Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ІНФРАСТРУКТУРИ УКРАЇНИ

УКРАЇНСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ ЗАЛІЗНИЧНОГО ТРАНСПОРТУ

КУРСОВА РОБОТА

з дисципліни: «Електричні машини»

2015



ВСТУП

З самого початку виробництва трансформаторів до них пред'являються найжорсткіші вимоги в частині техніко-економічних показників, а останнім часом й екологічні вимоги. Це стимулює постійне вдосконалення конструкції і технології, а також призвело до спеціалізації трансформаторів (силові, розподільчі, пічні, випробувальні тощо).

Силові трансформатори призначені для перетворення (трансформації) змінного струму однієї напруги в змінний струм іншої напруги - більш нижчої або більш вищої. Трансформатори, що знижують напругу, називаються знижувальними, а ті, що підвищують - підвищувальними. У їх складі силові трансформатори ТМ-10-4000, ТМГ-10-1600, ТМЗ, масляні силові знижувальні трифазні двохобмоточні трансформатори, вироблені для перетворення електроенергії в мережах споживачів та енергосистемах в умовах внутрішнього або зовнішнього встановлення при помірному (від +45°С до -45°С) або холодному (до -60°С) кліматі.

У звичайному конструктивному виконанні масляні трансформатори виду ТМГ і ТМ не створені для роботи при вібраціях і ударах, в хімічно активному середовищі, а також при встановленні їх по висоті над рівнем моря більше 1000 метрів. обмотка електричний трансформатор магнітний

Як в невеликих квартирах, так і на великих підприємствах використовуються масляні трансформатори струму, призначені для перетворення напруги в електромережах.

Трансформатори виготовляються двохобмоткові та триобмоткові. Триобмоткові трансформатори окрім обмоток НН і ВН мають обмотку СН (середньої напруги) та забезпечують електроенергією групи електроприймачів різної напруги.

Впродовж столітньої історії виробництва трансформаторів виготовлялися розподільчі трансформатори (0.1 - 10 MVA, 6-35 кV) різних типів: сухі масляні, наповнені негорючими діелектриками, знову сухі і, нарешті, епоксидні. Зараз епоксидні трансформатори постійно вдосконалюються.

На сьогоднішній день виготовляються розподільчі масляні, сухі традиційні та епоксидні трансформатори, які значно відрізняються як за технічними властивостями, так і за вартістю.



ВИХІДНІ ДАНІ

Тип трансформатора	ТМН
Номінальна потужність	2500 кВА
Номінальна напруга обмотки ВН	110 кВ
Номінальна напруга обмотки НН	22 кВ
Напруга короткого замкнення	10.5 %
Струм холостого ходу	1.5 %
Витрати короткого замкнення	22000 Вт
Витрати холостого ходу	5000 Вт
Матеріал обмоток	мідь
Вид перемикання обмоток	РПД
Схема та група з'єднання обмоток	Ун-Д-11



1. ПОПЕРЕДНІЙ РОЗРАХУНОК ТРАНСФОРМАТОРА

1.1 Розрахунок основних електричних величин та ізоляційних відстаней

Розрахунок трансформатора розпочинається з визначення основних електричних величин - потужності на одну фазу і стрижень, номінальних струмів на стороні ВН та НН, фазних струмів і напруги.

Потужність однієї фази трансформатора:

833.3 кВА. (1.1.1)

Потужність на одному стрижні:

833.3 кВА, (1.1.2)

де с - число стрижнів.

Номінальний фазний струм на стороні НН:

13.1 А. (1.1.3)

Номінальний фазний струм на стороні ВН:

37.9 А. (1.1.4)

Фазна напруга обмотки НН (Д):



22000 В. (1.1.5)

Обмотка ВН (Y):

63509 В. (1.1.6)

Згідно з табл. Б1[1] випробувальна напруга обмоток приймається:

для обмотки НН (Д): 55 кВ;

для обмотки ВН (Y): 200 кВ.

