- мощность в импульсе P2= 13000 (Вт);
- напряжение в импульсе U1 = 600, U2 = 1800 (В);
- сопротивление источника Ru = 30 (Ом);
- длительность импульса τu= 1.8·10-6 (c);
- частота следования импульсов fn=650 (Гц);
- коэффициент искажения плоской части импульса λ=0.04.
2.1 Определение средней мощности и токов трансформатора
Среднюю отдаваемую мощность импульсного трансформатора можно определить следующим образом:
Pср = fn τu P2 = 650·1.8·10-6·13000= 15.21(Вт) (2.1)
Определяем токи первичной и вторичной обмоток в импульсе:
13000/600=22 (А) (2.2)
13000/1800 = 7.22 (А) (2.3)
Эффективные, или действующие, значения токов первичной и вторичной обмоток импульсного трансформатора определяются из условия, что потери в этих обмотках при прохождении через них коротких прямоугольных импульсов тока обуславливается не только омическими сопротивлениями обмоток, но также влиянием поверхностного эффекта в проводах и влиянием токов наводки в них. С учетом этих явлений действующие значения первичного и вторичного импульсного трансформатора можно представить как:
= 22∙ 1,43 (А), (2.4)
7,22 = 0.43 (А), (2.5)
где kн =2.4…2.8 – коэффициент, учитывающий ток наводки в проводах обмоток при прямоугольном импульсе токов; kп1 и kп2 – коэффициенты поверхностного эффекта в неизолированных медных проводах круглого сечения, которые предварительно можно принять в следующих пределах: для обмотки низкого напряжения kп1 = 1.2…1.6, а высокого напряжения kп2 = 1.1…1.4.
2.2 Тип импульсного трансформатора
Выбираем сердечник стержневого типа с обмотками, расположенными на одном стержне. Материал сердечника – горячекатаная листовая электротехническая сталь по ГОСТу 802-58 марки Э44. В качестве изоляции между листами сердечника трансформатора служат окислы кремния или магния и оксидная изоляция.
2.3 Выбор приращения и толщины листов материала сердечника
Выбираем априорно величину ΔВс = 0.2 (Тл), в зависимости от мощности и с учетом магнитных характеристик материала сердечника (ΔН=2,1 (А/см)) определяем магнитную проницаемость материала, по формуле (2.6).
= 0.2 / 2.1 = 0.095 (2.6)
Определяем постоянную времени контуров вихревых токов в сердечнике из условия
= 1.8·10-6 / 2 = 0.9 (мкс) (2.7)
(2.8)
где ρс= 0.6·10-4 – удельное электрическое сопротивление материала сердечника для горячекатаной стали марки Э44 (Ом·см2/см).
Определяем толщину листа сердечника:
= = 0.18(см) (2.9)
2.4 Определение поперечного сечения стержня и средней длины магнитопровода сердечника трансформатора
Отношение поперечного сечения стержня Sc к длине магнитопровода l в трансформаторах стержневого типа находится в пределах (0.18…0.32). Выбираем Ψ=0.25. Определяем поперечное сечение стержня сердечника:
=== 2.3(см2) (2.10)
Средняя длина магнитопровода определяется по формуле:
= 2.3 /0.25 = 9.2 (см) (2.11)
Поперечное сечение стержня и ярма импульсного трансформатора выполняются одинаковыми и прямоугольной формы, при этом соотношение β= bc/ac находится в диапазоне 1…2. Коэффициент заполнения сталью стержня выбирается в пределах kз=0.8…0.9. Выберем для данного случая kз=0.85 и β = 2. Определим размер поперечного сечения стержня:
= = 1,2(см) (2.12)
Определяем размер поперечного сечения ярма:
= = 1.55 (см) (2.13)
2.5 Определение числа витков обмоток трансформатора
Определяем число витков первичной обмотки:
=600·10-2·1.8 / 0.2·2.3 = 23 (2.14)
где τи – заданная длительность импульса, мкс.
Определяем число витков вторичной обмотки:
= 23= 69 (2.15)
2.6 Определение сечения и диаметра проводов обмоток
При мощности в импульсе более киловатта поперечное сечение проводов обмоток выбирается по допустимой плотности тока. В малых импульсных трансформаторах наибольшая плотность тока по условиям допустимого нагрева может быть принята в пределах (2…3) А/мм2 при воздушном охлаждении. Принимаем для данного случая j1=2(А/мм2), j2=3(А/мм2).
