Проектирование силового трехфазного трансформатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

Исходные данные

1. Расчет основных электрических величин

2. Определение основных размеров трансформатора

3. Расчет обмоток трансформатора

4. Определение параметров короткого замыкания

5. Расчет магнитной системы

6. Тепловой расчет трансформатора

Заключение

Литература

Приложение

Введение

Целью данной курсовой работы является изучение основных принципов проектирования силового трехфазного трансформатора, требований и ограничений, предъявляемых к его характеристикам.

Исходные данные

1. Тип трансформатора ТМ-250/10;

2. Номинальное линейное напряжение: обмотка ВН 10 кВ, обмотка НН 0,66 кВ;

3. Схема и группа соединений Y/Y - 11;

4. Потери холостого хода 800 Вт;

5. Потери короткого замыкания 3700 Вт;

6. Напряжение короткого замыкания 4,5%:

7. Ток холостого хода 2.1%;

8. Материал обмоток - медь;

9. Материал сердечника - сталь электротехническая марки 3404.

1. Расчет основных электрических величин

Мощность одной фазы:

Мощность на один стержень:

где с=3 - число активных (несущих обмотки) стержней трансформатора.

Номинальный линейный ток обмотки высокого напряжения (ВН):

Номинальный ток низкого напряжения (НН):

Номинальный фазный ток ВН (соединение звездой):

Номинальный фазный ток НН (соединение звездой):

Номинальное фазное напряжение ВН

Номинальное фазное напряжение НН



Испытательное напряжение обмотки ВН - 35 кВ

Испытательное напряжение обмотки НН - 5 кВ

2. Определение основных размеров трансформатора

Предварительный выбор конструкции сердечника

Величину диаметра стержня d и коэффициент заполнения круга К кр выбираем по таблице 2.1.

Таблица 2.1

Sн,кВА	16...25	40... 100	160... 630
d, м	0,08... 0,09	0,10... 0,14	0.16... 0,22
K кр	0,86 ... 0,89	0,91 ... 0,92	0,91... 0,93 (0,88 ... 0,90)

Выбираем d = 0.19, Ккр = 0,93.

Материал сердечника и величина магнитной индукции

Материал сердечника - электротехническая сталь марки 3405. Это холоднокатаная сталь, величина магнитной индукции: для холоднокатаной стали Вс=1,5....1,65 Тл; выбираем значение Вс=1,51

Выбираем лаковую межлистовую изоляцию с коэффициентом заполнения КЗ=0,96.

Общий коэффициент заполнения сталью

Кс =Ккр*Кз = 0,893

Выбор величин, определяющих размеры трансформатора

Соотношение между шириной и высотой трансформатора.

Величина для медной обмотки , выбираем значение в=1,8.

Коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному принимают равным Kр=0,95.

Изоляционный промежуток между обмотками НН и ВН при испытательном напряжении 35 кВ: a12=9 мм.

Приведенная ширина двух обмоток

, м.

Коэффициент k при мощности 250кВА, напряжении 10кВ выбираем 0,6

Величина приведённого канала рассеяния

=0,009+0,018=0,027 м.

Активная составляющая напряжения короткого замыкания

= %.

Активная составляющая напряжения короткого замыкания

, %.

Предварительный расчет сердечника

Диаметр стержня

, м,

где S' в кВА;в Гц; U kp в %;Bс вТл; а_р в м.

Выбираем стандартный диаметр стержня 0.17 м.

Средний диаметр канала между обмотками

При классе напряжения 10 кВ соответственно а=1,36.

0,2312 м = 231,2 мм

Высота обмотки

=403,5 мм

Активное сечение стержня

м2,

Предварительное значение ЭДС витка

где Вс в Тл; ПС в м2.

Число витков в одной фазе обмотки НН:



Новое значение UB = 381/60=6,351

Новое значение Bc = UB /(4.44*f*Пс) = 1,518

3. Расчет обмоток трансформатора

Выбор типа обмоток

Средняя плотность тока в обмотках, выполненных из меди:

где р_K в Вт; Uв в В; S_H в кВА; d₁₂ в м.

Величина kg принимается равной 0,93 при мощности 250 кВА.

Плотность тока должна находиться в следующих пределах:

2,2 ... 3,5 МА/м² - для меди, это условие выполняется.

Предварительное значение сечения витка обмотки НН

В качестве обмотки НН выбрана двухслойная цилиндрическая обмотка. Обмотка ВН выполняется в виде цилиндрической многослойной.

Расчет обмотки НН

Число витков W1=60.

