Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова"

Факультет (институт) интенсивного образования

Кафедра "Электроснабжение промышленных предприятий"

Пояснительная записка к курсовому проекту

"Расчёт силового трёхфазного трансформатора с масляным охлаждением и плоской магнитной системой"

по дисциплине "Электрические машины"

Студент Н.Н. Баженова

Руководитель А.А. Грибанов

Барнаул 2015

Содержание

1. Задание на курсовой проект

2. Расчет основных электрических величин и изоляционных расстояний

3. Определение основных размеров трансформатора

4. Расчет обмоток низкого и высокого напряжения

5. Определение параметров короткого замыкания

6. Окончательный расчет магнитной системы. Определение параметров холостого хода

7. Тепловой расчет и расчет системы охлаждения

8. Определение массы масла и объема расширителя для масла

Список использованных источников

1. Задание на курсовой проект

Произвести расчет силового трехфазного трансформатора с масляным охлаждением и плоской магнитной системой по следующим исходным данным: трансформатор электрический изоляционный

Тип трансформатора - ТМ-100/10

Номинальная мощность - 100 кВА

Число фаз - 3

Частота - 50 Гц

Напряжение на стороне ВН (высокое напряжение) - 6кВ

Напряжение на стороне НН (низкого напряжения) - 0,69 кВ

Схема соединения обмоток - Y/Y

Способ охлаждения - естественное, масляное

Напряжение короткого замыкания - 4,5 %

Потери короткого замыкания - 1,97 кВт

Ток холостого хода - 2,6 %

Потери холостого хода - 0,33 кВт

2. Расчет основных электрических величин и изоляционных расстояний

Мощность одной фазы:

(1)

Мощность на один стержень:

(2)

Номинальные линейные токи:

на стороне ВН:

(3)

на стороне НН:

(4)

Фазные токи:

на стороне ВН (соединение Y):

(5)

на стороне НН (соединение Y):

(6)

Фазные напряжения:

сторона ВН:

(7)

сторона НН:

(8)

Испытательное напряжение:

(9)

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

(10)

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

(11)

3. Определение основных размеров трансформатора

Диаметр стержня трансформатора:

(12)

где =33,33 кВА (2);

=2,1[1, табл. 3.12];

- канал рассеяния:

(13)

где =0,009 м - размер канала между обмотками ВН и НН [1, табл. 4.5];

- радиальный размер обмотки НН;

- радиальный размер обмотки ВН;

(14)

где = 0,63 [1, табл.3.3];

=0,95 - коэффициент Роговского;

= 50 Гц (по заданию);

= 4,05% (11);

= 1,55 Тл - индукция в стержне для стали 3404 толщиной пластин 0,35 мм [1, табл. 2.4];

- коэффициент заполнения стержня сталью, (15)

где =0,92[1, табл. 2.6] для 6 ступеней;

= 0,97 [1, табл. 2.2].

Тогда диаметр стержня трансформатора:

Выбираем стандартный стержень, учитывая, что для диаметров стержней силовых трансформаторов принят стандарт, который содержит определенные нормализованные диаметры.

(в дальнейшем обозначение ).

Так как полученный диаметр стержня не соответствует нормализованной шкале диаметров, то определяют значение , соответствующее нормализированному диаметру .

(16)

Средний диаметр канала между обмотками может быть принят предварительно:

(17)

или (18)

где для медных обмоток [1, табл. 3.4].

Тогда

Осевая длина обмотки:

(19)

Активное сечение стержня:

(20)

где = 0,8924 (15).

Электродвижущая сила одного витка:

(21)

4. Расчет обмоток низкого и высокого напряжения

Тип обмоток НН и ВН выбирается по [1, табл. 5.8].

Обмотка НН - цилиндрическая многослойная из круглого провода.

Обмотка ВН - цилиндрическая многослойная из круглого провода.

Расчет обмотки НН.

Число витков обмотки:

(22)

Уточненное значение :

(23)

Уточненное значение индукции в стержне:

(24)

Значение приходится уточнять в том случае, если является нецелым числом.

Для определения средней плотности тока в обмотках, обеспечивающей получение заданных потерь короткого замыкания воспользуемся следующей формулой для медных обмоток:

(25)

где - полная мощность трансформатора;

= 0,97 - учитывает наличие добавочных потерь в обмотках, потери в отводах, стенках бака и других металлических конструкциях, от гистерезиса и вихревых токов, от воздействия поля рассеивания [1, табл. 3.6].

