Курсовая работа (т): Расчет силового трансформатора

1. Определение основных электрических величин

1.1 Определение линейных и фазных токов и напряжений обмоток ВН и НН

Мощность одной фазы трансформатора:

Мощность на одном стержне:

 кВА.

Номинальные (линейные) токи:

 А - на стороне НН.

 А - на стороне ВН.

Фазные токи:

 А - на стороне НН.

А - на стороне ВН.

Фазные напряжения:

 кВ - для обмотки НН.

кВ - для обмотки ВН.

1.2 Определение испытательных напряжений обмоток

Испытанное напряжение трансформатора определяем по табл.4.1.а [2]

Для обмотки НН (класс напряжения до 1 кВ)  кВ.

Для обмотки ВН (класс напряжения до 1 кВ)  кВ.

1.3 Определение активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

2. Расчет основных размеров трансформатора

Рис.1. Схематическое изображение трансформатора и его основных размеров.

.1 Выбор схемы и конструкции сердечника

Согласно указаниям § 2.3 [2], выбираем трехфазную стержневую шихтованную магнитную систему с косыми стыками в 4-х углах.

Рис. 2 Порядок сборки магнитной системы

Сечение стержня по табл.2.5 [2] выбираем с пятью ступенями, без прессующей пластины. Стержень следует прессовать расклиниванием с обмоткой, сечение стержня без каналов. Ориентировочный диаметр стержня 0,085-0,1 м, коэффициент .

2.2 Выбор марки и толщины листов стали и типа межлистовой изоляции. Выбор индукции в сердечнике

Согласно рекомендациям [2] выбираем марку стали и её параметры. Для изготовления магнитопровода принимаем рулонную холоднокатанную сталь марки 3404 с толщиной листов 0,35 мм с нагревостойким электроизоляционным покрытием. Коэффициент заполнения k_З = 0,96.

Величину индукции принимаем B_С = 1,6 Тл.

2.3 Выбор материала обмоток

В качестве материала для обмоток высшего напряжения принимаем медный обмоточный провод марки ПС, для обмотки нисшего напряжения принимаем провод марки ПСД.

2.4 Выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток

На рис.1. показана главная изоляция обмоток сухих трансформаторов.

Основные изоляционные расстояния главной изоляции выбранные согласно табл.4.5. и табл. 4.4. [2]:

для обмотки ВН: мм, мм, мм,  мм- картон

для обмотки НН: мм, мм, - картон

2.5 Предварительный расчет трансформатора и выбор коэффициента соотношения основных размеров

Величина  определяет соотношение между шириной и высотой трансформатора. По табл.5.1 [1] в соответствии с классом напряжения трансформатора и его мощностью, принимаем .

2.6 Определение диаметра стержня и высоты обмотки. Предварительный расчет сердечника

Первый основной размер трансформатора - диаметр стержня сердечника:

, см

где - коэффициент Роговского,

- частота, Гц

- коэффициент, определяемый по табл.3.3.[2]. .

- приведенная ширина канала рассеяния.

следовательно, см

- общий коэффициент заполнения активным сечением стали площади круга, .

Тогда диаметр стержня:

cм.

По данным таблицы 2.5 [2] для мощности 25кВА ориентировочный диаметр 0,09. Выбираем 0,09м.

Второй основной размер трансформатора - средний диаметр канала между обмотками:

 , см

где - радиальный размер обмотки НН

 - коэффициент, согласно указаниям [1] принимаем

см

Следовательно, диаметр канала между обмотками:

см.

Третий основной размер трансформатора - высота обмотки:

см.

Активное сечение стержня:

см².

ЭДС одного витка:

В.

3. Расчет обмоток НН и ВН

3.1 Выбор типа обмоток НН и ВН

Ориентировочное сечение витка каждой обмотки определяется по формуле:

, мм²

где - средняя плотность тока в обмотках ВН и НН.

