Проектирование преобразовательных трансформаторов

Размещено на http://allbest.ru

Проектирование преобразовательных трансформаторов

Задание

трансформатор магнитопровод обмотка

При курсовом эскизном проектировании преобразовательного трансформатора задаются следующие данные:

Номинальное выпрямленное напряжение …U d =3200 В

Номинальный выпрямленный ток … I D =2000 А

Номинальное первичное напряжение (линейное)… U1 =35 кВ

Схема соединения обмоток трансформатора:

первичной……….. треугольник (Д)

вторичной ………. звезда (Y)

Напряжение короткого замыкания ….U К =8,3 %

Частота питающей сети … f 50 Гц

Охлаждение трансформатора масляное

Режим работы продолжительный

Введение

Выпрямление переменного тока на тяговых подстанциях электрофицированных на постоянном токе железных дорог осуществляется преобразовательными агрегатами, содержащими специальный трансформатор, полупроводниковый выпрямитель и вспомогательную аппаратуру.

Применяемый в такой схеме силовой трансформатор называется преобразовательным трансформатором. Он служит для согласования напряжений питающей сети и напряжения контактной сети, а также для разделения цепи нагрузки от питающей сети.

Преобразовательные трансформаторы по сравнению с силовыми трансформаторами общего назначения обладают рядом отличительных особенностей.

Одной из важных особенностей является то, что в следствие вентильного действия выпрямителя каждый анод его работает только в течение части периода переменного тока, поэтому условия работы первичной и вторичной обмоток преобразовательного трансформатора неодинаковы. Преобразовательный трансформатор питается с первичной стороны синусоидальным напряжением, а каждая фаза вторичной обмотки находится под током только часть периода, поэтому токи в первичной обмотке будут несинусоидальными.

Другой особенностью является то, что короткие замыкания в тяговой сети и нагрузке у преобразовательных трансформаторов происходят значительно чаще, чем у обычных трансформаторов. Поэтому Преобразовательные трансформаторы должны рассчитываться на повышенную механическую прочность обмоток и отводов, которые могли бы неоднократно выдерживать без остаточных деформаций большие механические усилия, вызванные токами аварийного короткого замыкания.

Эти особенности должны учитываться в ходе проектирования трансформатора.

В данном расчете используется упрощенная методика, основанная на опытных данных построенных трансформаторов.

1. Предварительный расчет магнитопровода

1.1 Выпрямленное напряжение холостого хода, В

где U d - номинальное выпрямленное напряжение, В;

Uk - напряжение короткого замыкания.

1.2 Средняя мощность выпрямленного тока, кВт

где I d - номинальный выпрямленный ток, А.

1.3 Номинальная мощность первичной обмотки, кВА

S1=PdхKp,

где K p - коэффициент, зависящий от схемы выпрямительного агрегата, при трехфазной мостовой схеме выпрямления K p=1,05.

1.4 Номинальное фазное напряжение обмотки ВН, В

В зависимости от схемы соединения фаз обмотки ВН номинальное фазное напряжение будет составлять:

при соединении фаз звездой ……………………….

при соединении фаз треугольником ………………

где U1 - заданное номинальное первичное линейное напряжение.

U 1Ф х35 (кВ).

1.5 Предварительное число витков обмотки НН

Число витков обмотки НН определяется из соображений обеспечения электрической прочности исходя из значений фазного напряжения обмотки и допустимого межвиткового напряжения, приходящегося на один виток Uв/в.

Обычно Uв/в выбирают для трех значений: U вВ min , U вВ ср , U вВ max и производят три расчета, из которых выбирается наиболее соответствующий практике. В примерном расчете выбираем одно значение U вВ ср.

Выбор значения U вВ ср осуществляется по кривой, представленной на рис.2 в зависимости от номинальной мощности трансформатора. При этом предварительное число витков обмотки НН составит

Вторичная обмотка НН в преобразовательных трансформаторах обычно пропускает фазные токи более 1000 А и поэтому по технологическим соображениям выполняется с делением её на параллельные ветви, что позволяет значительно уменьшать сечение проводов одной ветви.

Из соображений оптимизации технологии обмотки и использовании её активных материалов необходимо, чтобы число витков было четным и делилось без остатка на число катушек в одной параллельной группе, которое также должно быть четным (при нечетном числе катушек в параллельной группе возникают трудности с выводами между соседними катушками, принадлежащими к соседствующим группам).

