ГОУ ВПО
Дальневосточный государственный университет путей сообщения
Кафедра: “ЭТЭЭМ”
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
на тему: “Расчет силового трансформатора”
Хабаровск
2014
Содержание
Введение
Исходные данные
1. Определение основных электрических величин
1.1 Определение линейных и фазных токов и напряжений обмоток высшего напряжения (ВН) и низшего напряжения (НН)
1.2 Определение испытательных напряжений обмоток
1.3 Определение активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания
2. Расчет основных размеров трансформатора
2.1 Выбор схемы и конструкции сердечника
2.2 Выбор марки и толщины листов стали и типа междулистовой изоляции. Выбор величины магнитной индукции в сердечнике
2.3 Выбор материала обмоток
2.4 Выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток
2.5 Выбор коэффициента соотношения основных размеров трансформатора в
2.6 Расчет и выбор нормализованного диаметра стержня. Расчет высоты обмотки. Предварительный расчет сердечника
3. Расчет обмоток НН и ВН.
3.1 Выбор типа обмоток ВН и НН
3.2 Расчет обмотки НН
3.3 Расчет обмотки ВН
4. Определение характеристик короткого замыкания
4.1 Определение потерь короткого замыкания и проверка допустимого отклонения ±5%
4.2 Определение напряжения короткого замыкания и проверка допустимого отклонения ±5%
4.3 Определение механических сил в обмотках и сравнение с допустимыми значениями
5. Окончательный расчет магнитной системы. Определение характеристик холостого хода
5.1 Определение размеров пакетов и активных сечений стержня и ярма
5.2 Определение веса стержня и ярм и веса стали
5.3 Определение потерь холостого хода и проверка допустимого отклонения +7,5%
5.4 Определение тока холостого хода и проверка допустимого отклонения +15%
6. Тепловой расчет
6.1 Поверочный тепловой расчет обмоток
6.2 Определение превышения температуры обмоток над воздухом
Вывод
Список литературы
Введение
ток обмотка напряжение замыкание
Интенсивный рост энергосистем требует значительного повышения мощности и улучшения качества выпускаемых трансформаторов. Поэтому исключительное значение имеет вопрос о рациональном проектировании и производстве трансформаторов общего и специального назначения.
Целью данного курсового проекта является изучение основных методов расчета и конструктивной разработки электрической машины или трансформатора. В курсовом проекте производится расчет основных размеров трансформатора, расчет обмоток, определение характеристик холостого хода и короткого замыкания, расчет магнитной системы, а также тепловой расчет и расчет охладительной системы.
Исходные данные
|
Вариант |
Тип трансформатора |
Мощность S |
Напряжение |
Потери мощности |
UК |
i0 |
Схема соединения обмоток |
|||
|
Uвн |
Uнн |
PК |
РХ |
|||||||
|
кВА |
кВ |
кВ |
кВт |
кВт |
% |
% |
||||
|
29 |
25 |
0.38 |
0.23 |
0,56 |
0,14 |
4,5 |
4,8 |
Y/Yн – 0 |
1. Определение основных электрических величин
1.1 Определение линейных и фазных токов и напряжений обмоток ВН и НН
Мощность одной фазы трансформатора:
кВА.
Мощность на одном стержне:
кВА.
Номинальные (линейные) токи:
А – на стороне НН.
А – на стороне ВН.
Фазные токи:
А – на стороне НН.
А – на стороне ВН.
Фазные напряжения:
кВ – для обмотки НН.
кВ – для обмотки ВН.
1.2 Определение испытательных напряжений обмоток
Испытанное напряжение трансформатора определяем по табл.4.1.а [2]
Для обмотки НН (класс напряжения до 1 кВ) кВ.
Для обмотки ВН (класс напряжения до 1 кВ) кВ.
1.3 Определение активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания
Активная составляющая напряжения короткого замыкания:
Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:
2. Расчет основных размеров трансформатора
Рис.1. Схематическое изображение трансформатора и его основных размеров.
