Расчет трансформатора и выпрямителя

Введение

Одним из важнейших направлений  развития научно-технического прогресса  сегодня является развитие электроники. Достижения электроники влияют на развитие общества.

Современная электроника  характеризуется сложностью и многообразием  решаемых задач, высоким быстродействием и надёжностью.

Электронные устройства применяются  во многих отраслях промышленности, транспорта, связи, а также в быту. Наиболее часто применяемыми электронными устройствами являются такие, как автоматическое технологическое оборудование, радио- и TV аппаратура, персональный компьютер, микропрцессоры, усилители сигналов, счётчики, интегральные микросхемы и т.д.

Для питания большинства  радиотехнических и электронных  устройств требуется выпрямленное напряжение с заданными параметрами. Для того, чтобы получить необходимое напряжение на нагрузке, его сначала надо преобразовать с помощью трансформатора. Далее преобразованное напряжение необходимо выпрямить при помощи выпрямителя собранного на вентилях. Для выпрямителей, предназначенных для питания различных радиотехнических и электронных устройств, допустимый коэффициент пульсации напряжения на нагрузке не должен превышать определённую величину. Наличие пульсаций выпрямленного напряжения ухудшает работу потребителей, питаемых выпрямленным напряжением, поэтому в большинстве случаев выпрямители содержат сглаживающие фильтры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Описание схем.

Блок схема

 

Принцип действия трансформатора.

 

Трансформатор – устройство,  предназначенное  для  изменения  величины переменного напряжения,  -  является  практически  обязательным  структурным элементом  источника  вторичного  электропитания.  При  наличии   первичного источника, вырабатывающего переменное напряжение,  трансформатор  достаточно часто включается в источник вторичного электропитания  в  качестве  входного элемента.  В  этом  случае   трансформатор   называется   силовым,   и   его функциональное  назначение  заключается  в  преобразовании  входной  системы переменного напряжения (однофазной или  трехфазной)  в  одну  или  несколько других   систем   переменных   напряжений,    используемых    для    питания соответствующих потребителей постоянного  и  переменного  тока.  В  системах питания  электронной  аппаратуры  применяют  силовые  трансформаторы   малой мощности ( не более 4 кВ-А для однофазных и 5  кВ-А для трехфазных  систем переменного тока).  Они в большинстве   случаев   работают   при   низких напряжениях на  обмотках   (до   1кВ),   синусоидальной   или   близкой   к синусоидальной форме преобразуемого  напряжения  и частоте,  равной  50  Гц (частота промышленной сети).

      Электронная   аппаратура,  как  правило,  требует  наличия  постоянного

напряжения питания одного  или  нескольких  уровней.  Поэтому  в  источниках вторичного электропитания силовой трансформатор работает совместно  с  одним или  несколькими  выпрямителями  –  устройствами,   преобразующими   системы переменных  напряжений  в  постоянные  по  полярности   и  пульсирующие   по величине (выпрямленные) напряжения.

 

Области применения трансформаторов.

 

Трансформаторы широко используются для следующих целей:

1. Для передачи и распределения электрической энергии.
2. Для обеспечения нужной схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжения на входе и выходе преобразователя.
3. Для различных технологических целей: сварки (сварочные трансформаторы), питание электротермических установок (электропечные трансформаторы) и др.
4. Для включение электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов, например реле, в электрические цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопасности.

    Трансформаторы, применяемые   для этой цели, называются измерительными. Они имеют сравнительно большую мощность, определяемую мощность, потребляемой электроизмерительными приборами, реле и др.

5. Для питания различных цепей радио- и телевизионной аппаратуры; устройств связи, автоматики и телемеханики, электробытовых приборов; для разделения электрических цепей различных элементов этих устройств; для согласования напряжений и т.п.

  Трансформаторы, используемые в этих устройствах, обычно имеют малую мощность (от нескольких вольт-ампер до нескольких киловольт-ампер), невысокое напряжение, работают при частоте 50 Гц и более. Их выполняют двух-, трех- и многообмоточными; условия работы, предъявляемые к ним требования и принципы проектирования весьма специфичны.    

      Как правило, трансформаторы  питания изготавливаются комбинированными, т.е. позволяющими снимать несколько  напряжений; при этом первичная  обмотка (сетевая) может быть  выполнена в виде одной обмотки  с двумя отводами или двух  одинаковых обмоток с одним  отводом в каждом из них.  Во втором варианте первичная  обмотка на различные напряжения (110, 127 или 220 В) переключается специальным  сетевым переключателем.