Число витков в слое: W_1сл =25/2= 30

Стандартное сечение витка составляем из одного стандартного проводника.

Осевой размер витка:

,

Выбираем прямоугольный провод ПБ.

Марка проводника

Сечение витка

= 66,3мм² = 0,0000663 м²

Пересчитанный осевой размер витка

Действительная плотность тока

Осевой размер обмотки

м,

где - осевой размер одного витка в изоляции, м.

Величина совпадает с найденным в п. 2.4.3 значением высоты обмотки.

Радиальный размер обмотки:

= (2*6,1+5) = 17,2мм = 0,0172м

где мм.

Внутренний диаметр обмотки

где принято равным 5 мм при U_ИСП=5 кВ.

Наружный диаметр обмотки

м

Полная охлаждаемая поверхность обмотки НН, для двухслойной с масляным каналом между слоями

=2*3*0,75*3,14*(0,18+0,214)*0,403=2,244 м²,

где с - число активных стержней;

k=0,75 - коэффициент, учитывающий закрытие поверхности рейками, изоляцией и др.

Расчет обмотки ВН

В обмотке выполняются отводы для регулирования напряжения, например, на ±5 % от номинала:

Число витков обмотки ВН при номинальном напряжении

Полное число витков обмотки ВН

W_2H = 914+79=993

Предварительное значение плотности тока

=2*2881167-3298541 =2463792 А/м²=2,464 А/мм²

Предварительное значение сечения витка обмотки

Тип провода, число параллельных проводов и фактическое сечение витка обмотки определяются по табл. 5.1 [1] или по табл. П-2а [2]:

Уточняем значение плотности тока

Число витков в слое.

,

где (м), (мм).

Число слоев в обмотке ВН

Рабочее напряжение двух слоев

Обмотка выполняется в виде двух катушек с масляным каналом между ними, . Величина междуслойной изоляции д_мсл=0,72

Радиальный размер обмотки

Внутренний диаметр обмотки

=0,214+2*0,009=0,232м

где радиальный размер осевого канала между обмотками

Наружный диаметр обмотки

Полная поверхность охлаждения обмотки ВН при наличии масляного канала

Средний диаметр канала между обмотками



Соотношение между шириной и высотой трансформатора

Полученные уточненные значения и принимаются для дальнейших расчетов.

4. Определение параметров короткого замыкания

Потери короткого замыкания

Электрические потери в обмотке НН:

Масса обмотки из меди:

где средний диаметр

Вычисляем электрические потери в обмотке ВН



Потери в отводах обмотки НН

^\где при соединении обмотки в звезду

Потери в отводах обмотки ВН

где при соединении обмотки в звезду

1,269 Вт

Потери в стенках бака

, Вт

При номинальной мощности трансформатора менее 1000 кВА величина k может быть принята в пределах от 0,015 до 0,02, принимаем k=0,015

Потери короткого замыкания трансформатора

=1.05*(1720+2070)+46,6+1,6+1,2+37,5=4060 Вт

где коэффициент добавочных потерь kg принят равным 1,05. При

Полученное значение Р_K не должно превосходить заданное более чем на 10%. Проверим: (4060-3700)*100% /3700= 9,8%. Условие выполняется.

Расчет напряжения короткого замыкания

Активная составляющая напряжения короткого замыкания

Реактивная составляющая короткого замыкания

где в Гц; S в кВА; в м; U_в в В.

Напряжение короткого замыкания

Полученное значение нужно сравнить с заданным. Если различие превышает , необходимо пересмотреть принятые значение и магнитной индукции.

Проверим различие: (4,3-4,5)*100%/4,5 = -4,4%. Условие выполняется.

Определение механических усилий в обмотках.

Установившееся значение тока короткого замыкания



Мгновенное наибольшее значение тока короткого замыкания

где коэффициент, учитывающий апериодическую составляющую тока короткого замыкания.

Радиальное растягивающее усилие в обмотке ВН

0,628*606,7*993*1,8*0,95=391768 Н

где Fp в Н; i_KM в А.

Растягивающее механическое напряжение в проводе обмотке ВН

=6,9 МПа

где -в МПа; П₂-в м².

Допустимое значения растягивающих напряжений для медной обмотки - 30МПа. Вычисленное значение 6,9 МПа соответствует допустимому значению.

Сила, сжимающая обмотку:

Обмотки имеют одинаковую длину и равномерно распределены на ней,

Величина напряжения сжатия

где п - число прокладок по окружности обмоток между катушками, обычно от 4 до 8;

а - радиальный размер обмотки, м;

b - ширина прокладки, обычно от 0,04 до 0,06 м.

