Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• 1. Задачи на расчёт трансформатора
• 2. Определение основных электрических величин
• 3. Расчет основных размеров трансформатора
• 3.1 Выбор схемы, конструкции, материала и технологии изготовления магнитной системы
• 3.3 Выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток
• 3.4 Выбор материала и конструкции обмоток
• 4. Расчёт основных коэффициентов
• 4.1 Определение основных размеров
• 5. Расчёт обмоток НН и ВН
• 5.1 Расчёт обмоток НН
• 5.2 Расчёт обмоток ВН
• 6. Определение параметров короткого замыкания
• 6.1 Определение потерь короткого замыкания
• 6.2 Расчёт напряжения короткого замыкания
• 6.3 Определение механических сил в обмотках и нагрева при коротком замыкании
• 7. Расчёт магнитной системы трансформатора
• 7.1 Определение размеров магнитной системы
• 7.2 Определение потерь холостого хода
• 7.3 Расчёт тока холостого хода
• 8. Тепловой расчёт системы охлаждения
• 8.1 Тепловой расчёт обмоток
• 8.2 Тепловой расчет бака
• Заключение

Введение

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более обмоток связанных индуктивно, и предназначенные для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

В народном хозяйстве используются трансформаторы различного назначения в диапазоне мощностей от долей вольт-ампера до 1 млн. кВА и более. Принято различать трансформаторы малой мощности с выходной мощностью 4 кВА и ниже для однофазных и 5 кВА и ниже для трёхфазных сетей и трансформаторы силовые мощностью от 6,3 кВА и более для трёхфазных и от 5 кВА и более для однофазных сетей.

Проектирование трансформатора ставит целью повышение качества трансформатора, экономия материалов и затрат на производство трансформатора, а также снижение потерь энергии при их работе. Полученный при проектировании опыт может быть полезен инженерам и техникам, работающим в области проектировании, производства, эксплуатации и ремонта трансформаторов

Целью данной курсовой работы является проектирование трёхфазного масляного трансформатора ТМ - 25/10, соответствующего ГОСТ 12022-76.

1. Задачи на расчёт трансформатора

Рассчитать трёхфазный понижающий трансформатор со следующими характеристиками

Номинальная мощность S=25 кВА

Напряжение обмотки ВН

Напряжение обмотки НН

Число фаз

Схема и группа соединения обмоток

Напряжение короткого замыкания

Ток холостого хода

Потери короткого замыкания

Потери холостого хода

2. Определение основных электрических величин

Мощность одной фазы, кВА:

кВА

где S - мощность трансформатора, m - число фаз

Мощность обмоток одного стержня:

кВА

где с - число активных (несущих обмотки) стержней трансформатора (мощность в кВА).

Номинальные (линейные) токи на сторонах для трехфазного трансформатора, А:

обмотки ВН

А

где U₂ - номинальное линейное напряжение обмотки ВН, В;

обмотки НН



А

где U₁ - номинальное линейное напряжение обмотки НН, В.

Фазные токи и напряжения обмоток зависят от схемы их соединения.

Фазные токи обмотки одного стержня для схемы соединения Y/ Y -0 равны линейным токам.

А

А

Фазные напряжения при этом соединении:

обмотки ВН

кВ

обмотки НН

В

Испытательные напряжения обмоток:

Обмотки ВН кВ

Обмотки НН кВ

Активная составляющая напряжения короткого замыканияu_a,

- потери короткого замыкания в Вт, S - мощность трансформатора, кВА.

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания

- заданное напряжение короткого замыкания;

- активная составляющая напряжения короткого замыкания.

3. Расчет основных размеров трансформатора

3.1 Выбор схемы, конструкции, материала и технологии изготовления магнитной системы

Выбираем плоскую шихтованную магнитную систему стержневого типа с вертикально расположенными стержнями, имеющими поперечное сечение стержня в виде ступенчатой фигуры, вписанной в окружность, и с концентрическим расположением обмоток как наиболее распространенную. При этой системе магнитный поток ярма равен потоку стержня. Магнитная система с четырьмя косыми стыками на крайних стержнях и двумя прямыми стыками на среднем стержне.