 , А/мм²

-коэффициент, учитывающий наличие добавочных потерь, по табл.5.1.[1] до 100 кВт выбираем

Тогда  А/мм²

Принимаем табличное значение  А/мм

Ориентировочные сечения витков:

Для обмотки НН:  мм²

Для обмотки ВН:  мм²

По табл.5.6.[1] выбираем тип обмотки:

Для обмотки ВН - многослойную цилиндрическую обмотку из круглого провода. Для обмотки НН по табл.5.5.[1] - трехслойную цилиндрическую обмотку из прямоугольного провода.

3.2 Расчет обмотки НН

Уточненная ЭДС одного витка:

 В.

Действительная индукция в стержне:

Тл.

Cогласно указанию [1] по табл. 5,5 [1], выбираем провод:

Рисунок 3. Форма сечения витка обмотки НН

Толщина изоляции на 2 стороны:  мм.

Размеры выбранных проводов:

 см.

см.

 см.

см.

мм²

Полное сечение витка:

мм².

Полученная плотность тока:

А/мм²

Уточненный осевой размер витка:

см

Примем обмотку НН трехслойной. Тогда число витков в слое:

Принимаем = 27 витков.

Осевой размер обмотки:

см.

Радиальный размер обмотки

Внутренний диаметр обмотки:

см.

Наружный диаметр обмотки:

см.

Средний диаметр обмотки:

Поверхность охлаждения

м².

с - число стержней, К=0,75 - коэффициент закрытых частей

3.3 Расчет обмотки ВН

Согласно ГОСТ 401- 41 обмотка ВН всех силовых сухих трансформаторов - трехфазных должна выполняться с четырьмя ответвлениями: одно на +2% , второе на +2,5%, третье на -2% и четвертое на -2,5% от номинального напряжения ([1]). Схема регулирования приведена на рис.1.

Число витков при номинальном напряжении:

 витков.

Округляем:  витков

Обычно ступени регулирования напряжения делаются равными между собой, что обуславливает равенство числа витков на стержнях.

Напряжение между двумя отводами:

 В.

Число витков на одну ступень регулирования:

витков.

Число витков в первой верхней ступени:

витков.

Число витков во второй верхней ступени:

витков

Число витков при номинальном напряжении:

 витка.

Число витков в первой нижней ступени:

 витков.

Число витков во второй нижней ступени:

 витков.

Плотность тока в обмотке ВН предварительно определяется:

А/мм².

Сечение витка обмотки ВН предварительно:

мм².

Согласно указаниям [1] по табл. 5.6, выбираем провод:

Принимаем большее из стандартного

Полное сечение витка: мм².

Диаметр провода без изоляции: см.

Диаметр провода с изоляцией: см.

Плотность тока в обмотке:

Число витков в слое:

витков.

Округляем:  витка.

Число слоев в обмотке:

слоя.

Рабочее напряжение двух слоев обмотки:

В.

Толщина междуслойной изоляции:

 мм.

Радиальный размер обмотки для двух катушек без экрана:

см.

Внутренний диаметр обмотки:

см.

Наружный диаметр обмотки:см.

Осевой размер обмотки ВН принимается равным ранее определенному осевому размеру обмотки НН:

см.

Для обмотки, состоящей из двух катушек с осевым каналом между ними, внутренняя катушка намотана непосредственно на цилиндр, - три поверхности охлаждения (коэффициент К = 0,83):

м².

4. Определение характеристик короткого замыкания

4.1 Определение потерь короткого замыкания

а) Определение электрических потерь в обмотках.

Средние диаметры обмоток:

обмотки НН: см.

обмотки ВН: см.

Вес провода для обмоток ВН и НН рассчитываем по формуле (для медного провода):

 , кг

обмотка НН: кг

обмотка ВН:

кг

Электрические потери в обмотках:

в обмотке НН: Вт.

в обмотке ВН: Вт.

б) Определение добавочных потерь.

Коэффициент добавочных потерь:

Для медного прямоугольного провода при (обмотка НН):

 , где

коэффициент

Следовательно,

Для круглого провода при  (обмотка ВН):

где коэффициент

Следовательно,

в) Определение электрических потерь в отводах.

