Проектирование трехфазного трансформатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

ФГБОУ ВО «НИЖНЕВАРТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра электроэнергетики и электротехники

Курсовой проект по дисциплине

Электрические машины

по теме: Проектирование трехфазного трансформатора

Выполнил: студент 4 курса группы 9661

заочного отделения Скобелева Яна Александровна

Принял: кандидат технических наук, доцент

Иванилов Юрий Леонидович

Нижневартовск, 2019



Содержание

трансформатор электрический магнитный изоляционный

• 1. Общая часть. Пути развития отечественного трансформаторостроения
• 2. Расчетная часть
• 2.1 Расчет основных электрических величин трансформатора
• 2.2 Выбор изоляционных расстояний и расчет основных размеров трансформатора
• 2.3 Выбор конструкции и расчет обмоток НН и ВН трансформатора
• 2.4 Расчет потерь короткого замыкания
• 2.5 Расчет магнитной системы и характеристик холостого хода
• 2.6 Расчет коэффициента полезного действия при номинальной нагрузке
• 2.7 Тепловой расчет трансформатора
• 2.8 Расчет массы трансформатора
• Библиографический список
• Приложения

• Задание на проектирование трехфазного трансформатора
• Исходные данные для проектирования трехфазного трансформатора представлены в табл. 1 и табл. 2.

Выбор варианта задания производится по последним цифрам шифра, присвоенного студенту. Для всех вариантов принять высшее напряжение (ВН) обмотки U_вн = 35 кВ. Для четной последней цифры шифра (варианта) низкое напряжение (НН) обмотки U_нн = 6,0 кВ, для нечетной цифры U_нн = 10 кВ.

Таблица 1

Исходные данные на проектирование

Параметры проектирования	Обозна- чение параметра	Последняя цифра шифра в зачетках
		1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Мощность трансформатора типа ТМН, кВА		1000	1600	2500	4000	6300
Напряжение к. з., %		6,5	6,5	6,5	7,5	7,5
Потери х.х., Вт		2100	2900	4100	5600	7600
Потери к.з., Вт		11600	16500	23500	33500	46500
Ток х. х., %		1,4	1,3	1,0	0,9	0,8

П р и м е ч а н и я.

1. Напряжение в задании указано линейное.

2. Потери и ток холостого хода (х. х.) приведены для ориентировочной оценки полученных в ходе расчета величин.



Таблица 2

Дополнительные требования

Условие	Предпоследняя цифра шифpa в зачетках
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Материал обмоток	Cu	Al	Cu	Al	Cu	Al	Cu	Al	Cu	Al
Группы соединения	Y/Д-11	Д/Y-11	Y/Y-0	Y/Д-5	Д/Y-5

П р и м е ч а н и я.

1. В обозначениях группы соединения на первом месте всегда указывается схема соединения обмоток высшего напряжения (ВН), а на втором - низкого напряжения (НН), независимо от нумерации обмоток в ходе расчета.

2. Приняты следующие условные обозначения схем соединения обмоток: Y - звезда, Д - треугольник.

Тема задания: Спроектировать трансформатор ТМ-2500/35 - трехфазный двухобмоточный трансформатор с естественным масляным охлаждением, регулирование напряжения при отключенной нагрузке.

Исходные данные:

1.Номинальная мощность 4000 кВ?А

2.Обмотка ВН 35 ±(2Ч2,5%) кВ

3.Обмотка НН 6 Кв

4.Схема и группа соединения обмоток Д/Y-5

5.Частота 50 Гц

5.Потери КЗ Р_к - 33500 Вт

6.Потери XX Р₀ - 5600 Вт

7.Напряжение КЗ - 7,5 %

8.Ток XX- 0,9 %

Курсовая работа выполняется в объеме:

1.Общая часть

1.1.Пути развития отечественного трансформаторостроения.

2. Расчетная часть

2.1.Расчет основных электрических величин трансформатора.

2.2.Выбор изоляционных расстояний и расчет основных размеров.

2.3.Выбор конструкции и расчет обмоток НН и ВН трансформатора.

2.4. Расчет потерь короткого замыкания.

2.5.Расчет магнитной системы и характеристик холостого хода.

2.6. Определение КПД трансформатора.

2.7.Тепловой расчет трансформатора.

2.8.Расчет массы трансформатора.

В качестве справочного материала использовать данные приведенные в конце указаний.



1. Общая часть. Пути развития отечественного трансформаторостроения

Совершенствование трансформаторостроения началось с момента его возникновения. В основном характеристики трансформаторов и их весогабаритные данные улучшались с применением более качественных и специальных материалов. Так, например, с применением (в 1904 г.) легированной стали вес трансформаторов сразу уменьшился почти вдвое. Улучшение качества электротехнической стали продолжается и по настоящее время и от этого улучшения в основном зависит уменьшение расхода активных материалов и повышение к. п. д. трансформаторов.