Прессовка стержней бандажами из стеклоленты.

Число ступеней в сечении стержня - 5.

Коэффициент заполнения круга

Ярмо - многоступенчатое, число ступеней 5.

Материал магнитной системы - холоднокатаная текстурированная рулонная сталь марки 3404 толщиной 0.35 мм.

Изоляция пластин - нагревостойкое изоляционное покрытие.

Коэффициент заполнения сечения пакета сечением стали

Общий коэффициент заполнения сталью

Прессовка стержня - расклиниванием с обмоткой.

Прессовка ярма - балками, стянутыми шпильками, расположенными вне ярма.

Коэффициент усиления ярма

3.2 Выбор индукции в магнитной системе

Индукция в стержне Тл

Индукция в ярме вычисляется по формуле

Тл

Индукция в зазоре на прямом стыке

Тл

Индукция на косом стыке

Тл

Удельные потери в стали:

Вт/кг

Вт/кг

Удельная намагничивающая мощность:

ВА/кг

ВА/кг

Для зазоров на прямых стыках

ВА/м²

Для зазоров на косых стыках

ВА/ м²

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

Изоляционные расстояния

Для обмотки НН кВ:

м - расстояние обмотки НН до стержня,

м - расстояние обмотки НН до ярма

м - толщина изолирующих цилиндров между обмоткой НН и стержнем,

Для обмотки ВН:

м - расстояние обмотки ВН до заземленных частей (ярма),

м - изоляционные расстояния между обмотками ВН и НН,

м - изоляционные расстояния между обмотками ВН и НН,

м - толщина изолирующих цилиндров между обмоткой НН и ВН,

м - выступ цилиндра.

Ширина приведённого канала рассеяния:

м.

3.4 Выбор материала и конструкции обмоток

Сечение витка обмотки:



где - ток соответствующей обмотки одного стержня.

- средняя плотность тока в обмотках (табл. 5.7)

МА/м²

Сечение витка обмотки ВН

м²

Сечение витка обмотки НН

м²

По таблице 5.8 выбираем материал и конструкцию обмоток:

Обмотка НН - алюминиевая цилиндрическая одно- и двухслойная из прямоугольного провода.

Обмотка ВН - алюминиевая цилиндрическая многослойная из круглого провода.

электрический трёхфазный трансформатор замыкание

4. Расчёт основных коэффициентов

Коэффициент Роговского:

кг

кг

где - изоляционное расстояние от обмотки ВН до ярма.

кг,

где

- коэффициент, равный отношению среднего диаметра витка двух обмоток к диаметру стержня,

кг

кг,

где - коэффициент, учитывающий добавочные потери в обмотках, потери в отводах, стенках бака и других электрических конструкциях от гистерезиса вихревых токов, от воздействия поля рассеяния,

Мпа

Минимальная стоимость активной части трансформатораимеет место при условиях описанных уравнением:

.

где

где - коэффициент, зависящий от цен на материалы обмоток и магнитной системы

- коэффициент для учёта изоляции провода и регулирования напряжения.

Решение этого уравнения даёт , соответствующее минимальному.

Находим предельные значения по допустимым значениям плотности тока и растягивающим механическим напряжениям.

Оба полученных значения лежат за пределами обычно применяемых.

Масса одного угла магнитной системы:

Активное сечение стержня:

Площадь зазора на прямом стыке:

Площадь зазора на косом стыке:

Для магнитной системы потери холостого хода:

Намагничивающая способность:

Дальнейший расчёт, начиная с определения массы стали магнитной системы, для различных значений (от 1,8 до 2,8) проводится в форме табл.1.