Длина отводов приближенно определяется:

Для НН (соединение Y): см.

Для ВН (соединение Y): см.

Вес металла отводов:

Для НН: кг.

Для ВН: кг.

где γ = 8,9 кг/дм³ - удельный вес металла отводов.

Электрические потери в отводах:

Вт.

Вт.

г) Определение потерь в стальных деталях трансформатора.

 Вт

где К - коэффициент, принимаем К = 0,01

д) Определение полных потерь короткого замыкания.

Полные потери к. з.:

 Вт

Соотношение полученной и заданной мощности:

.2 Определение напряжения короткого замыкания

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

, %

где  - ширина приведенного канала рассеяния: принимаем

см.

Уточняем диаметр канала между обмотками

 , см

см.

тогда реактивная составляющая:

Напряжение короткого замыкания:

Проверка отклонения полученного значения u_K от заданного:

4.3 Определение механических сил в обмотках

Так как мощность трансформатора меньше 1000 кВА, то согласно [1], определяем действующее значение установившегося тока короткого замыкания основного ответвления обмоток НН и ВН по формуле:

А.

 А

Соотношение , следовательно, по табл. 7.3. [2] определим коэффициент , учитывающий максимально возможную апериодическую составляющую тока короткого замыкания:

Мгновенное максимальное значение тока короткого замыкания:

А.

А.

Радиальная сила:

 кН

Среднее сжимающее напряжение в проводе обмотки НН:

МПа.

Среднее растягивающее напряжение в проводе обмотки ВН:

МПа.

Осевые силы в обмотках:

₁= l₂, поэтому

Рисунок 6. По рис. 7.11 [2] Распределение сжимающих сил.

При определении напряжения сжатия от радиальной силы находится сила, сжимающая внутреннюю обмотку, условно рассматриваемая как статическая,

. (7.48) [2]

Температура обмотки через  после возникновения короткого замыкания:

, °С

где - наибольшая продолжительность к. з., в соответствии с указаниями [2], принимаем с.

- начальная температура обмотки, °С

Следовательно,

По табл. 7.6 [2] допустимая температура .

5. Окончательный расчет магнитной системы. Определение характеристик холостого хода

5.1 Определение размеров пакетов и активных сечений стержня и ярма

Принята конструкция трёхфазной плоской шихтованной магнитной системы, собираемой из пластин холоднокатаной стали марки 3405, толщиной 0,35 мм. Стержни магнитной системы скрепляются без прессующей пластины с прессовкой стержня обмоткой без бандажей. Размеры пакетов выбраны по табл. 8.1[1] для стержня диаметром 0,09 м. Число ступеней в сечении стержня 5 в сечении ярма 4.

Размеры пакетов в сечении стержня и ярма по табл. 8.1 [1], 8.2[2]

Рисунок 7. Ступенчатая форма ярма.

Общая толщина пакетов стержня (ширина ярма) - м. Площадь ступенчатой фигуры сечения стержня по таблице 8.6.[2]:

см² м²

Площадь сечения ярма:

 см² м²

Объем угла магнитной системы:

см³ м³

Активное сечение стержня:

м².

Активное сечение ярма:

м².

Объем стали угла магнитной системы:

Vм

5.2 Определение веса стержня и ярм и веса стали

Число каналов ;cm

Длина стержня магнитной системы:

см.

 расстояние от обмотки до верхнего и нижнего ярма.

Расстояние между осями стержней:

см.

где - расстояние между обмотками стержня, по табл. 4.5. [2], мм

Масса стали угла магнитной системы:

кг.

кг/м³ - плотность трансформаторной стали

Масса частей ярм, заключенных между осями крайних стержней:

кг.

Масса стали в частях ярм в углах:

кг.

Полная масса стали ярм:

кг.

Рисунок 8. К определению размеров сердечника

Масса стали стержней в пределах окна магнитной системы:

кг.

Масса стали в местах стыка пакетов стержня и ярма:

кг.

Общая масса стали стержней:

кг.

Общая масса стали плоской магнитной системы:

кг.