Силовые трансформаторы имеют весьма высокий к. п. д., для большинства составляющий 98--99% и более. Однако ввиду установки в распределительных сетях общей мощности трансформаторов, в 7-- 8 раз превышающей мощность генераторов, общие потери во всем парке трансформаторов достигают 6% от всей электроэнергии, вырабатываемой электростанциями.

ГОСТ 11677--65 (общий стандарт на силовые трансформаторы) предусматривает ряд улучшений в конструкции силовых трансформаторов по сравнению с ранее действовавшим ГОСТ 401--41.

В первую очередь это относится к улучшению их характеристик холостого хода и короткого замыкания, т. е. в целом значения к. п. д. Повышение к. п. д. в основном стало возможным вследствие внедрения холоднокатаной электротехнической стали, имеющей меньшие значения удельных потерь и намагничивающей мощности по сравнению с горячекатаной сталью. Одновременно с этим для лучшего использования холоднокатаной стали потребовались отмена отверстий в пластинах магнитопровода и применение его бесшпилечной прессовки, косых и комбинированных стыков пластин, отжига пластин, продольных каналов из неметаллических материалов, бандажей из стеклоленты или стекловолокна, изготовление магнитопровода без предварительной зашихтовки верхнего ярма, применение магнитных мостов и другие виды прогрессивной технологии.

Большого внимания требует совершенствование технологических процессов производства обмоток и изоляции трансформаторов. Обмотки и изоляция ответственные и вместе с тем трудно контролируемые узлы конструкции. Весьма важным является вопрос о качестве электротехнического картона как одного из основных изоляционных материалов. Применяемый в настоящее время изоляционный картон имеет усадки, достигающие 8--9% по толщине, что требует введения дополнительных операций по стабилизации размеров изоляции.

Наилучшим решением данного вопроса являлось бы получение малоусадочного картона, но из-за его отсутствия на трансформаторных, заводах вводятся процессы предварительной стабилизации картона; вылеживанием и прессовки изоляционных деталей и обмоток в целом, на разных стадиях изготовления.

Для крупных трансформаторов в перспективе применение многоходовых обмоток НН с числом параллельных проводов до 200, петлевых обмоток ВН с применением транспонированного провода и отдельных регулировочных многоходовых слоевых обмоток ВН по числу ступеней регулирования. Для повышения электрической прочности целесообразно более широко практиковать отмену пропитки обмоток.

Из отдельных конструктивных решений и направлений конструирования можно отметить применение разъемных баков и баков колокольного типа, прямотрубных навесных охладителей вместо трубчатых баков, изготовление нажимных колец, намотанных из электротехнической стали и запекаемых на эпоксидных смолах.

Экономичность работы электрических сетей и поддержание постоянства величины напряжения у потребителей требует расширения выпуска трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой (РПН). Выпуск таких трансформаторов требуется довести до 50% суммарной мощности выпускаемых силовых трансформаторов, включая большинство трансформаторов с напряжением ПО кВ и выше, а также распределительные трансформаторы мощностью от 25 до 6300 кВА на напряжение 10 и 35 кВ.

При разработке этих трансформаторов должно быть, отдано предпочтение переключающим устройствам с токоограничивающими резисторами, как имеющим меньшие габаритные размеры по сравнению с реакторными устройствами и не требующим отдельного бака для контакторов.

Разработка параллельных серий силовых трансформаторов с медными и алюминиевыми обмотками позволит получить большую экономию меди. Эта медь может быть использована в трансформаторах большой мощности с целью уменьшения потерь короткого замыкания при меньших габаритных размерах, что не может быть достигнуто при алюминиевых обмотках. Трансформаторы с медными и алюминиевыми обмотками могут иметь одинаковые характеристики при одинаковом весе электротехнической стали, меньшем общем весе, но с большей высотой сердечника, а, следовательно, и трансформатора [Л. 2]. Силовые трансформаторы с алюминиевыми обмотками мощностью до 6300 кВА обеспечивают полноценную замену трансформаторов с медными обмотками, так как могут иметь те же характеристики холостого хода и короткого замыкания.

Стоимость этих трансформаторов примерно одинакова, и поэтому такая замена может считаться равноценной в техническом и экономическом отношениях. Экономия активных, изоляционных и конструктивных материалов может быть получена в первую очередь за счет широкого применения автотрансформаторов на напряжения ПО--500 кВ путем снижения испытательных напряжений, уменьшения изоляционных промежутков при разработке новых конструкций изоляции, применения новых систем форсированного охлаждения трансформаторов с направленной принудительной циркуляцией масла и новых типов охладителей.

