно с функцией выпрямления выполняется регулирование выходного напряжения.

Источники питания включают, как правило, несколько фильтров, с помощью которых осуществляется подавление паразитных гармоник напряжения и тока или сглаживание выпрямленного напряжения. Пассивные фильтры (включающие емкости, индуктивности и резисторы) являются линейными устройствами, поскольку строятся на основе только линейных элементов. Для фильтрации низкочастотных пульсаций и получения весьма значительного подавления помех используют активные фильтры.

Большинство источников вторичного электропитания содержат в своем составе стабилизаторы напряжения и тока, как простейшие параметрические, так и более сложные – компенсационные. Стабилизаторы предназначены для автоматического поддержания напряжения (тока) на выходе с заданной степенью точности.

Источники вторичного электропитания содержат устройства управления и вспомогательные цепи, которые не участвуют в непосредственном преобразовании и передаче энергии от первичного источника в нагрузку. В современных источниках широко используются устройства обеспечения перехода от одних режимов работы источников питания к другим, которые в основных режимах не участвуют в передаче энергии. К таким устройствам относятся, например пускорегулирующие устройства.

В данной курсовой работе предлагается произвести расчет источника вторичного электропитания по исходным данным.

 

Расчет трансформатора

Основной задачей расчета трансформатора является определение оптимальных массогабаритных и энергетических характеристик при выполнении заданных требований к его параметрам. Критериями расчета являются: температура нагрева обмоток, падение напряжения на обмотках, коэффициент полезного действия трансформатора и ток холостого хода.

 

Исходными данными при расчете трансформатора являются:

- напряжение питающей электросети ;

- напряжение вторичных обмоток и ;

- токи вторичных обмоток, работающих в течение двух полупериодов или одного полупериода ;

- частота тока питающей сети .

 

Расчет мощности вторичных обмоток трансформатора

В соответствии с назначением трансформатора нужно составить его электрическую схему. В схеме трансформатора необходимо разделить обмотки на обычные и имеющие вывод средней точки, т.е. работающие в течение одного полупериода.

Рис. 2.1 – Электрическая схема силового трансформатора

малой мощности

 

На основании схемы однофазного трансформатора и значений выходных напряжений и токов определяется максимальное значение габаритной мощности вторичных обмоток:

здесь: , - действующие значения напряжений (В) и токов (А) в отдельных вторичных обмотках; k=1, 2, …, К; , - действующие значения напряжений и токов в обмотках (вторичных) с выводом средней точки, l=1, 2, …, L.

Определение расчетной мощности трансформатора

В общем случае мощность вторичных обмоток может отличаться от мощности первичных. Поэтому в качестве расчетной мощности трансформатора принимается полусумма электромагнитных мощностей первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Для определения расчетной мощности трансформатора необходимо знать или найти приближенное значение коэффициента полезного действия η (рис. 2.2, а). Ориентировочное значение коэффициента полезного действия, которое возрастает с увеличением мощности трансформатора, можно приближенно найти из следующего соотношения:

Здесь: - частота питающей сети, <5000 Гц; Р21, Р22, …, Р2m – мощность вторичных обмоток трансформатора, ВА.

В трансформаторе двухобмоточного типа с отдельной первичной и раздельными вторичными обмотками при работе на чисто активную нагрузку расчетная мощность равна:

Расчетную мощность трансформатора для схем аналогичным схеме на рис. 2.1а (обмотки w3.1 и w3.2 работают в течение одного полупериода) можно найти из соотношения:

Выбор конструкции трансформатора

Наиболее распространенные типы конструкций трансформатора приведены в таблице 2.1 (броневая, стержневая или тороидальная конфигурации). В таблицах указаны марки материала магнитопровода и толщина ленты, которые в значительной мере определяют свойства трансформатора. Основными факторами, определяющими конструкцию, являются назначение трансформатора и требования к нему, частота электросети или частота преобразования, а также расчетная мощность трансформатора. Конструктивное исполнение трансформатора малой мощности может быть открытым, защищенным или закрытым.

Для низкочастотных трансформаторов наиболее приемлемы металлические магнитные материалы, которые обладают наивысшими значениями магнитной индукции насыщения, магнитной проницаемостью и температурной стабильностью. Такие материалы имеют низкое удельное сопротивление, что приводит к резкому возрастанию вихревых токов и снижению параметров при повышении частот. Магнитопроводы (сердечники) низкочастотных трансформаторов изготавливаются из изолированных пластин или навиваются из ленты.