Находим предварительные значения поперечных сечений проводов первичной и вторичной обмоток
= 1,43 / 2 = 0.715 (мм2). (2.16)
= 0.43 / 2 = 0.215 (мм2). (2.17)
Следовательно, диаметры проводов обмоток соответственно равны d1=0.95 и d2=0.52. Находим окончательные значения поперечных сечений и диаметров проводов по ближайшим данным ГОСТа 6324-52
dи1= 1.020 (мм) – диаметр провода первичной обмотки в изоляции;
dи2=0.580 (мм) – диаметр провода вторичной обмотки в изоляции;
g1= 0.724 (мм2), g2= 0,22 (мм2) – поперечные сечения проводов первичной и вторичной обмоток.
2.7 Укладка обмоток и уточнение размеров окна сердечника
Для получения возможно меньшей индуктивности рассеяния и уменьшения распределенной емкости между обмотками импульсного трансформатора эти обмотки следует выполнять по возможности однослойными и малослойными. При размещении обмоток на одном стержне, занимаемая, ею по высоте длина составляет:
= 23· 0.1020= 2.346 (см) (2.18)
Расстояние от ярма определяется высшим напряжением обмоток и в данном случае равняется ε1=0.3 (см).
Определяем высоту окна сердечника трансформатора:
= 2,346 + 2·0.2= 2.946 (см) (2.19)
Находим толщину первичной обмотки:
δ1= d1и = 0.1020 (см) (2.20)
Число витков вторичной обмотки в одном слое:
= 2.346 / 0.58 = 40 (2.21)
Определяем число слоев вторичной обмотки при размещении ее на одном стержне
= 69 / 40= 1.725 (2.22)
Определяем толщину вторичной обмотки:
= 1.725·0.58 = 0.1 (см) (2.23)
Определяем сопротивление нагрузки:
= U2 / I2 = 1800 / 7.22 =249 (Ом) (2.24)
Найдем активное сопротивление нагрузки, приведенное к первичной обмотке
= 2492= 22.4 (Ом) (2.25)
Рассчитываем толщину изоляции между обмотками
= = 0.01(см) (2.26)
где ls= l1 – общая длина обмоток по высоте стержня сердечника;
ε = 4 – диэлектрическая проницаемость изоляции.
В качестве изоляции между обмотками возьмем лакоткань ЛШС толщиной δ12 ГОСТ 2214-66.
Определяем ширину окна сердечника трансформатора при размещении обмоток на одном стержне:
= 0.3 + 0.102+ 0.01 + 0.1+ 0.2 = 0.712 (см) (2.27)
где ε0 = 0.3 (см) – толщина изоляции между обмоткой и стержнем;
ε2 = 0.2 (см) – расстояние обмотки до необмотанного стержня.
Отношение высоты окна сердечника к его ширине обычно находится в пределах k = H/C=2…3.
Найдем отношение высоты окна сердечника к его ширине:
= 2.946 / 0.712 = 3 (2.28)
Определяем длину ярма:
= 0.712 + 2·1.2 = 3.1 (см) (2.29)
Находим общую длину магнитопровода сердечника:
=2·(2.946 + 3.1) = 12 (см) (2.30)
Находим окончательное значение отношения поперечного сечения стержня Sc к длине магнитопровода L:
= 2. 3 /12 = 0.19 (2.31)
Ψ = 0.19 – в указанных пределах, следовательно, расчет выполнен правильно.
2.8 Средние длины витков обмоток трансформатора
В импульсных трансформаторах поперечное сечение стержня выполняется прямоугольной формы. Поэтому при однослойных или двухслойных цилиндрических обмотках средние длины витков можно представить в виде:
– для первичной обмотки:
=2·(1.2 + 1.55 + 4·0.3 + 2·0. 1)=8.3 (см) (2.32)
– для вторичной обмотки:
= 2·[1.2 + 1.55 + 4·(0.3 + 0.1 + 0.01) + 2·0.1] = 9.18 (см). (2.33)
– для обеих обмоток:
=( 8.3 + 9.18)/2 = 8.74 (см) (2.34)
2.9 Масса меди и активные сопротивления обмоток
Находим массу меди для первичной обмотки:
Gк1=8.9·W1·g1·lw1·10-5 = 8.9·23·0.724·8.3·10-5 = 0.012 (кг) (2.35)
Находим массу меди для вторичной обмотки:
Gк2=8.9·W2·g2·lw2·10-5 = 8.9·69·0.22·9.18·10-5 = 0.013 (кг) (2.36)
Находим общую массу меди обмоток:
= 0.012 + 0.013 = 0.025 (кг) (2.37)
Определим активное сопротивление первичной обмотки трансформатора:
=1.22·23·8.3 / 5700·0.724 = 0.05 (Ом) (2.38)
Определим активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора:
=1.22·69·9.18 / 5700·0.22 = 0.62 (Ом). (2.39)
2.10 Потери в обмотках
В обмотках импульсных трансформаторов проходят короткие прямоугольные импульсы тока, и поэтому потери в них обуславливаются не только омическим сопротивлением, но также явлением поверхностного эффекта в проводах и влиянием тока наводки в них при прохождении по обмоткам тока импульса.