Таблица 1. Предварительный расчёт трансформатора с плоской шихтованной магнитной системой и алюминиевыми обмотками

?	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6
	1,047	1,068	1,088	1,107	1,125
	1,095	1,140	1,183	1,225	1,265
	1,147	1,217	1,287	1,355	1,423
	28,806	28,235	27,717	27,243	26,807
	2,903	3,021	3,136	3,246	3,352
	31,709	31,256	30,852	30,488	30,159
	26,535	28,177	29,788	31,369	32,925
	2,246	2,337	2,426	2,511	2,593
	28,781	30,514	32,213	33,880	35,518
	60,5	61,8	63,1	64,4	65,7
	2,119	2,251	2,379	2,506	2,630
	93,892	96,315	98,743	101,173	103,599
	0,004	0,004	0,005	0,005	0,005
	602,104	617,109	631,910	646,517	660,940
	2,4	2,5	2,5	2,6	2,6
	24,134	23,187	22,343	21,586	20,900
	24,858	23,882	23,014	22,233	21,527
	25,603	24,599	23,704	22,900	22,173
	46,342	44,524	42,904	41,450	40,133
	106,8	106,3	106,0	105,8	105,8
	1375294	1403092	1429329	1454197	1477850
	1,12	1,19	1,26	1,33	1,39
	0,079	0,081	0,082	0,084	0,085
	0,114	0,117	0,119	0,121	0,123
	0,299	0,282	0,267	0,253	0,241
	0,731	0,734	0,736	0,738	0,740

Результаты расчётов, проведённых в таблице 1, показаны в виде графиков на рисунках 1.1-1.6



Рисунок 1-1 Изменение массы стали с изменением для трансформатора типа 25/10

Рисунок 1-2 Изменение потерь холостого хода с изменением для трансформатора типа 25/10

Рисунок 1-3 Изменение тока холостого хода с изменением для трансформатора типа 25/10



Рисунок 1-4 Изменение плотности тока с изменением для трансформатора типа 25/10

Рисунок 1-5 Изменение относительной стоимости активной части с изменением для трансформатора типа 25/10

Рисунок 1-6 Изменение механических напряжений с изменением для трансформатора типа 25/10

Номограмма:

		>1,01
		>ГОСТ
		> ГОСТ
		>
		>60 МПа

4.1 Определение основных размеров

Уточняем значения.

Диаметр стержня

По найденному диаметру выбирается ближайшее значение из нормализированного ряда диаметров стержня d_н.

м.

После выбора нормализированного диаметра d_н уточняется значение

Средний диаметр обмотки ВН и НН.

м

Активное сечение стержня:

м

Высота обмоток:

м

Высота стержня:

м

Расстояние между осями стержней:

м

Электродвижущая сила одного витка

В

Масса стали G_ст = (кг)

Масса обмоток G_o (кг)

Масса провода G_пр (кг)

Плотность тока J(А/м²)

Механические напряжения в обмотках _р (МПа)

Потери и ток холостого хода P_x (Вт), i_o (%)

Средняя плотность тока в обмотках:

МА/м²

5. Расчёт обмоток НН и ВН

5.1 Расчёт обмоток НН

Число витков на одну фазу:

Округляем до

Напряжение одного витка:

В

Действительная индукция в стержне:

Ориентировочное сечение витка:

мм²

По таблице 5.8 по мощности 25 кВА, току на один стержень 36,084 А, номинальному напряжению обмотки 400 В и сечению витка 22,9мм², выбираем конструкцию двухслойной цилиндрической обмотки из алюминиевого медного провода марки АПБ.

Число витков в одном слое:

Ориентировочный осевой размер витка:

м

По таблице 5.2 выбираем виток из2-х параллельных проводов марки ПБ с намоткой на ребро.

АПБ

Общее сечение витка

мм²

Плотность тока:

МА/м²

Высота витка:

м

Осевой размер обмотки:

м

Радиальный размер обмотки:

м

Где - радиальный размер канала при кВ выбирается па условиям изоляции не менее 4 мм.