Ориентировочное сечение витка:

(26)

По этому сечению и сортаменту обмоточного провода для трансформаторов по [1, табл. 5.1] выбирается провод подходящего сечения.

Подобранные значения провода записываются следующим образом:

марка провода хх,

где - число параллельных проводов,

- диаметр провода без изоляции, мм,

- диаметр провода с изоляцией, мм.

Выбираем провод АПБ х 2 х по ближайшему большему сечению витка по отношению к расчетному . Ближайшее сечение равно .

Полное сечение витка , так как виток состоит из двух проводов (=2).

Уточненное значение плотности тока:

(27)

Число витков в слое:

(28)

Число слоев в обмотке:

(29)

Принимаем = 4.

Рабочее напряжение двух слоев:

(30)

По рабочему напряжению двух слоев [1, табл. 4.7] выбирается число слоев и общая толщина кабельной бумаги в изоляции между двумя слоями обмотки.

Для (31)

Выбираем выступ межслойной изоляции на торцах обмотки

В большинстве случаев по условиям охлаждения обмотка каждого стержня выполняется в виде двух концентрических катушек с осевым масляным каналом между ними.

В случае использования цилиндрической многослойной обмотки из круглого провода на стороне НН число слоев внутренней и наружной катушек принимается равным.

Минимальная ширина масляного канала между катушками для

Радиальный размер обмотки, состоящий из двух катушек без экрана:

(32)

Внутренний диаметр обмотки:

(33)

Ширина канал между стержнем и обмоткой НН определяется по [1, табл. 4.4].

Наружный диаметр обмотки:

(34)

Полная поверхность охлаждения:

(35)

где = 3 - число активных (несущих обмотки) стержней;

= 0,75 - учитывает закрытие части обмотки рейками.

Расчет обмотки ВН.

Число витков обмотки ВН при нормальном напряжении:

(36)

Число витков на одной ступени регулирования:

 (37)

Число витков обмотки ВН на ответвлениях:

верхняя ступень: (38)

средняя ступень: (39)

номинальная ступень: (40)

средняя ступень: (41)

нижняя ступень: (42)

Плотность тока:

(43)

Ориентировочное сечение витка:

(44)

По таблице [1, табл. 5.1] выбираем провод:

ПБ х 1 х , сечением . (45)

Уточняем плотность тока:

(46)

Число витков в слое:

(47)

здесь

Число слоев в обмотке:

(48)

Принимаем

Рабочее напряжение двух слоев:

(49)

Толщина кабельной бумаги в изоляции между двумя слоями обмотки. Для

Выбираем выступ межслойной изоляции на торцах обмотки

Обмотка каждого стержня выполняется в виде двух концентрических катушек с осевым масляным каналом между ними. Число слоев внутренней катушки при этом должно составлять не более 1/3-1/5 общего числа слоев обмотки.

Радиальный размер обмотки:

где = 4,5 по [1, табл. 9.2а]. (50)

Внутренний диаметр обмотки:

(51)

где = 0,009 м. [1, табл. 4.5]

Наружный диаметр обмотки:

(52)

Полная поверхность охлаждения:

(53)

5. Определение параметров короткого замыкания

Определим потери короткого замыкания:

Масса меди обмотки НН:

(54)

где (55)

Масса меди обмотки ВН:

(56)

где (57)

Основные потери в обмотки НН:

 (58)

Основные потери в обмотки ВН:

(59)

В силовых трансформаторах общего назначения основные потери в обмотках составляют до 0,95 потерь короткого замыкания.

Обозначив получим

где учитывает добавочные потери в обмотках от вихревых токов, вызванных собственным магнитным полем рассеяния обмоток, электрические потери в стенках бака и может быть принят в пределах 1,03 - 1,05. Принимаем

Тогда суммарные расчетные потери короткого замыкания:

(60)

Напряжение короткого замыкания.

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

(61)

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

 (62)

где (63)

где (64)

где = 0,004 мм [1, табл. 4.4],

= 0,009 мм [1, табл. 4.5].

(65)

(66)

где (67)

= 1 - так как разрыва в обмотке нет.

Напряжение короткого замыкания:

(68)

Ошибка:

(69)

Определение механических сил в обмотках.

Установившийся ток короткого замыкания:

(70)

(71)

Мгновенное максимальное значение тока короткого замыкания:

(72)

где для по [1, табл. 7,3].

Радиальная сила:

(73)

Среднее сжимающее напряжение в проводе обмоток НН:

(74)

Среднее растягивающее напряжение:

(75)

то есть от допустимого значения

Температура обмоток через 5 секунд после короткого замыкания:

 (76)

где = 4 с.,

= 90 С.