С повышением напряжения размеры и надежность работы трансформатора в большой степени зависят от качества изоляционных материалов и от конструкции самой изоляции. Рациональная конструкция, применение новых, более совершенных материалов и внедрение прогрессивной технологии позволят уменьшить изоляционные промежутки и, следовательно, соответственно уменьшить размеры и вес трансформатора. В части повышения надежности трансформаторов при импульсных воздействиях большую роль сыграло введение емкостной защиты, принцип и конструкция которой продолжают непрерывно совершенствоваться.

Расширение производства трансформаторов, рост мощности в одной единице и напряжения обмоток ВН вызывают необходимость в более широком развитии научно-исследовательских работ, связанных с трансформаторостроением. Следует отнести исследования полей рассеяния с целью уменьшения вызываемых ими добавочных потерь, механической прочности обмоток при коротком замыкании, электрической прочности изоляции при промышленной частоте и при импульсных воздействиях, разработки новых, более эффективных, охладительных систем, рациональной технологии производства, в частности, вакуумной сушки трансформаторов, рациональных методов проектирования трансформаторов и их экономической оценки.

Научно-исследовательские работы необходимы в целях оказания помощи трансформаторным заводам при разработке и изготовлении трансформаторов, отвечающих требованиям современной энергетики как в отношении высших уровня мощности и класса напряжения, так и в отношении качества. Основные показатели качества: получение экономической трансформации -- снижения потерь энергии, экономии материалов, уменьшения веса и габаритных размеров, увеличение электрической и механической прочности и повышение надежности.



2. Расчетная часть

2.1 Расчет основных электрических величин трансформатора

Номинальные линейные токи при любой схеме соединения

,

где - номинальная мощность по заданию, кВА;

- номинальное линейное напряжение по заданию, кВ;

- номер обмотки (ВН, НН).

Тогда номинальные линейные токи

,.

Фазные токи при соединении «звезда» равны линейным:

,

при соединении «треугольник»

.

Фазные напряжения при соединении «звезда»

при соединении «треугольник» равны линейным

Активная составляющая напряжения к. з.

где - потери к. з. по заданию, Вт.

Реактивная составляющая напряжения к.з.

,

где - напряжение к. з. по заданию, %.

2.2 Выбор изоляционных расстояний и расчет основных размеров трансформатора

Испытательные напряжения определяем по табл. П1: для обмотки ВН , для обмотки НН.

Для испытательного напряжения обмотки ВН по табл. П2, а для испытательного напряжения обмотки НН по табл. П3, находим изоляционные расстояния (cм. рис. П1):

= 2 см - осевой канал между обмотками НН и ВН одной фазы;

- расстояние от обмоток до ярма исходя из требований равенства высот обмоток НН и ВН;

= 1,8 см - расстояние между обмотками ВН и ВН соседних фаз;

= l,75 см - расстояние от стержня до обмотки HH.

Для изготовления сердечников серийных трансформаторов обычно применяют холоднокатаную текстурованную сталь марок 3404 - 3408 толщиной 0,35 - 0,27 мм (табл.П4), обладающей низкими или особо низкими удельными потерями и повышенной магнитной проницаемостью, позволяющей повысить индукцию в сердечнике до =1,55ч1,65 Тл с жаростойким покрытием с отжигом. Для магнитопровода проектируемого трансформатора выбираем холоднокатаную текстурованную сталь марки 3405 толщиной 0,3 мм.

Расчет основных размеров трансформаторов проводим в соответствие рис. П2 (а).

Диаметр окружности, в которую вписано ступенчатое сечение стержня, является первым основным размером трансформатора. Вторым основным размером трансформатора является осевой размер - высота его обмоток. Обычно обе обмотки трансформатора имеют одинаковую высоту . В случае различия в высоте за размер принимают их среднее арифметическое значение. Третьим основным размером трансформатора является средний диаметр витка двух обмоток, или диаметр осевого канала между обмотками , связывающий диаметр стержня с радиальными размерами обмоток и и осевого канала между ними .

Определяем диаметр стержня (первый основной размер трансформатора)

где - мощность одной фазы, которая определяется по формуле

- ширина приведенного канала рассеяния трансформатора, определяется по формуле . Размер предварительно определяют по формуле , здесь - коэффициент канала рассеяния, принимается равным 0,6 (по табл. 6). Тогда . Окончательно ;

в = 3 - определяет соотношение между шириной и высотой трансформатора для разных мощностей (табл. П5), при этом меньшим значениям для одинаковых мощностей соответствуют трансформаторы, относительно узкие и высокие, большим - широкие и низкие (рис. П2 б);

- коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному полю (коэффициент Роговского) и при определении основных размеров можно принять равным 0,95;

= % - реактивная составляющая напряжения к.з.;

= 1,65 Тл - магнитная индукция холоднокатаной текстурованной стали марки 3405 толщиной 0,3 мм для масляных трансформаторов (табл. П6);

- коэффициент заполнения сталью (предварительно можно принять равным 0,9).