Внутренний диаметр обмотки:

м

Наружный диаметр обмотки:

м

Полная охлаждаемая поверхность обмотки НН:

м²

Масса обмотки:

кг

Масса провода по таблице 5.5:

кг

5.2 Расчёт обмоток ВН

Число витков в обмотке ВН при номинальном напряжении:

Число витков принимаем равным

Число витков на одной ступени регулирования при соединении обмоток ВН звездой:

Осевой размер обмотки ВН:

м

Плотность тока:

МА/м²

Ориентировочное сечение витка обмотки ВН:

мм²

По таблице 5.8, с учётом полученных данных (S=25кВА, I₂=1,443, U₂=10000В,) выбираем цилиндрическую многослойную обмотку из алюминиевого круглого провода.

Выбираем провод:

ПБ

Полное сечение витка:

м²

Полученная плотность тока:

МА/м²

Число витков в слое:

Число слоёв в обмотке:

Принимаем

Рабочее напряжение двух слоёв:

В

Число слоёв и общая толщина кабельной бумаги по таблице 4.7:

2 слоя

Толщина бумаги - 0,12 мм

мм

Выступ междуслойной изоляции на торцах обмотки на одну сторону равна 16 мм.

Минимальная толщина масляного канала между катушками по таблице 9.2

мм

Ширина масляного канала между обмотками по таблице 9.2:

Радиальный размер обмотки без экрана:

м

Радиальный размер обмотки, при условии, что под внутренним слоем установлен металлический экран - незамкнутый цилиндр из алюминиевого листа толщиной 0,5 мм

мм

м

Расчётная величина масляного канала между обмотками:

мм

м

Внутренний диаметр обмотки:

м

Наружный диаметр обмотки с экраном:

м

Поверхность охлаждения, для обмотки ВН на рейках с каналом:

м²

Масса обмотки:

кг

Масса провода по таблице 5.4:

кг

6. Определение параметров короткого замыкания

6.1 Определение потерь короткого замыкания

Масса обмотки НН:

Средний диаметр обмотки НН:

м

кг

Масса обмотки ВН:

Средний диаметр обмотки ВН:

м

кг

Основные потери в обмотках НН:

Вт

Основные потери в обмотках ВН:

Вт

Добавочные потери:

Обмотка НН:

Средний коэффициент добавочных потерь:

где b=0,0045 - размер проводника в направлении, параллельном линиям магнитной индукции поля рассеяния;

m=66,5 - число проводников обмотки в направлении, параллельном направлению линий магнитной индукции поля рассеяния;

n=133 - число проводников обмотки в направлении, перпендикулярном направлению линий магнитной индукции поля рассеяния;

k_p=0,95 - коэффициент приведения поля рассеяния.

Обмотка ВН:

Средний коэффициент добавочных потерь:

где m=173

n=14

k_p=0,95

d=1,32 - диаметр провода.

Плотность теплового потока обмотки НН:

Вт/м²

Плотность теплового потока обмотки ВН:

Вт/м²

Расчёт потерь в отводах.

Плотность металла отводов - кг/м³

Площадь отводов НН:

мм²

Длина отводов для соединения звездой:

м

Масса отводов НН:

кг

Потери в отводах НН:

Вт

Площадь отводов ВН:

мм²

Длина отводов для соединения звездой:

м

Масса отводов НН:

кг

Потери в отводах НН:

Вт

Потери в стенках бака и других элементах конструкции.

По таблице 7.1

Вт

Полные потери короткого замыкания:

Вт

6.2 Расчёт напряжения короткого замыкания

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

%

Ширина приведённого канала рассеяния:

м

м

м

Реактивная составляющая:

%

Напряжение короткого замыкания:

%

6.3 Определение механических сил в обмотках и нагрева при коротком замыкании

Действующее значение установившегося тока короткого обмотки ВН замыкания определяется:

А

где МВА - мощность короткого замыкания электрической сети по таблице 7.2.

Мгновенное максимальное значение тока короткого замыкания:

А

Радиальная сила:

Н

Среднее сжимающее напряжение в обмотках НН:

МПа

Среднее растягивающее напряжение в обмотках ВН:

МПа

где n=19 - число слоёв обмотки ВН.

Осевые силы в обмотках:

МПа.

Напряжение на опорных поверхностях:

МПа

МПа

где n=4 - число прокладок по окружности обмотки;

b=0,0045 - ширина прокладки, м.