Мінімальні ізоляційні відстані обмотки НН з табл. Б8[1] з урахуванням конструктивних вимог: 75 мм,5 мм,23 мм.

Мінімальні ізоляційні відстані обмотки ВН з табл. Б6[1] з урахуванням конструктивних вимог: 75 мм, 27 мм,5 мм,50 мм,

30 мм.

Активна складова напруги короткого замкнення:

0.88%. (1.1.7)

Реактивна складова напруги короткого замкнення:

10.46 %. (1.1.8)

1.2 Визначення основних розмірів трансформатора

Магнітна система трансформатора є основою його конструкції. Вибір основних розмірів магнітної системи разом з основними розмірами обмоток визначає головні розміри активної частини та всього трансформатора.

Першим завданням, що вирішується при проектуванні магнітної системи силового трансформатора, є вибір її конструктивної схеми. При розрахунку плоскої магнітної системи з рулонної холоднокатаної сталі має бути вибраний план шихтовки пластин. З урахуванням рекомендацій, представлених на стор. 79[2] обирається плоска магнітна система з рулонної холоднокатаної сталі, шихтовка виконується з шістьма косими стиками.

Дана схема шихтовки магнітної системи дозволяє отримати низькі втрати холостого ходу і струму холостого ходу. Крім того, обрана схема відрізняється простотою технології.

З урахуванням завдання на проектування обирається холоднокатана електротехнічна сталь марки 3404 завтовшки 0,3 мм.

Діаметр стрижня попередньо:

0.257 м; (1.2.1)

де - потужність одного стрижня, кВА;

50 Гц - частота мережі, Гц;

- реактивна складова напруги короткого замкнення, %;

- приведена ширина каналу розсіювання, м;

0.053 м; (1.2.2)

0.026 м. (1.2.3)

де з табл. Б7[1];

- коефіцієнт Роговського (коефіцієнт приведення ідеального поля розсіювання до реального, 0,95);

- індукція в стрижні, 1.65 Тл

- коефіцієнт заповнення сталлю;

- коефіцієнт, що визначає відношення між діаметром та висотою обмотки, 1.8 (за табл. Б5[1]);

0.89, (1.2.4)

де - коефіцієнт заповнення круга, 0.929 (за табл. Б2[1]);;

- коефіцієнт заповнення перерізу пакета перерізом сталі, 0.96 (за табл. Б4[1]).

З нормалізованої шкали обираємо: 0.26 м.

Перераховуємо коефіцієнт :

1.87. (1.2.5)

Середній діаметр каналу між обмотками:

0.39 м, (1.2.6)

де - радіальний розмір обмотки,

0.027 м. (1.2.7)

Висота обмотки:

0.648 м; (1.2.8)

Активний переріз стрижня:



0.047 м². (1.2.9)

Електрорушійна сила одного витка:

17 В. (1.2.10)



2. РОЗРАХУНОК ОБМОТОК

2.1 Розрахунок обмотки НН

Число витків обмотки НН:

1272 витки. (2.1.1)

Напруга одного витка:

17.3 В. (2.1.2)

Середня щільність струму в обмотках для мідного дроту:

2.49 МА/м².

Переріз витка орієнтовно:

15.20 мм² (2.1.4)

Дійсна індукція в стрижні:

1.65 Тл. (2.1.5)

За показниками потужності (2500 кВА), струму на один стрижень (37.9 А), номінальної напруги однієї обмотки (22 кВ) та перерізу витка (15.20 мм ²) з обирається багатошарова циліндрична обмотка з дроту прямокутного перерізу.

Обираємо переріз одного дроту:

7.60 мм². (2.1.6)

За табл.Б14[1] та Б15[1] обираємо дріт марки

,

тобто ;7.63,

де 2 - число паралельних дротів;

- розмір дроту з ізоляцією.

Повний переріз витка:

15.26 мм² (2.1.7)

де 7.63 мм² - переріз одного дроту.