При напряжениях, не превышающих 1кВ, и частоте сети 50 Гц для трансформаторов малой мощности (30 ВА) следует отдать предпочтение броневым трансформаторам. Лишь незначительно уступая стержневым трансформаторам по объему и массе, броневые трансформаторы, имеющие одну катушку, значительно технологичнее в изготовлении и проще по конструкции. При мощностях от нескольких десятков до нескольких сотен вольт-ампер при частоте 50 Гц наиболее предпочтительными являются стержневые трансформаторы.

 

Таблица 2.1 - Основные типы конструкций ленточных сердечников

 

Конструкция сердечника Маркировка Конструктивные характеристики сердечников
Стержневая конструкция (СТ) ПЛ П-образные ленточные
ПЛМ П-образные ленточные с уменьшенным отношением ширины окна к толщине навивки
ПЛР П-образные ленточные с геометрическими размерами, обеспечивающими наименьшую стоимость трансформаторов
Броневая конструкция (БТ) ШЛ Ш-образные ленточные
ШЛМ Ш-образные ленточные с уменьшенным отношением ширины окна к толщине навивки
Кольцевая конструкция (ОЛ) ОЛ Кольцевые ленточные

 

Таблица 2.2 Электромагнитные свойства электротехнических сталей

 

Толщина ленты , мм Марка стали Магнитные удельные потери , Вт/кг, не более Магнитная индукция , Тл, не менее, при напряженности
0,5   2,45 - - - 1,75
  2,10 - - - 1,80
  1,75 - - - 1,85
  1,50 - - - 1,88
0,35   1,75 - - - 1,75
  1,50 - - - 1,80
  1,30 1,90 - 1,58 1,85
  1,10 1,60 - 1,60 1,88
  1,03 1,50 - 1,61 1,90
  - 1,60 - 1,60 -
  - 1,50 - 1,61 -
  - 1,43 - 1,62 -
  - 1,36 - 1,68 -
  - 1,30 - 1,71 -
0,27   1,03 - - 1,60 1,85
  - 1,36 - 1,61 -
  - 1,27 - 1,62 -
  - 1,20 - 1,68 -
  - 1,14 - 1,71 -
0,20   1,50 2,20 0,85 - 1,70
0,15   - - - - -
  - - - - -
  - - - - -

 

Таблица 2.3 - Зависимость коэффициента kс заполнения сечения магнитопровода сталью от толщины ленты

 

Толщина ленты , мм 0,5 0,35 0,15 0,1-0,08 0,05 0,02
Коэффициент заполнения сталью kс 0,96 0,93 0,9 0,85 0,75-0,8 0,65-0,7

 

Рис.2.2 – а) зависимость коэффициента полезного действия трансформатора от выходной мощности: 1 – для броневых и стержневых трансформаторов с магнитопроводом из стали 3411, 3412 толщиной ленты δ=0,35 мм, частотой напряжения f=50 Гц; б) зависимость плотности тока j=f(Pрас) в обмотках от выходной мощности трансформатора: 1 - для броневых и стержневых трансформаторов с магнитопроводом из стали 3411, 3412 толщиной ленты δ=0,35 мм, частотой напряжения f=50 Гц

Рис. 2.3. а) зависимость коэффициента заполнения окна ко= f(Pрас) от выходной мощности трансформатора: 1 – для трансформаторов с броневым и стержневым сердечником с напряжением до 100 В, 50 Гц; 2 – для тех же трансформаторов с напряжением до 300 В, 50 Гц; б) зависимость магнитной индукции В= f(Pрас) в магнитопроводе от выходной мощности трансформатора при перегреве сердечника ∆Тпер=50°С: 1 – для броневых и стержневых трансформаторов с магнитопроводом из стали 3412,

частотой напряжения 50 Гц.

Определение расчетного габаритного параметра трансформатора

Для выбранной конструкции трансформатора (и материала сердечника) необходимо выбрать справочные параметры, которые указываются производителем (приложение 1).

Типоразмер магнитопровода (размеры сердечника) определяется мощностью трансформатора и находится с помощью формулы:

здесь: , - сечение соответственно сердечника и окна магнитопровода, см4; Ррас – расчетная мощность трансформатора, ВА; - максимальное значение индукции в сердечнике, Тл; j – плотность тока в проводах обмоток, А/мм2; - коэффициент заполнения сталью сердечника; - коэффициент заполнения окна проводом обмоток; - коэффициент формы, который для синусоидального напряжения равен 1,1.

Максимальное значение индукции в сердечнике рекомендуется выбирать в соответствии с кривыми, изображенными на рис. 2.3б, либо на основе данных, рекомендуемых производителем сердечника, который планируется использовать.

Рис. 2.4. Зависимость относительного падения напряжения U∆=∆U/U= f(Pрас), В на выходе, соответствующее изменению тока от нуля до номинального для трансформаторов: 1 – стержневых ленточных из стали 3412, δ=0,35 мм, f =50 Гц.

