Обзор аналогичных конструкций и выбор направления проектирования

Введение

 

Трансформаторы являются наиболее широко используемыми элементами в различной аппаратуре.

Трансформаторы питания преобразуют переменное напряжение первичного источника в любые другие значения, необходимые для нормального функционирования аппаратуры. Кроме того, трансформатор питания позволяет получать ряд вторичных напряжений, электрически не зависимых друг от друга и от питающей сети.

Наиболее просто применять для электропитающего устройства специально спроектированные трансформаторы для обеспечения высокого качества работы и требуемой надежности, низкой стоимости, минимальной массы и объема.

В тех случаях, когда напряжение или ток на вторичной стороне унифицированного трансформатора не соответствует требуемым значениям, приходится рассчитывать и изготовлять трансформатор. Не применяют унифицированный трансформатор также, если остаются незадействованными некоторые секции вторичной обмотки, что приводит к нежелательному увеличению объема и массы устройства.

Более высокие показатели можно обеспечить на основании детальных расчетов, что и является целью курсового проекта - расчет трансформатора питания с заданными параметрами, обеспечив при этом минимальные габаритные размеры.

1. Анализ технического задания

 

Анализ условий эксплуатации

 

Исходные данные:

 - напряжение источника питания;

 - частота источника питания;

 - напряжение первой вторичной обмотки;

 - ток первой вторичной обмотки;

 - напряжение второй вторичной обмотки;

- ток второй вторичной обмотки.

Обеспечить минимальные габаритные размеры.

Программа выпуска 5000 шт. в год.

В условиях ТЗ не указан вид аппаратуры, в которой будет использоваться трансформатор. По ГОСТ 15150-69 он относится к первой группе исполнения УХЛ (аппаратура, работающая в жилых помещениях), категория размещения 4.2 (аппаратура, предназначенная для эксплуатации в отапливаемых помещениях). Общие нормы климатических воздействий на РЭА для исполнения УХЛ приведены в таблице 1.1

 

Таблица 1.1 - Общие нормы климатических воздействий на РЭА

Исполнение	Категория размещения	Воздействия температуры, °С					Воздействия относительной влажности,%
		Рабочие			Предельные		Рабочие
		Верхн.	Нижн.	Ср.	Верхн.	Нижн.	Верхнее
УХЛ	4.2	+35	+10	+20	+40	+1	98%	при 25°С

 

В соответствии с ГОСТ 16019-78 должна выдерживать нормативные воздействия, приведенные в таблице 1.2

Таблица 1.2 - Наземная профессиональная РЭА. Нормы климатических и механических воздействий для 1-й группы

Вид воздействия, характеристики	Нормы воздействий
Прочность при транспортировании (в упакованном виде):
ускорение, g	15
длительность ударного импульса, мс	11
число ударов, не менее	1000
Теплоустойчивость:
рабочая температура,	40
предельная температура,	55
Пониженное атмосферное давление:
атмосферное давление, кПа	70
Холодоустойчивость
предельная температура,	-40
Влагоустойчивость:
влажность,%	93
температура,	25

 

1.2 Обоснование дополнительных требований и параметров

 

Для каждой из конструкций трансформатора существует "оптимальная геометрия" (соотношение размеров магнитопровода), обеспечивающая получение минимальной массы, объема или стоимости. Пользуясь [1, табл.13], выбираем конструкцию трансформатора с учетом его мощности и частоты сети - стержневая с двумя катушками (по сравнению с броневой конструкцией при одинаковом объеме выигрыш по мощности 6 - 25%).

Стержневой двухкатушечный трансформатор обладает большей поверхностью охлаждения (за счет поверхностей катушки) и поэтому допускает большие плотности тока . По этой причине двухкатушечный ленточный трансформатор имеет удельные мощности по массе и объему больше, чем у ленточного броневого трансформатора: при 50 Гц - до 30% и при 400Гц - до 20%.

Стержневой двухкатушечный трансформатор имеет меньшую индуктивность рассеяния (на каждой катушке только половина витков и поэтому толщина катушки меньшая), меньшее внешнее электромагнитное поле и меньшую восприимчивость к постоянным электромагнитным полям (наведенные ЭДС в обеих катушках вычитаются).

К недостатку стержневого двухкатушечного трансформатора следует отнести уменьшенный примерно на 15% коэффициент заполнения окна медью, т.к у нее вдвое больше изоляционных материалов между отдельными обмотками и между магнитопроводом и обмоткой.