Допустимое напряжение сжатия МПа, вычисленное значение 1,69МПа в пределах допуска.

5. Расчет магнитной системы

Определение размеров ярма и сердечника

Размеры пакетов стержня и ярма определяются по табл. 8.2-8.5 [1] или по табл. 5.1

Таблица 5.1. Размеры пакетов в стержне d=200 мм и ярме

№ пакета	Размеры пакетов в стержне aс*bс	Размеры пакетов в ярме aя*bя
1	160*28	160*28
2	145*17	145*17
3	130*10	130*10
4	110*10	110*10
5	85*8	85*8
6	50*8	85*8

По табл. 8.6, 8.7 [1] определяются площади ступенчатых стержня П_ФС и ярма П_ФЯ в см² и объем угла V_У в см³ .



Рис. 5.1 Угол магнитной системы

При d=170 мм

П_ФС =208,5; П_ФЯ=214,1; V_У =2908

Активное сечение стержня

м²,

Активное сечение ярма

м²,

Длина стержня

,м.

Для кВ мм при Sн от 250 до 630 кВА.

Определение массы стали

Масса стали угла

кг,

для холодокатаной стали кг/ м³ ,

Масса стали стержней

Масса стали ярма

=0,314+0,006=0,32

Масса стали трансформатора

Расчет потерь холостого хода

Магнитная индукция в стержне

Магнитная индукция в ярме

Магнитная индукция в косых стыках

Схема магнитной цепи

Выбираем для холоднокатаной стали плоскую трех стержневую магнитную систему.

Рис.5.2. Схема магнитной цепи

При использовании холоднокатаной стали

Pc = 1.15;

Ря = 1,123;

Рз = 585

Кпp =1,05 учитывает увеличение потерь за счет резки полосы рулона на ленты.

Кпз =1 учитывает наличие заусениц.

Кпу = 8,85 - учитывает увеличение потерь в углах магнитной системы.

Кпя=1учитывает различие числа ступеней ярма и стержня.

Кпn =1,03 учитывает способ прессовки стержня и ярма.

Кпш, 1,02 при Sн =400 кВА, учитывает перешихтовку верхнего ярма при установке обмотки.

Отклонение от заданной в условии величины не должно превышать 35%.

Проверяем:

(887-800)*100%/800= 11%

Значение находится в допустимом диапазоне.

Намагничивающая мощность

При использовании холоднокатаной стали

q_C =1,328

q_Я=1,135

q₃ =19200

К_ТР =1,49 учитывает увеличение намагничивающей мощности за счет резки полосы рулона на ленты.

К_Т3 =1 учитывает наличие заусениц.

К_ТУ = 4,3

К_ТП=1,045

К_ТПЛ =1,15...1,19.

К_ТЯ = 1 учитывает форму сечения ярма.

К_ТШ, = 1,02 при S_Н от 250, учитывает необходимость перешихтовки верхнего ярма при установке обмотки.

Активная составляющая тока холостого хода

Реактивная составляющая холостого хода

%

Ток холостого хода

Величина тока холостого хода должна отличаться от заданной не более чем на +30 %.

Проверяем: (2,132-2,1)*100/2,1=1,5%.

Вычисленное значение находится в допустимых пределах.

6. Тепловой расчет трансформатора. Расчет охладительной системы

Тепловой расчет обмотки низшего напряжения. Рассматривается вариант применения прямоугольного провода обмотки.

Плотность теплового потока на поверхности обмотки

Внутренний перепад в обмотке

где =0.00025 м - толщина изоляции провода на одну сторону, м;

Вт/м°С для бумажной изоляции, пропитанной лаком или маслом.

Перепад температуры между поверхностью обмотки и маслом

⁰С,

где К₁=1для естественного масляного охлаждения;

К₂= 1,1 для обмоток ВН;

К₃=1для обмоток НН;

К₄=1для номинальной мощности трансформатора вплоть до 630 кВА.

Превышение температуры обмоток над средней температурой масла.

Тепловой расчет обмотки высшего напряжения.

Рассматривается вариант применения круглого провода обмотками.

Внутренний перепад температуры в обмотке

где

Удельные потери в 1 м³ объема обмотки для медной обмотки

где j₂ = -- плотность тока в обмотке ВН, А/м² ;

d₂ =3 диаметр провода обмотки ВН без изоляции, мм;

d '₂ =3,4 то же с изоляцией, мм;

- толщина прокладки между слоями обмотки ВН, мм.