Выбор типоразмера магнитопровода

На основе полученного значения выбираем типоразмер магнитопровода и уточняем (выписываем) его конструктивные данные: , , , среднюю длину магнитной силовой линии , массу , площадь окна магнитопровода , удельные потери (приложение 1).

 

Расчет количества витков трансформатора

Электрический расчет параметров трансформатора производится на основе параметров выбранного сердечника. Основным соотношением для определения числа витков в обмотках трансформатора можно использовать формулу для расчета числа витков на один Вольт:

Здесь значение не должно превышать значение, установленное для расчетов с помощью графика рис. 2.3б. Более точно число витков первичной (w11) и вторичных (w2k, w3l) обмоток (полуобмоток) определяется с учетом относительного падения напряжения UΔ=ΔU/U на обмотках:

Здесь U11, U2k, U3l – напряжение соответственно первичной и вторичных обмоток, В; – относительное падение напряжения (ориентировочное значение) в обмотках, В; SC – сечение магнитопровода, см2; f – частота, Гц; - максимальное значение индукции в сердечнике, Тл; kС – коэффициент заполнения сталью сердечника; kO – коэффициент заполнения окна проводом обмоток; kФ – коэффициент формы.

 

Таблица 2.4 – Рекомендуемые расчетные значения коэффициента полезного действия ηном, % и относительного падения напряжения на обмотках UΔ, % на обмотках низкочастотных трансформаторов малой мощности

Р2ном, ВА                              
ηном, %                   92,5         96,5
UΔ, %               4,5   3,5   2,8 2,5 2,3 2,2

 

Оценка потерь энергии в магнитопроводе

Определяем потери РС в магнитопроводе:

, Вт,

где - масса магнитопровода в кг; - удельные потери в магнитопроводе (массой 1 кг), Вт/кг.

Приближенное значение удельных потерь в магнитопроводе можно найти с помощью графиков на рис. 2.5 (либо воспользоваться данными табл. 2.2)

Рис. 2.5. Зависимость удельной мощности Руд потерь в сердечниках от максимальной индукции Вm: 1 – из стали 3413, δ=0,35 мм, f =50 Гц; 2 – из стали 3412, δ=0,35 мм, f =50 Гц; 3 - из стали 3412, δ=0,5 мм, f =50 Гц.

 

Расчет действующего значения тока холостого хода первичной обмотки трансформатора

Определяем значение тока холостого хода трансформатора, для этого находим его активную составляющую:

где РС потери в стали, Вт; U11 напряжение первичной обмотки трансформатора (действующее значение), В; – относительное падение напряжения, %.

Реактивная составляющая тока холостого хода трансформатора может быть подсчитана по формуле:

где Hm – эффективное значение напряженности магнитного поля, А/м, соответствующее максимальному значению индукции Bm в сердечнике (выбирается приближенно по рис. 2.6 или кривой намагничивания выбранного материала); lС – средняя длина магнитной силовой линии, см; nз – число зазоров (для броневого и стержневого трансформатора nз =2, для тороидального nз =0); lз – длина немагнитного зазора, обусловленного неидеальностью сопряжения поверхностей половинок разъемного магнитопровода, приблизительно lз=0,002 см; w11 – число витков первичной обмотки.

Действующее значение тока холостого хода первичной обмотки равно:

 

Рис. 2.6. Зависимость индукции в сердечнике от напряженности поля:

1 - для стали 3412; 2 – для стали 3423.

Расчет действующих значений токов обмоток трансформатора и выбор марки проводов

Действующее значение тока первичной обмотки (полуобмотки) трансформатора находится как сумма составляющих, в том числе тока холостого хода:

где: р=2 для первичной обмотки с выводом нулевой точки, р=1 – без вывода первичной обмотки трансформатора; l=1,2,…L – количество вторичных обмоток с выводом средней точки; k=1,2,…K – количество вторичных обмоток без выводов; w2k, w3l, w11 число витков обмоток.

Для определения поперечного сечения проводов необходимо задаться плотностью тока в соответствии с рекомендациями, приведенными на рис. 2.2 б для максимального перегрева ΔТпер=50°С. Заметим, что плотность тока в обмотках в значительной мере влияет на температуру нагрева трансформатора и должна быть одинаковой, либо выбрана с учетом укладки и охлаждения той или иной обмотки. Площадь поперечного сечения q проводов равна:

где j – плотность тока, А/мм2.

Наибольшее применение находят медные провода круглого и прямоугольного сечения с эмалевой изоляцией, имеющие малую толщину изоляции и высокую электрическую прочность. Выбор марки провода осуществляется прежде всего исходя из допустимой рабочей температуры провода (Траб), амплитудного значения рабочего напряжения обмоток и силы тока в обмотках.