Повышающая обмотка трансформатора питания выполняется со средним  выводом при использовании двухполупериодного выпрямителя на двух диодах и без среднего вывода для мостовой схемы выпрямителя.

 

 

 

 Общее устройство и назначение трансформаторов для бытовой радиоэлектронной аппаратуры.

Общее устройство трансформатора видно  из представленного рисунка –  это магнитопровод, набранный из отдельных пластин; обмотки, выполненные проводом; каркас из изоляционного материала, на котором намотаны обмотки.

Магнитопровод

Обмотки трансформатора

Каркас обмоток

Трансформатор, входящий в состав выпрямителя и предназначенный  для питания лампового радиоприёмника, имеет следующие обмотки:

• первичную, включаемую в сеть;
• вторичную повышающую, дающую выпрямляемое напряжение;
• вторичную понижающую, дающую напряжение для накала кенотрона;
• вторичную понижающую, дающую напряжение для накала усилительных ламп радиоприёмника.

Иногда между первичной  и вторичной обмотками помещается ещё экранная обмотка, предназначенная для защиты приемника от проникновения в него из сети всевозможных помех. Один конец этой обмотки заземляется, а другой изолирован и никуда не включается.

Первичная обмотка  делается из нескольких секций, позволяющих включать трансформатор в сеть с различным напряжением.

Напряжение сети нередко  колеблется под влиянием изменения  нагрузки. Днем оно бывает нормальным, например 220 В, а вечером падает до 180-190 В, ночью и ранним утром повышается до 230-240 В. В таких случаях первичную обмотку иногда разбивают на ещё более мелкие секции (делают отводы, рассчитанные на напряжение 90, 100, 110, 120, 130, 180, 200, 220 и 240 В).  Такая секционированная первичная обмотка позволяет подключать к сети количество витков, соответствующее фактическому напряжению, и таким образом обеспечивает нормальные напряжения для работы приемника. 

Если от сети с колеблющимся напряжением питается радиоприемник  или какое-либо другое радиоустройство, трансформатор которого не имеет  подобных мелкосекционированных обмоток, приходится прибегать к помощи автотрансформатора. Последний специально изготовляется с большим числом отводов, переключая которые можно регулировать напряжение, подводимое к приемнику.

   Вторичная повышающая обмотка силового трансформатора при однополупериодном выпрямлении состоит из одной секции без всяких отводов, а при двухполупериодном выпрямлении она рассчитывается на вдвое большее напряжение и имеет отвод от средней точки.

На качество изготовления вторичной обмотки должно быть обращено особое внимание, так как в ней  получаются высокие напряжения. Для  получения хорошего сглаженного  тока при двухполупериодном выпрямлении обе половины повышающей обмотки должны быть совершено одинаковы. Поэтому их лучше наматывать не одну поверх другой, а располагать в соседних секциях каркаса.

Накальные обмотки трансформаторов наматываются из относительно толстого провода (1-2 мм).  Обмотка накала кенотрона в схеме выпрямителя соединена с плюсом высокого напряжения, поэтому она должна быть особенно тщательно изолирована от сердечника трансформатора, других его обмоток и экрана.

Все обмотки трансформатора для лучшего использования его  объема и для предохранения от пробоя изоляции проводов следует наматывать аккуратно, виток к витку. Слои обмоток  нужно отделить один от другого тонкой пропарафинированной бумагой, а между обмотками прокладывать слой изолировочной ленты, тонкого электрокартона или два-три слоя лакоткани (специально изоляционной ткани, пропитанной лаком).

Чтобы крайние витки сползали в щель между щечкой каркаса и  краем обмотки и верхние витки  не касались нижних, находящихся под  большим напряжением один относительно другого, прокладки следует делать на 6-8 мм шире длины каркаса, а края этой прокладки надрезаны и загнуты.

Каркас для намотки трансформатора обычно изготовляется из специального электрокартона или обычного плотного картона. Размеры каркаса определяются размерами стального сердечника трансформатора.

