矿山电子设备用电子变压器的特种设计
所谓特种设计就是与常规设计不一样,矿山电子设备由于工作环境不同,首先所设计的产品必须有防暴要求,必须安全可靠等。对电网来讲,矿山的电网电压就比较复杂,从经过我所设计的产品来看,就有三相、单相的,输入电压有6600V、3460V、1140V、660V、380V、220V及127V等,现有一个比较复杂的四端输入、单端输出的电子变压器,用一个转换开关切换,四端输入任何一端,单端输出都是一样的电压和电流,所以叫做特种设计。现举列说明。
技术要求:
a.输入电压:U1=127V、220V、380V、660V
b.输出电压:U2=60V,I2=4A
c.电压调整率:Δu%=10%
d.绝缘电阻:10000MΩ
e.抗电强度:初级-次级 4.2KV/1分
初级-地 4.2KV/1分
次级-地 1.4KV/1分
f.环境温度:Tc=55℃
g.温升:ΔTm=60℃
h.绝缘等级:B级
i.大气压力:D=101.3kρa
2.电器设计程序
a.计算变压器的功率容量
VA换算=U2I2=60×4=240VA
b.选择铁心,由VA换算查表选用CD20×40×80-I-306W
c.匝数计算:TV1=3.4T/V TV2=3.733T/V
660V(280V)N1-1=280×3.4=952(1292+952=2244)
380V(160V)N1-2=160×3.4=544(748+544=1292)
220V(93V)N1-3=93×3.4=316(432+316=748)
127V(127V)N1-4=127×3.4=432
60V(60V)N2=60×3.733=224
注:初级线包是抽头引出,四绕组串接,先绕细线后绕粗线。
d.空载电流计算
PCO=5.43W
e.初级电流计算
① 次级反射到初级的电流
②计算铁损电流和磁化电流
由于热处理工艺的改进,铁损电流和磁化电流都很小,在R型变压器设计中,直接用反射电流来确定初级电流,但CD型铁心在结构上有一个端面切割,就有铁损电流和磁化电流存在,根据经验,省去查图查表的计算,在反射电流中,再加一个百分点,得出的参数与查图查表的计算基本一致。
③计算初级电流
f.计算导线直径
0.41A换算线径
0.70A换算线径
1.20A换算线径
2.08A换算线径
4.00A换算线径
g.绝缘
按国家煤矿防暴安全产品质量监督中心汇编的国家标准GB3836-2000标准。
①确定试验电压
抗电强度
初级对次级4.2KV/1分,初级对地4.2KV/1分,次级对地1.42KV/分
绝缘电阻
初级对次级10000MΩ,初级对地10000MΩ,次级对地10000MΩ
②确定端空距离,采用端封结构,底筒高度78.5mm,绝缘材料宽度78mm,两端端空2×4=8mm
h.线圈的结构参数计算
①确定线圈结构
采用双线圈结构,初、次级分开绕制,各在一个铁心柱上。
②各绕组每层匝数和层数
③确定内层、层间、组间及外包绝缘
骨架厚度 2mm
骨架内层绝缘 2×0.08=0.16电缆纸
外包绝缘 2×0.12=0.24青壳纸
抽头绝缘660V 7×0.08电缆纸0.56mm
380V 4×0.08电缆纸0.32mm
220V 4×0.08电缆纸0.32mm
127V 7×0.08电缆纸0.56mm
④确定初级绕组厚度
骨架厚度 =2mm
骨架绝缘(电缆纸) =2×0.08=0.16mm
外包绝缘(青壳纸) =2×0.12=0.24mm
初级绕组厚度 20.38mm
⑤确定次级绕组厚度
骨架厚度 =2mm
骨架绝缘(电缆纸) =2×0.08=0.16mm
外包绝缘(青壳纸) =2×0.12=0.24mm
⑥双线圈总厚度 9.44mm
铁心CD20×40×80-I窗宽 32,线圈总厚度小于窗宽,能绕下。