С учетом, что , выбираем электротехническую сталь марки Э310 с толщиной лент . Также для обеспечения минимальных габаритных размеров принимают максимальное значение магнитно возможную индукцию магнитопровода и плотности тока в обмотках, удовлетворяя требуемым параметрам.

ПАСПОРТ

1. Напряжение источника питания,  24

2. Частота питающей сети,  50

3. Напряжения вторичных обмоток,  5; 9

4. Потребляемый ток,  1.92

5. Токи вторичных обмоток, ; 1.6

6. Фактическая плотность тока в проводах обмоток,  4.46; 3.82; 3.72

7. Номинальная мощность,  29.4

8. Потребляемая мощность,  56.4

9. КПД,  80

10. Ток холостого хода,  0.54

11. Тепловое сопротивление катушки,  2.98

12. Тепловое сопротивление гильзы,  7.1

13. Максимальное превышение температуры катушки,  .55

14. Максимальная температура проводов обмотки,  95

Исполнение УХЛ, категория размещения 4.2

Программа выпуска 5000 шт. в год.

Заключение

В процессе выполнения данного курсового проекта была разработана конструкция трансформатора питания. Обеспечены минимальные габаритные размеры путем выбора стержневого магнитопровода с максимальной магнитной индукции, а также выбором максимально возможной плотности тока в обмотках. Определены конструкторские и технические параметры трансформатора. Произведен выбор материалов, необходимых для изготовления трансформатора и его составных частей. Выполнены необходимые расчеты по определению электрических и конструктивных параметров трансформатора. Получены определенные навыки расчета параметров и разработки технической конструкторской документации на изготовление элементов электронной аппаратуры.

Рассчитанный трансформатор поддается автоматизации, что позволяет изготавливать трансформатор серийно.

Список литературы

 

1. Векслер Г.С. Расчет электропитающих устройств. - К.: Техника, 1978г.

2. М.И. Белопольский, Л.Г. Пикалова. Расчет трансформаторов и дросселей малой мощности. - М.: Энергия, 1970г.

3. Малогабаритные трансформаторы и дроссели: Справочник / И.Н. Сидоров, В.В. Мукосеев, А.А. Христинин: Радио и связь, 1985г.

4. Практическое пособие по учебному конструированию РЭА/В.Т. Белинский, В.П. Гондюл, А.Б. Грозин и др. - К.: Вища школа, 1992г.

5. В.А. Волгов Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Энергия, 1977.

Введение

 

Трансформаторы являются наиболее широко используемыми элементами в различной аппаратуре.

Трансформаторы питания преобразуют переменное напряжение первичного источника в любые другие значения, необходимые для нормального функционирования аппаратуры. Кроме того, трансформатор питания позволяет получать ряд вторичных напряжений, электрически не зависимых друг от друга и от питающей сети.

Наиболее просто применять для электропитающего устройства специально спроектированные трансформаторы для обеспечения высокого качества работы и требуемой надежности, низкой стоимости, минимальной массы и объема.

В тех случаях, когда напряжение или ток на вторичной стороне унифицированного трансформатора не соответствует требуемым значениям, приходится рассчитывать и изготовлять трансформатор. Не применяют унифицированный трансформатор также, если остаются незадействованными некоторые секции вторичной обмотки, что приводит к нежелательному увеличению объема и массы устройства.

Более высокие показатели можно обеспечить на основании детальных расчетов, что и является целью курсового проекта - расчет трансформатора питания с заданными параметрами, обеспечив при этом минимальные габаритные размеры.

1. Анализ технического задания

 

Анализ условий эксплуатации

 

Исходные данные:

 - напряжение источника питания;

 - частота источника питания;

 - напряжение первой вторичной обмотки;

 - ток первой вторичной обмотки;

 - напряжение второй вторичной обмотки;

- ток второй вторичной обмотки.

Обеспечить минимальные габаритные размеры.

Программа выпуска 5000 шт. в год.

В условиях ТЗ не указан вид аппаратуры, в которой будет использоваться трансформатор. По ГОСТ 15150-69 он относится к первой группе исполнения УХЛ (аппаратура, работающая в жилых помещениях), категория размещения 4.2 (аппаратура, предназначенная для эксплуатации в отапливаемых помещениях). Общие нормы климатических воздействий на РЭА для исполнения УХЛ приведены в таблице 1.1

 

Таблица 1.1 - Общие нормы климатических воздействий на РЭА

Исполнение	Категория размещения	Воздействия температуры, °С					Воздействия относительной влажности,%
		Рабочие			Предельные		Рабочие
		Верхн.	Нижн.	Ср.	Верхн.	Нижн.	Верхнее
УХЛ	4.2	+35	+10	+20	+40	+1	98%	при 25°С