Подставив указанные параметры, определяем диаметр стержня

см.

Из нормализованной шкалы (см. ниже) берем ближайшее значение нормализованного диаметра см.

Нормализованная шкала содержит следующие диаметры:

8; 9; 10; 11; 12,5; 14; 16; 18; 20; 22; 24; 26; 28; 30; 32; 34; 36; 38; 40; 42; 45; 48; 50; 53; 56; 60; 63; 67; 71; 75 - для магнитных систем без поперечных каналов;

80; 85; 90; 95; 100; 1003; 106; 109; 112;115; 118; 122; 125; 132; 136; 140; 145; 150 - для магнитных систем, имеющих поперечные каналы.

Площадь полного поперечного сечения фигуры стержня определится по формуле

,

где - коэффициент, учитывающий наличие охлаждающих каналов в сечении стержня. Для масляных трансформаторов мощностью 4000 кВ·А с прессующей пластиной для ориентировочного диаметра с числом ступеней в сечении стержня 8 (рис. П3) принимается равным 0,9 (табл. П7).

Тогда площадь поперечного сечения ступенчатой фигуры стержня

.

Определяем ЭДС витка

,

где - активное сечение стержня, которое определяется по формуле

,

здесь - коэффициент заполнения для холоднокатаной текстурованной стали марки 3405 толщиной 0,3 мм принимается равным 0,96 (табл. П4).

Определяем ориентировочную высоту обмоток (второй основной размер трансформатора)



,

где - средний диаметр между обмотками (третий основной размер трансформатора), может быть приближенно определен по формуле

где б = 1,4ч1,45 для алюминиевого провода, б = 1,3ч1,35 для медного провода.

Для расчета предлагаются два варианта конструкции плоской магнитной системы: с четырьмя косыми стыками по углам, двумя прямыми в ярме и одним прямым в стержне (рис. П4 а); с шестью косыми стыками и двумя прямыми в ярме (рис. П4 б). Принимаем для дальнейшего рассмотрения вариант с четырьмя косыми стыками по углам, двумя прямыми в ярме и одним прямым в стержне, поскольку в сердечниках, собираемых из холоднокатаной текстурованной стали, такой способ сборки способствует снижению потерь в зонах сопряжения стержней и ярм.

2.3 Выбор конструкции и расчет обмоток

Конструкция (тип) обмотки определяется рядом параметров: током, напряжением, сечением витка, числом витков и т.п. Для заданного ряда мощностей и напряжений ориентировочно тип обмотки можно выбрать по данным табл. П8 и П10.

Обмотки одно- или двухслойные и винтовые используются только на стороне НН, многослойные из круглого провода, как правило, - на стороне ВН, катушечные из прямоугольного провода могут быть использованы на любой стороне трансформатора.

Многослойная обмотка из круглого провода наиболее проста в изготовлении, однако имеет наихудшие условия охлаждения. Обмотка из прямоугольного провода имеет лучшие условия охлаждения, проста в изготовлении и в связи с этим широко используется в практике трансформаторостроения. Катушечная обмотка является наиболее универсальной, достаточно простой и хорошо охлаждаемой. Поэтому для дальнейшего рассмотрения выбираем обмотку непрерывную катушечную из прямоугольного провода.

Катушкой называется группа последовательно соединенных витков обмотки, конструктивно объединенная и отделенная от других таких же групп или от других обмоток трансформатора. Следовательно, каждая обмотка может состоять из одной, двух, нескольких или многих катушек.

Во всех типах обмоток принять различать осевое и радиальное направления. Осевым считается направление, параллельное оси стержня трансформатора, на который насаживается данная обмотка. Радиальным считается направление любого радиуса окружности обмотки. В этом смысле принято говорить также об осевых и радиальных каналах (рис. П5).

Расчет обмоток проводим в следующей последовательности.

1. Расчет обмотки НН.

Число витков на одну фазу обмотки НН определяется по формуле

,

где фазное напряжение НН; ЭДС одного витка.

Тогда число витков на одну фазу обмотки НН:

щ_нн = 6000/32,197 = 186,352=187 витков.

Уточняем ЭДС одного витка

Действительная индукция в стержне уточняется по формуле

1,644 Тл.

Ориентировочное сечение витка НН

,

где J средняя плотность тока в обмотках равна 1,8 А/ (по табл. П9 для алюминиевого провода).

К этому сечению витка по сортаменту обмоточного провода (табл. П11) подбираются число параллельных прямоугольных проводов обычно равным 2 (не более 4-6) и подходящие сечения прямоугольного провода. По табл. П11 выбираем провод с номинальными размерами по стороне а и стороне b с изоляцией на две стороны 0,5 мм (см. рис. П6).