Число витків в одному шарі:

52 витки. (2.1.8)

Число шарів в обмотці:

25 шарів. (2.1.9)

Розраховуємо щільність струму:



2.48 МА/м². (2.1.10)

Напруга двох шарів обмотки:

1799 В. (2.1.11)

Радіальний розмір обмотки:

0.02 м, (2.1.12)

де мм - загальна товщина кабельного паперу (табл. Б10[1]);

7 мм - радіальний розмір осьового каналу;

1 - кількість каналів.

Внутрішній діаметр:

0.306 м. (2.1.13)

Зовнішній діаметр:

0.343 м. (2.1.14)

Середній діаметр:

0.325 м. (2.1.15)

Маса металу мідної обмотки НН:



529 кг. (2.1.16)

Маса металу відводів для мідного дроту:

1.23 кг,

де 9.08 м. (2.1.18)

Поверхня охолодження:

5.95 м², (2.1.19)

де = 0.8.

Основні втрати в обмотці НН (для міді):

7824.5 Вт. (2.1.20)

Щільність теплового потоку на поверхні багатошарової циліндричної обмотки:

1337.6 Вт/м², (2.1.21)

де для прямокутного мідного дроту:

1.02; (2.1.22)



25;

0.85, (2.1.23)

де - коефіцієнт приведеного поля розсіювання;

104.

2.2 Розрахунок обмотки ВН

Число витків обмотки ВН:

3663.5 витків. (2.2.1)

Приймаємо 3664 витки.

В трансформаторах з перемиканням відгалужень під навантаженням (РПН) необхідно передбачити зміну числа витків обмотки ВН в межах, передбачених в табл.Б16[1].

Число витків на одному ступені регулювання:

92 витки. (2.2.2)

Число витків на відгалуженнях:

4160 витків. (2.2.3)

3169 витків. (2.2.4)

Переріз витка орієнтовно:



5.3 мм² (2.2.5)

За показниками потужності (2500 кВА), струму на один стрижень (13.1 А), номінальної напруги однієї обмотки (110 кВ) та перерізу витка (5.3 мм ²) з (табл. Б12[1]) обирається безперервна котушкова обмотка з дроту прямокутного перерізу.

Обираємо дріт марки

,

тобто ;5.39,

де 1 - число паралельних дротів;

- розмір дроту з ізоляцією.

Число витків в одній котушці:

61 витки, (2.2.6)

де 61 котушок; (2.2.7)

5.35 мм - висота котушки.

Розраховуємо щільність струму:

2.49 МА/м². (2.2.8)

Радіальний розмір безперервної котушкової обмотки:

0.17 м. (2.2.9)



Внутрішній діаметр:

0.36 м. (2.2.10)

Зовнішній діаметр:

0.696 м. (2.2.11)

Середній діаметр:

0.528 м. (2.2.12)

Маса металу мідної обмотки НН:

855.0 кг. (2.2.13)

Маса металу відводів для мідного дроту:

0.23 кг.

Поверхня охолодження:

5.16 м². (2.2.15)

Основні втрати в обмотці ВН (для міді):



12751.12 Вт. (2.2.16)

Щільність теплового потоку на поверхні безперервної котушкової обмотки:

1172.7 Вт/м², (2.2.17)

де - для мідного дроту;

- для алюмінієвого дроту;

.

де для прямокутного мідного дроту:

1.00; (2.2.18)

61;

0.357, (2.2.19)

де - коефіцієнт приведеного поля розсіювання;

61.



3. РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ КОРОТКОГО ЗАМКНЕННЯ

Додаткові втрати в обмотках:

129.93 Вт. (3.1)

57.15 Вт. (3.2)

Втрати у відводах для міді:

18.23 Вт. (3.3)

3.40 Вт. (3.4)

Приблизно визначаємо втрати в стінках бака та інших елементах конструкцій до з'ясування розмірів бака:

1000 Вт, (3.5)

де 0.04.

Повні втрати короткого замкнення:

21763 Вт. (3.6)

Повні втрати короткого замкнення готового трансформатора не повинні відхилятися від гарантійного значення, заданого ГОСТ більше, ніж на 10 %.

