Расчет трансформатора двухтактных преобразовательных устройств

Тольяттинский политехнический институт

Кафедра «Промышленная электроника»

 

Пояснительная записка

к курсовой работе

по дисциплине «Магнитные элементы электронных устройств»

Расчет трансформатора двухтактных преобразовательных устройств

Студент:

Моторин С.К.

Группа:

Э-206

Преподаватель:

Слукин А.М.

Тольятти 2002

Содержание.

1. Исходные данные для расчета

1.2. Исходные Данные уточняемые в процессе расчета

2. Оценочный расчет

2.1. Выбор материала сердечника

2.2. Определение типоразмера сердечника

2.3. Определение массы и объёма трансформатора

3. Конструктивный расчет

Выводы

Список используемой литературы

Исходные данные к расчёту.

 

1.1.  Основные исходные данные:

совокупность чисел, характеризующих фазность обмоток:

m₁=2, m₂=3;

напряжение, подключённое к вторичной обмотке:

U₂₁=30 В; U₂₂=5; U₂₃= 12

мощность:

P₂=10 Вт;

электродвижущая сила (ЭДС) прикладываемая к первичной обмотке:

E1=600 B;

частота коммутаций силовых ключей:

f=30 кГц;

температура окружающей среды:

То=40 ^оС;

максимально допустимая относительная величина тока намагничивания:

I_mmax<=0.2;

максимально допустимая температура наиболее нагретой точки трансформатора;

T_{т max}=130 ^оС;

коэффициент теплоотдачи:

a=1.2×10^-3 Вт/(см² К);

коэффициент полезного действия (КПД):

h=0.9.

максимальный коэффициент заполнения окна сердечника обмотки:

l_{0 max}=0.7;

1.2 Исходные данные, уточняемые в процессе расчета:

Коэффициент заполнения сечения обмотки проводниковым материалом(_п):

 0.5 £_п (ПЭЛ)

_п  0.65 (ПЭЛШО)

Простейшая схема преобразователя (рис.1.1.) состоит из трансформатора Т с двумя секциями первичной обмотки, ключей S1 и S2, поочерёдно замыкающих цепь постоянного тока с определённой частотой, сопротивления нагрузки Rн, подключенного к вторичной обмотке.

Расчёт ориентирован преимущественно на проектирование трансформаторов тороидальной конструкции (рис.1.2.) и состоит из двух частей: оценочного и конструктивного.

2.  Оценочный расчёт.

 

2.1.  Выбор материала сердечника:

Целью оценочного расчета является определение основных параметров трансформатора, выполненного на кольцевом сердечнике разных типоразмеров их стандартного ряда.

Для работы на частоте от 10 кГц и выше в качестве материала сердечника применяются ферриты 2000НМ-1, 1500НМ-1 и др. Выбирали марку сердечника. Для этого построили зависимости удельных потерь мощности в сердечнике от перепада индукции DВ в нём:

 (2.1.)

Где Р_с - потери мощности в сердечнике, Вт;

V_c- объём сердечника, м³.

Использовали выражение:

Схема простейшего преобразователя напряжения.

Рис. 1.1.

Трансформатор тороидальной конструкции.

 

Рис. 1.2.

 (2.2.)

где f - заданная частота, кГц;

DВ - изменение магнитной индукции в сердечнике трансформатора за ту

часть периода Т/2, когда это изменение происходило в одном направлении, Тл;

H_co, dH_c/dB_m, R_в – величины найденные по таблице 2.1 [1].

По формуле (2.2.) рассчитали для каждого материала зависимость Р_с.уд. от DВ в виде таблицы, задаваясь последовательно значениями:

где N – целое число;

х = 0,1..0,2;

Bm – амплитудное значение магнитной индукции, Тл [1, табл.2.1].

Данные для расчета взяли из таблицы 2.1:

Таблица 2.1.

Параметры аппроксимирующих выражений, описывающих магнитные свойства ряда ферримагнетиков.