Средняя теплопроводность обмотки ВН:

, Вт/м ⁰С

где

Плотность теплового потока на поверхности обмотки ВН

Перепад температур на поверхности обмотки

Превышение температуры обмотки ВН над средней температурой

Расчет охладительной системы

Выбор типа бака производится по табл. 9.4 [I]. Для мощности S_H=250 кВА выбираем бак с навесными радиаторами и прямыми трубами.

Изоляционные расстояния для отводов

S₁ =33мм (от отвода НН до обмотки)

S₂ =33 мм (от отвода НН до стенки бака)

S₃ = 33 мм (от отвода ВН до обмотки)

S₄= 33 мм (от отвода ВН до стенки бака)

S₅ = 80 мм (от катушки до стенки бака)

Ширина бака по условиям изоляции

где S₁ , S₂, S₃, S₄ -- изоляционные расстояния для отводов, мм;

d₁ и d₂ - наибольший размер сечения отвода, мм.

Длина бака

А=2С+B=2*0,324+0,314+2*0,08=1,121м

Глубина бака

где h - толщина деревянной прокладки под нижнее ярмо 0,05м;

Н_ЯК =0,16м-- расстояние от верхнего ярма до крышки бака

h_Я =0,16 м - высота ярма.

Увеличим глубину бака на 30%

Н_б = 0,994*1,3=1,292

Среднее превышение наиболее нагретой части обмотки над температурой воздуха, допустимое по ГОСТ 11677-85:

Допустимое среднее превышение температуры масла над температурой окружающего воздуха

Среднее превышение температуры поверхности бака над температурой воздуха

где от 5 до 6 ⁰С

Поверхность конвекции гладкой части бака

где поверхность крышки бака

Поверхность излучения бака трансформатора

К =2 для бака с навесными радиаторами.

Необходимая поверхность конвекции трансформатора

Необходимая поверхность трубчатых охладителей

К_ФТР=1,26 - для трубчатых охладителей.

Требуемое число требуемых охладителей

Выбор производится по табл. 9.9 [1], чтобы их суммарная поверхность была не менее необходимой. Чтобы выдержать соотношение - 0,185, допускается при необходимости увеличить высоту бака на 20 ... 30 %.

Выбираем охладители с длиной труб 1150 мм, площадь стенок 3,533.

Количество охладителей 2.

Поверхность конвекции бака с радиаторами

Превышение температуры стенки бака или трубы трубчатого охладителя над температурой воздуха

Превышение температуры масла вблизи стенки бака над температурой стенки

Превышение температуры масла верхних слоев над температурой воздуха

По ГОСТ 11677-85

Превышение температуры обмоток относительно воздуха:

По ГОСТ 11677-85

Расчетные значения соответствуют ГОСТ.

Определение объема масла и размеров расширителя

Объем выемной части бака



где удельная масса выемной части зависит от материала обмоток:

Объем бака

Объем масла в баке

Масса масла в баке

0,9*0,42*1000=379,5кг

Масса масла в трубчатых охладителях

Массу масла в одном трубчатом охладителе G_мтр находим по таблице 9.9 [1]

Общая масса масла в трансформаторе

, кг

Объем расширителя



Расширитель обычно выполняется цилиндрическим из листовой стали толщиной от 1 до 3 мм и длиной =0,54м

Диаметр расширителя

Заключение

В результате выполненной работы был спроектирован силовой трансформатор, обладающий заданными характеристиками.

трансформатор ток обмотка охладительный

Литература

1. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов: Учеб. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1986. 528 с.

2. Попов А.Д., Соломин В.А., Соломин А.В. Приложения к методическим указаниям по проектированию мощных силовых трансформаторов. Ростов н/Д: РГУПС, 2000. 35 с.

3. Петров Г.М. Электрические машины. 4.1. М.: Энергия, 1974. 240 с.

4. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. М.: Энергия, 1980. 928с.

5. Свечарник Д.В., Нарешелашвили Д.Г. Расчет на ЭЦВМ электрических параметров силовых трансформаторов при вероятностной оценке характеристик нагрузки: Методические указания к курсовому проектированию. М.: МИИТ, 1982. 40

6. Попов А.Д. Проектирование силовых трансформаторов на ЭВМ: Методические указания к курсовому проектированию. Ростов-н/Д: РГУПС, 1987. 24с.

7. Попов А.Д. Математическое моделирование в электромеханике с применением ЭВМ. 4.1. Трансформаторы: Методические указания к самостоятельной научно-исследовательской работе. Ростов-н/Д: РГУПС, 1989.

Приложение 1

Выемная часть трансформатора

Приложение 2

Общий вид трансформатора ТМ 250/10

Размещено на Allbest.ru

...