6. Окончательный расчет магнитной системы. Определение параметров холостого хода

Определим размеры магнитной системы.

Принята конструкция трехфазной плоской шихтованной магнитной системы, собираемой из пластин холоднокатанной стали марки 3404, толщиной 0,35 мм.

Стержни магнитной системы прессуются обмоткой без бандажей. Ярма прессуются ярмовыми балками. Размеры пакетов выбраны по [1, табл. 8.2], для стержня диаметром 0,13 мм без прессующей пластины. Число ступеней в сечении стержня - 6, в сечении ярма - 5, = 0,918.

Размеры пакетов (ширина пластины а, толщина пакетов b, мм) для магнитных систем без прессующей пластины с прессовкой стержня обмоткой без бандажей определяются по [1, табл. 8.2].

Площади сечения стержня Пфс, ярма Пфя, и объем угла Vу, плоской шихтованной магнитной системы без прессующей пластины при размерах пластин по [1, табл. 8.2] определяются по [1, табл. 8.6]:

Для имеем:

Активное сечение стержня:

(77)

где = 0,97 [1, табл. 2.2].

Активное сечение ярма

(78)

Объем стали угла магнитной системы:

(79)

Длина стержня:

(80)

где и - расстояние от обмотки до верхнего и нижнего ярма, определенные по [1, табл. 4.5]. Обычно Выбор производится для обмотки ВН.

Расстояние между осями стержней:

(81)

где = 0,008 м. [1, табл. 4.5] - канал между обмотками ВН двух соседних стержней.

Масса ярм.

Масса стали угла магнитной системы:

(82)

где = 7650 кг/м 3 - удельная масса стали.

Масса стали ярм:

(83)

где (84)

где = 3 - число активных стержней;

= 0,302 (81).

(85)

Масса стержней:

(86)

где (87)

где = 0,302 м (80).

- масса стали в местах стыка пакетов стержня и ярма.

(88)

где = 0,125 м - ширина самого большого пакета ярма.

Общая масса стали:

(89)

Расчет потерь холостого хода.

Уточненная индукция в стержне:

(90)

Уточненная индукция в ярме:

(91)

(92)

Площади сечений магнитных зазоров на прямом стыке среднего стержня равны, соответственно, активным сечениям стержня и ярма. Площадь сечения стержня на косом стыке:

(93)

Удельные потери для стали стержней, ярма и стыков для стали марки 3404 толщиной 0,35 мм. [1, табл. 8.10]:

При

При

При

Определение потерь холостого хода.

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 и удалением заусенцев определим потери холостого хода:

где = 1,05 - учитывает влияние продольной и поперечной резки ленты на пластины,

= 1 - учитывает снятие заусенец,

= 10,18 - для 4-х углов с косыми стыками и 2-х с прямыми [1, табл. 8.13],

= 1,

= 1,03 - учитывает способ прессовки, расклинивание с обмоткой, ярмовые балки без бандажей,

= 1,01,

(94)

Ошибка: (95)

Расчет тока холостого хода:

Находим удельные намагничивающие мощности по [1, табл. 8.17]:

При

При

При

Для принятой конструкции магнитной системы и технологии ее изготовления используем формулу, для которой по [1, табл. 8.12, 8.21] принимаем коэффициенты:

= 1,18 - учитывает влияние резки полос,

= 1 - учитывает срезание заусенец для отожженной стали,

- учитывает ширину пластин в углах магнитной системы,

= 1 - учитывает форму сечения ярма,

= 1,045 - учитывает прессовку магнитной системы [1, табл. 8.12],

= 1,01 - учитывает перешихтовку верхнего ярма,

= 27,95 - учитывает форму стыков [1, табл. 8.20].

Намагничивающая мощность холостого хода:



где

(96)

Активная составляющая тока холостого хода:

(97)

Реактивная составляющая тока холостого хода:

(98)

Ток холостого хода:

(99)

Ошибка:

(100)

7. Тепловой расчет и расчет системы охлаждения

Поверочный тепловой расчет обмоток.

Тепловой поток в обмотке НН:

(101)

Тепловой поток в обмотке ВН:

(102)

Определение полного внутреннего перепада температуры в обмотках.

Полный внутренний перепад температуры в обмотках из круглого провода, не имеющих горизонтальных охлаждающих каналов:

(103)

где - радиальный размер обмотки, м,

- потери, выделяющиеся в 1м 3 общего объема обмотки, Вт/м 2.