2.1 Выбор схемы и конструкции сердечника
Согласно указаниям § 2.3 [2], выбираем трехфазную стержневую шихтованную магнитную систему с косыми стыками в 4-х углах.
Рис. 2 Порядок сборки магнитной системы
Сечение стержня по табл.2.5 [2] выбираем с пятью ступенями, без прессующей пластины. Стержень следует прессовать расклиниванием с обмоткой, сечение стержня без каналов. Ориентировочный диаметр стержня 0,085-0,1 м, коэффициент .
2.2 Выбор марки и толщины листов стали и типа межлистовой изоляции. Выбор индукции в сердечнике
Согласно рекомендациям [2] выбираем марку стали и её параметры. Для изготовления магнитопровода принимаем рулонную холоднокатанную сталь марки 3404 с толщиной листов 0,35 мм с нагревостойким электроизоляционным покрытием. Коэффициент заполнения kЗ = 0,96.
Величину индукции принимаем BС = 1,6 Тл.
2.3 Выбор материала обмоток
В качестве материала для обмоток высшего напряжения принимаем медный обмоточный провод марки ПС, для обмотки нисшего напряжения принимаем провод марки ПСД.
2.4 Выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток
На рис.1. показана главная изоляция обмоток сухих трансформаторов.
Основные изоляционные расстояния главной изоляции выбранные согласно табл.4.5. и табл. 4.4. [2]:
для обмотки ВН: мм, мм, мм, мм- картон
для обмотки НН: мм, мм, – картон
2.5 Предварительный расчет трансформатора и выбор коэффициента соотношения основных размеров
Величина определяет соотношение между шириной и высотой трансформатора. По табл.5.1 [1] в соответствии с классом напряжения трансформатора и его мощностью, принимаем .
2.6 Определение диаметра стержня и высоты обмотки. Предварительный расчет сердечника
Первый основной размер трансформатора – диаметр стержня сердечника:
, см
где – коэффициент Роговского,
– частота, Гц
– коэффициент, определяемый по табл.3.3.[2]. .
– приведенная ширина канала рассеяния.
следовательно, см
– общий коэффициент заполнения активным сечением стали площади круга, .
Тогда диаметр стержня:
cм.
По данным таблицы 2.5 [2] для мощности 25кВА ориентировочный диаметр 0,09. Выбираем 0,09м.
Второй основной размер трансформатора – средний диаметр канала между обмотками:
, см
где – радиальный размер обмотки НН
– коэффициент, согласно указаниям [1] принимаем
см
Следовательно, диаметр канала между обмотками:
см.
Третий основной размер трансформатора – высота обмотки:
см.
Активное сечение стержня:
см2.
ЭДС одного витка:
В.
3. Расчет обмоток НН и ВН
3.1 Выбор типа обмоток НН и ВН
Ориентировочное сечение витка каждой обмотки определяется по формуле:
, ммІ
где – средняя плотность тока в обмотках ВН и НН.
, А/ммІ
-коэффициент, учитывающий наличие добавочных потерь, по табл.5.1.[1] до 100 кВт выбираем
Тогда А/мм2
Принимаем табличное значение А/мм
Ориентировочные сечения витков:
Для обмотки НН: мм2
Для обмотки ВН: мм2
По табл.5.6.[1] выбираем тип обмотки:
Для обмотки ВН – многослойную цилиндрическую обмотку из круглого провода. Для обмотки НН по табл.5.5.[1] – трехслойную цилиндрическую обмотку из прямоугольного провода.
3.2 Расчет обмотки НН
Число витков на одну фазу обмотки НН определяется:
Уточненная ЭДС одного витка:
В.
Действительная индукция в стержне:
Тл.
Cогласно указанию [1] по табл. 5,5 [1], выбираем провод:
Рисунок 3. Форма сечения витка обмотки НН
Толщина изоляции на 2 стороны: мм.