Подобранные размеры провода записываются так:

,

,

где АПБ - марка алюминиевого (круглого и прямоугольного сечения) провода (медные провода имеют марку ПБ); - число проводников в витке, которое подобрано из расчета, что их суммарное сечение должно быть близким к рассчитанному (49,4 мм2), т.е. по табл. П11 подбираем два провода в витке НН с сечением каждого провода 77,166/2=38,583 мм2, ближайшее будет 38,65 мм2.

Следовательно, реальное сечение витка из двух параллельных проводов НН принимается равным

= 2 · 24,73 = 77,3 .

Уточняем плотность тока

.

Число катушек на одном стержне

,

где -- осевой размер (высота) канала (в трансформаторах мощностью от 160 до 6300 кВ·А и рабочим напряжением не более 35 кВ колеблется от 0,4 до 0,6). Принимаем = 0,6 см.

Тогда

Принимаем .

Тогда число витков в катушках НН (округляем до целого числа)

.

Определяем высоту обмотки НН

см,

где - коэффициент, учитывающий усадку изоляции после сушки и прессовки обмотки, принимается равным 0,94ч0,96 (принимаем равным 0,96).

Определяем радиальный размер обмотки

см.

Внутренний диаметр обмотки

см.

Наружный диаметр обмотки

см.

2. Расчет обмотки ВН

Число витков при номинальном напряжении на одну фазу обмотки ВН

Обычно ступени регулирования напряжения делаются равными между собой. В этом случае число витков обмотки на одной ступени регулирования

здесь 2,5 - процентная ступень регулирования.

Принимаем = 16 витков.

Обычно ответвления для регулирования напряжения делают от наружных витков обмотки ВН. Для трансформаторов типа ТМ обычно применяется регулирование напряжения без возбуждения (ПБВ).

Число витков на ответвлениях на верхних ступенях:

;

.

Число витков на номинальное напряжение = 630.

Число витков на ответвлениях на нижних ступенях:

;

.

Ориентировочная плотность тока:

А/.

Ориентировочное сечение витка

.

По полученному сечению витка по табл. П11 подбираем число и реальное сечение провода ВН:

,

где АПБ - марка провода; - число проводников в витке ВН, по табл. П10 принимаем равным 1, т.е. один провод в витке ВН, т.к. самое близкое к расчетному значению 36,64.

Следовательно, реальное сечение витка ВН принимается равным

= 36,64.

Уточняем плотность тока

А/.

Таким образом, получили провод унифицированный, т.е. один и тот же в обеих обмотках НН и ВН, поэтому и число катушек ВН в первом приближении примем равным числу катушек НН, т.е. сли в дальнейшем при расчете высоты обмотки ВН окажется, что этот размер сильно отличается от высоты обмотки НН , следует изменить число катушек ВН , но в любом случае число должно быть четным, чтобы была возможность симметричного регулирования напряжения как в сторону повышения напряжения, так и в сторону его снижения. При незначительных расхождениях в высотах обмоток ВН и НН следует принять высоту обмоток, равной среднему из высот ВН и НН.

Обычно в обмотке ВН выделяют регулировочную часть (иногда в виде отдельной обмотки) и разделяют на ряд ступеней с необходимым числом витков, концы которых выводят с помощью ответвлений (катушечные обмотки).

Тогда из расчета, что число витков на одной ступени регулирования равно 16, предусматриваем на каждую ступень регулирования по 2 катушки с числом витков в каждой по 8. Поэтому регулировочных катушек будет (2 кат. х 4 отв.) = 8 катушек. Следовательно, основных катушек будет 27 - 8 = 19 (рис. П7).

Число витков в основных катушках ВН (округляем до целого)

.925

Определяем высоту обмотки ВН

см,

где осевой размер (высота) канала (в трансформаторах мощностью от 160 до 6300 кВ·А и рабочим напряжением не более 35 кВ колеблется от 0,4 до 0,6), принимаем 0,6 см;

высота канала в месте разрыва обмотки и размещения регулировочных витков выбирается по изоляционным соображениям и рекомендуется принять равным 1,5 см;

- коэффициент, учитывающий усадку изоляции после сушки и опрессовки обмотки, принимается равным 0,94ч0,96 (принимаем равным 0,96).

Как видим, высота обмотки ВН совпадает с высотой обмотки НН:

= == 55 см.

Следовательно, число катушек ВН не изменяем и принимаем равным

Определяем радиальный размер обмотки

см.

Внутренний диаметр обмотки

см.

Наружный диаметр обмотки

см.

2.4 Расчет потерь короткого замыкания

Потерями короткого замыкания двухобмоточного трансформатора называются потери, возникающие в трансформаторе при установлении в одной из обмоток тока, соответствующего номинальной мощности, и замкнутой накоротко другой обмотке.

Потери короткого замыкания рассчитываем по следующей методике.

1. Расчет основных потерь в обмотках.