Определяем средние потери мощности в обмотках
= 1.432·0.05 = 0.1 (Вт) (2.40)
= 0.432·0.62 = 0.12 (Вт) (2.41)
= 0.1 + 0.12 = 0.22 (Вт) (2.42)
2.11 Масса материала сердечника
Находим массу сердечника трансформатора стержневого типа
= 7.6·2. 3·12·10-3 = 0.2 (кг). (2.43)
2.12 Магнитные потери в сердечнике
Средние потери на вихревые токи в материале сердечника импульсного трансформатора:
= 650·1.8·10-6·0.0182·12·6002/12·232·2. 3·0.6·10-4= 0.3 (Вт). (2.44)
где δс – толщина листа сердечника, см;
ρс – удельное электрическое сопротивление материала сердечника, Ом·см2/см;
Sc – поперечное сечения стержня сердечника, см2;
l – общая длина магнитопровода сердечника, см.
Находим среднюю мощность намагничивания материала сердечника импульсного трансформатора:
= 232·0.095·2. 3·10-4 / 12= 0.9·10-3 (Гн), (2.45)
где L1 – общая индуктивность первичной обмотки трансформатора.
= 650·6002·(1.8·10-6)2/0.9·10-3·2 = 0.04 (Вт). (2.46)
2.13 Коэффициент полезного действия трансформатора
При передаче импульсов энергия, затрачиваемая за это время на намагничивание сердечника является энергией потерь, поэтому КПД импульсного трансформатора определяется как
= 15.21·100 / 15.21 + 0.3 + 0.04 + 0.22 = 86, (2.47)
где Pср – средняя отдаваемая мощность, Вт;
Pк – суммарные средние потери в обмотках, Вт;
Рвх – средние потери на вихревые токи, Вт;
Рм – средние потери на намагничивание, Вт.
2.14 Намагничивающий ток трансформатора
Намагничивающий ток состоит из двух составляющих – действительного намагничивающего тока и составляющей, компенсирующей влияние размагничивающего действия вихревых токов в сердечнике трансформатора. Сумма этих составляющих называется током кажущегося намагничивания. Определим намагничивающий ток
= 1.8·10-6·12·10-2·600/ 0.095·232·2. 3 = 0.8 (А) (2.48)
где l – общая длина магнитопровода сердечника, см;
μΔ – магнитная проницаемость материала;
Sс – поперечное сечение стержня сердечника, см2.
2.15 Коэффициент плоской части импульса
Проверяем коэффициент плоской части импульса
= 0.88 / 22 = 0.04 (2.49)
Сравнивая его с исходным λ = 0.04 приходим к выводу, что расчет был произведен правильно.
2.16 Проверка трансформатора на нагревание
Так как потери в обмотках малых трансформаторов относительно малы по сравнению с магнитными потерями в сердечнике, то нагрев обмотки практически не представляет опасности и расчетную проверку их температуры можно не производить. Основные потери энергии в рассматриваемых трансформаторах сосредоточены в их сердечнике, что приводит к заметному нагреванию трансформатора.
Определяем площадь открытой торцевой поверхности сердечника:
=4·1.2·1.55+2·1.55·3.1+1.55·2.946=21.64 (см2) (2.50)
Определяем превышение температуры сердечника над температурой окружающей среды
== 12 град (2.51)
где α0=13·10-4 – коэффициент теплоотдачи открытой торцевой части поверхности сердечника, Вт / см2 град
Scep – площадь открытой торцевой части поверхности сердечника, см2;
2.17 Параметры трансформатора и проверка искажения импульса напряжения
Определяем активные сопротивления обмоток
= 0.62·(23 / 69)2 = 0.0558 (Ом). (2.52)
Определяем эквивалентное активное сопротивление контуров вихревых токов в материале сердечника трансформатора, приведенное к числу витков первичной обмотки
=12·(23)2·2. 3·0.6·10-4 / 0.012·12 = 730(Ом) (2.53)
l – общая длина магнитопровода сердечника, см;
Sc – поперечное сечения стержня сердечника, см2.
