Wydział Elektryczny
Politechniki Lubelskiej

Instytut Podstaw Elektrotechniki i Elektrotechnologii

Laboratorium

Elektrotechnologii

Projekt transformatora jednofazowego

dla układu zasilania reaktora plazmy

GRUPA EMNS1.1

Wykonawca:

inż. Damian Nowak

Lublin 2017 r.

1. Założenia do projektu

Na podstawie danych przekazanych przez Prowadzącego:

• napięcie po stronie pierwotnej U₁ = 230 V

• napięcie po stronie wtórnej U₂ = 1600 V

• moc znamionowa S_n = 15000 VA

• prąd zwarcia po stronie wtórnej I_2Z = 1 A

• częstotliwość f = 50Hz

• praca pod obciążeniem łuku elektrycznego

2. Obliczenia obwodu magnetycznego transformatora

2.1 Moc transformatora

Przekładnia napięciowa transformatora:

Prąd strony pierwotnej transfromatora:

Prąd strony wtórnej transformatora:

Moc pozorna transformatora:

2.2 Dobór rdzenia

Do zlecenia budowy rdzenia postanowiłem wykorzystać usługi firmy Stalprodukt S.A. i ich ofertę z zakresu produkcji rdzeni UNICORE DDGAP (z jednym przecięciem w magnetowodzie, poprzez które zakłada się karkas z uzwojeniem) w wersji jednofazowej. Rdzeń zostanie nawinięty z taśmy wykonanej ze stali krzemowej o grubości 0,23 mm i gatunku wg normy EN10107:2005 oznaczonym jako M110-23S.

Katalog blach i taśm firmy Stalprodukt: http://www.stalprodukt.com.pl/download/7,3,13,49,2
Katalog rdzeni Unicore firmy Stalprodukt: http://www.stalprodukt.com.pl/download/1644?lang_code=pl

Przykładowy rdzeń z serii UNICORE wykonany przez firmę Stalprodukt (zdjęcie z katalogu)

Wyznaczenie minimalnego pola przekroju kolumny rdzenia:

gdzie:

• C – stała charakterystyczna dla danego materiału, z którego wykonany jest rdzeń (przyjąłem wartość C = 3.6 * 10^-4)

Po podstawieniu danych:

Dla uproszczenia projektu przyjąłem przekrój kolumny o kształcie kwadratu. Pierwiastkując pole powierzchni uzyskałem minimalną wymaganą długość boku tego kwadratu:

Inne dane rdzenia wykonanego z taśmy M110-23S:

• typowa indukcja magnetyczna przy wynosi

• ciężar właściwy

• typowa stratność całkowita przy 50 Hz i 1,7 T wynosi

• grubość taśmy

Rysunki techniczne rdzenia znajdują się w załączniku nr 1 na końcu projektu.

3. Obliczenia obwodu elektrycznego transformatora

3.1 Ustalanie liczby zwojów

Napięcie zwojowe wyliczone na podstawie znajomości indukcji i pola przekroju kolumny:

Liczba zwojów uzwojenia pierwotnego:

Na uzwojenie pierwotne przyjmuję zwojów.

Przekładnia napięciowa transformatora (z poprzednich wyliczeń) .

Liczba zwojów uzwojenia wtórnego:

Na uzwojenie wtórne przyjmuję zwojów.

Przekładnia po korekcie ilości uzwojeń:

Napięcie strony wtórnej po korekcie:

Napięcie zwojowe dla ustalonej liczby zwojów strony pierwotnej:

Indukcja w rdzeniu:

Dane uzwojeń transformatora:

Liczba zwojów uzwojenia pierwotnego,	90
Liczba zwojów uzwojenia wtórnego,	624
Napięcie zwojowe, E’	2,556 V
Indukcja,	1,86 T

3.2 Prądy uzwojeń

Prąd strony pierwotnej:

Przyjmuję prąd

Prąd strony wtórnej:

Przyjmuję prąd

Prądy uzwojeń transformatora:

Prąd strony pierwotnej, I1	70 A
Prąd strony wtórnej, I2	10 A

3.3 Obliczenie średnicy drutu nawojowego

Do obliczeń przyjąłem gęstość prądu równą

Średnica drutu nawojowego uzwojenia pierwotnego:

Przyjmuję średnicę drutu uzwojenia pierwotnego

Średnica drutu nawojowego uzwojenia wtórnego:

Przyjmuję średnicę drutu uzwojenia pierwotnego

3.4 Sposób wykonania uzwojeń

Uzwojenie wtórne zostanie wykonane drutem miedzianym emaliowanym o przekroju okrągłym i średnicy d₂ = 2,5 mm.