Основные потери НН:

- для алюминиевого провода

Вт;

- для медного провода

,

где масса металла обмотки НН, которая для алюминиевого провода с

определяется по формуле

где с число активных (несущих обмотки) стержней трансформатора (для трехфазного принимается равным 3; средний диаметр обмотки, определяется как среднее между внутренним и наружным диаметрами обмоток НН, см; число витков обмотки НН; · сечение витка на НН, мм².

Для медного провода с расчет проводят по следующей формуле

.

Основные потери обмотки ВН:

- для алюминиевого провода

Вт;

- для медного провода

,

где масса металла обмотки ВН, которая для алюминиевого провода с

определяется по формуле

где число активных (несущих обмотки) стержней трансформатора (для трехфазного принимается равным 3; средний диаметр обмотки, определяется как среднее между внутренним и наружным диаметрами обмоток ВН, см; число витков обмотки ВН; · сечение витка на ВН, мм².

Для медного провода с расчет проводят по следующей формуле

.

2. Расчет добавочных потерь в обмотках

Добавочные потери в обмотке рассчитываются с учетом материала и формы провода. Для некоторых частных случаев, например при частоте 50 Гц, для медных и алюминиевых проводов можно пользоваться следующими приведенными ниже формулами.

Для алюминиевого провода (с_А = 0,344 мкОм·м) при частоте 50 Гц используется формула:

- прямоугольного провода при

;

- прямоугольного провода при

;

- для круглого провода при

.

Для медного провода (с_А=0,02135 мкОм·м) при частоте 50 Гц используется формула:

- прямоугольного провода при

;

- прямоугольного провода при

;

- для круглого провода при

.

В приведенных формулах значения в_Д и в_Д1 для изолированного провода всегда меньше единицы, поэтому приближенно можно взять их равными 0,74;

а размер проводника, перпендикулярный направлению линий магнитной индукции осевой составляющей поля рассеяния;

n число проводников обмотки в направлении, перпендикулярном направлению линий магнитной индукции осевой составляющей поля рассеяния, которое для катушечных обмоток определяется по формуле

.

Тогда ,85 .

Добавочные потери для данного варианта алюминиевого прямоугольного провода при :

- в обмотке НН

;

- в обмотке ВН

.

Основные потери в отводах.

Длина отводов:

- для схемы соединения треугольник (НН)

;

- для схемы соединения звезда (ВН)

.

Масса отводов НН

,

где плотность металла отводов, для алюминия = 2700 (для меди = 8900 ).

Потери в отводах НН

Вт.

Масса отводов ВН

.

Потери в отводах ВН

Вт

Потери в стенках бака и других элементах конструкции приближенно:

,

где S полная мощность трансформатора, кВ·А; коэффициент, приведенный ниже, принимаем = 0,03:

Мощность, кВ·А	До 1000	1000-4000	6300-10000	16000-25000
	0,01- 0,015	0,02 - 0,03	0,03 - 0,04	0,04 - 0,05

Полные потери к.з. будут равны сумме найденных выше потерь:

.

Полные потери к.з., рассчитанные выше, не должны отличаться от заданных более чем на 15 %:

Следовательно, расчеты удовлетворяют требованию.



2.5 Расчет магнитной системы и характеристик холостого хода

1. Определение размеров и массы магнитопровода.

Основные размеры и данные стержня сердечника - его диаметр и высота, число ступеней и активное сечение, марка стали были определены в начале расчета трансформатора до расчета обмоток (п. 2.2).

Определение размеров и массы магнитопровода проводим по следующей схеме. Выбираем трехстержневую конструкцию магнитной системы с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми - на среднем (рис. П4 а).

Прессовку стержня осуществляем бандажами из стеклоленты, ярм - полубандажами, проходящими вне активной стали.

Расстояние между осями обмоток (рис. П2 а)

принимаем 58 см.

Выписываем из табл. П12 для диаметра стержня = 360 мм сечение стержня (фигуры) , сечение ярма (фигуры) и высоту ярма (равная ширине наибольшей пластины):

= 910,3 см²; = 917,5см², =3,5 см.

Определяем высоту окна (стержня)

, принимаем 75 см.

где - расстояния от обмоток до верхнего и нижнего ярма (рис. П2 а). Для трансформаторов с мощностью от 1000 до 6300 МВт можно принять: = 7,5, = (7,5+4,5).

Определим массу одного из углов магнитной системы. Угол можно представить себе как ступенчатое тело, образованное в результате пересечения ступенчатых тел стержня и ярма. Масса одного угла (углы 3 на рис. П8)

кг,

где V_y объем угла,; коэффициент заполнения сечения магнитопровода сталью для современных трансформаторов из холоднокатаной стали с жаростойким покрытием принят равным 0,96 (см. табл. П4); плотность электротехнической стали, равная 7,85 кг/ для холоднокатаной стали.

Объем угла определяется по формуле

.