Находим активные сопротивления упрощенной схемы замещения
= 30 + 0.05 = 30.05 (Ом) (2.54)
730·(249 + 0.0558) / (730 + 249 + 0.0558)=22.4 (Ом). (2.55)
Находим электродвижущую силу источника прямоугольных импульсов:
= 30.05/ 24.4 = 1.23 (2.56)
= 1800·23 / 69 = 540 (В) (2.57)
= 540·(1 + 1.23) = 1204 (В) (2.58)
Индуктивность рассеяния первичной и вторичной обмоток, приведенных к первичной обмотке:
=(0.4·3.14·(23)2·8.74 / 2.346)== 4.2·10-6 (Гн) (2.59)
где lw – средняя длина витка обеих обмоток, см;
ls – общая длина обмоток по высоте стержня сердечника, см;
δ1, δ2 – толщина обмоток, см;
δ12 – толщина изоляции между обмотками, см.
Находим распределенную емкость между обмотками при однослойном и двухслойном исполнении:
= 0.0855·4·8.74·2.346·10-12/ 0.007 = 10.018·10-10 (Ф). (2.60)
Находим волновое сопротивление обмоток трансформатора
= (4. 2·10-6 / 10.018·10-10)1/2 = 64 (Ом) (2.61)
3. ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ КОНСТРУКЦИИ
В целом выбор конструкции ИТ должен производиться с учетом всего комплекса требований, предъявляемых к ИТ, и рассматривается как наиболее ответственный этап проектирования, поскольку в наибольшей мере определяет технико-экономические показатели ИТ, его технологичность, эксплуатационные свойства.
Следует отметить, что пределов совершенствованию технических решений принципиально не существует, и поэтому при выборе конструкции ИТ только правильный подход может привести к лучшим результатам.
Итак, рассчитанный импульсный трансформатор стержневого типа, с обмотками прямоугольного типа, размещенными на одном стержне. Первичная обмотка ИТ – однослойная, а вторичная двухслойная.
Сердечник трансформатора выполнен из горячекатаной листовой электротехнической стали, толщина которой 0.018(см). В качестве изоляции между листами сердечника трансформатора служит порошкообразная окись кремния.
Поперечное сечение стержня трансформатора составляет 2.3Ы (см2), высота окна сердечника - 2.946 (см), длина ярма – 3.1 (см). Масса сердечника данного импульсного трансформатора равна 0.2 (кг).
Обмотки трансформатора выполнены из меди. Первичная обмотка состоит из 23 витков, а вторичная из 69 витков. Диаметр провода с изоляцией первичной обмотки 1.020(мм), а вторичной 0.58 (мм). Толщина первичной обмотки 0.724 (см), а вторичной 0.22 (см), их массы 0.012 (кг) и 0.013(кг) соответственно. Общая масса меди 0.025 (кг). В качестве изоляции между обмотками служит лакоткань ЛШС, толщина которой 7·10-3 (см). Обмотки наматываются на каркас, выполненный из электрокартона ЭВ.
Охлаждение импульсного трансформатора – воздушное.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе был проведен расчет импульсного трансформатора. Импульсный трансформатор – это специальный тип трансформатора, который служит для трансформации кратковременных периодически повторяющихся импульсов напряжения приблизительно прямоугольной формы порядка нескольких микросекунд и менее. С помощью импульсных трансформаторов осуществляется повышение амплитуды импульса напряжения, изменение полярности импульса.
Импульсные трансформаторы применяют во множестве современных устройствах радиоэлектроники, летательных аппаратах, автоматике, установках связи, а также в других областях техники.
При расчете маломощных ИТ большей частью приходится исходить из требований обеспечения электрической прочности и нормального размещения обмоток.
Конструктивный расчет ИТ состоит в выборе главных размеров МС и обмоток. Исходными данными для конструктивного расчета, являются значения параметров схемы замещения — индуктивности рассеяния, динамической емкости и индуктивности намагничивания ИТ, полученные в результате электромагнитного расчета по изложенной выше методике.
По проведенному расчету импульсного трансформатора можно сделать вывод о том, что он относится к классу ИТ напряжения до 20кВ. Коэффициент полезного действия ИТ составляет 86 %. Данный ИТ обладает маленькой индуктивностью рассеяния Ls = 4.210-6 (Гн) и распределенной емкостью Cр = 10.01810-10 (Ф), которые являются паразитными параметрами.
У данного ИТ коэффициент искажения плоской части импульса =0.04. Рассчитанный ИТ является малогабаритным.
Недостатком данного ИТ является то, что он нагревается. Этот недостаток можно устранить путем применения масленого охлаждения, но это значительно увеличит сложность и стоимость конструкции.
Этот трансформатор можно отнести к малым импульсным трансформаторам. Благодаря своим небольшим размером данный трансформатор может найти широкое применение.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. “Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы” Харьков,1988.
2.Вдовин С.С. “Проектирование импульсных трансформаторов” Л.,1991.
Страницы: 1, 2, 3