Примерный ряд значений W2 , наиболее вероятно удовлетворяющий вышеуказанным условиям: 24, 32, 36, 40, 48, 60, 64. Менее вероятна возможность удовлетворить условия при W2 : 28, 30, 42, 44, 50, 54, 56.

В примерном расчете при S1х кВА, получаем

U ввх В/вит.

Принимаем из предложенного ряда W2 = витка.

При окончательном расчете обмотки НН возможно потребуется корректировка витков W2 , а затем и витков W1 с соответствующей корректировкой предыдущего расчета.

Уточняем значение Uв/в при окончательно принятом числе витков

Uввх (В/вит).

Уточненное значение Uв/в должно находится в пределах U вВ min , U вВ max , соответствующих по рис.2 расчетной мощности S1.

Полученное значение Uв/в = В/в удовлетворяет этому условию.

1.6 Предварительное число витков обмотки ВН

W1=W2 (витков)

Принимаем W1= витков.

1.7 Определение намагничивающих сил обмоток

обмотки ВН

обмотки НН

Суммарная токовая нагрузка A стержня магнитопровода численно равна арифметической сумме намагничивающих сил обмоток ВН и НН одной фазы.

1.8 Определение диаметра стержня, см

D=0,54

Вс - магнитная индукция в стержне; выбирается, в зависимости от марки стали и мощности трансформатора; для трансформаторов данного класса

B c=1,55…1,65 Тл

Кс - коэффициент заполнения стали, выбирается в зависимости от толщины листов и марки стали K cх0,93…0,97;

Ккр - коэффициент заполнения круга описанного вокруг сердечника трансформатора, набираемого из прямоугольных пакетов разной ширины, зависит от диаметра стержня и мощности трансформатора K крх0,85…0,92.

В учебной задаче, где не производится выбор конкретной марки стали при толщине листов 0,35 мм можно ориентировочно принимать средние значения В с, К с и К кр.

Примем В с=1,55 Тл, К с=0,93 и К кр=0,85

d c=0,54х (см)

Для уменьшения расхода стали, диаметры стержня принимаются стандартными по нормам СЭВ: d cх 20, 22, 24, 26, 28. 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 45, 48, 50, 53, 56, 60, 63, 67, 71, 75

Принимаем d cх см.

Из теории трансформаторов известно, что ЭДС, наводимая в первичной обмотке ВН равна : Е1х4,44хf1хw1хФ или Е1х4,44f1хw1хBcхQ c. Если f1х const и E1=U1фх const, а B c выбирается при расчете, то W1 и сечение стержня Q c могут изменяться в широком диапазоне. Так, например Увеличение W1 приводит к уменьшению Q c и наоборот.

Сталь на порядок дешевле материала обмоток, поэтому в силовых трансформаторах данных габаритов масса стали обычно больше массы материала обмоток в 2-4 раза.

2. Конструирование и расчет обмоток

Основными требованиями, предъявляемыми к обмоткам силовых трансформаторов, являются электрическая и механическая прочность, нагревостойкость.

Изоляция обмоток и других частей трансформатора должна выдерживать без повреждений коммутационные и атмосферные перенапряжения.

Для преобразовательных трансформаторов данной группы обмотки обычно выполняются проводом прямоугольного сечения, который располагается большим размером к стержню - «плашмя». Чтобы улучшить охлаждение обмоток они выполняются с аксиальными и радиальными масляными каналами. Аксиальные масляные каналы образуются рейками, устанавливаемыми на бакелитовый изолирующий цилиндр с таким расчетом, чтобы средняя длина по окружности между рейками l max не превышала 15 см. Ширина рейки принимается bпрх 2 - 4 см, а величина масляного канала (толщина рейки) a ц х 0,6 - 3 см.

Радиальные каналы создаются за счет межкатушечных прокладок, закрепленных на рейках. Ширина прокладок 2 - 6 см, высота масляных каналов (толщина прокладок) h н х 5 - 8 мм. Рейки и прокладки выполняются из электрокартона.

Обычно для преобразовательных трансформаторов применяют спиральную катушечную обмотку.

2.1. Расчет обмотки ВН

В преобразовательных силовых трансформаторах обмотка ВН располагается на стержне, в то время как у обычных силовых трансформаторов на стержне располагают обмотку НН.