Uzwojenie pierwotne zostanie wykonane z przewodu miedzianego o przekroju prostokątnym.

Przyjąłem pole przekroju

Przyjąłem profil o wymiarach

Alternatywnie można też profil zastąpić czterema żyłami drutu miedzianego emaliowanego o przekroju okrągłym i średnicy wyznaczonej z wyznaczonego przeze mnie wzoru:

Parametry drutów nawojowych transformatora:

Uzwojenie pierwotne	profil miedziany prostookątny
	drut okrągły miedziany (opcja)	poczwórny Ø 3 mm
Uzwojenie wtórne	drut okrągły miedziany	Ø 2,5 mm

4. Obliczenie wymiarów uzwojeń i podział na warstwy

W transformatorze przewiduje się jedną cewkę uzwojenia pierwotnego nawiniętą na jednej kolumnie transformatora oraz jedną cewkę uzwojenia wtórnego nawiniętą na drugiej kolumnie transformatora.

4.1 Wymiary uzwojenia pierwotnego

Na karkas przewidziałem 10 mm wysokości rdzenia. Jako przekładkę izolacyjną dla każdej warstwy uzwojeń w podstawowej wersji (prostokątny profil miedziany) wykorzystam podwójną folię Estrofol ET w taśmie o wymiarach .

Informacje na temat folii Estrofol ET można znaleźć na stronie firmy Poldrut: http://www.poldrut.pl/oferta/materialy.php

Na karkas przewidziałem 10 mm wysokości rdzenia.

Wysokość użytkowa kolumny L_K1 po odjęciu przestrzeni na karkas wynosi:

Liczba zwojów uzwojenia pierwotnego przypadająca na jedną warstwę wynosi:

Liczba warstw profilu miedzianego:

Grubość uzwojenia pierwotnego wynosi:

W wersji opcjonalnej (okrągły drut miedziany nawijany poczwórnie) grubość uzwojenia pierwotnego wyniesie:

W wersji opcjonalnej ilość warstw pozostaje bez zmian.

4.2 Wymiary uzwojenia wtórnego

Na karkas z izolacją krawędziową przewidziałem 30 mm wysokości rdzenia.

Wysokość użytkowa kolumny L_K2 po odjęciu przestrzeni na karkas wynosi:

Liczba zwojów uzwojenia wtórnego przypadająca na jedną warstwę wynosi:

Liczba warstw uzwojenia wtórnego:

Grubość uzwojenia wtórnego wynosi:

Wymiary uzwojeń transformatora:

Wysokość cewki uzwojenia pierwotnego, LK1	220 mm
Wysokość cewki uzwojenia wtórnego, LK2	200 mm
Liczba zwojów na warstwę strony pierwotnej, z1W	18
Liczba zwojów na warstwę strony wtórnej, z2W	80
Liczba warstw strony pierwotnej, n1	5
Liczba warstw strony wtórnej, n2	8
Grubość uzwojenia pierwotnego, dz1	13 mm
Grubość uzwojenia pierwotnego (opcja), dz1A	15 mm
Grubość uzwojenia wtórnego, dz2	20 mm

4.3 Objętość miedzi uzwojeń oraz ich masa

Przyjąłem, że warstwy najbliższe kolumnie rdzenia układają się wokół przekroju kolumny po kwadracie. Ostatnia warstwa uzwojenia (najbardziej oddalona od kolumny) układa się po okręgu.