Температура обмотки через 4 секунды ().

Начальная температура обмотки: .

Время достижения обмоткой температуры

с.

7. Расчёт магнитной системы трансформатора

7.1 Определение размеров магнитной системы

Принята конструкция трёхфазной плоской шихтованной системы, собираемой из пластин холоднокатаной стали марки 3404, 0,30мм.

Стержни магнитной системы прессуются путём расклинивания с обмоткой, ярма прессуются ярмовыми балками. Размеры пакетов выбраны по таблице 8.3 для стержня диаметром 0,082 м без прессующей пластины. Число ступеней в сечении стержня - 4, в сечении ярма -3.

№ пакета	Размеры пакетов в стержне ,мм	Размеры пакетов в ярме
1	7010	7010
2	606	606
3	504	504
4	404

Коэффициент заполнения круга для стержней

Ширина крайнего наружного пакета ярма мм.

Общая толщина пакетов стержня (ширина ярма)

Площадь ступенчатой фигуры сечения стержня по таблице 8.7: м²

Площадь сечения ярма: м²

Объём угла плоской шихтованной магнитной системы: м³

Активное сечение стержня:

м²

где- коэффициент заполнения сечения пакета сечением стали.

Активное сечение ярма:

м²

Объём угла магнитной системы:

м³

Длина стержня:

м

где- расстояние от обмотки НН до ярма.

Расстояние между осями соседних стержней:

м

Определение массы стержней и ярм и массы стали:

Плотность трансформаторной стали: кг/м³

Масса угла магнитной системы:

кг

Масса стали ярм:

кг

где с=3 - число активных стержней.

кг

кг

Масса металла стержней:

кг

кг

где м - ширина первого пакета стержня.

кг

Общая масса плоской магнитной системы:

кг

7.2 Определение потерь холостого хода

Индукция в стержне:

Тл

Индукция в ярме:

Тл

Индукция на косом стыке:

Тл

Площади сечения немагнитных зазоров на прямом стыке среднего стержня равны соответственно активным сечениям стержня и ярма:

Площадь сечения стержня на косом стыке:

м²

Удельные потери для стержней, ярм и стыков по таблице 8.10 для стали марки 3404 толщиной 0,30 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 отверстий для шпилек, с отжигом пластин после резки стали и удаления заусенцев для определения потерь примем:

так как отношение числа ступеней стержня к числу ступеней ярма

по таблице8.12, сталь отожжена

по таблице8.12, сталь отожжена

сталь отожжена

сталь отожжена

для трансформатора 25 кВА

по таблице 8.13.

Потери холостого хода:

7.3 Расчёт тока холостого хода

По таблице 8.17 находим удельные намагничивающие мощность:

при Тл Вт/кг Вт/м²

при Тл Вт/кг Вт/м²

при Тл Вт/кг Вт/м²

Для принятой конструкции магнитной системы и технологии её изготовления принимаем коэффициенты:

по таблице 8.20

по таблице 8.21

так как отношение числа ступеней стержня к числу ступеней ярма

по таблице 8.12

Намагничивающая мощность холостого хода:



Ток холостого хода:

%

Активная составляющая тока холостого хода:

%

Реактивная составляющая тока холостого хода:

%

8. Тепловой расчёт системы охлаждения

8.1 Тепловой расчёт обмоток

Внутренний перепад температур:

Обмотка НН по формуле 9.9

где м - толщина изоляции на одну сторону

- теплопроводностьизоляции провода по таблице 9.1для бумажной изоляции, пропитанной маслом.

- плотность теплового потока поверхности обмотки

Обмотка ВН по формуле 9.10

где -Потери, выделяющиеся в 1 м³ общего объёма обмотки, вычисляется по формуле:

-средняя теплопроводность обмотки



где - теплопроводность междуслойной изоляции по таблице 9.1 для бумаги пропитанной маслом.