На рис.4 схематично показано расположение обмоток и главной изоляции трансформатора, а в таблице 1 даны минимальные допустимые изоляционные расстояния обмоток ВН и НН с учетом норм электрической прочности и особенностей конструкций преобразовательных трансформаторов.

2.1.1 Предварительная высота обмотки ВН

lоВ = H c-( l0 1 + l0 1ў),

где l01 - минимальное изоляционное расстояние для обмотки ВН от верхнего ярма, мм; l0 1ў - минимальное изоляционное расстояние для обмотки ВН от нижнего ярма, мм.

По технологическим соображениям сечение витка не должно быть более 35 мм2, поэтому при требуемых больших сечениях обмотку выполняют из двух или иногда трех параллельных проводников. При значениях тока I1Ф более 300 А обмотка ВН выполняется с параллельными ветвями, так как выполнить обмотку четырьмя и более проводниками параллельно технически очень сложно.

Исходя из опыта проектирования и принимаемых нагрузок получаем значение b=12-15 мм. Кроме того, по технологическим соображениям необходимо, чтобы отношение высоты к ширине провода составляло

a/ b=3-5.

Исходя из перечисленного, выбираем проводник для обмотки ВН по таблице 2.

Принимаем два параллельных проводника (m п1х2).

2.1.2 Число витков в катушке ВН

Минимальные изоляционные расстояния для обмоток ВН и НН

Принимаем W k1х витков, тогда число катушек обмотки ВН составит nK1 (катушки).

Принимаем предварительно n k1х катушки.

Обычно в обмотках ВН регулирование напряжения производится в диапазоне 5%. Следовательно, необходимо предусмотреть регулировочные витки w регх0,005х w1х0,025 виток. Следует стремиться, чтобы число витков в регулировочной и основной катушках было одинаковым или мало отличающимся друг от друга.

Это можно достичь тем, что выбор числа катушек выполняется за счет применения другого провода, т.е. с другими значениями b1 и a1 при сохранении сечения провода П1 .

В настоящее время разрабатываются выпрямительные агрегаты на управляемых полупроводниковых приборах и регулирование напряжения за счет изменения числа витков в обмотке ВН уже не является актуальным, поэтому в учебном проекте для сокращения расчетного времени, возможно, не рассматривать размещение регулировочных витков

2.1.3 Распределение витков и катушек обмотки ВН

Для повышения надёжности трансформатора при атмосферных и коммутационных перенапряжениях первые к ярму катушки выполняются с усиленной изоляцией, а чтобы радиальные размеры этих катушек не были бы больше основных, число витков в этих катушках уменьшается.

Толщина изоляции на две стороны 2с, мм принимается:

для нормальной изоляции 2с=0,45 (0,50);

для усиленной изоляции 2св=0,95 (1,05).

При U1=35 кВ принимаем 4 катушки с усиленной изоляцией (по две катушки с обеих сторон обмотки).

Размеры основной катушки:

осевой: boхb=1х b12х10,5 (мм);

радиальный: аp1 =,05хWk1хахm п1 ,

где m п1 - число параллельных проводников;

а1 - ширина провода с изоляцией (а1х а12);

aр1х10,5 (мм).

Размер катушки с усиленной изоляцией не должен превышать размер основной катушки

В пояснительной записке представляется также электрическая схема обмотки ВН.

Осевой размер обмотки ВН

Dысота обмотки ВН

l оВНх l= оВ l усх (мм).

2.1.4 Внутренний диаметр обмотки ВН

).

Размер внутреннего канала обмотки ВН а ц=10 мм принят менее рекомендуемого в методическом указании по результатам предварительного расчета для уменьшения напряжения короткого замыкания

2.1.5 Внешний диаметр обмотки ВН

2.1.6 Масса обмотки ВН

где П1 - сечение провода обмотки, см2;

D1 СР - средний диаметр обмотки, см;

y- плотность меди; y= 8,9 г/см3;

G=M1х (кг)



2.2 Расчет обмотки НН

Обмотка НН выполняется с большим числом параллельных групп, так как номинальный ток обмотки НН значительно больше по отношению к току обмотки ВН.