№ пп		Тип фер.		B, Тл
				Hco, A/m		dHc/dBm A/(m×Тл)		DH0/dBm, A/(m×Тл)		H0, A/mH0, A/m		Bm2, Тл		b		RВ коМ/м
	1.		6000НМ		6.4		0		48.3		776		0.355		15		4.4
2.		4000НМ		1.06		8		80		758		0.38		16		26
3.		3000НМ		3.68		16		94.4		755		0.37		20		31
4.		2000НМ		1.2		40		164		719		0.39		12		56
5.		2000НМ1		7.2		40		160		725		0.34		7		63
6.		1500НМ2		0		65.4		240		699		0.33		10		180
7.		1500НМ3		6.77		37		212		699		0.38		10		180
8.		1000НМ3		20		0		250		715		0.258		10		280
9.		700НМ		0		75.4		844		749		0.4		2		1000

Для материала 6000НМ:

H_co= 6.4 А/м,

dH_c/dB_m= 0 А/(м×Тл),

R_в = 4,4 кОм/м.

x = 0.15

Подставляя числовые значения в (2.1.) получилипри В = 0 Тл

Р_с.уд.=0 Вт/м³

при В=0,1 Тл

Р_с.уд.= 38,4 Вт/м³,

при В=0,2 Тл

Р_с.уд.= 76,8 Вт/м³, и т.д.

Аналогично рассчитали зависимости Р_с.уд.(В) для других материалов Результаты вычислений занесли в табл.2.1.

Таблица 2.1.

Рассчитанные значения Р_с.уд., Вт/м³.

Тип фер.	B, Тл
	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7
6000НМ	0	38,4	76,8	115,2	153,7	192,2	230,7	269,2
4000НМ	0	8,7	22,3	40,7	63,8	91,8	124,6	162,2
3000НМ	0	26,8	63,3	109,4	165,1	230,4	305,3	389,8
2000НМ	0	19,2	62,4	129,6	220,8	336,1	475,2	638,4
2000НМ1	0	55,2	134,4	237,6	164,8	516,1	691,2	890,4
1500НМ2	0	19,6	78,5	176,6	313,9	490,5	706,3	961,3
1500НМ3	0	51,7	125,6	221,7	340,1	480,6	643,3	828,2
1000НМ3	0	120	240	360	480	600	720	840
700НМ	0	22,6	90,5	203,6	361,9	565,5	814,3	1108,4

По данным таблицы 2.1. построили графики (рис. 2.1.).

Анализируя график, увидели, что наименьшими удельными потерями в заданных условиях обладает материал 4000НМ. Следовательно, выбрали для нашего сердечника материал 4000НМ.

2.2 Определение типоразмера сердечника

Определили типоразмер, начиная с которого в стандартном ряде (таб.2.2) сердечники пригодны для изготовления трансформатора с заданными исходными параметрами.

2.2.1 Приняли:

l₀ =l₀макс=0,7.

2.2.2 Из стандартного ряда (табл. 2.2, [1]);

Таблица 2.2.

Данные для расчета трансформаторов, выполненных на сердечниках различного размера из стандартного ряда при l₀= 0.7.

№ сердеч.	Тип сердечника	Pp*, Вт/(Тл*кГц)2	Sт, см2	Vт, см3	Мт, г
1.	К12х8х3	4.71	4.71	0.98	5.3
2.	К28х16х9	582.3	25.6	12.28	45.2

произвольно выбрав сердечник с размерами D_c´d_c´h_c и определили для него предельную мощность потерь P_Тмакс и объем V_c по формулам

 (2.3.)

где a=1.2×10^-3 Вт/(см² К) - коэффициент теплоотдачи;

S_т - площадь поверхности охлаждения трансформатора, см² (табл.2.2),

и

 (2.4.)

Зависимость удельных потерь мощности Р_с.уд. от изменения магнитной индукции в сердечнике B.

Рис 2.1.

Получим:

S_т = 4,71 см²,

P_Тмакс= 3,14×1,2×10^-3/(1.4× (130 -40) ×4,71) = 1,597

P_Тмакс = 1,597 Вт,

V_c= 3,14/(4×(8²-3²) ×12)

V_c= 0,000188 м³.

2.2.3. Для выбранного сердечника определили оптимальный режим перемагничивания:

, (2.5.)

где

;

.

C₁=30000×1,06=31800

C₂=30000×8+(2×30000)²/26000=378461

DB_опт=-31800/378461+[(31800/378461)² +1,597/(2×378461×0,000188)]^0.5=1,76

Получили DB_опт =1,76 Тл. т.к. DB_опт > B_max то за величину DB_опт приняли B_max=2×В_m2:

DB_опт=0.76 Тл;

2.2.4. Для найденных значений DB_опт определили амплитудное значение напряженности магнитного поля H_m при DBопт:

, (2.6.)

где dH_o/dB_m , b взяты из таблицы 2.1, b=3.849×10⁹.

Для выбранного сердечника

H_m= 1,06 + (0,76/2) × (8+80) + 3.849×10⁹× (0,76 /2)¹⁶

H_m = 762,1 А/м.