Масса стержней (стержни 1на рис. П8)

,

где с число стержней магнитной системы; сечение стержня (фигуры), см²; Н высота окна (стержня), см; высота ярма, см, равная ширине наибольшего листа ярма.

Масса ярм для трехстержневого магнитопровода (ярма 2 на рис. П8)

кг.

Масса стали для трехстержневого магнитопровода

.

2. Расчет потерь холостого хода.

Пусть магнитная индукция в стержне = 1,65 Тл (см. п. 2.2.). Магнитная индукция в ярме определяется по формуле

Тл.

Среднее значение индукции в углах возьмем равным индукции в стержне

.

Для этих значений индукции из табл. П13 находим значения удельных потерь мощности стержней (для), ярм (для), и из табл. П14 коэффициенты увеличения потерь для углов с прямыми стыками для стержней (для) и косыми стыками для ярм (для):

= 1,260 Вт/кг; = 1,238 Вт/кг; = 2,54 (для прямого стыка с отжигом для стержня); =1,59 (для косого стыка с отжигом для ярма).

Потери в магнитопроводе определяются по следующей формуле

,

где удельные потери, найденные по табл. П13, по индукции в стержне; то же для ярма; и число углов с прямыми стыками листов и коэффициент увеличения потерь в них; и то же для углов с косыми стыками; коэффициент, учитывающий добавочные потери в магнитной системе, который для современной конструкции магнитопроводов (с прессовкой бандажами из стеклоленты, рулонной сталью) можно принять равным 1,1 в случае отжига листов и 1,17 при отсутствии отжига. Коэффициент увеличения потерь в углах определяется по среднему значению индукции в угле.

Тогда потери в магнитопроводе

,

Расчетные потери холостого хода следует выдерживать в пределах норм в ГОСТ плюс половина допуска. Согласно ГОСТ 11677-75 в готовом трансформаторе установлен допуск ± 15 %. Таким образом, в расчете следует выдерживать потери холостого хода в пределах нормы соответствующей ГОСТ ±7,5 %.

Относительное отклонение потерь холостого хода

, что допустимо.

3. Расчет тока холостого хода.

Расчет тока холостого хода выполним по следующей схеме.

Средняя индукция в зазорах косых стыков

Тл.

Из табл. П13 находим значения удельных намагничивающих мощностей стержней (для), ярм (для), зазоров прямых стыков стержней (для) и ярм (для), и косых стыков (для) и из табл. П14 коэффициенты увеличения намагничивающей мощности для углов с прямыми и косыми стыками:

=1,840 В·А/кг; =1,755 В·А/кг; = 0,298 В·А/см²;

= 2,240 В·А/см²; =2,176 В·А/см²; =13,1; = 2,59.

Намагничивающая мощность всей системы

,

,

где коэффициент, который принимается равным 1,65 при отжиге листов и 2,3 при отсутствии отжига; и удельные намагничивающие мощности, найденные по табл. П13 по индукции в стержне и индукции в ярме; и коэффициенты, учитывающие увеличение намагничивающей мощности в углах с прямыми и косыми стыками, берутся по табл. П14 по среднему значению индукции в углах; намагничивающая мощность, требуемая для прохождения магнитного потока через зазоры стыков (рис. П4 а); = 1 - число зазоров прямого стыка сердечника; = 2 - число зазоров прямого стыка якоря; = 4 - число зазоров косого стыка якоря.

Относительное значение тока холостого хода



.

Полученное значение тока холостого хода должно быть сверено с предельно допустимым значением по ГОСТ. Отклонение расчетного значения тока холостого хода от заданного гарантийного следует допускать не более чем на половину допуска, разрешенного ГОСТ (по ГОСТ 11677-75 разрешен допуск ±30 %). Таким образом, в расчете следует выдержать отклонение тока холостого хода на ± 15 %.

Ток холостого хода получился меньше заданного = 0,9 %, следовательно, трансформатор удовлетворяет требованиям.

Если же получится расчетное значение тока холостого хода больше заданного, то следует провести расчет по формуле

.

Относительное значение активной составляющей тока XX, %

Относительное значение реактивной составляющей тока XX, %

%.



2.6 Расчет коэффициента полезного действия при номинальной нагрузке

Расчет проводим для следующих условий: cos ц = 1, , что допустимо, тогда

2.7 Тепловой расчет трансформатора

1. Тепловой расчет обмоток.

Определяем удельные тепловые нагрузки обмоток , Вт/м². Непрерывные, дисковые и винтовые обмотки рассчитываются по формулам:

- для алюминия

,

- для меди

,

здесь - коэффициент закрытия части обмотки рейками принять равным для НН и ВН = 0,6; - периметр катушки, мм; - ток, проходящий через катушку, А; - число витков в катушке; - плотность тока, А/мм²; - коэффициент, учитывающий добавочные потери.