Сечение обобщенного витка обмотки НН

Ранее отмечалось, что максимальное значение сечения одного провода выбирается не более 35 мм2, поэтому определяем число параллельных групп

N при выполнении обмотки двумя параллельными проводниками:

Nх

Принимаем N = предварительно, так как необходимо, чтобы число катушек в параллельной группе было четным. Этого можно достигнуть, если рассматривать несколько вариантов за счет изменения размеров провода b2 и а2 и числа N.

При наших условиях имеем предварительное сечение витка одной параллельной группы:

П= 2х (мм2)

Принимаем два параллельных проводника (m п 2х и из таблицы 2 выбираем проводник в соответствии с рекомендациями пункта 2.1.2 и площадью S n2

Предварительное число катушек в обмотке НН

N = K2х

К2х - высоту масляных каналов обмотки НН примем равным 6 мм.

Предварительная высота обмотки НН

Значения l 02 и l 02 берутся из таблицы 1.

Число катушек в одной параллельной группе

n K2 грх

Принимаем n К2 гр х, чтобы обеспечить условие (nК2Гр - целое четное число).

Уточняем число катушек обмотки НН

n K 2хn K 2 гр х=N х

Число витков в катушке

W K2х

Принимаем W K2 х витков.

Уточняем число витков обмотки НН

W2х W K2 х=n K2 гр х

Уточняем значение Uв/в

U в/ вх (В/вит).

В нашем случае необходима корректировка числа витков обмотки ВН и предыдущего расчета, так как предварительное и окончательное значение числа витков обмотки НН не совпадают.

Число витков обмотки ВН:

Принимаем W1 = витков.

Число витков в катушке ВН:

W k1 х (витков).

Принимаем n k1х катушек.

Распределение витков и катушек обмотки ВН:

катушки с усиленной изоляцией n КУ = ; w КУ = ; w У = ;

катушки основные n 0 хn K1 nKУх; w K1 = ; w 0 = ;

катушки дополнительные n q = ; w кq = ; w q = ;

Итого число катушек n к1 х , число витков W1х

Осевой размер обмотки ВН:

высота меди

(n0 n q) х b 1 n KУ = b1Ух (мм);

Наружный диаметр обмотки НН:

D2 х=Dха p2х (мм).

Средний диаметр обмотки НН:

D2 СР х

D2 СР х (мм).

Высота обмотки НН:

высота меди

n K2 х b х (мм);

В серийно выпускаемых трансформаторах удельный расход меди составляет 0,25 - 0,5 кг/кВА.

где n np - число прокладок для обмотки НН;

2.3 Строение трансформатора

Диаметр стержня dС = см

Цилиндр ВН:

Внутренний диаметр цилиндра D= Ц 1 х см

Толщина цилиндра 01 х см

Наружный диаметр цилиндра DЦ1 х см

Масляный канал между обмоткой ВН а Ц1 х см

Обмотка ВН:

Внутренний диаметр D1 см

Радиальный размер катушки а р1 х мм

Наружный диаметр D1 х см

Масляный канал а Ц1 х см

Цилиндр НН:

Внутренний диаметр D Ц2 х см

Толщина цилиндра 12 х см

Наружный диаметр D Ц2 х см

Масляный канал а Ц2 х см

Обмотка НН

Внутренний диаметр D2х см

Радиальный размер катушки а р2 х мм

Наружный диаметр D2 х см

Высота обмотки ВН l ОВН х мм

Высота обмотки НН l ОНН х мм

Высота стержня

по обмотке ВН

H C хlовн (l01 l)х мм;

по обмотке НН

H C хl онн ( l02 l 02) мм.

Окончательную высоту стержня принимаем по максимальному значению, Расстояние между осями стержней:

C=D2 а Ц2 22 х (см).

По полученным данным необходимо выполнить эскиз радиального и аксиального расположения обмоток ВН и НН трансформатора в масштабе.

3. Окончательный расчет магнитопровода

Окончательный расчет магнитопровода проводим по упрощенной методике при помощи таблиц, из которых при диаметре стержня определяем сечение стержня, ярма и строение стержня. Данные представлены в таблице 3.

При dc= см имеем П С х см 2, П=Я х см2.