⑦各绕组平均匝长
初级各绕组平均匝长 Lm=(LD+πδ1)×10-1
查表LD=134.6
⑧各绕组导线长度
⑨各绕组铜重量
⑩各绕组铜阻(20℃时铜阻)
⑾热态铜阻
查参数表得线圈平均温升为60℃,故线圈平均温度为115℃,KT=1.37。故
注:该四端输入电压用开关切换,每次只能用一组电压输入,故热态铜损只能取一个数值,如取127V,铜阻为2.86Ω,I1=2.08A
⑿热态铜损
i.电压比核算
①次级空载电压
②初级感应电压 E1=U1-I1r1
③次级感应电压
④次级负载电压
j.电压调整率核算
k.计算空载损耗
l.温升计算
①计算初始温升比
查表得:
②计算热平衡系数 R 查曲线图 R=1.18
③计算修正前温升值
④计算平均温升
◆由于工作环境温度=55℃,查图得RZ=1.12,RO=1,故:
℃
◆平均温升
线圈平均温升℃
铁心平均温升℃
以上是该电子变压器的设计全过程,通过理论计算所得的各个技术数据,只是一个参考数据,误差值较大,只有通过试验来修正偏差数据,才能得到确实的数据,变压器其他的数据是这样,温升值的数据也是一样,如做温升试验,必须通过2-3个热温升平衡后,负载在8小时左右,温升值在32-29℃之间,这时的温升才是本机真正温升,温升试验合格后,该产品的设计才基本完成。
3工艺设计
电子变压器的技术要求中必须要有优良的工艺,才能保证产品的质量。2002年,我从工艺的角度发表过一篇论文,标题是“变压器和滤波阻流圈专业灌注工艺的应用”,从不同的年代,谈到新工艺、新材料的应用,收到全国各地同业人士的来电来函。很多厂家叫我谈谈CR-系列高强度绝缘树脂,在端封上的应用,因为上次论文谈的是灌注工艺,这次结合本篇论文谈谈端封工艺。
3.1端封材料:CR-系列高强度绝缘树脂
规格:CR-5011(普遍性)
CR-6011(阻燃性)
CR-7011(免浸渍性)
特点:优良的绝缘性能,常温操作、常温固化、固化时不产生气泡,不需抽真空,特别是有很好的散热性能,由于树脂成份中含有对热能较为敏感的极性分子,而且排列非常紧密,故对线圈所产生的热量能迅速进行传导作用。再加入一定量的石英砂,则传导作用更好,在相同规格的两种变压器与环氧树脂浇灌料进行比较,经实测,相对能降低温度10℃,因此较好的解决了温升问题,同时比环氧树脂易操作,不同高温烘烤,节约电能,成本是环氧树脂的三分之二。
3.2端封材料配方
3.2.1双面打底材料配方
3.2.2操作步聚
a.首先将整桶树脂搅拌均匀(树脂平常呈三层状态,上层为漂浮层,中层为乳白液体,下层为松软沉淀)后,按比例称好树脂。
b.以基料树脂重量比,称好固化剂和催化剂。
c.首先倒入固化剂(白色),搅拌均匀。
d.再倒入催化剂(紫红色),再搅拌均匀。
二种固化材料应分别按次序加入树脂中,分别搅拌均匀,如果一种固化材料还未搅拌均匀,就急于加入另一种固化材料,那么树脂就很难固化,甚至不固化。更应避免二种固化材料同时加入造成事故。
e.将配制好的混合物,再按比例倒入填充剂石英砂,再搅拌均匀即可使用。
3.2.3端封位置
线圈双端各留4mm的端封位置,即2×4=8mm。
双面打底各2mm,固化后,再溜端面2×2=4mm。
3.2.4双面溜端面配方
溜端面,先溜上端,固化后,再溜下端,清理溜痕,再装入CD型铁心,注意打底时不能有裂纹,以防渗漏。这样每台变压器可节约10g高强度绝缘封灌树脂,按价值工程计算省去3角成本。
4结束语
该产品设计出来后,关中国抚顺国家煤矿防暴安全产品质量监督中心按国家标准GB3836.1.4-2000进行例行试验。产品例行试验合格后,发生产许可证才能生产。
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