Удельная тепловая нагрузка обмотки НН (алюминий)

Вт/м²,

здесь- периметр одной катушки НН определяется по формуле

мм.

Удельная тепловая нагрузка обмотки ВН (алюминий)

Вт/м²,

здесь - периметр одной катушки ВН определяется по формуле

мм.

Превышение температуры обмоток над температурой масла:

- обмотки НН (внутренней) (табл. П15)

;

- обмотки ВН (внешней) (табл. П16)

.

2. Размеры бака и поверхность охлаждения бака и крышки.

Определяем размеры бака и поверхность охлаждения бака, крышки и дна (рис. П9).

Находим ширину бака

,

где - наружный диаметр внешней обмотки ВН; - изоляционное расстояние от внешней обмотки до стенки бака (табл. П17).

Определяем длину бака

см,

где А - расстояние между осями стержней магнитопровода (рис. П3).

Определяем глубину бака

,

где - высота активной части; - сумма расстояний от магнитопровода до дна и крышки бака, принимаем =50 см (табл. П17); - высота окна; - высота ярма;

- толщина подкладки под нижнее ярмо, обычно принимается равной см.

Поверхность гладкого овального бака, крышки и дна

,

.

Определяем допустимое среднее превышение температуры масла, омывающего обмотки, над воздухом из условия, чтобы температура наиболее нагретой катушки обмоток превышала температуру воздуха не более, чем допускает ГОСТ 11677-75, т. е.

.

В этой формуле следует взять в качестве среднего большее из двух значений и , т.е.принимаем .

Среднее превышение температуры стенки бака над воздухом будет меньше на величину перепада температуры между маслом и стенкой бака

,

здесь обычно не превышает 5 - 6 °С.

Полученное значение должно удовлетворять неравенству, вытекающему из требования ГОСТ:

,

где коэффициент, определяющий отношение максимального и среднего превышений температуры масла, в предварительном расчете можно принять = 1,2.

Тогда

.

В случае, если значение не будет удовлетворять указанному неравенству, следует принять и отсюда определить значение:

.

С помощью табл. П18 по найденному среднему превышению температуры масла над воздухом определяем допустимую удельную тепловую нагрузку бака : для (из диапазона 525ч532 Вт/).

Потери, отводимые с поверхности бака,

Вт.

Потери, отводимые с поверхности радиаторов,

Вт.

Необходимая площадь радиаторов

м².

По табл. П19 выбираем три радиатора =3 (24/3=8) со следующими характеристиками: учитывая, что теплоотдающая поверхность выбираемого радиатора не должна быть меньше расчетной, 8 м²:

Меж осевое расстояние , мм	Высота , мм	Ширина , мм	Количество рядов	Масса , кг	Теплоотдаю-шая поверхность	Масса маслa в радиаторе , кг
1100	1295	254	2	113	9,79	61

Уточняем удельную тепловую нагрузку бака

Вт/м².

По табл. П18 находим 38,5° С.

Определяем превышение температуры обмоток над воздухом:

- обмотки НН

;

- обмотки ВН

,

что близко к допустимой .

2.8 Расчет массы трансформатора

Масса активной части

кг,

где масса провода определяется по формуле

.

Масса бака с радиаторами

,

здесь плотность для холоднокатаной стали, равная 7,85 кг/дм³ или 7850 кг/м³ (принять для всех вариантов задания); объем стального бака, определяется по формуле:

м²,

,

где толщина стали бака, принять = 10 мм или 0,01 м.

Полная масса масла

кг,

,

,

где средняя плотность активной части, принимается для трансформаторов с медными обмотками и - для трансформаторов с алюминиевыми обмотками; 0,9 или плотность трансформаторного масла.

Масса трансформатора



Библиографический список

Вольдек А.И. Электрические машины. Введение в электромеханику. Ч.1. СПб., Питер, 2007. 370 с.

Вольдек А.И. Электрические машины. Машины переменного тока. Ч.2. СПб., Питер, 2007. 350 с.

Гольберг О.Д. Проектирование электрических машин. М.: Высш. шк., 2006. 430 с.

Беспалов В.Я. Электрические машины. М.: Изд-во «Академия», 2010. 320 с.

Тихомиров П. М. Расчет трансформаторов. М.: Энергоатомиздат, 1986. 260 с.

Антонов, Ю. Ф. Сверхпроводниковые топологические электрические машины / Ю.Ф. Антонов, Я.Б. Данилевич. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. 368 c.

Богаенко, И. Н. Контроль температуры электрических машин / И.Н. Богаенко. М.: Техника, 1975. 176 c.

Бокман, Г. А. Конструкция и технология производства электрических машин и аппаратов / Г.А. Бокман, И.С. Пузевский. М.: Высшая школа, 2000. 344 c.

Размещено на Allbest.ru

...