Размеры выбранных проводов:
см.
см.
см.
см.
мм2
Полное сечение витка:
мм2.
Полученная плотность тока:
А/мм2
Уточненный осевой размер витка:
см
Примем обмотку НН трехслойной. Тогда число витков в слое:
Принимаем = 27 витков.
Осевой размер обмотки:
см.
Радиальный размер обмотки
Внутренний диаметр обмотки:
см.
Наружный диаметр обмотки:
см.
Средний диаметр обмотки:
Поверхность охлаждения
м2.
с – число стержней, К=0,75 – коэффициент закрытых частей
3.3 Расчет обмотки ВН
Согласно ГОСТ 401- 41 обмотка ВН всех силовых сухих трансформаторов – трехфазных должна выполняться с четырьмя ответвлениями: одно на +2% , второе на +2,5%, третье на -2% и четвертое на -2,5% от номинального напряжения ([1]). Схема регулирования приведена на рис.1.
Число витков при номинальном напряжении:
витков.
Округляем: витков
Обычно ступени регулирования напряжения делаются равными между собой, что обуславливает равенство числа витков на стержнях.
Напряжение между двумя отводами:
В.
Число витков на одну ступень регулирования:
витков.
Число витков в первой верхней ступени:
витков.
Число витков во второй верхней ступени:
витков
Число витков при номинальном напряжении:
витка.
Число витков в первой нижней ступени:
витков.
Число витков во второй нижней ступени:
витков.
Плотность тока в обмотке ВН предварительно определяется:
А/мм2.
Сечение витка обмотки ВН предварительно:
мм2.
Согласно указаниям [1] по табл. 5.6, выбираем провод:
Принимаем большее из стандартного
Полное сечение витка: мм2.
Диаметр провода без изоляции: см.
Диаметр провода с изоляцией: см.
Плотность тока в обмотке:
А/мм2.
Число витков в слое:
витков.
Округляем: витка.
Число слоев в обмотке:
слоя.
Рабочее напряжение двух слоев обмотки:
В.
Толщина междуслойной изоляции:
мм.
Радиальный размер обмотки для двух катушек без экрана:
см.
Внутренний диаметр обмотки:
см.
Наружный диаметр обмотки:см.
Осевой размер обмотки ВН принимается равным ранее определенному осевому размеру обмотки НН:
см.
Для обмотки, состоящей из двух катушек с осевым каналом между ними, внутренняя катушка намотана непосредственно на цилиндр, – три поверхности охлаждения (коэффициент К = 0,83):
м2.
4. Определение характеристик короткого замыкания
4.1 Определение потерь короткого замыкания
а) Определение электрических потерь в обмотках.
Средние диаметры обмоток:
– обмотки НН: см.
– обмотки ВН: см.
Вес провода для обмоток ВН и НН рассчитываем по формуле (для медного провода):
, кг
– обмотка НН: кг
– обмотка ВН:
кг
Электрические потери в обмотках:
– в обмотке НН: Вт.
– в обмотке ВН: Вт.
б) Определение добавочных потерь.
Коэффициент добавочных потерь:
Для медного прямоугольного провода при (обмотка НН):
, где
коэффициент
Следовательно,
Для круглого провода при (обмотка ВН):
где коэффициент
Следовательно,
в) Определение электрических потерь в отводах.
Длина отводов приближенно определяется:
Для НН (соединение Y): см.
Для ВН (соединение Y): см.
Вес металла отводов:
Для НН: кг.
Для ВН: кг.
где г = 8,9 кг/дм3 – удельный вес металла отводов.
Электрические потери в отводах:
Вт.
Вт.
г) Определение потерь в стальных деталях трансформатора.
Вт
где К – коэффициент, принимаем К = 0,01
д) Определение полных потерь короткого замыкания.
Полные потери к. з.:
Вт
Соотношение полученной и заданной мощности:
4.2 Определение напряжения короткого замыкания
Активная составляющая напряжения короткого замыкания:
Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:
, %
где – ширина приведенного канала рассеяния: принимаем
см.