Напругою короткого замкнення обмотувального трансформатора називають напругу, яку слід підвести до однієї з обмоток при замкненій накоротко іншій обмотці, щоб в обох обмотках встановилися номінальні струми. Напруга короткого замкнення визначає падіння напруги в трансформаторі при навантаженні, його зовнішню характеристику і струм короткого замкнення. Його розраховують у відсотках від номінальної напруги первинної обмотки і враховують при підборі трансформаторів на паралельну роботу.

Активна складова напруги короткого замкнення:

0.88 %. (3.7)

Реактивна складова напруги короткого замкнення :

16.45 %,

де коефіцієнт, що визначає розподіл активних матеріалів в трансформаторі:

1.87; (3.9)

ширина приведеного каналу розсіювання:

89.09 мм; (3.10)

0,97, (3.11)

0.1047. (3.12)

Напруга короткого замкнення:



16.48 %, (3.13)

Значення не повинне відрізнятись від значення 10.5 % , приведеного в завданні на проектування трансформатора, більше, ніж на 5%.

Струм короткого замкнення, що встановився на обмотці НН:

229.65 А, (3.14)

де 15000 МВА.

Струм короткого замкнення, що встановився на обмотці ВН:

79.55 А. (3.15)

Найбільший ударний струм короткого замкнення на обмотці НН:

564.9 А, (3.16)

де 2.46 (з табл. Б19[1]).

Найбільший ударний струм короткого замкнення на обмотці ВН:

195.7 А. (3.17)

Радіальна механічна сила:

544304.1 H. (3.18)



Радіальна сила, що діє на обмотку ВН, дорівнюватиме силі, що діє на обмотку НН, але з протилежного напрямку.

- 544304.1 H

Середня стискаюча напруга в дроті внутрішньої обмотки НН:

4.5 МПа. (3.19)

Середня стискаюча напруга в дроті зовнішньої обмотки ВН:

4.5 МПа. (3.20)

При рівномірному розподілі по висоті обмотки обтічним струмом витків обох обмоток з'являються осьові сили:

37390.6 Н. (3.21)

4. РОЗРАХУНОК МАГНІТНОЇ СИСТЕМИ

4.1 Визначення розмірів магнітної системи та маси сталі

Прийнята конструкція трифазної плоскої шихтованої магнітної системи, що збирається з пластин холоднокатаної текстурованої сталі марки 3404 завтовшки 0,3 мм.

Стрижні магнітної системи з'єднуються бандажами із склострічки, ярма пресуються ярмовими балками. Розміри пакетів вибрані для стрижня діаметром 0.26 м без пресуючої пластини. Число східців в перерізі стрижня - 8, в перерізі ярма - 6.

Загальна товщина пакетів стрижня (ширина ярма) - 0.23 м. Площа ступінчатої фігури перерізу стрижня обирається з табл. Б20 [1].

Площа перерізу стрижня 0.0491 м².

Площа перерізу ярма 0.0507 м².

Активний переріз стрижня:

0.047 м². (4.1.1)

Активний переріз ярма:

0.049 м². (4.1.2)

Довжина стрижня:

798 мм. (4.1.3)

Відстань між осями стрижнів:



0.726 м. (4.1.4)

Маса сталі кута магнітної системи:

79.6 кг, (4.1.5)

де 7650 кг/м³ - щільність трансформаторної холоднокатаної сталі.

Маса частин ярем, розташованих між осями крайніх стрижнів:

1080.5 кг. (4.1.6)

Маса частин ярем, розташованих на ділянках, що перекриваються:

159.2 кг. (4.1.7)

Повна маса двох ярем:

1239.7 кг. (4.1.8)

Маса сталі в стрижнях:

889.7 кг. (4.1.9)

Повна маса сталі плоскої магнітної системи:

2129.3 кг. (4.1.10)



4.2 Розрахунок втрат холостого ходу

Індукція в стрижні:

1.65 Тл. (4.2.1)

Індукція в ярмі:

1.60 Тл. (4.2.2)

Індукція до косого стику:

1.17 Тл. (4.2.3)

Площі перерізів немагнітних проміжків на прямому стику середнього стрижня дорівнюють площам активних перерізів стрижня і ярма відповідно.