 

В соответствии с ГОСТ 16019-78 должна выдерживать нормативные воздействия, приведенные в таблице 1.2

Таблица 1.2 - Наземная профессиональная РЭА. Нормы климатических и механических воздействий для 1-й группы

Вид воздействия, характеристики	Нормы воздействий
Прочность при транспортировании (в упакованном виде):
ускорение, g	15
длительность ударного импульса, мс	11
число ударов, не менее	1000
Теплоустойчивость:
рабочая температура,	40
предельная температура,	55
Пониженное атмосферное давление:
атмосферное давление, кПа	70
Холодоустойчивость
предельная температура,	-40
Влагоустойчивость:
влажность,%	93
температура,	25

 

1.2 Обоснование дополнительных требований и параметров

 

Для каждой из конструкций трансформатора существует "оптимальная геометрия" (соотношение размеров магнитопровода), обеспечивающая получение минимальной массы, объема или стоимости. Пользуясь [1, табл.13], выбираем конструкцию трансформатора с учетом его мощности и частоты сети - стержневая с двумя катушками (по сравнению с броневой конструкцией при одинаковом объеме выигрыш по мощности 6 - 25%).

Стержневой двухкатушечный трансформатор обладает большей поверхностью охлаждения (за счет поверхностей катушки) и поэтому допускает большие плотности тока . По этой причине двухкатушечный ленточный трансформатор имеет удельные мощности по массе и объему больше, чем у ленточного броневого трансформатора: при 50 Гц - до 30% и при 400Гц - до 20%.

Стержневой двухкатушечный трансформатор имеет меньшую индуктивность рассеяния (на каждой катушке только половина витков и поэтому толщина катушки меньшая), меньшее внешнее электромагнитное поле и меньшую восприимчивость к постоянным электромагнитным полям (наведенные ЭДС в обеих катушках вычитаются).

К недостатку стержневого двухкатушечного трансформатора следует отнести уменьшенный примерно на 15% коэффициент заполнения окна медью, т.к у нее вдвое больше изоляционных материалов между отдельными обмотками и между магнитопроводом и обмоткой.

С учетом, что , выбираем электротехническую сталь марки Э310 с толщиной лент . Также для обеспечения минимальных габаритных размеров принимают максимальное значение магнитно возможную индукцию магнитопровода и плотности тока в обмотках, удовлетворяя требуемым параметрам.

Обзор аналогичных конструкций и выбор направления проектирования

 

В зависимости от технологии изготовления магнитопроводы трансформаторов небольшой мощности делятся на пластинчатые и ленточные. По конструктивному выполнению пластинчатые и ленточные магнитопроводы делятся на три основных типа: стержневые, броневые и кольцевые.

Все перечисленные ранее конструкции магнитопроводов применяются в качестве сердечников в однофазных трансформаторах. В трехфазных трансформаторах обычно используется стержневая конструкция, называемая также Е - образной.

Так как трансформатор имеет большие электромагнитные силовые потоки, то соответственно и большие размеры обмоток элемента. Для уменьшения размеров и массы важную роль играет грамотный подбор материалов составных частей трансформатора.

В современных РЭА масса и габариты устройств питания составляют 0.5-0.1 общей массы и габаритов и на их долю приходится в некоторых случаях до 50% отказов. Что требует совершенствования трансформаторов питания. Основные трудности при этом определяются тем, что материалы сердечников имеют ограниченные магнитную проницаемость, индукцию насыщения и большие потери.

Согласно условиям внешних климатических, механических и физических воздействий использование броневого трансформатора оправдано

Учитывая недостатки в существующих трансформаторах, относительно проектируемого выбираем следующие направления:

При стяжки трансформатора между стойкой и магнитопроводом подложить слой бумаги К-12 ГОСТ 1908-88 для того, чтобы предотвратить возможность образования короткозамкнутого витка вокруг всего сердечника или его части; образование такого витка приводит к сильному нагреву трансформатора и потере их мощности, что не допустимо для реализации минимальных габаритных размер;

Фиксация всей конструкции к основанию осуществляется клеем ВК ОСТ4ГО.029.204.

Обмотка трансформатора - открытого типа, то есть крышки не имеет, так как условия работы - лаборатории, жилые дома и другие подобные помещения.

В качестве обмотки применяем провод марки ПЭВ-1 (ГОСТ 7262-78), допускающий перегрев до 105°С.

Торцы магнитопровода покрывают эмалью МЛ-152 синяя У1 ОСТ 4.070.015.