Уточняем диаметр канала между обмотками
, см
см.
тогда реактивная составляющая:
Напряжение короткого замыкания:
Проверка отклонения полученного значения uK от заданного:
4.3 Определение механических сил в обмотках
Так как мощность трансформатора меньше 1000 кВА, то согласно [1], определяем действующее значение установившегося тока короткого замыкания основного ответвления обмоток НН и ВН по формуле:
А.
А
Соотношение , следовательно, по табл. 7.3. [2] определим коэффициент , учитывающий максимально возможную апериодическую составляющую тока короткого замыкания:
Мгновенное максимальное значение тока короткого замыкания:
А.
А.
Радиальная сила:
кН
Среднее сжимающее напряжение в проводе обмотки НН:
МПа.
Среднее растягивающее напряжение в проводе обмотки ВН:
МПа.
Осевые силы в обмотках:
l1= l2, поэтому
Рисунок 6. По рис. 7.11 [2] Распределение сжимающих сил.
При определении напряжения сжатия от радиальной силы находится сила, сжимающая внутреннюю обмотку, условно рассматриваемая как статическая,
. (7.48) [2]
Температура обмотки через после возникновения короткого замыкания:
, °С
где – наибольшая продолжительность к. з., в соответствии с указаниями [2], принимаем с.
– начальная температура обмотки, °С
Следовательно,
По табл. 7.6 [2] допустимая температура .
5. Окончательный расчет магнитной системы. Определение характеристик холостого хода
5.1 Определение размеров пакетов и активных сечений стержня и ярма
Принята конструкция трёхфазной плоской шихтованной магнитной системы, собираемой из пластин холоднокатаной стали марки 3405, толщиной 0,35 мм. Стержни магнитной системы скрепляются без прессующей пластины с прессовкой стержня обмоткой без бандажей. Размеры пакетов выбраны по табл. 8.1[1] для стержня диаметром 0,09 м. Число ступеней в сечении стержня 5 в сечении ярма 4.
Размеры пакетов в сечении стержня и ярма по табл. 8.1 [1], 8.2[2]
|
№ пакета |
Стержень, мм |
Ярмо, мм |
|
|
1 |
85х15 |
85х15 |
|
|
2 |
75х10 |
75х10 |
|
|
3 |
65х6 |
65х6 |
|
|
4 |
55х4 |
55х4 |
|
|
5 |
40х5 |
Рисунок 7. Ступенчатая форма ярма.
Общая толщина пакетов стержня (ширина ярма) – м. Площадь ступенчатой фигуры сечения стержня по таблице 8.6.[2]:
см2 м2
Площадь сечения ярма:
см2 м2
Объем угла магнитной системы:
см3 м3
Активное сечение стержня:
м2.
Активное сечение ярма:
м2.
Объем стали угла магнитной системы:
Vм
5.2 Определение веса стержня и ярм и веса стали
Число каналов ;cm
Высота ярма
Длина стержня магнитной системы:
см.
расстояние от обмотки до верхнего и нижнего ярма.
Расстояние между осями стержней:
см.
где – расстояние между обмотками стержня, по табл. 4.5. [2], мм
Масса стали угла магнитной системы:
кг.
кг/м3 – плотность трансформаторной стали
Масса частей ярм, заключенных между осями крайних стержней:
кг.
Масса стали в частях ярм в углах:
кг.
Полная масса стали ярм:
кг.
Рисунок 8. К определению размеров сердечника
Масса стали стержней в пределах окна магнитной системы:
кг.
Масса стали в местах стыка пакетов стержня и ярма:
кг.
Общая масса стали стержней:
кг.
Общая масса стали плоской магнитной системы:
кг.
5.3 Определение потерь холостого хода
Индукция в стержне:
Тл.
Индукция в ярме:
Тл.
Индукция на косом стыке:
Тл.
Площадь сечения стержня на косом стыке:
м2.