Grubość ścianki karkasu

Przekątna przekroju rdzenia z karkasem:

Promień zewnętrzny uzwojenia pierwotnego:

Opcjonalny promień zewnętrzny uzwojenia pierwotnego (uzwojenie nawinięte poczwórnym drutem )

Objętość karkasu w cm³ (po zaokrągleniu do przekroju do okręgu):

Objętość uzwojenia pierwotnego w cm³:

Waga uzwojenia pierwotnego dla masy miedzi wynoszącej :

Promień zewnętrzny uzwojenia wtórnego:

Objętość uzwojenia wtórnego w cm³:

Waga uzwojenia wtórnego dla masy miedzi wynoszącej :

Całkowita masa uzwojeń:

Waga uzwojeń transformatora:

Waga uzwojenia pierwotnego, m1	11,2 kg
Waga uzwojenia wtórnego, m2	21,4 kg
Całkowita waga uzwojeń, muzw	32,6 kg

4.4 Wypełnienie okna rdzenia miedzią uzwojeń

Szerokość okna

Szerokość okna zajmowana przez uzwojenie pierwotne:

Szerokość okna zajmowana przez uzwojenie wtórne:

Szerokość zajmowana przez wszystkie uzwojenia:

Wolna przestrzeń w oknie rdzenia:

Opcjonalne nawinięcie uzwojenia pierwotnego poczwórnym drutem o zwiększy średnicę uzwojenia pierwotnego , co spowoduje zmniejszenie wolnej przestrzeni w oknie rdzenia do 15 mm. Zdecydowałem się na niewprowadzanie korekty (zmniejszenia) szerokości okna ze względu na wymianę ciepła między uzwojeniami i powietrzem znajdującym się w wolnej przestrzeni rdzenia.

5. Projekt karkasu

Karkas zostanie wykonany z tekstolitu o grubości 5 mm. Dla transformatora należy wykonać dwa karkasy zgodne z wymiarami podanymi na rysunkach.

Detal A, należy go wykonać w ilości 8 sztuk (po 4 na każdą kolumnę rdzenia):

Detal B, należy go wykonać w ilości 2 sztuk, jest przeznaczony dla kolumny uzwojenia pierwotnego (promień uzwojeń 76 mm lub opcjonalnie 78 mm):

Detal C, należy go wykonać w ilości 2 sztuk, jest przeznaczony dla kolumny uzwojenia wtórnego (promień uzwojeń 96 mm):

Sposób złożenia karkasa pokazano na rysunku:

Wszelkie połączenia należy wykonać klejem cyjanoakrylowym, a złożoną konstrukcję w miejscach klejenia należy dodatkowo wzmocnić żywicą epoksydową. Przy pomocy żywicy epoksydowej należy także umocować do karkasa końcówki wyprowadzeń uzwojeń.

6. Zestawienie danych konstrukcyjnych

Rdzeń transformatora
Wysokość kolumny	230		h [mm]
Szerokość okna	110		b [mm]
Przekrój kolumn	79		a [mm]
Pole przekroju kolumny	0,0062		Ak [m^2]
Moc rdzenia	15000		Sk [VA]
Indukcja magnetyczna maksymalna	1,87		B [T]
Indukcja magnetyczna obliczeniowa	1,86		Bm [T]
Uzwojenia transformatora
Liczba zwojów uzwojenia pierwotnego		90	z1
Liczba zwojów uzwojenia wtórnego		624	z2
Napięcie zwojowe		2,556	E’ [V]
Napięcie strony pierwotnej		230	U1 [V]
Napięcie strony wtórnej		1600	U2 [V]
Prąd strony pierwotnej		70	I1 [A]
Prąd strony wtórnej		10	I2 [A]
Uzwojenie pierwotne (profil prostokątny)		12 x 2,5	aCu x bCu [mm x mm]
Uzwojenie wtórne, drut okrągły		2,5	d2 [mm]
Wysokość cewki uzwojenia pierwotnego		220	LK1 [mm]
Wysokość cewki uzwojenia wtórnego		200	LK2 [mm]
Liczba zwojów na warstwę strony pierwotnej		18	z1W
Liczba zwojów na warstwę strony wtórnej		80	z2W
Liczba warstw strony pierwotnej		5	n1
Liczba warstw strony wtórnej		8	n2
Grubość uzwojenia pierwotnego		13	dz1 [mm]
Grubość uzwojenia wtórnego		20	dz2 [mm]
Waga uzwojenia pierwotnego		11,2	m1 [kg]
Waga uzwojenia wtórnego		21,4	m2 [kg]
Całkowita waga uzwojeń		32,6	muzw [kg]

7. Załącznik nr 1

Wymiary rdzenia transformatora