Сердечник  трансформатора для уменьшения в нем вихревых токов изготовляется из тонких листов (0,35-0,5 мм)  специальное трансформаторной стали. Каждая пластина трансформатора с одной стороны оклеивается тонкой папиросной бумагой или покрывается слоем изолирующего лака. Используемые в настоящее время трансформаторные пластины чаще всего имеют Ш-образную форму. Применяются также пластины Г-образной формы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ш - образная

 

Г- образная

 

 

После намотки трансформатора каркас должен быть возможно плотнее заполнен трансформаторной сталью. Набивать силовой трансформатор надо вперекрышку: на то место, где был стык пластин, следующие пластины класть сплошной частью. Все пластины кладутся изолированной поверхностью  в одну сторону.

Пластины трансформатора должны быть туго стянуты болтами, проходящими  через специальные отверстия. Если пластины не имеют отверстий, они  стягиваются при помощи стальных обжимок или деревянных брусочков.

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчетная часть.

Исходными параметрами расчета  являются:

а)напряжение питающей сети переменного тока U₁₌ 220 В; 
частота тока сети f_c=50 Гц;

б)напряжения  на  вторичных   обмотках   U₂=15 В;

В; токи вторичных обмоток  I₂=0,5 А;

в) максимальная    температура    окружающей    среды Токр тах=40 °С; максимально допустимая температура нагрева трансформатора Т_{Т max}=70 °С.

Порядок расчета трансформатора.

1. Определение габаритной (потребляемой нагрузкой) мощности Р_г, ВА:

в общем случае и для  однофазного мостового   выпрямителя                                   Р_r=U₂I₂+U₃I₃+...+ U_N I_N. 

Р_г = 15*0,5 = 7,5 Ватт.

выбираем сталь 1513, магнитопровод из пластин толщиной 0,5 мм, у которого k_с=0,93, а также находим параметры, соответствующие P_г =7,5 Ватт, а именно: B=1,1 Тл; I=4,8 А/мм²; k₀ = 0,22;   η = 0,85.

2. Ток I₁ в соответствии и с учетом, что cos φ₁ = 0,9,

              I₁ = 7,5/220 * 0,85*0,9  = 0,026А

3. Исходная расчетная  величина S_c S₀  
                 S_c S₀=7,5*10²/l,ll (1+1/0, 85)*50*1, 1*4, 8* 0 ,22*0, 93= 15 см².

По приложению 1 согласно полученному S_CS₀ выбираем броневой магнитопровод из пластин ШЛ16Х20, у которого S_CS₀=20,5>15 см¹, со следующими параметрами: a = 16 мм, с=16 мм, h=40 мм, b=20 мм, Sс=2,91см².

4. Число витков в обмотках    трансформаторов   

              W₁ = 220(1 - 0, 01)*10⁴/4, 44*50*1,1*2,91 = 2786 витков;

              W₂ = 15(1 + 0, 15)* 10⁴/4, 44*50* 1 ,1 *2,91 = 179 витков;

5. Сечение проводов обмоток

             q_пр1= 0,026/4,8 = 0,005 мм²;      q_пр2 = 0,5/4,8 = 0,1 мм²;

По найденным сечениям проводов из приложения 2 (для провода  марки ПЭВ-1) находим соответствующие  диаметры проводов обмоток с изоляцией. Таким образом, d₁ = 0,320 мм; d₂=0,440 мм;

6. Определяется возможность размещения обмоток в окне выбранного магнитопровода, для чего производятся расчеты

Обмотка W₁

число витков в одном слое обмотки

             W₁₁ =0,9 (50 -2*2)/0,320 = 101;

число слоев обмотки

              m₁=2786 /101 = 28.    

толщина всей обмотки δ₁ с учетом, что γ₁= 0,

            δ₁= 28*0,320 = 8,96 мм.

Обмотка W₂:

число витков в одном слое обмотки

                 W₁₂ = 0,9(50 — 2*2)/0,440 =73;

число слоев обмотки

             т₂ = 179/73= 2,4.    Примем m₂ =3;

толщина всей обмотки δ₂ с учетом, что γ₂=0,

               δ₂ = 3*0,440= 1,32 мм.

Необходимая ширина окна определяется в соответствии и с учетом, что k=1,25; ε₂=1,5; δ₁₂= δ₂₃ =0,75; ε₃=0,75; ε₄=3.

          С_необх = 1.25 (1,5 + 8,96+0,75 + 1,32 + 0,75) + 3= 15,6 мм.

Таким образом С_необх  не превышает ширину окна выбранного магнитопровода, которая равна 16 мм (см. выше), следовательно, обмотки трансформатора разместятся в окне данного магнитопровода.

 

 

 Описание конструкции изделия.