Импульсный трансформатор

Исходными данными для расчета импульсного трансформатора являются следующие величины:

- мощность в импульсе P2= 13000 (Вт);

- напряжение в импульсе U1 = 600, U2 = 1800 (В);

- сопротивление источника Ru = 30 (Ом);

- длительность импульса фu= 1.8·10-6 (c);

- частота следования импульсов fn=650 (Гц);

- коэффициент искажения плоской части импульса л=0.04.

2.1 Определение средней мощности и токов трансформатора

Среднюю отдаваемую мощность импульсного трансформатора можно определить следующим образом:

Pср = fn фu 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 ДВс = 0.2 (Тл), в зависимости от мощности и с учетом магнитных характеристик материала сердечника (ДН=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 сс= 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 Ш=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 в= 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 в = 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 фи - 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 е1=0.3 (см).

Определяем высоту окна сердечника трансформатора:

= 2,346 + 2·0.2= 2.946 (см) (2.19)

Находим толщину первичной обмотки:

д1= 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;

е = 4 - диэлектрическая проницаемость изоляции.

В качестве изоляции между обмотками возьмем лакоткань ЛШС толщиной д12 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 е0 = 0.3 (см) - толщина изоляции между обмоткой и стержнем;

е2 = 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)

Ш = 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 дс - толщина листа сердечника, см;

сс - 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;

мД - 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 л = 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 б0=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)

где дс - толщина листа сердечника, см;

сс - удельное электрическое сопротивление материала сердечника, Ом·см2/см;

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;

д1, д2 - толщина обмоток, см;

д12 - 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