- средняя условная теплопроводность обмотки без учёта междуслойной изоляции:

Где

Перепад температуры на поверхности обмотки:

Обмотка НН:

Обмотка ВН:

Средний перепад температур:

Обмотка НН:

Обмотка ВН:

Среднее превышение температуры обмотки над средней температурой масла.

Обмотка НН

Обмотка ВН

8.2 Тепловой расчет бака

По таблице 9.4 в соответствии с мощностью трансформатора выбираем конструкцию бака со стенками в виде волн.

Изоляционные расстояния отводов определяем до прессующей балки верхнего ярма и стенки бака. До окончательной разработки конструкции внешние габариты прессующих балок принимаем равным внешнему габариту ВН.

Минимальная ширина бака:

м

Принимаем м.

Изоляционные расстояния:

мм для отвода кВ, расстояние до стенки бака по таблице 4.11

мм для отвода , расстояние до прессующей балки ярма по таблице 4.11

мм для отвода кВ, без покрытия, расстояние до стенки бака по таблице 4.12

мм для отвода кВ, для обмоткипо таблице 4.12

мм - диаметр изолированного отвода обмотки ВН;

мм - диаметр изолированного отвода обмотки НН;

Минимальная длина бака трехфазного трансформатора:

м

Где

мм

Принимаем м

Высота активной части:

м

где мм - толщина прокладки под нижнее ярмо.

м - высота ярма.

Принимаем расстояние от верхнего ярма до крышки бака при горизонтальном расположении над ярмом переключателя ответвлений ВН по таблице 9.5:

мм

Глубина бака:

м

Принимаем глубину бака: м

Допустимое превышение средней температуры масла над температурой окружающего воздуха для наиболее нагретой обмотки ВН:

Среднее превышение температуры стенки бака над воздухом, принимая перепад температуры между маслом и стенкой бака :

Найденное среднее превышение может быть допущено, так как превышение температуры масла в верхних слоях в этом случае будет

Т.к. полученное значение не удовлетворяет неравенство, принимаем значение , определим по выражению:



Для выбранного размера бака рассчитываем поверхность излучения бака:

м²

где м, т.е. на 0,1 м меньше, чем расчётная глубина бака.

мм - наибольшая глубина волны.

a/c=3 - отношение ширины воздушного канала волны а к ширине масляного канала с;из данного отношения, зная, что минимальная толщина масляного канала с=10 мм, определим а:

а=30 - ширина воздушного канала.

Шаг волны стенки:

м

где мм - толщина стенки.

Развёрнутая длина волны:

м

Число волн

Рассчитываем поверхность конвекции стенки:

м²

- коэффициент, учитывающий затруднение конвекции воздуха в воздушных каналах волн:

Где

Поверхность верхней рамы:

м²

Поверхность крышки бака:

м²

Полная поверхность излучения бака:

м²

Полная поверхность конвекции бака:

м²

Окончательный расчёт превышений температуры обмоток и масла.

Среднее превышение температуры стенки бака над температурой окружающего воздуха:

где

Среднее превышение температуры масла вблизи стенки над температурой стенки бака:

где - коэффициент, учитывающий способ охлаждения.

Превышение температуры масла над температурой окружающего воздуха:

Превышение температуры обмоток над температурой окружающего воздуха:

Обмотка НН

Обмотка ВН

Масса активной части:

кг

Объём активной части:

м³

Объём бака:

м³

Объём масла в баке:

м³

Масса масла в баке:

кг

Заключение

По результатам расчёта, соответствующего ГОСТ 12022-76 возможно сконструировать силовой трансформатор ТМ 25/0,4, параметры которого лежат в заданных пределах.

Использованные типы обмоток (ВН - многослойная цилиндрическая, НН - двухслойная цилиндрическая) трансформатора имеют относительную простую технологию изготовления, и обладают достаточной механической прочностью, надёжной изоляцией и хорошее охлаждение, что обеспечивает стабильную и безопасную работу трансформатора, а также длительный срок его службы.

Список использованной литературы

1. Тихомиров П.М. «Расчёт трансформаторов» М. Энергоатомиздат. 1986 г.

Размещено на Allbest.ru

...