5.3 Определение потерь холостого хода

Индукция в стержне:

Тл.

Индукция в ярме:

Тл.

Индукция на косом стыке:

Тл.

Площадь сечения стержня на косом стыке:

м².

Удельные потери для стали стержней, ярм и стыков по табл. 8.10 [2] для стали марки 3404 толщиной 0,35 мм при шихтовке в две пластины:

при Тл, Вт/кг, Вт/м²;

при Тл, Вт/кг, Вт/м²;

при Тл, Вт/м².

Для плоской магнитной системы с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на среднем стержне, с многоступенчатым ярмом, без отверстия для шпилек, с отжигом пластин после резки стали, и удаления заусенцев для определения потерь холостого хода применим выражение:

 , Вт

где - коэффициент добавочных потерь, по табл. 8.14 [2],

 - коэффициент увеличения потерь в углах, по табл. 8.13 [2],

Тогда потери холостого хода:

В процентах от заданного значения:

5.4 Определение тока холостого хода

По таблице 8.17 [2] находим намагничивающие мощности:

при Тл,  ВА/кг, ВА/м²;

при Тл, ВА/кг,  ВА/м²;

при Тл,         Вт/м².

Для принятой конструкции магнитной системы и технологии ее изготовления намагничивающую мощность рассчитаем по формуле:

где коэффициенты  (§ 8.3 [2])

 (§ 8.3 [2])

 (по табл. 8.21 [2])

 (по табл. 8.20 [2])

Следовательно, намагничивающая мощность:

 Вар

Ток холостого хода:

Активная составляющая тока холостого хода:

Реактивная составляющая тока холостого хода:

Коэффициент полезного действия трансформатора:

6. Тепловой расчет

6.1 Поверочный тепловой расчет обмоток

Внутренний перепад температуры:

обмотка НН (прямоугольный провод):

, °С

 - плотность теплового потока на поверхности обмотки:

 Вт/м²

Тогда

 °С

Потери, выделяющиеся в 1 см³ общего объема обмотки:

Средняя теплопроводность обмотки:

, Вт/см °С

где - средняя условная теплопроводность обмотки без учета междуслойной изоляции:

Вт/см °С

Следовательно  Вт/см °С

Полный внутренний перепад температуры в обмотке ВН (круглый провод): не имеющих горизонтальных охлаждающих каналов.

Потери, выделяющиеся в 1 см³ общего объема обмотки:

Вт/см³

Средняя теплопроводность обмотки:

Вт/см °С

 Вт/см °С

 °С

Средний перепад температуры составляет 2/3 от полного перепада:

°С

°С

Для цилиндрических обмоток из прямоугольного и круглого провода, не имеющих радиальных каналов, перепад на поверхности обмотки:

Для обмотки НН:

°С

 Вт/м²

где  - по табл. 10.2 [1],

Для обмотки ВН:

 Вт/м²

следовательно, по табл. 10.2 [1],

°С

Рассчитаем среднее превышение температуры обмоток над средней температурой воздуха:

 °С

 °С

Вывод

Знания основ проектирования электрических машин и трансформаторов необходимо инженерам - электромеханикам, эксплуатирующим энергетические установки и электропривод. Они должны знать, как проектируются электрические машины и как могут быть получены наиболее высокие их характеристики. Эти знания помогут в сознательной эксплуатации и модернизации существующих энергетических установок.

Интенсивный рост энергосистем требует дальнейшего повышения мощности и улучшения качества выпускаемых трансформаторов. Поэтому важное значение имеет вопрос о рациональном проектировании и производстве трансформаторов общего и специального назначения.

Целью курсового проектирования являются изучение студентами основных методов расчета и конструктивной разработки электрической машины или трансформатора. Курсовой проект является комплексной работой, которая требует понимания связей между показателями машин и ее размерами.

Список литературы

1. Сечин В.И.. Расчет силовых трансформаторов. Учебное пособие.- Хабаровск: ДВГУПС, 1993.

2. Тихомиров П.М.. Расчет трансформаторов.-М: Энергоатомиздат, 1986.