Удельные потери для стали стержней, ярм и стыков по табл. 8.10 [2] для стали марки 3404 толщиной 0,35 мм при шихтовке в две пластины:
при Тл, Вт/кг, Вт/м2;
при Тл, Вт/кг, Вт/м2;
при Тл, Вт/м2.
Для плоской магнитной системы с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на среднем стержне, с многоступенчатым ярмом, без отверстия для шпилек, с отжигом пластин после резки стали, и удаления заусенцев для определения потерь холостого хода применим выражение:
, Вт
где – коэффициент добавочных потерь, по табл. 8.14 [2],
– коэффициент увеличения потерь в углах, по табл. 8.13 [2],
Тогда потери холостого хода:
В процентах от заданного значения:
5.4 Определение тока холостого хода
По таблице 8.17 [2] находим намагничивающие мощности:
при Тл, ВА/кг, ВА/м2;
при Тл, ВА/кг, ВА/м2;
при Тл, Вт/м2.
Для принятой конструкции магнитной системы и технологии ее изготовления намагничивающую мощность рассчитаем по формуле:
где коэффициенты (§ 8.3 [2])
(§ 8.3 [2])
(по табл. 8.21 [2])
(по табл. 8.20 [2])
Следовательно, намагничивающая мощность:
Вар
Ток холостого хода:
Активная составляющая тока холостого хода:
Реактивная составляющая тока холостого хода:
Коэффициент полезного действия трансформатора:
6. Тепловой расчет
6.1 Поверочный тепловой расчет обмоток
Внутренний перепад температуры:
обмотка НН (прямоугольный провод):
, °С
где – толщина изоляции на одну сторону, см -теплопроводность изоляции провода, по табл.11.1 [2] Вт/см °С
– плотность теплового потока на поверхности обмотки:
Вт/мІ
Тогда
°С
Потери, выделяющиеся в 1 см3 общего объема обмотки:
Средняя теплопроводность обмотки:
, Вт/см °С
где – средняя условная теплопроводность обмотки без учета междуслойной изоляции:
Вт/см °С
Следовательно Вт/см °С
Полный внутренний перепад температуры в обмотке ВН (круглый провод): не имеющих горизонтальных охлаждающих каналов.
Потери, выделяющиеся в 1 см3 общего объема обмотки:
Вт/см3
Средняя теплопроводность обмотки:
Вт/см °С
Вт/см °С
°С
Средний перепад температуры составляет 2/3 от полного перепада:
°С
°С
Для цилиндрических обмоток из прямоугольного и круглого провода, не имеющих радиальных каналов, перепад на поверхности обмотки:
Для обмотки НН:
°С
Вт/мІ
где – по табл. 10.2 [1],
Для обмотки ВН:
Вт/мІ
следовательно, по табл. 10.2 [1],
°С
Рассчитаем среднее превышение температуры обмоток над средней температурой воздуха:
°С
°С
Вывод
Знания основ проектирования электрических машин и трансформаторов необходимо инженерам – электромеханикам, эксплуатирующим энергетические установки и электропривод. Они должны знать, как проектируются электрические машины и как могут быть получены наиболее высокие их характеристики. Эти знания помогут в сознательной эксплуатации и модернизации существующих энергетических установок.
Интенсивный рост энергосистем требует дальнейшего повышения мощности и улучшения качества выпускаемых трансформаторов. Поэтому важное значение имеет вопрос о рациональном проектировании и производстве трансформаторов общего и специального назначения.
Целью курсового проектирования являются изучение студентами основных методов расчета и конструктивной разработки электрической машины или трансформатора. Курсовой проект является комплексной работой, которая требует понимания связей между показателями машин и ее размерами.
Список литературы
Сечин В.И.. Расчет силовых трансформаторов. Учебное пособие.- Хабаровск: ДВГУПС, 1993.
Тихомиров П.М.. Расчет трансформаторов.-М: Энергоатомиздат, 1986.