Площа перерізу стрижня на косому стику:

0.1 м² (4.2.4)

За табл. Б22[1] визначаємо питомі втрати в сталі стрижнів і ярем в залежності від величини індукції в стрижні і ярмі:

1.278 Вт/кг;

1.23 Вт/кг.

Для плоскої магнітної системи з косими стиками на крайніх стрижнях та прямими стиками на середньому стрижні з багатоступінчатим ярмом без отворів для шпильок з відпалом пластин після різання сталі та видалення задирок. Втрати холостого ходу:



= 3391.0 Вт, (4.2.5)

де 1.15 (стор.28[1]);

1.46 (табл. Б21[1]).

4.3 Розрахунок струму холостого ходу

Потужність холостого ходу, що намагнічує:

13039.8 Вт, (4.3.1)

де 2.012 ВА/кг; 1.688 ВА/кг (з табл. Б24[1]);

1.3; 1.35; 1.07; 4.65 (з табл. Б.23[1]).

1593.2 Вт, (4.3.2)

де 4000 ВА/м².

Реактивна складова струму холостого ходу:

0.52 %. (4.3.3)

Активна складова струму холостого ходу:



0.1 %. (4.3.4)

Відносне значення повного струму холостого ходу від номінального:

0.54 %. (4.3.5)



5. ТЕПЛОВИЙ РОЗРАХУНОК ТРАНСФОРМАТОРА

5.1 Тепловий розрахунок обмоток

Внутрішній перепад температури обмотки НН:

2.2?С, (5.1.1)

де 0,25·10^-3м - товщина ізоляції дроту на один бік;

0,17 Вт/м²·?С - теплопровідність кабельного паперу в маслі.

Внутрішній перепад температури обмотки ВН:

4.47 ?С, (5.1.2)

Перепад температури на поверхні обмотки НН:

28.9?С

де (стор. 427-428[2]).

Перепад температури на поверхні обмотки ВН:

27.7 ?С,

де (стор. 427-428[2]).

Повний перепад температури на обмотці НН:

31.1 ?С (5.1.5)



Повний перепад температури на обмотці ВН:

32.2 ?С (5.1.6)

5.2 Тепловий розрахунок бака

В залежності від потужності трансформатора (2500 кВА) з табл. 9.4[2] обирається бак з навісними радіаторами з прямими трубами

Мінімальна ширина бака для трансформатора з класом напруги 110 кВ та більше:

= 1.5 м. (5.2.1)

Мінімальна довжина бака для трансформатора з класом напруги 110 кВ та більше:

3.75 м. (5.2.2)

Глибина бака:

1.71 м, (5.2.3)

де 400 м (стор. 431[1]).

1.31 м, (5.2.4)

де 50 мм (стор. 431[1]).

Допустиме перевищення середньої температури масла над температурою навколишнього повітря для найбільш нагрітої обмотки НН:

33.9?С.

Знайдене середнє перевищення може бути допущене, оскільки перевищення температури масла в верхніх шарах в цьому випадку становитиме:

40.7 ?С < 60 ?С. (5.2.5)

Приймаючи заздалегідь перепад температури на внутрішній поверхні стінки бака 5 ?С, знаходимо середнє перевищення температури зовнішньої стінки бака над температурою повітря:

28.9 ?С. (5.2.6)

Для створення необхідної поверхні охолодження доцільно використати навісними радіаторами з прямими трубами з відстанню між осями фланців 3750 мм, поверхнею труб 21 м² та двох колекторів 1.44 м². Для встановлення даних радіаторів глибина бака повинна бути прийнятою:

3.94 м, (5.2.7)

де 0.085 м та 0.1 м - відстані від осей фланців до нижнього та верхнього зрізів стінки бака відповідно (табл. 9.9[2]).