3.1 Активное сечение стержня

П С х=К С хП Сх (см2)

3.2 Активное сечение ярма

П Ях К Сх П= Я

3.3 Строение стержня

Стержень состоит из 15 пакетов и формируется следующими пластинами (ширина толщину): 520х51, 505х29, 485х27, 465х20, 440х21, 425х10, 410х10, 395х14, 385х8, 368х9, 325х10, 295х11, 270х8, 230х10, 195х8 см.

По полученным данным необходимо построить эскиз сечения стержня и строения магнитопровода.

Высота магнитопровода

Нх Н С=2 h Ях (см);

Ширина магнитопровода

L Я=х С d cх (см).

3.4 Масса стержней

G Cх=х П Сх Н Сх СТх106

где СТх106 плотность стали: принимаем х СТ=7650 кг/м3,

3.5 Удельные потери в стали

Удельные потери в стали определяются по таблице.4 (1) исходя из значения индукции в стержне.

При В С х Тл получаем Р Сх Вт/кг.

3.6 Потери холостого хода (потери в стали)

Р Х= Р Сх G CТ х (Вт).

4. Расчет механических сил

Определение механических сил в обмотках трансформатора производится отдельно в осевом и радиальном направлениях.

Процесс короткого замыкания, являющийся аварийным режимом, сопровождается многократным увеличением тока в обмотках трансформатора по сравнению с номинальными токами, повышенным нагревом обмоток и ударными механическими силами, действующими на обмотки и их части.

Согласно ГОСТ 11677-85 наибольшая продолжительность короткого замыкания принимается длительностью до 4с.

Действующее значение установившегося тока короткого замыкания

Для уменьшения величины тока короткого замыкания в силовых трансформаторах напряжение короткого замыкания лучше иметь несколько больше, но при этом увеличивается падение напряжения под нагрузкой и увеличиваются потери, то есть уменьшается коэффициент полезного действия. Окончательный выбор производится на основании технико-экономического обоснования.

Радиальные силы

Радиальные силы Fp стремятся оттолкнуть одну обмотку от другой. Внутренняя обмотка под действием этой силы сжимается, а наружная - растягивается.

5. Тепловой расчет

Тепловой проверочный расчет трансформатора производится для установившегося режима работы, а также в конце процесса короткого замыкания. Расчетные значения перегревов не должны превышать допустимые по ГОСТу.

Полные потери в трансформаторе

Рх Р К= Р Хх

Необходимая поверхность охлаждения бака и радиаторов трансформатора при тепловой нагрузке бака 600 Вт/м2

Поверхность бака обычно составляет только небольшую часть этой поверхности, однако определим её. Для этого необходимо выполнить эскиз выемной части трансформатора и бака (рис. 6).

Заключение

Преобразовательный трансформатор типа ТМПЖ-10000/35 двухобмоточный, соединение обмоток В/Y. Обмотки выполнены прямоугольным проводом с масляными каналами в радиальном и аксиальном направлениях.

Первичная обмотка ВН имеет одну параллельную ветвь с двумя параллельными проводниками. Вторичная обмотка НН имеет 12 параллельных ветвей с 6 катушками в каждой параллельной группе.

Основные технические данные обмоток:

I1Ф = A I2Ф = А

W1 = W2 =

с1 = A/мм2 с2 = A/мм2

П1 = мм2 П2 = мм2

F1 = А F2 = А

q1 = Вт/м2 q2 = Вт/м2

bd1 = мм bd2 = мм

а1= мм a2= мм

GМ1 = кг GМ2 = кг

U1ф = В U2ф = В

Pэ1 = Вт Pэ2 = Вт

Магнитопровод выполнен из листов электротехнической стали толщиной 0,35 мм.

Основные размеры магнитопровода:

dC = см HC = см

H = см HC/ dC =

РХ = Вт GCT = кг

Бак гладкий с шестью одинарными навесными радиаторами и расширителем. Общие габариты бака:

Длина Lх c м

Высота Н11х 22м

Ширина В = м

Напряжение короткого замыкания Uk = %

Ток холостого хода:

IO= А, или iO = %

Таким образом, спроектированный трансформатор удовлетворяет требованиям ГОСТ и соответствует заданию на проектирование.

Список используемой литературы

1. Г.Л. Болдырев, М.В. Матвеев «Проектирование преобразовательных трансформаторов». Методические указания к курсовому проектированию. СПб.- ЛИИЖТ 1992г.

Размещено на allbest.ru

...