Для медного провода определяется по формуле:

(104)

- средняя теплопроводность обмотки, Вт/м·Сє, приведенная к условному случаю равномерного распределения витковой и междуслойной изоляции по всему объему обмотки.

(105)

Теплопроводность междуслойной изоляции определяется по [1, табл. 9.1].

Средняя условная теплопроводность обмотки без учета междуслойной изоляции:

(106)

где (107)

- теплопроводность материала изоляции витков, определяемая по [1, табл. 9.1].

Определим для обмотки НН:

(108)

Где

(109)

(110)

- для кабельной бумаги в масле,

(111)

(112)

(113)

где - число слоев внешней катушки обмотки НН.

Определим для обмотки ВН:

(114)

Где

(115)

(116)

- для кабельной бумаги в масле,

(117)

(118)

(119)

где - число слоев внешней катушки обмотки ВН.

Определим перепад температуры поверхности обмоток.

(120)

или (121)

Обмотка НН:

(121)

Обмотка ВН:

(122)

Определим среднее превышение температуры обмоток над температурой масла:

(123)

Обмотка НН:

(124)

Обмотка ВН:

(125)

Расчет системы охлаждения.

Выбираем конструкцию овального бака в виде волн, минимальная ширина бака:

(126)

где [1, табл. 4.12];

[1, табл. 4.12].

Минимальная длина бака:

(127)

где (128)

Общая глубина бака:

(129)

где высота активной части

(130)

где - принята толщина подкладки под нижнее ярмо.

- расстояние от верхнего ярма трансформатора до крышки бака [1, табл. 9.5].

Определим превышение температуры обмоток и масла над воздухом.

Допустимое среднее превышение температуры масла над окружающим воздухом:

 (131)

Значение выбирается максимальным из (124) и (125).

Среднее превышение температуры стенки бака над воздухом:

(132)

где - принятое значение перепада температуры между маслом и стенкой бака

Полученное значение должно удовлетворять неравенству:

(133)

где

(134)

Ориентировочная поверхность излучения бака:

(136)

где - принятый коэффициент, учитывающий отношение периметра поверхности излучения к поверхности гладкой части бака.

Ориентировочная поверхность конвекции бака:

(137)

Поверхность конвекции волнистых стенок бака:

(138)

где - принято из диапазона 10…30 мм;

тогда

- принято из диапазона 200…300 мм;

- принято из диапазона 0,8…1;

число волн

(139)

принимаем

где (140)

длина волны

(141)

коэффициент, учитывающий затруднение конвекции воздуха в воздушных каналах волн

(142)

где (143)

высота волнистой стенки на 0,1 м меньше :

(144)

Полная поверхность излучения бака:

(145)

где поверхность излучения стенки бака:

(146)

поверхность верхней рамы:

(147)

поверхность крышки бака

(148)

Среднее превышение температуры стенки бака над температурой воздуха:

(149)

Среднее превышение температуры масла над температурой стенки бака:

(150)

Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой воздуха:

(151)

что меньше допустимого (60 С по ГОСТ).

Превышение температуры обмоток над воздухом.

Обмотка НН:

(152)

что меньше допустимого (65 С по ГОСТ).

Обмотка ВН:

(153)

что меньше допустимого (65 С по ГОСТ).

8. Определение массы масла и объема расширителя для масла

Внутренний объем бака:

(154)

Объем выемной части:

(155)

где - принятое значение среднего удельного веса выемной части.

Объем масла:

(156)

Масса масла:

(157)

Объем расширителя:

(158)

Диаметр расширителя:

(159)

где

Список использованных источников

1. Тихомиров, П.М. Расчет трансформаторов [Текст] : Учеб. пособие для вузов - 5-е изд.,перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 528 с.: ил.

2. Реморов, А.А. Расчет силового трансформатора [Текст] . В 2 ч. Ч. 1Расчет силового трансформатора: метод. указания к курсовому проектированию по дисциплине "Электрические машины" для студентов 3 курса факультета "Электрификация железных дорог" / А.А. Ремеров, В.А. Шаров. - М. : МИИТ, 1997. - 25 с.

3. Реморов, А.А. Расчет силового трансформатора [Текст] . В 2 ч. Ч. 2 Расчет силового трансформатора: метод. указания к курсовому проектированию по дисциплине "Электрические машины" для студентов 3 курса факультета "Электрификация железных дорог" / А.А. Ремеров, В.А. Шаров. - М. : МИИТ, 1998. - 52 с.

Размещено на Allbest.ru

...