Поверхня конвекції гладкої стінки для вибраних розмірів бака:

36 м². (5.2.8)

Орієнтовна поверхня випромінювання бака з радіаторами:



54.29 м², (5.2.9)

Орієнтовна необхідна поверхня конвекції для заданого значення = 28.9?С:

108.34 м². (5.2.10)

Поверхня кришки бака:

2.939 м², (5.2.11)

де 0,16 м - подвоєна ширина верхньої рами бака;

0,5 - коефіцієнт, що враховує закриття поверхні кришки введеннями та арматурою.

Поверхня конвекції радіаторів:

69.2 м². (5.2.12)

Поверхня конвекції радіатора, приведена до поверхні гладкої стінки:

27.90 м². (5.2.13)

Необхідна кількість радіаторів:

3 радіатори. (5.2.14)



Поверхня конвекції бака:

108.3 м². (5.2.15)

Остаточний розрахунок перевищення температури обмоток та масла:

Середнє перевищення температури стінки бака над температурою навколишнього повітря:

27.5 ?С, (5.2.16)

де 1.05 (для індивідуального розрахунку).

Середнє перевищення температури масла поблизу стінки над температурою стінки бака:

1.59 ?С,(5.2.17)

де 1 (для природного масляного охолодження). поверхня конвекції бака без урахування коефіцієнта погіршення конвекції:

102.13 м²

Перевищення середньої температури масла над температурою повітря:

29.1 ?С. (5.2.19)

Перевищення температури масла у верхніх шарах над температурою повітря:



34.9?С < 60 ?С. (5.2.20)

Перевищення середньої температури обмотки НН над температурою повітря:

60.2?С < 65 ?С.

Перевищення середньої температури обмотки ВН над температурою повітря:

61.3?С < 65 ?С.

Перевищення температури масла в верхніх шарах < 60?С і обмоток < 65?С лежать в межах допустимого нагріву згідно з ГОСТ 11677-85. ввід 35 кВ;

1- радіатор;

2- ввід 6,3 кВ;

3- бак;

4- термосифонний фільтр;

5- пластина;

6- розширювач;

7- масловказівник;

8- запобіжна трубка;

9- бандаж стінки;

10- пристрій перемикання РПН;

11- ярмова балка;

12- стяжна шпилька;

13- напівбандажна стяжка;

14- колеса;

15- вентилятор;

16- кран для зливу масла;

17- скоба для підйому;

18- крюк для підйому.



Список літератури

1. Н.П. Карпенко; В.П. Нерубацький Методичні вказівки «Розрахунок трифазного силового масляного трансформатора» до виконання курсової роботи з дисципліни «Електричні машини». Харків: УкрДАЗТ, 2014 р.

2. П.М. Тихомиров Расчет трансформаторов: Учебное пособие для вузов. - М.: «Энергоатомиздат», 1986 г.

3. А.Д. Дымков Расчет и конструирование трансформаторов. Учебник для техникумов. «Высшая школа», 1971 г.

4. В.Е. Китаев Трансформаторы. «Высшая школа», 1967 г.

5. А.В. Сапожников Конструирование трансформаторов. «Госэнергоиздат», 1956 г.

6. М.М. Кацман Электрические машины и трансформаторы. «Высшая школа», 1971 г.

7. М.П. Костенко; Л.М. Пиотровский. Электрические машины. «Энергия», 1964.

8. А.М. Голунов Охлаждающие устройства масляных трансформаторов. «Энергия», 1964.

9. В.В. Порудомский Трансформаторы с переключением под нагрузкой. «Энергия», 1965.

10. П.М. Тихомиров Расчет трансформаторов для дуговых электрических печей. «Госэнергоиздат», 1959 г.

11. Е.А. Каганович Испытание трансформаторов малой и средней мощности на напряжение до 35 кВ включительно. «Энергия», 1969.

12. В.П. Шуйский Расчет электрических машин. «Энергия», 1968.

Размещено на Allbest.ru

...