При напряжении обмоток до 500 В и токах до нескольких ампер рекомендуется применять провода марки ПЭВ-1 (Траб=105°С), ПЭТВ (130°С), ПСД (155°С) и ПСДК (180°С). При больших токах (более 5 А) следует применять провода прямоугольного сечения (например, марок ПЭВП, ПБД при Траб=105°С или ПСД, ПСДК при 155°С). При более высоких рабочих напряжениях рекомендуется применять провода марок ПЭВ-2 и ПЭВТЛ-2.

Рассчитав поперечное сечение проводов qi всех обмоток (полуобмоток) и выбрав марку провода (по значению поперечного сечения) находим справочные данные: диаметр проводов с изоляцией di и без нее , а также массу gi одного метра провода (приложение 2). Затем вычисляем действительную плотность тока j в каждой обмотке и ее среднее значение jср для трансформатора:

 

Расчет конструкции трансформатора

Конструктивный расчет трансформатора включает расчет размещения обмоток (с учетом изоляционных прокладок) в конструкции, массу трансформатора и потери энергии.

Геометрические размеры и электрические параметры каждой из обмоток определяется не только числом витков, диаметром проводников и рабочим напряжением обмотки, но и местом расположения ее в окне магнитопровода. Поэтому конструктивный расчет трансформатора должен начинаться с согласования плана размещения обмоток в окне магнитопровода с указанием числа витков и диаметра провода с изоляцией для каждой из обмоток.

Рис. 2.7. Конструкция обмотки броневого трансформатора

с ленточным магнитопроводом

Обмотки броневых и стержневых трансформаторов выполняются в виде катушек каркасной или бескаркасной намотки. В обоих случаях используется, как правило, рядовая многослойная намотка обмоток по всей высоте окна магнитопровода. Каркас отличается от гильзы наличием боковых щек, имеющих обычно толщину, равную толщине гильзы: δГЩ. Толщина гильзы (каркаса) обычно составляет 1…3 мм. Зазор между гильзой и магнитопроводом δЗ должен быть в пределах 0,5…1 мм.

Высота hоб11 одного слоя обмотки равна:

где - зазор между гильзой или между каркасом катушки обмотки и сердечником, мм; δГЩ – толщина стенки каркаса катушки, мм; h – высота окна, мм.

Количество витков в слое обмотки определяется с учетом плотности намотки (с помощью коэффициента укладки kУ) и округлением до ближайшего меньшего числа:

где d11, d2i – диаметр провода с изоляцией соответственно первого слоя первичной обмотки и i-го слоя вторичной обмотки, мм; kУ, kУ2i – коэффициенты укладки обмоток.

 

Таблица 2.5 – Рекомендуемые расчетные значения коэффициента укладки провода в слое обмотки

Толщина провода d, мм 0,2 0,2-0,5 0,5-0,8 0,8-1  
Коэффициент укладки kУ 0,9 0,93 0,95 0,9 0,85

 

Число слоев в каждой обмотке равно:

где m1 – число катушек, в трансформаторе броневого типа m1=1, стержневого m1=2; р=1 для обмотки в два провода с выводом средней точки или без вывода, р=1 в противном случае.

Выбрав изоляцию обмоток в зависимости от их рабочего напряжения и диаметр проводов, производится расчет размеров обмоток. Толщина (сечение) первичной обмотки и вторичных обмоток с коэффициентом неплотности намотки, равным 1,2:

В результате общий радиальный размер всех обмоток катушки будет составлять величину:

где - толщина прокладки между обмотками катушки, мм; р=1 для обмотки в два провода с выводом средней точки или без вывода, р=1 в противном случае.

Средняя длина обмотки трансформатора кроме прочего определяется ее положением на катушке, т.е. величиной условного радиуса rср закругления витка, который находится как:

- для первичной обмотки;

- для i-ой вторичной обмотки.

Отсюда средняя длина витка обмотки трансформатора может быть найдена с помощью соотношения:

где а и b – размеры стержня магнитопровода в мм; rср – условный радиус закругления витка, мм.

Активное сопротивление i-ой обмотки при максимальной температуре окружающей среды равно:

где kt= 1+0,004(TC+ΔT-20) – температурный коэффициент удельного сопротивления материала проводников; ТС – максимальная температура окружающей среды, °С; ΔТ=50 °С – максимальная температура перегрева обмоток, °С; kf коэффициент увеличения сопротивления провода в зависимости от частоты преобразования напряжения, на частотах меньших 10 кГц, kf=1.

Потери в меди первичной, i-ой вторичной обмотки можно определить с помощью выражений:

 

Суммарные потери в меди будут равны:

Коэффициент полезного действия трансформатора:

где - суммарная активная мощность в нагрузке, Вт.

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-10-25 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: